石灰是碱性炼钢的造渣材料,主要成分是CaO。它是脱硫、脱磷、脱氧提高钢液纯净度和减少热损失不可缺少的材料。为使石灰快速熔化和快速成渣,石灰应具有较高的反应能力。由于石灰石在转炉内分解吸热,炼钢用石灰一般要经轻烧后使用。

    活性度是造渣用石灰的一个重要指标,轻烧石灰的活性度与石灰的化学组成、石灰的岩相结构和煅烧工艺条件有关,其中化学组成和岩相结构是影响煅烧石灰活性度的内在条件,而煅烧工艺条件是影响煅烧石灰活性度的外在条件。由于产地不同和成矿条件的差异使得石灰化学组成存在差异,特别是伴生的杂质矿物组成和含量不同对煅烧石灰的活性度和后续使用存在一定影响。成矿条件影响石灰岩相组成、分布和晶粒大小,从而影响轻烧石灰的活性度。这些均为影响煅烧石灰的内在条件。

    煅烧条件是在石灰煅烧过程中所采用的工艺条件,包括:煅烧温度、保温时间、升温速度和煅烧石灰石的粒度等。这些条件可以通过研究掌握其影响规律,从而可以根据要求调整煅烧工艺条件,以获得我们所需产品。本文主要研究外在条件对煅烧石灰活性度的影响。为了解释不同产地石灰石在同等条件下煅烧活性度的差异,从石灰石原矿的显微结构和产物的显微结构予以解释。

    实验选用3种不同产地石灰进行研究,分别用产地A、B和C表示。轻烧实验在箱式电阻炉中进行,升温速度为5℃·min-1,升至相应温度进行保温,达到保温时间后自然降温。

    在保温时间为90min下,研究了煅烧温度对轻烧石灰活性度的影响,煅烧温度分别为950℃、1000℃、1050℃、1100℃、1150℃和1200℃。在1050℃和1100℃下研究了保温时间对轻烧石灰活性度的影响,保温时间分别为30min、60min、90min和120min。

    轻烧后的石灰迅速冷却,并制成粒径小于10mm的样品,每次取50g,放入1000mL蒸馏水中,以酚酞为指示剂,在电动搅拌机的搅拌下,用浓度为4N的盐酸进行滴定,直到10min内红色消失,盐酸消耗总体积数(mL)即为石灰的活性度。煅烧前后试样显微结构采用型号为VEGATS5136XM的扫描电子显微镜进行观察。

    2.1煅烧温度对轻烧石灰活性度的影响

    表1示出煅烧温度对3种不同产地石灰石轻烧后石灰活性度的影响,保温时间均为90min。由表1可以看出,3种石灰石轻烧后石灰的活性度均呈现先增高,到达最高值后,活性度降低。

    产地A石灰,在1000℃下轻烧,活性度达到最高值,而石灰石B和C均在1050℃达到最高值,两种石灰活性度随轻烧温度变化趋势稍有不同,

    石灰石B从950℃至1050℃轻烧,活性度保持较高值,超过1050℃,活性度降低较快。

    而石灰石C活性度随煅烧温度变化较为缓慢,在1000~1100℃保持较高的活性度值。

    为此可以认为石灰石C具有较宽的煅烧温度范围,温度波动对轻烧后石灰活性度影响较小,使得煅烧工艺过程较易控制。在相同的煅烧制度下不同石灰轻烧后活性度的差异取决于石灰的内在条件,也就是其组成和结构,在后面将从显微结构予以解释。

