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1、到 2020 年中国冶金科学和技术发展指南冶 金 石 灰 部 分（草稿）鞍山焦化耐火材料设计研究总院魏同 吴运广 2003.12.261 现状和主要特点近年来我国钢铁工业高速发展， 2001 年中国钢产量为 1.50866 亿吨。 2002 年中国钢产量为 1.81552 亿吨。预见我国 2005 年铁产量 2.45 亿吨 / 年、 2010 年 3.05 亿吨 /年水平。中长期内，钢铁工业仍是我国国民经济重要基础产业和支柱产业，钢铁技术发展进入了全面繁荣新时期，钢铁生产总体上处于中等发达国家水平。 2002 年下半年后，由于钢铁市场需求的拉动，我国钢铁工业成为前所未有的投资热点，新增从烧结炼
2、铁炼钢轧钢成套生产能力约0.8 1 亿吨，将在 2004 年陆续投产。其中相当大比例是民营大厂投资。冶金石灰是钢铁冶炼重要辅料，应该努力与之相适应。预见 2003 年我国铁、钢产量突破 2 亿吨，消耗石灰 2000 万吨，其中炼钢消耗石灰（含轻烧白云石）约 1300 万吨，烧结消耗石灰 630 万吨，其他约 70 万吨。基本上满足了近年来钢铁工业高速增长对石灰数量要求， 但是，炼钢需求的优质活性石灰比例低， 烧结用石灰靠大量外购土窑石灰， 以及石灰石精料等问题仍急待解决。1.1 冶金石灰的产量历来，将冶金部所属重点钢铁企业石灰厂列为“全国重点冶金石灰企业” ，生产报表可信度高。过去钢铁的发展，
3、主要靠重点钢铁企业的推动。从中国石灰协会整理的 2001 年 2003 年 9 月前企业生产报表， “全国重点冶金石灰企业生产量”按窑型汇总情况见下表 1。我们将 2000 年 2002 年全国钢产量、烧结矿、石灰产量和石灰消耗列于表22003 年我国钢产量可能突破 2.3 亿吨， 1 9 月份重点冶金石灰企业上报石灰产量 698 万吨。预见全年石灰产量可能超过 1000 万吨，全年炼钢消耗石灰 1330 万吨。 2003 年全国烧结矿按 3 亿吨推算，需要烧结用石灰 630 万吨。表 1全国重点冶金石灰企业生产量汇总表窑型2000 年2001 年2002 年2003 年 1 9 月产量 百分
4、比,%产量百分比,%产量百分比,%产量百分比,%竖窑48.9947.6843.99竖窑改进型179652258889882185气烧窑91217312.3015.0693442313.38引弗卡斯9050613.509098814.9139499821.28进麦尔兹719943819204593622竖套筒窑191340451508497265窑回转窑25.2122.3520.02悬浮窑928521.33合计100.00100.00100.00表 22000 年 2002 年钢产量、烧结矿、石灰产量和石灰消耗项目2000 年2001 年2002 年钢产量，亿吨1.28501.50861.815
5、5转炉钢比例，81.883.584炼钢用灰单耗，kg/t66.0561.060.0炼钢用灰，万吨8499201090烧结矿，亿吨1.932.262.72烧结矿用灰单耗，kg/t21 21 21烧结矿用灰，万吨405 475 572重点厂上报石灰产量，万吨592742913石灰厂统计厂家345060宝钢百万吨级石灰厂是我国石灰厂的样板，2002 年宝钢石灰用量及消耗指标列于表 3表 32002 年宝钢全年石灰供量及消耗指标产品一炼钢二炼钢电炉烧结水处理化工供量单耗供量单耗供 量单耗供量单耗万吨万吨万吨kg/t万吨kg/t万吨kg/t万吨kg/t块灰23.312810.2226.43.7145轻烧
