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石灰回转窑设备技术参数及选型方法研究第1章绪论1第1章绪论1.1活性石灰概述石灰作为一种基础原料，在工业生产中占有一定的比重。通常所说的石灰是指石灰石在高温煅烧下放出CO2气体以后得到的以CaO为主要成份的产物。石灰按照其活性度(availabilityoflime)的大小可分为活性石灰和普通石灰。石灰的活性度是指熔渣中与其它物质的反应能力，用石灰在熔渣中的熔化速度来表示。由于直接测定石灰在熔渣中的熔化速度(热活性)比较困难，通常采用酸碱滴定法测定，石灰的活性大小是表征水化反应速度的一个指标，是指在充足时间内，是以中和生石灰消化时产生的Ca(OH)2所消耗的4mol/L盐酸的毫升数来表示[1,2]。一般石灰的活性度平均值超过300ml/4N-HCl(4NHCl·40±1°C，10min盐酸滴定值)，被称为活性石灰。活性石灰与普通石灰的主要成份都是CaO，但活性石灰CaO的含量高达85%以上，是一种性能活泼、反应能力强、含硫量低的优质石灰，具有体积密度小、气孔率高(50%左右)、比表面积大(1.5~2.0㎡/g)、氧化钙的矿物结晶细小(一般为1~3µm)等特性，SiO2+Fe2O3+AL2O3等杂质含量小于2%，残余CO2含量一般不超过2%，甚至有的石灰的活性度最高能达到420ml以上。活性石灰又称软烧石灰，其外观呈现乳白色的块状物，当含有杂质时，呈灰色、淡黄色或褐色[2,3]。生产活性石灰所用的原料石灰石是一种天然的矿物，不是一种纯净的物质，由CaCO3、MgCO3、SiO2、K2O、Al2O3、FeO3、P、S、Na2O等物质组成。其矿物组成以方解石(CaCO3)为主，有些也有白云石共生。石灰组成中有游离CaO和结合CaO，游离氧化钙中又分活性氧化钙和非活性氧化钙。非活性氧化钙在普通消解条件下，不能同水发生反应，但是有可能转化为活性氧化钙，如磨细后。而活性氧化钙则是在普通消解条件下，能同水发生反应的那部分游离氧化钙。结合氧化钙是不可回复的，故不能称为非活性氧化钙。石灰的活性主要取决于活性氧化钙的质量分数。石灰石的锻烧是石灰石菱形晶格结构重新结晶转化为石灰的立方晶格结构的变化过程。其变化所得到的晶体结构与形成新晶核的速度和它的生长速度有关。当前者大于后者时，所得到的为细粒晶体，其活性氧化钙分子数量多;反之，所得为低表面能的粗粒晶体，其活性氧化钙分子数量少。石灰石在低温下锻烧，所得到的为细粒晶体结构的石灰即活性石灰[5,6]。活性石灰河南科技大学硕士学位论文2的质量指标主要有两个，一是化学成份，有效CaO含量要高，杂质成分SiO2、P、S等含量要低。另一个是石灰的活性度要高。活性石灰是炼钢的重要辅助原料，与普通石灰相比，采用活性石灰炼钢，不仅可缩短冶炼时间，降低石灰消耗约40%，延长炉衬寿命20%以上，还能使炼钢造渣成分比较稳定，造渣速度快，脱磷、脱硫、脱硅等彻底，加入活性石灰的目地是脱磷、脱硫、脱硅等其它杂质。从而可以提高钢铁产品的质量，增加钢铁的产量，降低炼钢各种消耗和成本，稳定操作等一系列优点。实践证明，凡采用活性石灰炼钢的企业都取得了显著的经济效益，因此，采用活性石灰炼钢已成为世界钢铁企业发展的必然趋势，我国“十五”规划对钢铁行业提出了新的要求即限制普通钢的产量，大力发展优质钢及特殊钢的产量和品种。从而活性石灰作为提高钢的质量和产量的关键造渣材料将得到广泛的应用和发展。除了钢铁行业大量需要活性石灰外，也是其它冶金工业的重要辅助原料。在电厂脱硫和污水处理、各种卫生和矿山废液的处理都需要大量的活性石灰;现在新法氧化铝生产也需要活性石灰。活性石灰深加工产品超细氧化钙、轻质碳酸钙、氢氧化钙、氰氨化钙等。用在轻工和食品方面的造纸、皮草行业、制糖和食用钙等方面;此外，在橡胶工业中用做补强型填充剂、在涂料工业和塑料工业中用作填充剂等方面，每年也需要大量活性石灰[7,8,9]。从而可知，活性石灰的用途是十分广泛的，市场需求十分巨大。