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铝热法生产金属钙如何提高还原效率、产品质量与劳动生产率

中南大学冶金科学与工程学院徐日瑶周向阳刘宏专

前言

用铝热法生产金属钙与电解法生产金属钙各有长处，而用铝热法生产金属钙不仅工艺流程短、能耗低、产品质量高、环保条件等都优于电解法，是值得发展的工艺。

一、 铝热法生产金属钙的理论依据

用铝还原氧化钙，在高温、高真空条件下可按如下三个反应进行：

6CaO+2Al=3CaO·Al₂O₃+3Ca (1)

4CaO+2Al=CaO·Al₂O₃+ 3Ca (2)

33CaO+14Al=12CaO·7Al₂O₃+21Ca (3)

在高温、高真空条件下进行还原，以哪个反应来控制生产，它取决于在相同的真空条件下，反应产物的生成温度与生成速度，反应产物的稳定性，以及钙蒸气从反应物中的扩散速度。

在真空条件下，用铝还原煅烧石灰石（即石灰）的特点：

1、还原石灰与还原剂的固体粉末团块的反应，是在固—固、固—气相之间进行，两相之间物质的扩散速度，将直接影响反应速度；

2、还原反应为吸热反应，因而团块的传热和团块反应层的热传导过程，即传热速率对总反应速率的影响较大；

3、还原反应过程中，只有钙蒸气向外扩散；

4、团块外层部分的还原率比团块内层的还原率高，因此可以认为还原反应是从团块表面逐步向内推进的，因此反应属于缩核反应过程。造成反应在界面上进行的原因，就是由于钙蒸气从团块内向外扩散的速度以及热量从外向团块内部传热速度相互制约的问题。基于这个原理，铝热法生产金属钙，就是建立在两相物质的传热与给热速率的关系上（即能量的动态平衡），也建立在反应产生的钙的速度与扩散传输的钙的速度的关系上（即质量的动态平衡），当解决了反应区内能量与质量的动态平衡时，用铝还原CaO的还原过程，才具有最大的还原效率。

二、原材料质量及生产条件的控制

为了提高还原效率、产品质量及劳动生产率、用铝热法生产钙时所用的原料及生产条件必须达到如下要求：

1、原料的化学成分：

①石灰石：CaCO₃>98％，R₂O₃+SiO₂<2.0％，Na₂O+K₂O<0.01％，烧损率43～44％；石灰石的矿物结构：结晶型、细晶粒岩矿，无解理面，耐磨指数R₁<10％，灰比<1.5％；

②矿化剂：采用金属氟化物，MeF_x>98％，R₂O₃+SiO₂<2％；

③铝粉：Al>99％

2、工艺条件：

①石灰石煅烧：煅烧温度1150～1200℃，石灰石块度：回转窑15～40mm，竖窑100～250mm。

②炉料细度：石灰：-0.074mm，铝粉：-0.83mm，矿化剂：-0.074mm。

③球团压力：国产LYQ对辊压球机，工作压力140～180Kg-f/cm³。

④真空还原：还原温度1180～1250℃，真空度：3～7Pa，还原时间12～14h。

三、合理的配料

为了降低原材料的消耗、节能、提高还原效率，还原的炉料必须进行合理的配料。

按上述三个还原反应的配料式为：

以100kg石灰为计算基础，石灰中含CaO％，铝粉中含Al％，矿化剂中含MeF_x％，配Al比＝M，矿化剂的配入量为：按与100Kg石灰量的1～1.5％配入。

按反应（1）6Ca+2Al=3Ca·Al₂O₃+3Ca 计算：

铝量的理论配入量： =16.0714 ，Kg

铝量的实际配入量： =16.0714 ×M ，Kg

矿化剂的配入量： = ，Kg

式中，配铝比（M）按钙与铝的市场价格调整

按反应（2）4Cao+2Al=Ca·Al₂O₃+3Ca 计算：

铝量的理论配入量： =24.017 ，Kg

铝量的实际配入量： =24.017 ×M ，Kg

矿化剂的配入量： = ，Kg

按反应（3）33Cao+14Al=12Ca·7Al₂O₃+21Ca 计算：

铝量的理论配入量：＝20.455 ，Kg

铝量的实际配入量： 20.455×M ，Kg

矿化剂的配入量： = ，Kg

将上述计算式中算出的石灰量、铝量及矿化剂量（Kg）再换算成百分量，即为铝热法生产金属钙的炉料的配料比，这个配料比是根据炉料的化学组分及最合理的配铝比计算而得的数值，应该说是炉料最佳，最经济的配料比，在最佳的还原条件下，可获得较高的还原效率。

四、提升装备水平、开发大型生产线、提高产量、提高质量、提高劳动生产率

对铝热法生产金属钙，必须采用节能型、环保型、机械化程度高、并且具有自动检测的大型设备，才能提高产、提高劳动生产率，持续稳定的保证金属钙的质量。

1、石灰石煅烧：

采用Ф2.8/Ф3.2×55～60M的回转窑，以煤气、焦炉煤气或天然气为热源，窑头石灰、窑尾尾气设余热利用装置（余热锅炉或热交换器预热石灰石）。窑尾自动给料，窑头石灰自动入仓，窑头、窑尾温度、压力、煤气流量自动记录。

2、炉料配料与压球

三种原料（石灰、铝粉、矿化剂）分别入仓，微机配料、细磨混合、入仓、再送入压球机成球。

3、球团真空热还原

采用单面、双排具有48～50只罐的还原炉，将蓄热燃烧技术应用到钙还原炉上，可使还原炉大型化发展，使铝热法生产钙的能耗大大地降低。采用蓄热燃烧技术的还原炉，使炉内气流得到了改善，可以在整个炉宽方向均匀排布燃烧器，使火焰充满炉膛，从而使炉膛尺寸大型化，在保证加热均匀的前提下，加长还原罐，提高单罐产钙量，从而提高总的钙产量，提高劳动生产率，提高了冷凝中产出的粗钙的质量，粗钙的纯度可达到98％左右，杂质Al、Mn、Mg的含量较低。

结束语

铝热法生产金属钙是一个新兴的产业，用铝热法生产钙，其生产成本、劳动条件、环保、投资都优于电解法，因此用铝热法生产金属钙，可以取得较大的经济效益。但是采用铝热法生产钙，在冶炼工业上仍存在着严重的能源浪费和环境污染，由于国家在降耗节能减排方面的力度在逐渐加大，因此，必须从技术上改变铝热法炼钙工业的落后局面。遵循铝热法炼钙的理论依据，重视原料的质量，根据铝与钙的市价比，选取最经济、最合理的配铝比，按原料的组分，合理的配料，严格控制好生产工艺中的技术条件、提升装备水平，开发大型生产线，尤其是将蓄热燃烧技术应用到还原炉上，是可以达到节能、增产和减排的目的。为了发展钙工业，进一步改变铝热法炼钙工业的落后局面势在必行。