（机械制造及其自动化专业论文）高炉渣离心粒化系统开发研究.pdf

青岛理工大学工学硕士学位论文 摘要 高炉渣是炼铁生产过程的主要副产品，每生产1 吨生铁要副产o 3 o 6 吨左 右的高炉渣，现有的水冲渣工艺存在严重的环境污染和能源浪费问题，每年造成 1 千万吨标准煤左右的热量浪费和4 0 万吨的h 2 s 、s 0 2 等有害气体排放。干式离 心粒化是一种新型的粒化方法，这种方法不用水而用电动机带动粒化器对对液体 金属或合金进行粒化。研究高炉渣干式离心粒化法，进行高炉渣余热高效回收利 用，是当前研究的热点。 本文进行了高炉熔渣离心粒化理论、系统研究开发以及实验研究。通过研究 金属离心粒化理论基础，建立高炉熔渣离心粒化数学模型，研究离，1 1 粒化器结构、 粒化器转速、粒化器直径、熔渣温度、熔渣流量等关键参数对高炉渣粒化颗粒粒 径的影响，掌握高炉渣的离心破碎理论。在理论的基础上优化了高炉渣离心粒化 系统，该系统主要由金属合金的熔炼、熔融液输送部分、旋转盘离心粒化部分、 余热利用部分、p l c 控制部分、监控部分等五个部分组成；并对离心粒化关键部 件粒化器设计，通过对离心盘的材质选择、形状、直径、边缘高度、固定筋、 凹盘倾角目等设计，实现高炉渣干式离心粒化并控制粒化颗粒的形成因素。通过 冷态实验和热态实验验证了试验台可行性，找到了影响高炉渣离心粒的合理参数， 进而得到离心粒化控制规律。 本文开发的高炉渣离心粒化系统，经调试、实验，达到设计要求，能实现高 炉渣干式离心粒化的主要功能，掌握粒化规律对高炉渣余热利用具有重大的指导 意义。 关键词：高炉渣，干式离心粒化，数学模型，实验研究，粒化盘 青岛理工大学工学硕士学位论文 a b s t r a c t b l a s tf u r n a c es l a gi st h em a i nb y - p r o d u c ti nt h ep r o c e s so f s m e l t i n gt h ep i gi r o n t h e r ei s 0 3t o0 6t o n so fb l a s tf u r n a c es l a gw h e ne v e r y1t o no f p i gi r o ni sp r o d u c e d n o w a d a y s ，t h et e c h n o l o g yo fw a t e rq u e n c h i n gt ot r e a tb l a s tf u r n a c es l a ge x i s t ss e r i o u s p r o b l e m st h a tc a u s ee n v i r o n m e n t a lp o l l u t i o na n de n e r g yw a s t e i tr e s u l t si nh e a tw a s t e o fa b o u t10m i l l i o n st o n so fs t a n d a r dc o a la n d4 0 0t h o u s a n d st o n so fh a r m f u la i r p o l l u t i n ge m i s s i o n ss u c ha sh 2 s ，s 0 2 t h ed r yc e n t r i f u g a la t o m i z a t i o no fm e l t si sa n e ww a yo fa t o m i z a t i o n ，u s i n gam o t o rt od r i v eaa t o m i z e rt oa t o m i s em e l t so rm e l t m e t a l s i ti st h ec u r r e n tr e s e a r c hf o c u st h a ts t u d y i n gd r ys l a gt r e a t m e n tt e c h n o l o g yt o r e c y c l es l a gw a s t eh e a te f f i c i e n