6、13.85206.8919-白云石粉灰37.0728.40.70760.058我国冶金石灰消耗总体水平与国际水平相比还有一定差距，国际消耗水平见表 4表 4国际炼钢消耗冶金石灰水平地区冶金石灰消耗， kg/t轻烧白云石， kg/t工艺特点欧共体4051） 铁水全脱 S2） 轻 烧 白 云 石 的MgO 含量高日本30151） 铁水全三脱2） 少渣炼钢美国炼钢消耗冶金石灰水平介于欧共体与日本之间。冶金石灰消耗与炼钢水平、石灰质量密切相关，宝钢已达到国际先进水平。但国内总体冶金水平与国外先进水平还有相当差距，希望在中长期发展中得到解决。近年来大、小钢铁厂一起上， 发展迅猛，新上的石灰项目中一部分是
7、老企业扩建，有相当部分是民营企业， 还没有加入中国石灰协会， 没有他们的生产报表。新增产量的估算分 3 部分，近 3 年冶金系统某设计院施工设计工程 16 个合计 370.7 万吨（见表 6）；由兄弟设计单位设计约 200 万吨；石灰厂推广气烧窑、废气调控窑约 100 万吨，合计新增产量 700 万吨。这些项目对中长期冶金石灰产量增长和质量提升，将发挥巨大作用。表 5 2001 2003 冶金系统某设计院施工设计工程统计个/万吨回转窑麦尔兹弗卡斯新型气烧大型机立窑工程 / 产量工程 / 产量工程 / 产量工程 / 产量工程 / 产量5/240.83/40.43/34.54/351/2064.9
8、510.90 9.31 9.44 5.40 总计： 16工程 370.7万吨 ( 其中有 24万吨轻烧白云石 )1.2冶金石灰质量1.2.1 冶金石灰质量与冶炼的关系氧气转炉炼钢成为世界各国炼钢的主要手段后，石灰的质量引起了重视。由于氧气转炉炼钢冶炼时间缩短，工业发达国家在6070 年代开始采用活性石灰。进入 80 年代后随着冶炼技术发展，特别是氧气顶底复合吹炼加炉外精炼，冶炼钢种范围不断扩大； 超高功率电炉炼钢的发展； 以及要求实现炼钢过程自动控制，这就要求石灰活性好、成分稳定、杂质含量低（尤其是S、P 含量）、粒度合适。实践证明炼钢使用活性石灰比使用普通石灰带来的主要好处有：缩短吹氧时间1
9、0左右；钢水收得率提高1；石灰消耗节省2030；废钢用量约增加 2.5 ；萤石消耗节省 25 30；大幅度提高转炉炉衬寿命；提高脱 S、脱 P 效果；提高炼钢温度命中率，由原来 60提高到 75，使炼钢过程自动控制有了可能等。1.2.2冶金石灰品种、质量要求冶金石灰有行业标准，详见冶金石灰YB/T042-1993。在黑色冶金中，炼钢、烧结是消耗冶金石灰大户，其他少量用于铁水预处理、炉外精炼、水处理等。炼钢对石灰质量要求最严。近年来为了强化烧结、提高烧结矿产量和改善质量，在高碱度烧结矿生产中，用生石灰代替小粒石灰石，且质量要求不断提升。各钢铁企业针对使用需要对石灰质量有具体技术要求。冶金石灰包括
10、普通冶金石灰和镁质冶金石灰，此外派生出钝化石灰、轻烧白云石等品种。 钝化石灰主要是提高强度并保持较高的活性度。使用轻烧白云石提高渣的碱度， 有利于提高转炉炉衬寿命， 发展很快， 目前国内已有一半钢厂采用。以首钢和宝钢为例，对上述产品的要求列表如下表 6宝钢 对 石 灰 质量 要求原料名化学 组成,%活性度称、粒CaoMgOSiO22323PSC O2ml度，mmAl OFe O转 炉 用91.30.702.80_0.050.025180石 灰5-30电 炉 用91.30.702.80_0.050.025180石 灰15-30烧 结 用88.50.682.70_160灰52.434.15.71.