而活性石灰的生产，以前传统的方法是采用土窑来生产活性石灰，活性度不高，生烧率较大，产品质量不稳定，且生产能耗高，污染严重。随着国家环保力度加大，土窑石灰很难再有生存空间。在现代的所有活性石灰生产工艺中，目前最先进的还是回转窑生产工艺，由于煅烧均匀，对原料适应性强，其产品的活性度很高，所以得到广泛应用并迅速发展。1.2石灰回转窑的发展和应用图1-1为实际生产中的石灰回转窑系统。回转窑最先是用于水泥生产上的，1824年英国水泥工人J.阿斯普发明了间歇操作的土立窑;1883年德国人狄茨发明了连续操作的多层立窑;1885年英国人兰萨姆发明了回转窑，随后在英国、美国取得专利后开始将它投放实际生产中，很快就获得了相当可观的经济效益。回转窑的发明，使得水泥工业生产迅速发展，同时也促进了人们对回转窑新应用的研究，很快回转窑被广泛应用到许多生产领域，并在这些生产领域中起着越来越重要的作用，成为相应企业生产的核心设备。它的技术性能和运转情况，在很大程度上决定着企业产品的质量、产量和成本，随着科技的进步、生产的需求，回转窑的发展呈现一个物料流、信息流、能量流不断改进，整个系统整体不断优第1章绪论3化的趋势[3]。回转窑应用于活性石灰的生产，使活性石灰的产量和质量都得到更大的提高。图1-1石灰回转窑系统Fig.1-1Thesystemoflimerotarykiln现代生产活性石灰的窑炉种类有很多，有传统式直筒竖窑、回转窑、并流蓄热式竖窑、环形套筒式竖窑、双梁石灰竖窑、沸腾窑、外火箱窑及双斜坡窑等。从有关统计分析可知，我国大部分符合炼钢用的高档活性石灰是由回转窑和先进的竖窑生产的。前几年我国花巨资从国外引进技术先进的竖窑，如贝肯巴赫套筒窑、麦尔兹双膛蓄热式竖窑和弗卡斯竖窑等，这些窑的窑体结构复杂，适合煅烧40~120㎜的大块石灰石，这就不能够充分利用矿山资源，且投资大，单位产品投资在350~400元/吨石灰。日产500吨活性石灰生产线投资在500万元以上，甚至高达800万元，况且竖窑生产活性石灰的质量不稳定是其最大的缺点。所以从总的发展趋势，我国冶金工业用的石灰窑应立足于国内国情，应重点发展带预热器和冷却器的回转窑，以适应大多数钢铁企业的生产的需求。回转窑又可分为长回转窑和短回转窑，长径比不大于16的称为短回转窑，长回转窑的长径比大于16，长回转窑的热耗比较高，现在长回转窑正在逐渐被短回转窑所取代。自1939年美国KengnedyVanSanun公司设计制造了带竖式预热器和竖式冷却器的回转窑，使回转窑系统的发展更进一步，随后在世界上很多国家相继建造并使用，用回转窑系统烧石灰已成为一个发展方向[8]。德国在60年代自已成功研制河南科技大学硕士学位论文4了带竖式预热器和竖式冷却器的回转窑，其发展速度远远超过了其它国家，成为向世界各国出售这一技术的主要国家。在国外，煅烧活性石灰大都采用回转窑煅烧方式。回转窑在环保方面也开始得到了极大应用，美国、欧盟、日本等世界上一些发达的国家早在20世纪70年代已开始采用回转窑处理工业、生活废弃物以及有害废弃物等。在化学工业中，用回转窑可以生产小苏打，锻烧磷肥、硫化钡等。近年回转窑又用于生产人造轻骨料，对医术水平有一定的提高。现在美国已经有几十座回转窑，用于将有害废弃物作为替代燃料在回转窑中进行锻烧处理，替代量一般在20%-60%。欧洲一些国家的回转窑将有害废弃物作为替代燃料的替代量最高已经达到75%。瑞典己制订了具体措施，计划2008年全国使用废弃物作为替代燃料的量的比例达到50%以上，而我国远远低于这一水平，有待进一步持续快速发展[7,8]。我国对回转窑的应用和发展都相对起步比较晚，最先也是应用于水泥工业上的。1920年，在上海龙华建起了我国第一座湿法水泥回转窑，解放前回转窑在我国的应用都相对极少。新中国成立后，回转窑迅速发展并应用到冶金、建材、化工等行业中。1988年北京市水泥厂、上海金山水泥厂开始利用水泥回转窑焚烧危险废弃物等，从此我国在环保方面开始使用回转窑处理废弃物和垃圾，取得了一定的进步，随后也在其它地区相继使用，不过数量相对于发达国家还是很少的[8]。