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什么是活性石灰

作者:鑫邦工程网址:http://www.xianxinbang.cn

一、石灰

所谓石灰:是煅烧天然碳酸钙的产品,呈白色,由(CaO)和一些杂质组成。,与水结合能够迅速分解(反应)并释放出热量的物质。

石灰与水发生反应,生成Ca(OH)2(氢氧化钙)。也常被称之为消石灰或熟石灰。

其化学反应式为:CaO+H2O=Ca(OH)2

这时,若将Ca(OH)2(氢氧化钙)加热至580℃以上时,Ca(OH)2(氢氧化钙)即可发生化学反应,放出水份。又能生成CaO(氧化钙)。

即:Ca(OH)2=CaO+H2O↑。

石灰按种类划分:有普通石灰、高镁冶金石灰(白云石)、活性石灰三大类。而用于区别它们的主要指标是:CaO、MgO的含量和活性度指数。

名    称

CaO  %

MgO  %

活性度  ml

普 通 石 灰

≥ 80

≤ 5

≥ 180

高 镁 石 灰

≥ 81

5 — 12

≥ 180

活 性 石 灰

≥ 90

≤ 0.7

≥ 300

       

石灰的用途是非常广泛的。常见于建筑、建材、冶金、化工、轻工、环保、医药和农业等众多领域。特别是在炼钢、炼铁、烧结、铜、铝冶炼等行业中,将石灰作为造渣剂、溶解剂或烧结材料等方面,它都发挥出了非常重要的作用。

石灰在被广泛使用的众多领域中,冶金(冶炼)工业对石灰的需求量是最大的,而将石灰用于炼钢的消耗量又是最多的。

铁,是一种用途非常广泛的金属材料。但是,由于铁中所具有的碳含量较高,硫、磷、硅等杂质较多的特点,在使用中,这一特点在很大程度上影响了材质的性能、性质。由此,便产生了铁在使用中的有限性和局限性的问题。

为了适应和满足对金属材料的使用要求,就要得到一种性能优于铁的金属材料。这时,就必须要改善铁的性质。为此,便产生了将铁回炉经过再次高温冶炼,同时加入新的元素原料,也就是所谓的炼钢。由于冶炼工艺的不同,铁被炼制成了性能各异的钢。在这个冶炼过程中,将铁转化为钢的基本冶炼过程包括:

a 将铁中的碳含量调节降低到要求的范围内。

b 除去金属中的非金属物质(硅、碳等)和有害气体。

c 除去金属中的有害元素(硫、磷等),达到规定的要求。

d 加入产品所需的合金,改变成分结构。

e 提高冶炼温度,改变金属性质并能顺利完成浇铸。

在将铁向钢转化的冶炼过程中,当铁水中的硅含量超过规定值(>5 %)时,钢的强度可能被增加了,但又可能会失去可轧制性。这时,若在含碳量过高的钢中再提高硅的含量时,则又会增加钢的脆性。所以说,铁水中的非金属物质对钢产品质量的影响是很大的,在冶炼过程中必须要有严格的含量规定。

在由铁向各种材质的钢转化冶炼的过程中,供氧、供热和加入熔剂是达到清除杂质的重要手段。供氧、供热就是使钢中的非金属杂质氧化,其中硅氧化后,便增加了钢中的渣量(二氧化硅量)。这时,若要把二氧化硅从钢水中除去,就需要向钢水中添加一种熔剂——石灰或石灰石。

二、活性石灰

利用转炉吹氧炼钢工艺的全过程,一般在20~30分钟内完成。强烈的脱S(硫)脱P(磷)反应是在有石灰存在时,而如何保证石灰能够在较短的时间内(15分钟左右)与钢水混合,快速并完全熔解。这时,就需要有高反应性能的石灰——活性石灰的存在。