表1煅烧温度对轻烧石灰活性度的影响

    2.2保温时间对轻烧石灰活性度的影响

    表2示出在两个煅烧温度下煅烧时间对3种石灰石样品煅烧产物活性度的影响。由表2可以看出,在1050℃煅烧90min,轻烧石灰石活性度较高;而在1100℃下煅烧,同一种石灰石在较短时间煅烧活性度也较高。煅烧温度和保温时间对石灰的活性度影响很大。在石灰石煅烧过程中,首先CaCO3发生分解,但同时伴随着CaO的再结晶和晶体生长。热量传输影响这两个过程的进行。当煅烧温度偏低时,温度梯度小,热量向中心的传输速度慢。在这种情况下,如果保温时间短,中心不易达到CaCO3的分解温度,CaCO3的分解不完全,会出现未烧透的现象,此时石灰活性度较低。当温度较高时,温度梯度大,中心易达到较高温度,CaCO3分解迅速,与此同时,CaO的再结晶和晶体的生长速度也较快。在这种情况下,如果保温时间过长,CaO晶体发育较完全,易形成较大晶粒的CaO,使活性氧化钙向非活性氧化钙转化,导致石灰的活性度降低。由表2可以看出,石灰石C在1050℃和1100℃两个煅烧温度下,石灰活性度随煅烧时间的变化不大,均保持较高的活性度,其对保温时间不敏感,而石灰石B随保温时间的变化,其活性度变化较快,对保温时间较为敏感。由表2和上面的讨论可以看出,对于同一种石灰石煅烧时,为了获得较高的活性度,可以选择较低的轻烧温度和较长的保温时间;或者选择较高的轻烧温度及较短的保温时间。由于原料产地不同,石灰石煅烧产物的活性度对保温时间的敏感程度也不同,为此在组织石灰石轻烧生产过程中,应根据产地不同来调整轻烧工艺制度。

表2保温时间对轻烧石灰活性度的影响

    2.3原料粒度对轻烧石灰活性度的影响

    表3示出了在1050℃保温90min条件下,3种石灰石原料粒度对煅烧产物活性度的影响。由表3可以看出,3个产地石灰石大颗粒煅烧产物活性度高于小颗粒煅烧产物。在该煅烧条件下小颗粒煅烧产物活性度降低可能是由于小颗粒煅烧产物出现过烧,使得产物晶粒增大,气孔率降低,从而影响石灰的活性度。随着煅烧温度和煅烧时间的变化,可能产生不同的结果.

表3  石灰石粒度对轻烧石灰活性度的影响

    2.4石灰石原矿显微结构对轻烧石灰活性度的影响

    图1示出了3种石灰石原矿的显微结构。由图1可以看出,石灰石A和B晶粒较细小,石灰石B晶粒较为均匀;而石灰石A晶粒细小,但不均匀,存在较大尺寸晶粒。石灰石C晶粒较为粗大,大晶粒中间嵌有较小晶粒。石灰石C的晶粒比石灰石A和B大得多。从断口形貌可以看出,石灰石晶粒尺寸C>B>A。

图1  3种石灰石原矿的显微结构

    图2示出了3种石灰石在1050℃保温90min轻烧后石灰的显微结构。由图2可见,石灰石A煅烧产物晶粒之间烧结严重,使得试样气孔率降低,比表面积减小,活性度降低。石灰石B轻烧产物晶粒细小,晶粒之间烧结较轻,比表面积大,活性度高。石灰石C轻烧产物晶粒细小,但晶粒之间由烧结而产生一定粘连,粘连晶粒之间,存在一定孔洞。根据1050℃保温90min轻烧后石灰的活性度数据可以看出,晶粒之间烧结较好,产生较多粘连的轻烧石灰,活性度较低;而晶粒细小,晶粒之间烧结较轻,其活性度较高。

图2 3种石灰石轻烧后的显微结构(1050℃,90min)

    由上述实验和分析结果可以看出,石灰石原矿晶粒大小对轻烧石灰活性度有一定影响,但并没有晶粒尺寸和轻烧后产品活性度简单的对应关系,为此不能认为,原矿晶粒尺寸大,轻烧产物活性度就低;原矿晶粒尺寸小,轻烧产物活性度就高。因为轻烧石灰活性度除了与晶粒尺寸有关外,还与烧结程度有关,烧结程度与晶粒尺寸、杂质浓度、杂质分布等因素也有关。