11、62.70.140.04120轻烧白云石灰5-30注：活性度测定方法不同于行业标准，其方法为取25g 生石灰 4N HCl 的滴定值国外冶金石灰的质量列于下表7。表 7国外冶金石灰质量指标化学成分活 性 度国别CaOMgO2S(P)HCl 4mol/ml温升法SiO灼减 1 4010 min美国92960.520.0360.5 13151.5德国949792820.060.193360级）1.2.3 我国冶金石灰质量状况2002 年宝钢共使用石灰 95.81万吨，其中宝钢石灰分厂供应93.9 万吨，外购石灰 2 万吨供烧结，两种石灰质量有明显的差别，详见表8。表 8宝钢石灰分厂石灰与外购石灰质
12、量比较石灰品种CaoSiO2MgOSP活 性 度（ 25g），ml宝 钢 回 转95 960.50.40.005 0.005185窑石灰0.01外 购 竖 窑842 41.00.04 0.01120石灰大部分 30.06中国石灰协会收集整理的“全国重点冶金石灰企业生产量表”，生产数据分析如下：根据“全国重点冶金石灰企业生产量表”，摘除未报活性度企业产量，余下企业产量用冶金石灰 行业标准全面衡量。 其中有一些冶金石灰活性度符合高等级石灰，但因CaO含量低或灼减高，或因CaO含量和灼减量二项同时都差，也有少数是SiO2 含量高而降级。经整理得出表9。表 9部分重点冶金石灰企业质量汇总表项 目200
13、1 年2002 年2003 年 19 月检查量 ， t其中：冶金石灰数量百分数量百分数量百分t比 , t比, t比 89.1588.4076.99平均活性度 309.2ml平均活性度 301.4ml平均活性度 317.2ml其中：镁质冶金石数量百分数量百分数量百分灰t比 , t比, t比 71955810.8595321211.6023.01平均活性度258.4平均活性度250.9平均活性度261.8mlmlml满足各项指标数量百分数量百分数量百分t比 , t比, t比 冶特 级16.5914.3017.26金一 级18.6817.5620.17石二 级28.2631.5922.24灰三 级2
14、1.9420.7662015710.32级 外 品2443833.683428054.174201366.99镁特 级000000质一 级535050.81870001.062085493.47冶二 级1913402.882749153.3566421111.05金三 级4747137.165912977.205101588.49石灰注： 1）“检查量”指全国冶金石灰企业报表中有活性度指标的产量；2 ）表中列出的冶金石灰平均活性度和镁质冶金石灰平均活性度是各自算术平均数。按表9，“重点冶金石灰”2003 年特级、一级冶金石灰40.9 ，二、三级冶金石灰52.1 ，级外品6.99 。“非重点冶金
15、石灰”由于基本都是50 60 年代旧式机立窑或旧式气烧窑，产出石灰基本是二、三级冶金石灰。估计2003 年特级、一级冶金石灰约20 ，二、三级冶金石灰80 。目前估计特级、一级冶金石灰约35 ，二、三级以下冶金石灰65 。近年来新增约 700 万吨冶金石灰，如天钢、南京钢厂、宁波建龙、沙钢等项目采用新型石灰窑或回转窑，多数应为特、一级冶金石灰。估计2004 年投产后特级、一级冶金石灰约60 ，二、三级冶金石灰40 。2004 年以后总体估计， 特、一级冶金石灰 45 ，二、三级以下冶金石灰55 。1.3冶金石灰生产企业的装备冶金石灰生产的装备以热工窑炉为主，从表 1 可见，我国的石灰窑炉形式多