在炼钢过程中,钢水中会因不同物质的存在产生出其它的有害物质,这就是通常所说的钢渣。为了得到所需要的钢和保证钢的质量,在冶炼时就必须要除去钢渣,也就是除渣或造渣。

如何造渣,如果在钢水中加入硅酸盐造渣,硅酸盐则会在一方面造渣的同时,另一方面又增加渣量,加重了除渣的负担。

如果在钢水中加入莹石,在造渣的过程中,莹石本身还会增加渣量,而且,莹石还会严重地侵蚀炉衬。

如果在钢水中加入石灰石作造渣剂时,它的作用会远远地好于硅酸盐或莹石。但是,当石灰石在遇到高温时,石灰石本身便会首先开始发生吸热反应。而这个吸热分解反应的过程会需要大量的热量,并且还要经过一定的时间。这时,就会出现热量分配使用上的混乱。造成碳酸钙分解反应在前,造渣过程被滞后,或者是失去了造渣时间的后果。

与此同时,石灰石的分解是需要大量的热量的,而钢水的冷却速度又比较快。这时,在钢的冶炼过程中,就会出现热量短缺,就必须不断地提供补充热量来保证温度。这无疑会延长了钢的冶炼时间,降低了造渣质量,同时亦增大了原材料的消耗。

为此,随着冶炼技术的发展,在炼钢过程中,由于对造渣剂提出了便于使用上的要求,因此而出现了将石灰石先经过煅烧,使碳酸钙经过高温分解生成氧化钙,也就是通常所说的石灰。这时,将石灰再用于炼钢造渣时,其造渣的效果便非同一般了。

随着冶炼技术和钢的品种质量的要求的不断提高,对石灰产品在钢水中的熔解速度也有了“快速”的要求。其目的是较快地提高成渣速度,较早地形成高碱度炉渣。这时,便出现了活性石灰。

理论概念中的活性石灰,是一种化学性能活泼、参与反应能力较强、含S(硫)、P(磷)等有害杂质少。具有以下主要特点:

——体积密度小:1.5 —1.7 g∕cm3

——气孔率高:≥50 %

——比表面积大:1.5—2.0 m2∕g

——反应性能强:活性度 >300ml

同时,它还具有:CaO结晶体细小:≤1 wm,CaO含量高:≥90 %,S、P含量低:<0.02 %和痕迹,SiO2+Fe2O3+Al2O3含量低:<2 %,残留CO2低: ≤2 %等特性的轻烧石灰。

活性石灰在炼钢中的用途是:它与钢水混合后,具有较快的成渣(造渣)速度和提高脱S(硫)脱P(磷)效率。

其脱S硫脱P磷的化学反应方程式为:

脱S :FeS + CaO = FeO + CaS

脱P :2P + 3CaO + 5FeO = 3CaO·P2O5 + 5Fe

活性石灰在用于转炉炼钢的过程中同时还具有:可缩短冶炼时间,提高炉龄,降低原材料单耗,提高产量、质量降低成本,操作稳定,有利于冶炼自动化等优点。

活性石灰的次产品——熟小粒、除尘粉,也已随着工业技术的发展,逐渐在烧结制品、耐材制品等很多行业中得到了广泛的应用。

活性石灰产品是一种经过高温煅烧后而获得的。它经过煅烧后的实际特征一般表现为:它是一种颗粒状,具有一定粒度,表面清洁,质地疏松,色泽洁白,重量轻,生心小,含热少,散热冷却快,遇水反应强烈,有几乎爆炸反应的轻(软)烧石灰。

根据煅烧程度的不同,石灰的种类一般可分为:轻(软)烧石灰,硬烧石灰和死烧石灰。

轻(软)烧石灰是指:石灰在经过煅烧分解的瞬间,具备了所谓的活性性能。

这时,若将已完成了分解的石灰,在高温下延长煅烧时间,它的细小晶粒会逐渐熔合,总体积产生收缩,性质发生变化,成为硬烧石灰。如果将这种石灰再进一步地煅烧,其活性性能便会消失,水化反应速度变得极低,成为死烧石灰。

在石灰的理念中,用于区别它们之间不同性质的、最为明显的方法是活性度的不同。

a 轻烧石灰:一般310 ml

b 硬烧石灰:≥250~300 ml

c 死烧石灰:则一般≤100 ml。

在认识石灰的理念中,用于能够反映石灰物理性质的内容主要有:石灰的颜色、晶体结构、组织、气味、空隙率、容重、比重、假比重、熔点、沸点、导热率、比热、发光、电阻、硬度、膨胀系数、折射率、安息角等。

而在它们之间,用来区别它们不同性能的重要指标还在于主要化学成份的不同。

1 活性石灰理化指标:

指标

等级

化    学    成     份 %

活性度

CaO %

SiO2

S %

灼碱%

P %

MgO%

4NHCl / ml

40±1

特级品

≥92.0

≤1.5

≤0.020

≤2

痕迹

<5.0

≥360

一级品

≥90.0

≤2.0

≤0.030

≤4

≤0.02

≥320

二级品

≥88.0

≤2.5

≤0.050

≤5

≤0.03

≥280

三级品

≥85.0

≤3.5

≤0.100

≤7

≤0.03

≥250

四级品

≥85.0

≤5.0

≤0.100

≤7


≥180

   

2 镁质冶金石灰理化指标:


指标

等级

化    学    成     份 %

活性度

CaO+MgO%

MgO

SiO2

S

灼碱%

4NHCl / ml

40±1

特级品

≥93.0

≥5.0

≤1.5

≤0.025

≤2

≥360

一级品

≥91.0

≤2.5

≤0.050

≤4

≥280

二级品

≥86.0

≤3.5

≤0.100

≤6

≥230

三级品

≥810

≤5.0

≤0.200

≤8

≥200

3 活性石灰粒度组成:                    

用      途

粒 度 范 围

允  许  波  动  范  围

转      炉

造      渣

mm

< 5 mm

> 40 mm

5 — 40

≤10 %

≤10 %


三、活性石灰质量要求

1、粒度

针对活性石灰的粒度要求,对回转窑的煅烧过程而言,是为了保证在稳定的温度环境下,避免因石灰石颗粒大小不均,级差过大,受热不均而产生欠烧或过烧。防止石灰石在容器内堆积停留的过程中因粒度不均而产生透气程度不均或导致气流行走不畅。

对转炉炼钢而言,对活性石灰的粒度要求,是为了保证在有时间要求的炼钢过程中的造渣速度和效果。如果石灰的粒度过大,会导致石灰颗粒与钢水的反应时间被加长,使造渣速度减慢而影响造渣效果。反之,若石灰的粒度过小时,则在炼钢时易引起颗粒或粉尘飞溅而恶化操作环境。

2、活性

所谓活性,是指石灰与水的反应能力。

活性度是指:将一定数量、一定粒度范围的石灰,与具有一定温度和一定量的水混合后,石灰与水进行溶解反应的速度。它代表了石灰在钢水中与其他物质(杂质)发生反应的能力。因为,要直接地测出石灰在造渣过程中与钢水的反应速度是非常困难的。

同时,它又能够通过检测活性度的高低来判断石灰的煅烧质量并指导生产。由此,便产生了对煅烧后的石灰产品进行活性度检测的要求。

对活性石灰的质量或活性度的检测方法很多。其中,常以盐酸滴定法为主。而在煅烧过程中,采用水化对比法、水化称重法和取样敲样法判断,分析石灰的煅烧质量则是比较快捷实用的。例如:

1)、滴定法

取出窑后石灰试样若干,破碎,用1mm孔径筛过筛,再用5mm孔径筛过筛,选取1~5 mm粒度的石灰50克,放入40±1 ℃、2000 ml的水中溶解并搅拌,在溶液中滴加酚酞作指示剂,以4N HCl(4克当量的盐酸)做滴定剂,滴定5 —10分钟。

这时,达到滴定终点的HCl体积消耗数(ml),即为所测石灰试样的活性度。根据理论计算方式对石灰的测算结果表明,纯态活性CaO的活性度最高指数为446ml 。

       其纯态活性CaO的理论活性度的测算方式如下:

分子量:Ca = 40.08  O = 16.00   H = 1.008  Cl = 35.45

解:由活性石灰CaO的活性度检测方法——粗颗粒滴定法可知,

CaO + H2O = Ca(OH)2                  (1)

       Ca(OH)2 + 2HCl = CaCl 2 + 2 H2O         (2)

      (1)+(2)得CaO + 2 HCl = CaCl 2 + H2O   (3)

