馬家溝組鎂質(zhì)灰?guī)r煅燒高品質(zhì)冶金石灰生產(chǎn)實(shí)踐

高曉梅 米子軍

（太原鋼鐵（集團(tuán)）有限公司礦業(yè)分公司）

隨著經(jīng)濟(jì)建設(shè)的快速發(fā)展，對礦產(chǎn)資源的需求日益迫切。實(shí)現(xiàn)開采或加工生產(chǎn)各類礦產(chǎn)資源分級利用、優(yōu)質(zhì)優(yōu)用以及高、低品位礦石、夾層、頂?shù)装鍑鷰r等綜合利用，將生態(tài)效益、經(jīng)濟(jì)效益和社會效益有機(jī)結(jié)合，從而可促使傳統(tǒng)意義上“以消耗礦產(chǎn)資源、破壞生態(tài)環(huán)境為結(jié)果”的礦產(chǎn)資源開發(fā)利用方式，向“有質(zhì)量、有效益”的礦產(chǎn)資源開發(fā)利用方式轉(zhuǎn)變，提高資源的綜合利用率。

1 鎂質(zhì)灰?guī)r現(xiàn)狀

太鋼某礦依據(jù)《2020年生產(chǎn)勘探報告》核算儲量，常規(guī)灰?guī)r4 466.89萬t，鎂質(zhì)灰?guī)r5 885.83萬t，主要賦存于J3、J4、J5中，以J4、J5中儲量較大，按當(dāng)期露天開采建設(shè)項(xiàng)目初步設(shè)計(jì)僅回收利用常規(guī)灰?guī)r，而儲量較大的鎂質(zhì)灰?guī)r作為廢石排棄，這極大地浪費(fèi)了礦產(chǎn)資源，也增加了排土場占地及土地復(fù)墾費(fèi)用。

2 鎂質(zhì)灰?guī)r理化性能研究

2.1 化學(xué)成分分析

對該類礦巖進(jìn)行取樣分析，采場各礦層石灰成分指標(biāo)見表1，其平均CaO含量44.82%～50.62%，MgO含量3.44%～9.65%，SiO2含量1.58%～2.95%，屬高鎂石灰石（M），符合黑色冶金用石灰?guī)r一般工業(yè)指標(biāo)要求，具有冶金利用價值。但高鎂石灰石在回轉(zhuǎn)窯預(yù)熱帶就開始吸熱分解，導(dǎo)致石灰石原料得不到預(yù)熱，CaCO3分解滯后，不僅浪費(fèi)燃料，也使石灰生燒率增加，影響石灰整體質(zhì)量。同時，此類灰?guī)r屬于奧陶系馬家溝組石灰?guī)r，由于地質(zhì)成因，其礦層節(jié)理、裂隙發(fā)育，垂直層理抗壓強(qiáng)度在35～79.2 MPa，平均49.875 MPa，平行層理抗壓強(qiáng)度32.3～54.9 MPa，平均44.7 MPa，礦石抗壓強(qiáng)度低［1］，且馬家溝組石灰石巖相結(jié)構(gòu)中有閉氣孔和封閉微裂紋存在，以及一些雜質(zhì)中含有結(jié)合水等特點(diǎn)，會使石灰石在加熱過程中發(fā)生相變和體積膨脹，氣體揮發(fā)產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，礦石在煅燒過程中比峰峰組石灰?guī)r極易爆裂［1-2］，致使在回轉(zhuǎn)窯煅燒時窯況差、質(zhì)量波動大，不能工業(yè)化生產(chǎn)。

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2.2 物相分析

對常規(guī)石灰石和高鎂石灰石分別取樣進(jìn)行XRD檢測及電鏡分析，檢測結(jié)果見圖1。

由圖1可見，北區(qū)M1高鎂石灰石MgO含量較高，隨著石灰石中MgO含量的增加，主要物相由單一方解石變?yōu)榉浇馐影自剖粓D1（d）主要物相為方解石，大多為半自形不等粒泥晶結(jié)構(gòu)，少量為不等粒微晶結(jié)構(gòu)，脈狀構(gòu)造；圖1（e）主要物相為方解石和白云石，大多為自形極細(xì)晶砂屑結(jié)構(gòu)，少量為自形微晶砂屑結(jié)構(gòu)，被微晶方解石所膠結(jié)，呈脈狀構(gòu)造。

3 鎂質(zhì)灰?guī)r焙燒試驗(yàn)研究

3.1 爆裂性能及焙燒性能試驗(yàn)