对于煅烧石灰石的回转窑系统及设备，无论在国外还是在国内进行研究的单位和人员都比较缺乏。在国外活性石灰回转窑先进设计研究单位，主要有美卓矿机(Metso)、伯力鸠斯、日本川崎等公司，其中美卓公司最具代表性，处于世界领先的地位。而在我国回转窑系统锻烧石灰在70年代初期才开始进行研究和试验，但由于理论基础差，没有一定的经验，试验手段落后等原因，所以技术水平上没有很大的突破，且没有能取得在工业上的推广使用。八十年代我国开始引进国外先进的工艺及设备，通过转化设计和安装调试，开始积累了一定的经验，开始测绘、翻版移植，自行设计了国内带竖式预热器、竖式冷却器的回转窑系统，但这二十年来，由于实验手段和试验条件的不建全，科研开发的投入又相对很少，再加上科研人员的短缺，致使我国虽然在引进国外先进回转窑系统设备的基础上，回转窑锻烧石灰的工艺及设备没有较大的进步，导致与国外先进的回转窑技术的差距加大了。1976年吉林铁合金厂用φ0.9×15m回转窑做活性石灰煅烧试验取得可喜成果，为我国的活性石灰回转窑系统及设备开发及研制打下了坚实的基础[5]。鞍山焦化耐火材料设计研究院在焙烧工艺和武钢进口活性石灰设第1章绪论5备国内配套设计方面，洛阳矿山机械工程设计研究院在测绘和翻版移植武钢进口设备方面都做了大量工作，并积累了一定的经验和理论基础。洛阳矿山机械工程设计研究院在六十年代初开始了回转窑的开发和设计，在七十年代初开始了活性石灰生产工艺及设备的开发研制，并在七十年代中期采用小型回转窑进行活性石灰煅烧试验取得了成功。并相继自行设计了回转窑系统，提高了我国回转窑系统的设计技术水平[6,8]。洛阳矿山机械工程设计研究院于1993~1995年为武钢二期，1995~1998年为鞍钢二期各设计、制造了一套KMAG改进型的日产600吨石灰回转窑系统设备。随着我国近几年来钢产量的迅速增长，使活性石灰能在大、中、小型钢铁企业均得到广泛应用，矿研院开发研制了日产150~1000吨石灰回转窑系统工艺及设备。并根据我国国情及设计、制造业的水平，矿研院研制的活性石灰回转窑以发展短回转窑为主，且致力于发展带竖式预热器和竖式冷却器的石灰回转窑。实践证明，这种生产活性石灰工艺、设备不论用于大、中、小型规模生产线，或是用于新建回转窑还是旧窑改造，都取得显著效果。近年来，我国活性石灰回转窑有了较快发展。然而，由于我国机械制造和自动化水平限制，再加上回转窑新技术和新结构的推广耗资巨大，使得我国目前回转窑应用技术和装备水平相当落后，在生产工艺和设备的设计、制造方面等需要更多的精力来研究[7,8]。1.3课题研究的背景及意义随着钢铁产量的提高和冶炼周期的加快，钢厂对冶炼造渣用的活性石灰的质量的要求越来越严格，产量需求越来越大，对活性石灰的研发越来越重视。活性石灰的产量和质量不仅影响钢铁工业的发展，也影响着我国其它行业的发展，对我国经济的发展具有十分重大意义。其它行业对活性石灰的应用也在加大，活性石灰的需求量十分巨大。因此对回转窑的技术水平也提出了更高的要求。目前我国拥有各种规格的回转窑2000余台，随着工业和科技的发展，国民生产各部门对回转窑的应用会越来越广泛，数量需求也会越来越多，规格要求也会越来越大[3,8]。最初设计回转窑时，支承点有很多，从理论上看，多支点、厚筒体有利于回转窑的运转。但由于安装误差，很难将窑中心安装调整成一直线，并且由于各支承点对基础受力不均以及地耐力不一致，在回转窑工作一段时间后，基础下沉不均;又由于各档托轮、轮带及轴承磨损不同;还有温度的不同对其影响，必然会造成各档支承力发生很大变化，会在窑筒体内产生附加弯曲应力，这对窑的寿命有很大影响。随着技术的发展，二支座回转窑已成为石灰回转窑的发展趋势。二河南科技大学硕士学位论文6支座回转窑是静定的支承系统，支承力变化不大，且减少了建设回转窑的费用。但二支座回转窑中间跨的挠度大，易使传动装置的大齿圈及小齿轮齿面啮合不良和托轮与轮带产