t l y t h i sa r t i c l ep r e s e n t st h er e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to ft h ea t o m i z a t i o no ft h e m o l t e nf u r n a c es l a g 、s t h e o r ya n ds y s t e m t h i sa r t i c l ea l s oi n c l u d e su p b u i l d i n gt h e m a t h e m a t i cm o d e lo fc e n t r i f u g a la t o m i z a t i o nb yr e s e a r c h i n gt h et h e o r yo fa t o m i z a t i o n o fm e l t s ，a n dm a s t e r i n gt h et h e o r yo fa t o m i z a t i o no fm e l t sb ys t u d y i n gt h es t r u c t u r e ， t h es p e e da n dt h er a d i u so ft h ea t o m i z e r t h i ss y s t e mo fa t o m i z a t i o nh a sb e e n i m p r o v e d o nt h eb a s i so ft h ef o r m e rt h e o r y , w h i c hi sm a d eu po f5p a r t s ：t h e m e l t i n go fm e t a l ，t h e c o n v e y i n go fm e l t s ，t h ea t o m i z a t i o no fm e l t s ，t h ew a s t eh e a tu t i l i z a t i o n ，t h ec o n t r o la n d m o n i t o rb yp l c t h ek e yp a r to fa t o m i z a t i o n a t o m i z e ri sd e s i g n e dw i t hn e wi d e ai n t h i sa r t i c l e t h ea t o m i z a t i o nb e c o m e sar e a l i t ya n dt h ef a c t o r sw h i c hh a v ea ne f f e c to n p a r t i c l e sc a l lb ec o n t r o l l e db yc h o o s i n gt h ec e n t r i f u g a ld i s k sm a t e r i a la n dd e s i g n i n g d i s k 、ss h a p e ，r a d i u s ，h e i g h t ，f i x e dr i ba n d0 i n c l i n a t i o n t h ef e a s i b i l i t yo ft h et e s t i n g a p p a r a t u si sp r o v e db yt h ec o l ds t a t et e s ta n df u r t h e rp r o v e db yt h et h e r m a lt e s t ，w h i c h e s t a b l i s ht h ep r o p e rp a r a m e t e r so ft h ea t o m i z a t i o na n dg e tt h el a wo ft h ec o n t r o lo f t h i s s y s t e m o fb l a s tf u r n a c e s l a g sa t o m i z a t i o nh