16、样，其中不乏世界著名的炉型， 不同窑型有不同的结果。 就生产厂实际石灰质量比较列于表 10。工艺条件对窑型能力的发挥有相当的关系 , 从表 10 还不能判断具体窑型的潜力，但可以看出旧式机立窑产出石灰质量指标太差。目前技术先进的石灰窑炉的产量，占总产量不到 30。装备落后是多年来的话题，冶金石灰生产企业装备应进行调整。 国际上几种先进的石灰窑， 我国都已掌握，对于提高冶金石灰质量起了很大作用。表 10不同窑型石灰质量情况窑型指标燃料CaOMgOSiO2S活性度生过烧种类热耗ml率，kJ/kg宝钢95.10.710.30.0063701.7混合煤气50165225回武钢90.71.20.0143
17、62焦炉煤气转鞍钢87.73.841.620.013303重油、混合煤气窑马钢90.50.691.00.032369混合煤气8795太钢93.71.221.20.0253706.1混合煤气35533825麦唐钢82.09.02.032612.6煤粉尔杭钢88.00.380.334215.7煤粉兹窑包钢87.43.383.40.065341煤粉昆钢95.40.751.10.068煤粉广钢92.92.410.40.050325煤粉梅钢96.50.010395混合煤气33444389套马钢95.21.901.33653.0混合煤气筒首钢89.34.711.53435.2混合煤气窑本钢91.61.21
18、1.00.037372混合煤气弗石钢88.33.401.7334511.2转炉煤气、煤粉36784138卡承德82.48.752.5233217.1转炉煤气斯窑北营未报数据续表 10不同窑型石灰质量情况窑型指标燃料CaOMgOSiOS活性度生过烧种类热耗2ml率，kJ/kg废安钢 92 30.053137焦炭39004200气1.3调控窑新天铁84.71.4298混合煤气46005000型气烧窑煤新余91.21.861.62888.7煤气46006500气萍钢86.73.341.87.9旧92.02.310.50.0703506.1式涟钢窑湘钢90.00.0493577.6新临钢88.13.2
19、71.60.031298旧一般808241.7190250825焦炭、煤39005000式厂83竖窑1.4石灰石、白云石矿山石灰石质量要求， 根据化学成分分为普通石灰石和镁质石灰石，两类石灰石各分为五个品级，其指标详见 YB/T5278-1999。白云石质量要求， 根据化学成分分为白云石和镁化白云石， 白云石分为五个品级，镁化白云石分为二个品级其指标详见 YB/T5278-1999。有些冶金石灰企业有经过详探的固定矿山，如宝钢的船山、武钢的乌龙泉等，对石灰石产品有高标准的要求， 质量稳定。大多数冶金石灰企业没有高品位矿山。各钢铁企业又有自己的技术要求 , 以宝钢三期和武钢为例， 对石灰石、白云
20、石技术条件要求如下表 11、表 12、表 13：表 11宝钢石灰石、白云石原料条件原 料化学组成,%名 称CaoMgOSiO2AlOFeOPS2 32310-30mm52.40.41.1-1.5_0.002752.40.41.1-1.5_0.002752.40.41.1-1.5_0.00270.020石 灰 石10-30mm30.0-31.019.5-20.02.0-3.00.850.5-1.20.0700.025白 云 石镇江船山石灰石矿和南京幕府山白云石矿表 12宝钢一、二期石灰石、白云石粒度及含泥量原 料粒 度 组 成, %产 地灰 的 活 性 度名 称粒 度 /ml30-10mm851
21、8016040目 / 白 云 石85120表 13武钢石灰石原料条件（乌龙泉）化学组成,%原料CaoMgOSiO+ Al2O + Fe2OPS烧 减233名称%石灰石 54.5 0.7 1.1痕 迹 0.02543.67以上 ,无论是冶金石灰标准还是企业要求，都没有对石灰石强度、耐热不迸裂性、以及结晶状态等提出要求。 单纯从石灰石矿物结晶， 目前还难以指导确定石灰石的煅烧条件。 因此在勘探石灰石矿的同时， 委托研究部门对特定矿山石灰石的全面研究十分必要。要求进行石灰石、 白云石性能试验， 并根据试验结果，确定工艺设计。目前有相当多的冶金石灰企业，或石灰石矿点品位不高,或在市场上多矿点采购石灰石