對鎂質(zhì)灰?guī)r資源M1（高鎂石灰石）進(jìn)行爆裂性能、焙燒性能試驗(yàn)研究，設(shè)計(jì)試驗(yàn)方案進(jìn)行焙燒和轉(zhuǎn)鼓試驗(yàn)。試驗(yàn)140℃保溫120 min浸水處理后，升溫至600℃條件下檢測爆裂率、開裂率；升溫至1 050℃，保溫45 min，檢測轉(zhuǎn)鼓粉率，試驗(yàn)結(jié)果見表2。

由表2可知，測定北區(qū)M1高鎂石灰石爆裂率為0，小于2.00%的控制標(biāo)準(zhǔn)，滿足入窯煅燒條件；轉(zhuǎn)鼓粉率為16.42%，小于20.00%的控制條件，滿足入窯煅燒條件；說明預(yù)熱溫度地提高和保溫時間的延長，可有效降低鎂質(zhì)灰?guī)r的爆裂率。

3.2 熱重分析

選取采場不同礦層不同部位常規(guī)石灰石和高鎂石灰石礦樣進(jìn)行熱重分析，結(jié)果見表3。

由表3可知，K1礦為常規(guī)石灰石，含鎂較低，開始分解溫度較高，660℃開始分解，劇烈分解溫度為850℃；M2-3為高鎂石灰石，開始分解溫度最低，625℃開始分解；綜合分析，隨著石灰石中MgO含量的增加，高鎂石灰石較常規(guī)石灰石分解溫度區(qū)間呈 逐步下降趨勢，劇烈分解溫度也在下降，M2-3礦比K1礦低約30℃，且加熱失重率略有增加。

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3.3 粒徑對焙燒率的影響分析

高鎂石灰石和常規(guī)石灰石的煅燒原理是相同的，是一個分解反應(yīng)過程，可看成是由石灰石加熱到CaCO3的分解溫度和CaCO3繼續(xù)分解所需的熱量傳到石灰石分解界面2個階段組成。如果粒徑大小不同，則熱量由外向里的傳導(dǎo)時間就不同，在窯內(nèi)煅燒時所需的時間就不同，煅燒分解產(chǎn)生的CO2釋放阻力也不同。生石灰的導(dǎo)熱系數(shù)較石灰石小，石灰層越厚，導(dǎo)熱性能越差，傳熱時間越長，越往里分解出的CO2越難逸出，從而導(dǎo)致生成的石灰長時間處于高溫狀態(tài)而使CaO晶體逐漸增大，分解速度下降，造成焙燒率的降低，影響煅燒石灰質(zhì)量。所以石灰石粒徑的大小是影響石灰煅燒速度的重要因素［3］，粒徑大煅燒速度慢且不易燒透；粒徑小煅燒速度較快煅燒易完全。如果石灰石粒徑差別較大，按大粒徑進(jìn)行煅燒則小粒徑的會出現(xiàn)過燒；按小粒徑進(jìn)行煅燒則大粒徑的會出現(xiàn)生燒。

由此，對不同粒徑的高鎂石灰石和常規(guī)石灰石進(jìn)行焙燒率對比研究。由于馬家溝組石灰?guī)r的爆裂特性，在試驗(yàn)時同時考慮預(yù)熱保溫條件，充分降低爆裂的干擾，再進(jìn)行不同焙燒時間情況下焙燒率測定，測定結(jié)果見表4。對檢測結(jié)果進(jìn)行多變異分析，其中礦樣粒徑、焙燒時間作為2個影響因子，焙燒率為影響效應(yīng)，以K1礦石（常規(guī)石灰石）和M1（高鎂石灰石）礦石2種礦石為組塊變量，得出多變異圖2（試驗(yàn)條件室溫按16℃/min升溫至200℃，保溫120 min，然后按同樣速率升溫至500℃，45 min再升溫至850℃，60 min升溫至1 050℃進(jìn)行焙燒）。

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由表4、圖2可見，不同粒徑K1礦在短時間內(nèi)的焙燒率基本相同，隨著焙燒時間的延長，粒徑不同對焙燒效果影響較大，小粒徑焙燒率相對較高，大粒徑焙燒率相對較低；對于M1礦，不同粒徑隨焙燒時間不同焙燒率相差較大，且大粒徑粉率較高，進(jìn)一步說明馬家溝組石灰石粒徑大小對于石灰焙燒質(zhì)量的影響很大，故此類礦石在煅燒中應(yīng)充分考慮入窯粒徑的制約因素。