a s a c h i e v ei t s d e s i g n r e q u i r e m e n t sa n dm a i np r e d i c t i o nf u n c t i o n sb yd e b u g g i n ga n de x p e r i m e n t s m a s t e r i n g i t sl a wo fa t o m i z a t i o nh a sag r e a ti n s t r u c t i v es i g n i f i c a n c ef o rb l a s tf u r n a c es l a g sw a s t e h e a tu t i l i z a t i o n i i i 青岛理工大学工学硕士学位论文 k e yw o r d s ：b l a s tf u r n a c es l a g ，d r yc e n t r i f u g a lg r a n u l a t i o n ，e x p e r i m e n t a ls t u d y , g r a n u l a t i o np l a t e i v 青岛理工大学工学硕士学位论文 1 1 研究背景 第1 章绪论 高炉渣在冶炼矿石，燃烧焦炭、石灰石和其他材料而得到铁的过程中形成， 其成分主要是硅酸盐。高炉渣经加工处理，主要用于制作建筑材料。高炉生产过 程中，入炉的各种原、燃料经冶炼后，除获得铁水( 炼钢生铁或铸造生铁) 和副产 品高炉煤气以外，铁矿石中的脉石，燃料中的灰分与熔剂融合就形成液态炉渣， 其一般温度为1 4 0 0 1 6 0 0 。c ，定时从渣口、铁口排出。通常将从渣口排出的熔渣 称为“上渣”，从铁口随同铁水排出的称为“下渣”，下渣中往往混有少量铁水。高 炉炉渣的化学成分取决于原料成分、冶炼铁种、操作方法和冶炼过程中的炉况变 化【1 1 。 目前，高炉每炼出i t 生铁约产生3 0 0 k g 炉渣，排出温度在1 4 5 0 。c 左右；i t 高炉渣约含1 7 0 0 m j 的热量，相当于0 0 5 8 t 标准煤的发热值。以2 0 0 8 年的生铁产 量计算，高炉渣产生量约为4 7 0 6 7 亿t ，所含热量折合2 7 2 9 万t 标准煤的发热值 2 1 o 1 2 国内外研究现状 1 2 1 高炉渣资源利用现状 随着世界钢铁需求量的增长和钢铁工业的发展，高炉渣的排放量日益增大。 这些高炉渣如果不加以资源化处理，不但是可利用资源的极大浪费，而且日积月 累，势必造成占地侵田、污染环境等一系列严重问题。因此，高炉渣资源化既可 以变废为宝，又可以减少环境的污染、土地的占用等，从而达到经济效益与社会 效益双赢的局面。自从1 8 8 0 年高炉渣被利用以来，世界上已有很多国家把高炉渣 作为一种二次资源加以利用【3 1 。 国外高炉渣的综合利用是在2 0 世纪中期开始发展起来的。目前欧美一些发达 国家已做到当年排渣，当年用完，全部实现了资源化【4 1 。一些国家的高炉渣利用 情况列于表1 - 1 。 青岛理工大学工学硕士学位论文 表1 1 国外部分国家的高炉渣利用概况 宰表示主要用途；料表示一般用途 国内很多钢铁企业正将废渣资源化作为技术研发的重点攻关项目，目前我国 高炉渣的利用率已达到8 5 以上，主要有以下几个方面： ( 1 ) 直接用于建筑材料及其制品 建筑材料是利用高炉渣的重要方面，常见的如：水泥混合材、石膏、高炉矿 渣微粉、混凝土掺合料、空心砖和矿渣刨花板等。以往，高炉渣主要进行水淬后 与水泥熟料及少量的石膏共同粉磨生产矿渣硅酸盐水泥。矿渣水泥具有优良的性 能，即在较热气候条件下能保证混凝土的耐久性。所以矿渣水泥可广泛应用于土 木建筑、水利渠道、道路交通等的修建【5 1 。另外，高炉渣经急冷加工成膨胀矿渣 珠或膨胀矿渣，可做轻混凝土骨料，浇注成型可做耐磨的热铸矿渣【8 】。宝钢现已 建成一座年产6 0 万吨微粉的生产厂，其产品可以替代混凝土中的水泥。自1 9 9 6 年以来，首钢高炉水渣微粉作为混凝土掺合料，先后在首都国际机场停车楼及1 号桥、北京通产大厦、沙滩后街综合楼等首都重大工程中应用，各项技术指标都 2 青岛理工大学工学硕士学位论文 达到了设计要求。