56.08   72.92

                  50      X

       X = 50×72.92 / 56.08 = 65.01

因为:1升4 N的HCl溶液里含有145.84克HCl

所以:65.01克HCl可制得4N HCl溶液

65.01÷145.84×1000 = 445.79 ≈ 446 ml

2)、水化称重法

在无化学试剂的条件下:

a、取石灰试样若干称重,记重为g 1

b、将称重后的试样溶干水中,让其充分消化。

c、过滤石灰水,收得不溶残渣,烘干称重,记为g 2

d、算出反应消化部份:g 1-g 2 = g 3

e、算出石灰分解率(g 3÷g 1)×100 %,可基本反映出石灰的煅烧质量。

3)、水化对比法

取出窑石灰熟料若干冷却后,置于容器中,加水溶解后,将石灰溶液及残渣倒入筛网内,用水洗去石灰残液,观察残渣颗粒的大小与所取的石灰熟料量进行对比来判断煅烧质量。

4)、取样敲样法

取出窑石灰若干,就地冷却时,观察外观,石灰颗粒含热量颜色发红但不刺眼。石灰颗粒表面质地清洁,色泽洁白。颗粒重量轻。用手锤敲击石灰颗粒,质地疏松易破碎,内含生心明显但体积较小。

3、SiO2(二氧化硅)

高CaO和低SiO2是完成炼钢过程造渣的基本要求和保证。造渣的目的是脱去钢水的S和P,特别是脱去S,而渣的碱度是用CaO 与 SiO2的比值来表示的,较高的SiO2会破坏石灰的表面结构,影响造渣速度和效果。

      在石灰的煅烧过程中,纯SiO2的熔点可高达1713℃,但是,在700~800℃时,SiO2便会以固态形式与CaO之间发生次生反应,随着反应的进行,可依次生成CaO·SiO2(偏硅酸钙),3CaO·2 SiO2 (硅钙石),2CaO·SiO2 (硅酸二钙)和3 CaO·SiO2 (三硅酸钙),这些产物对石灰的影响是导致活性的降低。

4 S(硫)P(磷)

    转炉炼钢时,用活性石灰造高碱度渣的目的,主要是要脱去钢水中的硫和磷。

      钢产品中有含量过高的P磷存在时,会使钢在常温下的冷脆性增大(即P>0.13时)。也就是造成钢的龟裂。

      当钢产品中的硫含量过高时,它能明显地破坏钢的焊接性能,降低钢的冲击韧性,特别是使钢在加热轧制或铸造时产生裂纹,即“热脆”。并能明显地降低钢的抗腐蚀性(锈蚀)和耐磨性。所以说,硫对钢产品的危害性具有“白蚁”之称。

由于石灰具有与硫化合的特性,特别是石灰在高温状态时,石灰吸收硫的能力特别强。所以说,石灰对脱去钢中硫的作用是非常大的。

但是,因石灰石的本身存在着受到原料、燃料本身含硫量和高温煅烧因素的影响,由石灰石生成的石灰本身亦会含有不同程度的硫、磷等成分,为此,对石灰本身的硫、磷含量是有低值要求的。而对它的前者石灰石(原料)和燃料的低硫磷含量也是有低值要求的。

5、残留CO2 (二氧化碳)

所谓残留CO2,实际上就是指石灰颗粒中,没有烧透的生心或夹心,既没有完全分解的石灰内层残留。CO2在石灰中的含量高低,主要是通过煅烧来控制。它对石灰的质量和炼钢的效果,都具有很大的影响。

a、生心小或无生心:石灰颗粒表面易烧结而产生过烧,活性的特点会被破坏。

b 生心过大:无疑对石灰的有效分解产生影响,造成石灰特点形成不够,降低活性度。

c、炼钢过程中,如果残留CO2过高,会影响废钢的用量,增加热耗,降低石灰利用率,同时也难以控制泡沫渣和喷溅。

因此,在严格控制石灰煅烧程度的同时,也应该注意对煅烧后的石灰产品做好贮存运输过程的防水化工作,降低粉化率。

d、CO2含量换算:

      石灰石被加热分解的反应是排除CO2的反应,根据CaCO3分解方程式的结果表明。当CaCO3 = 100,CaO = 56,CO2 = 44时。

      100÷44 = 2.272

     当生产kg单位的CaO需要CaCO3为1.785 kg时,

      1.785÷2.272 = 0.79 m3

      0.79÷1.97 = 0.4 Nm3 / kg

由此可以得知:当生产kg单位的CaO需要CaCO3为1.785 kg时,所产生的CO2量为0.4 Nm3

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