3.4 粒徑對爆裂率的影響分析

由于馬家溝組石灰石比峰峰組石灰石極易爆裂特性，影響窯況造成煅燒過程波動的問題，加之石灰石粒徑不同也會影響煅燒質(zhì)量。對馬家溝組高鎂石灰石進(jìn)行不同粒徑爆裂試驗(yàn)，取5個不同粒徑區(qū)間的試樣共1 000塊進(jìn)行試驗(yàn)（加熱溫度從室溫到450℃），試驗(yàn)結(jié)果見表5。

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由表5可知，不同粒徑高鎂石灰石的爆裂程度不同［4］，40～50 mm大粒徑石灰石爆裂率為54.67%，而小粒級10～20 mm石灰石的爆裂率為2.67%，爆裂率隨粒徑的增大而增大，10～25 mm粒徑礦石的爆裂率較低在5%以下，30 mm以上粒徑礦石的爆裂率非常高，40～50 mm粒徑的礦石一半以上會爆裂。

4 鎂質(zhì)灰?guī)r工業(yè)試驗(yàn)

4.1 鎂質(zhì)灰?guī)r單獨(dú)煅燒利用

由于馬家溝組石灰?guī)r爆裂特性，在煅燒時要通過預(yù)熱工藝來降低爆裂率。因此在鎂質(zhì)灰?guī)r單獨(dú)煅燒試驗(yàn)時，為將爆裂率控制在1%以內(nèi)，比照K3礦石煅燒工藝，設(shè)定預(yù)熱工藝入口溫度300℃，出口溫度≥170℃，預(yù)熱時間1 024 min，石灰石粒徑10～40 mm，煅燒工藝參數(shù)見表6，石灰質(zhì)量試驗(yàn)結(jié)果見表7。

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由表6、表7可知，鎂質(zhì)灰?guī)r入窯后，窯況急速變差，CaO平均含量84.68%，MgO平均含量4.69%，殘余C平均含量1.99%，活性度318 mL，冶金石灰活性度低，CaO含量不滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，鎂質(zhì)灰?guī)r單獨(dú)入窯煅燒不能滿足大生產(chǎn)條件。

4.2 鎂質(zhì)灰?guī)r配礦煅燒利用

4.2.1 配礦礦源及配礦比例確定

根據(jù)北區(qū)原礦M1、K2單礦種質(zhì)量指標(biāo)，采用M1∶K2=1∶1配礦方案，配礦前后質(zhì)量指標(biāo)見表8。

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由表8可知，采用北區(qū)M1+K2原礦按照1∶1配比煅燒，混合料CaO+MgO含量53.86%、SiO2含量2.20%、S含量0.016%，各項(xiàng)指標(biāo)均滿足鎂質(zhì)灰?guī)r技術(shù)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，可進(jìn)行回轉(zhuǎn)窯工業(yè)生產(chǎn)試驗(yàn)。

4.2.2 分窯分級煅燒工藝

4.2.2.1 預(yù)熱工藝

預(yù)熱工藝是針對馬家溝組石灰?guī)r的易爆裂特性而開發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)，煅燒入窯的石灰石原料通過預(yù)熱處理，能有效降低礦石的爆裂程度［5］，從而控制回轉(zhuǎn)窯內(nèi)粉塵的積聚，保證窯況的順行穩(wěn)定和高效化生產(chǎn)。工業(yè)試驗(yàn)時采用鎂質(zhì)灰?guī)r與常規(guī)灰?guī)r1∶1配比，設(shè)定預(yù)熱工藝為窯尾廢氣和熱風(fēng)爐雙系統(tǒng)供熱，達(dá)到入口溫度250～280℃、出口溫度＞140℃的工藝要求，在預(yù)熱倉后保溫12～14 h，然后進(jìn)行石灰石應(yīng)激處理，用自動噴淋水管結(jié)合3#皮帶機(jī)尾風(fēng)冷，處理后料溫＜100℃，測定預(yù)熱料爆裂比例平均在2%以內(nèi)，配比礦預(yù)熱后各項(xiàng)指標(biāo)符合入窯標(biāo)準(zhǔn)（表9）。