目前北京市预拌混凝土的年需求量在4 5 0 万m 3 上，且高强度 混凝土的用量越来越多。将高炉水渣磨细到4 0 0 0 8 0 0 0 c m 2 g ，掺量可到达2 0 - 4 5 。 ( 2 ) 提取高附加值组分 此法是通过冶金工艺提取复合矿高炉冶金渣中的高附加值组分【6 - 8 】。例如，硅 热法制各硅钛合金；熔融电解法制各硅钛铝合金；硫酸法提取钛、铝：制造钛白 和人造金红石；综合回收其中铁、钛的工艺研究；用硫酸溶解法提取高炉渣中的 二氧化硅等。 ( 3 ) 制备复合材料 因高炉渣含有合成c a 一口一s i a l o n 的成分，可利用高炉渣为原料采用碳热还 原氮化的方法来合成c a 一口一s i a l o n s i c 复合材料，该材料可作为新一代耐火材 料，用于诸如反向凝固炉底夹缝材料等领域，以提高高炉渣的附加值【9 1 。与传统 采用纯原料制备方法相比，成本低廉，工艺简单。 ( 4 ) 开发复合矿物质肥料 高炉渣是一种以钙、硅为主，含多种养分、具有速效又有后劲的复合矿物质 肥料。除硅、钙外，高炉渣中还含有微量的锌、锰、铁、铜等元素，对作物生长 起一定的促进作用。有些高炉渣含磷较高，可生产钙镁磷肥和钢渣磷肥。宝钢集 团开发总公司利用高炉渣开发的硅肥不仅是利用消化了自身的炉渣，同时对周边 地区的农业生产也做出了贡献。相关资料显示，我国目前缺硅土壤面积相当大， 每年需大量的硅肥，其后期市场前景很被看好1 0 】。 ( 5 ) 生产微晶玻璃 微晶玻璃是近几十年发展起来的一种用途很广的新型无机材料，微晶玻璃的 原料极为丰富，除采用岩石外，还可采用高炉矿渣。微晶玻璃的主要原料是高炉 矿渣6 2 7 8 ，硅石为3 8 2 2 或其他非冶金渣等。矿渣微晶玻璃产品，比高 碳钢硬，比铝轻，其机械性能比普通玻璃好，耐磨性不亚于铸石，热稳定性好， 电绝缘性能与高频瓷接近【1 l 】。 1 2 2 高炉渣处理研究现状 高炉渣处理是一个系统项目，考虑回收冶高炉渣物理热量的同时，还要考虑 材质本身的应用及其环保问题。高炉渣的处理工艺一般有湿法和干法两种，长期 3 青岛理工大学工学硕士学位论文 以来，以湿法为基础的水淬工艺一直占据着主导地位。 1 2 2 1 湿法工艺 湿法工艺是指用水或水与空气的混合物使熔融渣冷却，然后再运输的方案， 一般也称为水淬工艺。高炉渣水淬方式很多，主要处理工艺【1 2 1 5 】有：底滤法( o c p ) 、 因巴法( i n b a ) 、拉萨法( r a s a ) 、图拉法( t y n a ) 、明特克法( m t c ) 等。湿法工艺国 内生产大部分采用底滤法( o c p )国外生产大部分采用因巴法( i n b a ) 。 ( 1 ) 底虑法( o c p ) 工艺 o c p 法工艺流程见图1 1 所示。从高炉流出的高炉熔渣在冲制箱内由多孔 喷头喷出的高压水进行水淬，水淬渣流经粒化槽，然后进入沉渣池。沉渣池中的 水渣由抓斗吊抓出堆放于渣场继续脱水。沉渣池内的水及悬浮物通过分配渠流入 过滤池，过滤池内设有砾石过滤层，过滤后的水经集水管由泵加压后送入冷却塔 冷却，循环使用，水量损失由新水补充。o c p 法冲渣水的压力一般为o 3 0 4 m p a ， 渣水比为l ：1 0 1 ：1 5 ，水渣含水率为1 0 1 5 ，作业率1 0 0 ，出铁场附近可不 设干渣坑。 1 高炉渣；2 抓斗吊车；3 出料斗；4 - 水溢流； 5 冲洗空气入口：6 出水口；7 粒化器；8 冲渣器 图1 - 1o c p 法工艺流程图 ( 2 ) 因巴法( i n b a ) 工艺 i n b a 法水渣处理系统是2 0 世纪8 0 年代初由比利时西德玛( s i d m a r ) 公司 与卢森堡p & w 公司共同开发的一项渣处理技术。我国首次引进用于宝钢集团2 号高炉( 4 0 6 3 m 3 ) ，于1 9 9 1 年6 月2 9 日投产。目前我国仍在使用该处理技术的有 武钢、马钢、鞍钢、本钢、太钢等钢铁公司。i n b a 法的工艺流程如图1 2 所示。 