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鋁熱法生產金屬鈣如何提高還原效率、產品質量與勞動生產率

中南大學冶金科學與工程學院 徐日瑤 周向陽 劉宏專
 
 
前言
用鋁熱法生產金屬鈣與電解法生產金屬鈣各有長處,而用鋁熱法生產金屬鈣不僅工藝流程短、能耗低、產品質量高、環保條件等都優于電解法,是值得發展的工藝。
一、        鋁熱法生產金屬鈣的理論依據
用鋁還原氧化鈣,在高溫、高真空條件下可按如下三個反應進行:
 
6CaO+2Al=3CaO·Al2O+3Ca          (1)
4CaO+2Al=CaO·Al2O+ 3Ca              (2)
33CaO+14Al=12CaO·7Al2O+21Ca      (3)
 
在高溫、高真空條件下進行還原,以哪個反應來控制生產,它取決于在相同的真空條件下,反應產物的生成溫度與生成速度,反應產物的穩定性,以及鈣蒸氣從反應物中的擴散速度。
在真空條件下,用鋁還原煅燒石灰石(即石灰)的特點:
1、還原石灰與還原劑的固體粉末團塊的反應,是在固—固、固—氣相之間進行,兩相之間物質的擴散速度,將直接影響反應速度;
2、還原反應為吸熱反應,因而團塊的傳熱和團塊反應層的熱傳導過程,即傳熱速率對總反應速率的影響較大;
3、還原反應過程中,只有鈣蒸氣向外擴散;
4、團塊外層部分的還原率比團塊內層的還原率高,因此可以認為還原反應是從團塊表面逐步向內推進的,因此反應屬于縮核反應過程。造成反應在界面上進行的原因,就是由于鈣蒸氣從團塊內向外擴散的速度以及熱量從外向團塊內部傳熱速度相互制約的問題。基于這個原理,鋁熱法生產金屬鈣,就是建立在兩相物質的傳熱與給熱速率的關系上(即能量的動態平衡),也建立在反應產生的鈣的速度與擴散傳輸的鈣的速度的關系上(即質量的動態平衡),當解決了反應區內能量與質量的動態平衡時,用鋁還原CaO的還原過程,才具有最大的還原效率。
二、原材料質量及生產條件的控制
為了提高還原效率、產品質量及勞動生產率、用鋁熱法生產鈣時所用的原料及生產條件必須達到如下要求:
1、              原料的化學成分:
①石灰石:CaCO3>98%,R2O3+SiO2<2.0%,Na2O+K2O<0.01%,燒損率43~44%;石灰石的礦物結構:結晶型、細晶粒巖礦,無解理面,耐磨指數R1<10%,灰比<1.5%;
②礦化劑:采用金屬氟化物,MeFx>98%,R2O3+SiO2<2%;
③鋁粉:Al>99%
2、      工藝條件:
①石灰石煅燒:煅燒溫度1150~1200℃,石灰石塊度:回轉窯15~40mm,豎窯100~250mm。
②爐料細度:石灰:-0.074mm,鋁粉:-0.83mm,礦化劑:-0.074mm。
③球團壓力:國產LYQ對輥壓球機,工作壓力140~180Kg-f/cm3
④真空還原:還原溫度1180~1250℃,真空度:3~7Pa,還原時間12~14h。
三、合理的配料
為了降低原材料的消耗、節能、提高還原效率,還原的爐料必須進行合理的配料。
按上述三個還原反應的配料式為:
以100kg石灰為計算基礎,石灰中含CaO%,鋁粉中含Al%,礦化劑中含MeFx%,配Al比=M,礦化劑的配入量為:按 與100Kg石灰量的1~1.5%配入。
按反應(16Ca+2Al=3Ca·Al2O3+3Ca  計算:
鋁量的理論配入量: =16.0714 ,Kg
鋁量的實際配入量: =16.0714 ×M ,Kg
礦化劑的配入量: = ,Kg
式中,配鋁比(M)按鈣與鋁的市場價格調整
按反應(2)4Cao+2Al=Ca·Al2O3+3Ca  計算:
鋁量的理論配入量: =24.017 ,Kg
鋁量的實際配入量: =24.017 ×M ,Kg
礦化劑的配入量: = ,Kg
按反應(3)33Cao+14Al=12Ca·7Al2O3+21Ca  計算:
鋁量的理論配入量: =20.455 ,Kg
鋁量的實際配入量: 20.455×M ,Kg
礦化劑的配入量: = ,Kg
將上述計算式中算出的石灰量、鋁量及礦化劑量(Kg)再換算成百分量,即為鋁熱法生產金屬鈣的爐料的配料比,這個配料比是根據爐料的化學組分及最合理的配鋁比計算而得的數值,應該說是爐料最佳,最經濟的配料比,在最佳的還原條件下,可獲得較高的還原效率。
四、提升裝備水平、開發大型生產線、提高產量、提高質量、提高勞動生產率
    對鋁熱法生產金屬鈣,必須采用節能型、環保型、機械化程度高、并且具有自動檢測的大型設備,才能提高產、提高勞動生產率,持續穩定的保證金屬鈣的質量。
1、石灰石煅燒:
采用Ф2.8/Ф3.2×55~60M的回轉窯,以煤氣、焦爐煤氣或天然氣為熱源,窯頭石灰、窯尾尾氣設余熱利用裝置(余熱鍋爐或熱交換器預熱石灰石)。窯尾自動給料,窯頭石灰自動入倉,窯頭、窯尾溫度、壓力、煤氣流量自動記錄。
2、爐料配料與壓球
三種原料(石灰、鋁粉、礦化劑)分別入倉,微機配料、細磨混合、入倉、再送入壓球機成球。
3、球團真空熱還原
采用單面、雙排具有48~50只罐的還原爐,將蓄熱燃燒技術應用到鈣還原爐上,可使還原爐大型化發展,使鋁熱法生產鈣的能耗大大地降低。采用蓄熱燃燒技術的還原爐,使爐內氣流得到了改善,可以在整個爐寬方向均勻排布燃燒器,使火焰充滿爐膛,從而使爐膛尺寸大型化,在保證加熱均勻的前提下,加長還原罐,提高單罐產鈣量,從而提高總的鈣產量,提高勞動生產率,提高了冷凝中產出的粗鈣的質量,粗鈣的純度可達到98%左右,雜質Al、Mn、Mg的含量較低。
結束語
鋁熱法生產金屬鈣是一個新興的產業,用鋁熱法生產鈣,其生產成本、勞動條件、環保、投資都優于電解法,因此用鋁熱法生產金屬鈣,可以取得較大的經濟效益。但是采用鋁熱法生產鈣,在冶煉工業上仍存在著嚴重的能源浪費和環境污染,由于國家在降耗節能減排方面的力度在逐漸加大,因此,必須從技術上改變鋁熱法煉鈣工業的落后局面。遵循鋁熱法煉鈣的理論依據,重視原料的質量,根據鋁與鈣的市價比,選取最經濟、最合理的配鋁比,按原料的組分,合理的配料,嚴格控制好生產工藝中的技術條件、提升裝備水平,開發大型生產線,尤其是將蓄熱燃燒技術應用到還原爐上,是可以達到節能、增產和減排的目的。為了發展鈣工業,進一步改變鋁熱法煉鈣工業的落后局面勢在必行。

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