22、原料，质量不稳定。1.5石灰深加工石灰是一种普通的初级品， 附加值不高。 很多人在考虑石灰深加工， 寻求新的增长点，我们的看法如下：1.5.1重质碳酸钙、轻质碳酸钙重质碳酸钙用于塑料行业、造纸业。据1996.02.30无机化工信息有报道：国内重质碳酸钙的开发远比发达国家落后,无论是应用的数量、开发的品种还是生产技术都与发达国家有较大差距：a) 重质碳酸钙产量进入九十年代后，我国年产1500 1800 kt , 日本年产6000 kt ,美国年产 5000 kt/a 以上 ;b) 重质碳酸钙质量我国以初级产品为主 ,细度在 200400 目之间 ,发达国家产品细度 5 10m,平均为 2 3 m
23、,大都为超细、高纯、表面改性的产品。轻质碳酸钙是我国目前需要量最大的无机填料， 大量应用于塑料、 橡胶、造纸、油墨及其它部门， 且使用不同规格的轻质碳酸钙作填料。 日本白石株式会社一个厂就有二、三十个不同规格的轻质碳酸钙。我国目前只有七、八个规格，产品规格少，系列化程度不高。 1因此 , 国内重质碳酸钙、轻质碳酸钙的开发有很大的发展空间。1.5.2回收二氧化碳钢铁企业内的石灰车间，回收CO2 用于复吹转炉炼钢，代替Ar 气从转炉底部吹入，起搅拌钢水的作用。以宝钢为例，使用CO2 价格 1000 元/ t ，而 Ar 气是 6000 元/ t。有明显的经济效益。鞍钢有人认为采用CO2 用于复吹优
24、于 N 气。宝钢（ 10000 吨 / 年）、广钢、重钢三钢厂采用PSA法回收，该法对工艺操作要求非常严格， 1999 年宝钢回收二氧化碳装置中脱NOX的 A 吸附塔发生爆炸， 造成这三个厂相继停产。鞍钢（化学吸收法）回收二氧化碳，产量为5000 吨/ 年，目前已停产。原因是氧气厂的氮气富裕；采用CO2 用于复吹价格高于N 气；和 CO2 质量不稳定。需要注意的是钢铁厂用CO2 多年，还没有制定行业标准。二氧化碳在工业、农业、食品、医药卫生、消防等都有广泛的用途。但以二氧化碳为原料合成许多有机产品，是很多人感兴趣的话题。 世界各国竞相投入人力、物力进行开发研究工作，并逐步形成了二氧化碳化学学科
25、。各种窑型产生的废气组成、 二氧化碳浓度， 对于选择回收工艺、 技术经济指标有重大影响，见表14。表 14 各种窑型废气的CO 2浓度及产量项目窑型回转窑双膛竖窑普通竖窑214-2020-2530-38CO 浓度 %石灰产量， t / d60012050（ 180000 t/a）150100300250生产厂举例宝钢，武钢唐、太、杭、包、等钢厂有报道，美国生产液体二氧化碳的能力有7446 kt/a ,日本生产液体二氧化碳的能力有 1165kt/a ，西欧的二氧化碳总消耗量在1200 kt/a,而我国只有 150200 kt/a。从我国正处在发展中来考虑，我国的二氧化碳市场应该是广阔的。但从美国
26、、日本液化二氧化碳生产部门来看， 由于石灰窑废气中二氧化碳浓度低，不是回收二氧化碳来源。我国有很多回收条件比石灰窑优越得多的企业和地质气藏没有开发。因此我国石灰窑回收二氧化碳应选择样板，在技术经济上慎重考虑。1.5.3冶金石灰粉料的利用粉料来源有出窑粉料、 加工石灰粒度产生的粉料及烟气除尘所得的粉料。以3 mm 粉料计算，不同窑型产出率不同，估计产出率在10以上。经压球可以获得炼钢用块灰。宝钢为了解决 3mm 轻烧白云石的利用问题，采用了辊式压球机，压出30mm20mm 椭圆状球块，筛除碎球，合格球块进成品仓供炼钢使用。印度波卡罗钢厂研究了 10mm 石灰压块问题，发现采用 010mm 与 0