4 青岛理工大学工学硕士学位论文 从高炉流出的高炉熔渣由熔渣沟流入冲制箱，被冲制箱的压力水冲成水渣进入水 渣沟，然后流入水渣方管、分配器、缓冲槽落入滚筒过滤器，随着滚筒过滤器的 旋转，水渣被带到滚筒过滤器的上部，脱水后的水渣落到筒内皮带机上运出，然 后由外部皮带机运至水渣槽。因巴法有热i n b a 、冷i n b a 和环保型i n b a 之分。 与冷、热i n b a 比较，环保型i n b a 最大的优点是硫的排放量很低，它把硫大部 分转移到循环水系统中。 l _ 、 1 2 34 5 m mm 。，i i 、p “川 9 圜 f 降。 l l l uu u 口工皿 妙铝 l ! ! 蛔 1 冲渣箱；2 水渣沟；3 水渣槽；4 分配器；5 转鼓过滤器；6 缓冲槽； 7 集水箱；8 热水池；9 冷却塔；1 0 水池；1 1 胶带机：1 2 一成品槽 图1 2i n b a 法工艺流程图 ( 3 ) 拉萨法( r a s a ) 工艺 1 水渣槽；2 喷水口：3 搅拌槽：4 输液泵；5 循环槽搅拌泵： 6 - 搅拌槽搅拌泵；7 。冷却塔；8 循环水槽；9 沉降槽；1 0 冲渣给水泵； 1 l 一冷却泵；1 2 分配器；1 3 脱水槽；1 4 汽车；1 5 排泥泵 图1 3r a s a 法工艺流程图 青岛理工大学工学硕士学位论文 r a s a 法水渣处理系统1 2 1 1 9 6 7 年在日本福山l 号高炉上( 2 0 0 4 m 3 ) 首次使用， 是由日本钢管公司和英国r a s a 公司共同研制开发的。我国宝钢集团1 号高炉 ( 4 0 6 3 m 3 ) 首次从日本引进这套技术与设备。r a s a 法的工艺流程如图1 3 所示。 从高炉流出的高炉熔渣由渣沟流入冲制箱与压力水相连进行水淬，经过水淬后的 渣浆在粗粒分离槽内进行浓缩，浓缩后的渣浆由渣浆泵运送至脱水槽，脱水后水 渣外运。脱水槽内的含渣水流到沉淀池，沉淀池出水循环使用。水处理系统设有 冷却塔，设置液面调整泵用以控制粗粒分离槽水位。 ( 4 ) 图拉法( n 饿a ) 工艺 ，、 名 卜 3 冬 7 f 青 广 l - 熔渣沟；2 一粒化器；3 一排气筒；4 - 脱水器：5 - 热水池；6 - 胶带机；7 成品槽 图1 - 4t y n a 法工艺流程图 t y n a 法水渣处理系统是在俄罗斯图拉厂2 0 0 0 m 3 级高炉上首次使用，是由 俄罗斯国立冶金工厂设计院研制开发的。我国首次使用该技术是唐钢在1 9 9 7 年对 1 号高炉进行异地大修为2 5 6 0 m 3 高炉时，对应高炉的3 个铁e l ，从俄罗斯引进了 3 套粒化渣处理设备，于1 9 9 8 年高炉建成投产使用，并一直运行至今。图拉法工 艺流程如图1 - 4 所示。t y n a 法处理工艺是高炉熔渣先被机械破碎，然后进行水 淬的工艺过程的典型代表。 ( 5 ) 明特克法( m t c ) 工艺 m t c 法炉渣处理工艺是由首钢与北京明特克冶金炉技术有限公司联合研 制、开发的，整套系统于2 0 0 2 年7 月在首钢3 号高炉( 2 5 3 6 m 3 ) 上投入运行。其工 艺流程如图1 5 所示。 m t c 法的核心设备由一台特殊设计和制造的螺旋输送机和一台过滤器组成。 6 青岛理工大学工学硕士学位论文 螺旋输送机呈2 0 0 倾角安装在水渣池内，随着螺旋输送机的转动，其螺旋叶片将水 渣池底部的水渣向上输送，水则靠重力和渣的翻动挤压两重作用向下回流，从而 达到渣水分离和脱水的目的。水渣经脱水，离开螺旋输送机的u 型槽后，通过皮带 系统输送至水渣堆场；冲渣水经浊水渣池溢流口进入过滤器过滤成净水后，进入 水循环系统循环使用。 1 熔渣沟；2 蒸汽排放罩；3 搅龙机；4 输渣皮带； 5 水过滤器；6 贮水槽；7 冲制泵；8 冲制箱；9 水渣池 图1 5m t c 法工艺流程图 1 2 2 2 干法工艺 干法即依靠高压空气实现熔融金属冷却、粒化的工艺。针对水渣处理工艺的 缺点，2 0 世纪7 0 年代国外就已开始研究干式粒化高炉渣的方法。前苏联、英国、 瑞典、德国、日本、澳大利亚等国都有研究高温熔渣( 包括高炉渣、钢渣等) 干 式粒化技术的记录。 高炉湿法工艺会造成高炉渣余热品质的降低，冲渣水余热只能用于冬季供暖 等方式。