4.2.2.2 煅燒工藝

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煅燒工藝采用分窯分級煅燒，降低入窯石灰石粒級差，穩(wěn)定煅燒質(zhì)量。兩條回轉(zhuǎn)窯其中1#回轉(zhuǎn)窯煅燒粒級10～20 mm小料，2#回轉(zhuǎn)窯煅燒粒級20～40 mm大料，同時設(shè)定鎂質(zhì)灰?guī)r與常規(guī)灰?guī)r1∶1配礦2種方案（表10），M1∶K2=1∶1和M1∶K3=1∶1，其中M1礦質(zhì)量指標(biāo)測定CaO含量50.12%、MgO含量3.82%、SiO2含量1.86%，K2層礦質(zhì)量指標(biāo)測定CaO含量52.47%、MgO含量1.30%、SiO2含量1.93%；K3層礦質(zhì)量指標(biāo)測定CaO含量51.94%、MgO含量1.91%、SiO2含量2.19%，各項(xiàng)指標(biāo)均滿足鎂質(zhì)灰?guī)r技術(shù)質(zhì)量指標(biāo)和入窯可行性判定。

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預(yù)熱料在煅燒10～20 mm小料的過程中，回轉(zhuǎn)窯通透性差，奇、偶側(cè)壓力降低，窯頭、窯尾壓力降低，廢氣溫度降低，造成窯況波動，同時CO濃度增加。期間1#回轉(zhuǎn)窯通過調(diào)整下料管位置，降低預(yù)熱器倉室料層厚度，改善通透性。通過下料管位置調(diào)整，奇、偶側(cè)壓力分別提高了0.82，0.94 kPa，窯頭壓力增加了27 Pa，窯頭溫度提升了15℃，窯尾溫度提升了68℃，高溫風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速降低了3%，廢氣總管溫度提高了16℃，CO濃度降低了3 843 mg/m3，產(chǎn)量提高了41 t/d。

2#窯煅燒20～40 mm物料較煅燒10～20 mm物料奇、偶側(cè)壓力分別增大了2.54 kPa和2.68 kPa，窯頭、尾溫度分別提升了59℃和109℃，廢氣總管溫度提升了52℃，CO濃度降低了6 161 mg/m3，產(chǎn)量提高了68 t/d；2條回轉(zhuǎn)窯實(shí)現(xiàn)了1 000 t/d的穩(wěn)定生產(chǎn)，產(chǎn)品質(zhì)量滿足煉鋼要求（表11）。二鋼煉鋼配用工業(yè)性試驗(yàn)結(jié)果表明，鎂質(zhì)灰?guī)r與常規(guī)灰?guī)r配比生產(chǎn)的石灰中CaO含量、還原堿度、還原硫含量與常規(guī)石灰基本相當(dāng)，石灰消耗與理論計(jì)算相當(dāng)，終渣堿度控制正常，脫硫效果與常規(guī)石灰相當(dāng)。

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在工業(yè)試驗(yàn)期間，當(dāng)原料預(yù)熱量不足的情況下，通過降低原料倉料位、縮短單倉預(yù)熱時間等措施，可有效提高預(yù)熱料周轉(zhuǎn)周期，保障預(yù)熱料的供應(yīng)，進(jìn)一步穩(wěn)定回轉(zhuǎn)窯窯況和石灰產(chǎn)品的質(zhì)量。

5 結(jié) 語

（1）通過研究馬家溝組高鎂灰?guī)r，掌握了MgO含量對石灰石焙燒性能的影響機(jī)理，得出不同MgO含量適宜的煅燒工藝參數(shù)，明確M1+K進(jìn)行配礦煅燒高品質(zhì)冶金石灰較M1單礦種生產(chǎn)工藝控制穩(wěn)定，質(zhì)量波動小。

（2）研究了鎂質(zhì)石灰石不同粒級爆裂特性以及對入窯煅燒的影響，得出了粒級越大爆裂越嚴(yán)重的影響規(guī)律，提出了分窯分級煅燒工藝，減小了入窯石灰石粒級差，分窯分級煅燒較不同粒級混料煅燒質(zhì)量更加穩(wěn)定。在煅燒10～20 mm小粒徑物料時，解決窯內(nèi)通透性的有效途徑為調(diào)整下料管，降低料層厚度和階段性混料煅燒。

（3）該研究著重于解決廢棄高鎂石灰石資源的煅燒利用，滿足石灰質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)要求和煉鋼脫硫要求。工業(yè)化試驗(yàn)表明，鎂質(zhì)灰?guī)r煅燒高品質(zhì)冶金石灰中CaO含量與常規(guī)石灰基本相當(dāng)，還原硫含量低0.010%，終渣堿度控制正常，可為其他礦山企業(yè)共伴生資源綜合開發(fā)利用提供理論依據(jù)及實(shí)例借鑒。