27、 2mm 石灰各 50%，且其中 01mm 石灰占 60%，在 39kN/cm2 压力下，获得球料体积密度 2.1g/cm3，坠落强度和块状石灰相当。国内自行设计的工程有武钢轻烧白云石粉压球（已投产），本钢石灰粉压球（正在设计）。1.5.4其他深加工利用石灰生产消石灰， 在钢铁企业内部需要量很少。 考虑建材用能有较好出路，但国内技术装备能力小，考虑规模生产还要做工作。利用石灰和二氧化碳还可以生产溴化钙、氯化钙、漂白粉、氰胺化钙、氟化钙、结晶碘化钙、硝酸钙、磷酸氢钙、各种磷酸钙、过氧化钙等等。目前通过深加工能有较好社会效益的有亚硝酸钙、过氧化钙和电子级碳酸钡等。1.6主要存在问题a) 生产能力1
28、）有相当一部分冶金石灰生产企业，未进入我们的统计报表；2）石灰企业报表中建议将不同用户用灰量分别列出；3）目前各炼钢厂大量使用轻烧白云石。从重点冶金石灰企业生产报表中看 ，MgO含量都在 10以下，属 “镁质冶金石灰”，报表中没有轻烧白云石。b) 冶金石灰质量1） 从总体看，历年冶金石灰的活性度有所提高，但提高幅度不大，重点冶金石灰活性度平均数只有317 ml ；2）冶金石灰特级品偏少， 每年还有级外品， 这是难以满足钢铁产品结构变化需要的；3）重点冶金石灰企业中， 镁质冶金石灰特级品产量为0。是标准有问题，还是其他如原料、工艺、窑炉等问题？应该研究。c) 深加工产品1）冶金石灰生产企业很少有
29、深加工产品，在产量难以满足要求的情况下，难以列入议程；2）搅拌钢水用二氧化碳尚未制定相应的行业标准，尚未有经过优化的回收工艺；d) 石灰石矿山1）有详探的矿山不多， 关系到冶金石灰企业能否保证稳定持续获得优质原料，是一个突出的问题；2）宝钢、武钢等少数单位采用“精料方针”，石灰石原料入厂后进行水洗和筛分，保证入窑原料纯度和粒度均匀等，是产品质量的重要保证。但此方针尚未推广到大多数企业中去；3）高品位石灰石矿山的碎石， 是煅烧优质石灰的重要资源， 大量 010mm优质石灰石未很好利用，影响矿山资源综合利用，目前只有宝钢悬浮窑使用粒度 03 mm石灰石原料；e) 冶金石灰科学研究力量不足 。2 发
30、展目标描述a）2005 年，冶金石灰产量满足钢铁工业需要，质量提高，平均活性度提高到 325ml，消灭级外品。冶金石灰加轻烧白云石平均单位消耗: 炼钢 58 kg/t，烧结矿用冶金石灰 30 kg/t。b）2010 年，冶金石灰产量满足钢铁工业需要，质量继续提高，平均活性度提高到 330ml，消灭三级品。冶金石灰加轻烧白云石单位平均消耗: 炼钢 50kg/t，烧结矿用冶金石灰50 kg/t。3 关键技术当前迫切需要解决的关键技术是提高石灰的质量，扩大产品品种。为此需要做如下工作：a）研究石灰石、活性石灰微观结构以提高石灰活性度和强度。1）通过对石灰石煅烧温度和时间的控制，寻找合理的工艺制度，使
31、石灰在保持较高活性的前提下，有较高的强度；2）研究选料、配矿、添加剂等技术提高石灰活性度。3）研究石灰石和活性石灰微观结构，晶格转化、晶体间隙变化、晶体细化等，找出其变化规律；b) 推广节能、高效石灰煅烧装备1）我国重复引进同类型石灰窑炉，建议有关部门，引进石灰窑的同时，考虑购买国外技术设计许可，以便国产化，择优推广；2）开发有自主知识产权的、 高效节能的、 能满足多元化燃料要求的先进石灰煅烧窑炉；3）开发有自主知识产权的、能煅烧10 mm 石灰石的窑炉，解决石灰石矿山资源综合利用问题；4）研究石灰窑衬损坏机理，探索合理的窑衬材质和结构，提高窑炉使用寿命。C）石灰的深加工和综合利用应主要环绕钢铁企业内部需要，发展深加工产品，研究选择适合不同窑型回收二氧化碳的工艺，在有条件的钢厂考虑二氧化碳深加工产品，推广使用二氧化碳搅拌钢水；4 对策和建议a) 逐步淘汰产品质量差的机立窑、建设先进的窑炉；b) 加强矿山选点和详探工作 , 改善原料质量，保证精料供应；c) 建立冶金石灰研究中心，重点解决新型窑炉开发及智能自动化水平、原料问题、产品质量问题、深加工问题和建立产品标准问题等；d) 与炼钢、烧结等联动，建立冶金石灰科学统计方法，建立质量控制系统；e) 实行技术轮训，提高冶金石灰总体水平。