与水冲渣工艺相比较，高炉渣干法处理工艺能够直接回收利用高炉渣显 热，进行余热发电、生物质裂解、煤气化等高效资源化利用盼1 9 】，高炉渣干法粒 化及其余热资源高效回收利用是当前研究的热点。目前高炉渣干法处理工艺主要 有：风淬法、双内冷却转筒粒化法、m e r o t e c 熔渣粒化流化法、机械粒化法、连铸 连轧法、化学法等2 0 - 2 2 。 ( 1 ) 风淬法工艺 n k k 转炉钢渣风淬粒化工艺如图1 - 6 所示【2 3 之4 1 。高炉流出的高炉熔渣进入倾 斜的渣罐，渣罐下设鼓风机，高炉熔渣从倾斜的渣罐流出时，与鼓风机吹出的高 速空气流接触后被吹散成颗粒，颗粒在飞行过程中固化，温度由1 5 0 0 c 降到 7 青岛理工大学工学硕士学位论文 1 1 0 0 ，然后在热交换器内进一步冷却到3 0 0 左右后，经传送带输送到粒化渣 槽内储存。 风淬法在粒化过程中动力消耗很大，风淬与水淬相比冷却速度很慢，为了防 止粒化渣在固结之前粘连到设备表面上，就要加大设备的尺寸。风淬法得到的粒 化渣的颗粒直径分布范围较宽，不利于后续处理。 1 一渣罐；2 - 鼓风机；3 - 锅炉；4 - 干燥器；5 粒化渣槽；6 一皮带 图1 - 6n k k 转炉钢渣风淬粒化工艺流程图 ( 2 ) 双冷却转筒粒化工艺 该技术最早由日本钢管公司( n k k ) 开发，其工艺流程如图1 7 所示【2 5 之6 1 。温 度为1 5 0 0 左右的液态高炉渣经渣槽流入位于转鼓b 1 和b 2 之间形成的渣池， 转鼓连续转动，通过挡板来控制熔渣的液位，熔渣随转鼓的转动被带出并在转 鼓表面成膜，在转鼓内通过一种高沸点有机液体( 烷基联苯) 来快速冷却附着在转 鼓表面的渣膜，随后冷却的玻璃相炉渣由一种脱膜工具从转鼓上剥离落入料斗， 得到的成品渣温度约为9 0 0 c 。从转鼓出来有机液体蒸汽经热交换器( c ) 冷却后通 过循环泵( f 1 ) 返回冷却转鼓循环使用，回收的热量用于透平蒸汽发电。大型工业 试验中，转鼓内热媒介物吸收热量约为熔渣显热的4 0 ，得到成品渣的玻璃化率 达到9 5 。 双冷却转筒粒化工艺【1 8 - 2 3 1 的难点在于转鼓的设计和稳定运行、渣膜厚度的控 制以及具有高沸点高蒸发潜热的有机溶剂的选择。该工艺因整体热量回收率偏低 以及后续处理麻烦而未得到应用。 码痧 青岛理工大学工学硕士学位论文 a 边缘挡板gb i 、b 2 冷却转鼓：c 热交换器： d 透平；e 发电机；f 1 、f 2 循环泵；g 冷凝器 图1 7 双冷却转筒粒化工艺流程图 ( 3 ) m e r o t e c 熔渣粒化流化工艺 m e r o t e c 熔渣粒化工艺最早由德国人设计开发，工艺流程如图1 8 所示【2 7 1 。 高炉熔渣直接或通过缓冲罐( a ) 间接倒人粒化器( b ) ，在粒化器内将熔渣破碎成颗 粒状，然后渣粒进人流化床换热器( c ) 进行充分换热冷却，再由提升机( d ) 运往筛 子( e ) ，经筛分得到0 3r u n l 和大于3m m 级别，分别进入渣粒储罐f 1 和渣粒储罐 f 2 。得到的细颗粒炉渣通过传送装置( g ) 进入循环渣粒储罐( h ) 循环操作，用于熔 渣的破碎过程，且用来冷却和保护工艺设备。熔渣的热量通过循环细渣粒的吸热、 粒化器( b ) 的空气冷却和流化床换热器( c ) 得到回收。冷却空气通过风机1 1 和1 2 循 环使用，产生的粉尘通过旋风除尘器j 1 和j 2 分离和回收。 a 渣罐；b 循环渣储仓；c 粒化器；d 流化床式换热器；e 提升机； f 1 、f 2 渣仓；g 皮带机；h 振动筛；1 1 、1 2 风机；j 1 、j 2 旋风除尘器 图1 8m e r o t e c 熔渣粒化流化工艺流程图 9 青岛理工大学工学硕士学位论文 m e r o t e c 熔渣粒化流化工艺，该装置的热量回收率约为6 4 ，但有效能利用 率偏低。 ( 4 ) 机械粒化法工艺 机械粒化法是由英国k v a e r n e rm e t a l s 研究发明的，工艺流程如图1 - 9 所示 2 8 - 3 0 】。液态高炉渣从渣槽流到罩杯之后被甩出，甩出的颗粒在运行中与下部流化 上来的气体相遇，发生对流传热和与内壁辐射传热，使渣粒初步冷却。炉渣在粒 化和运行阶段降低1 0 0 - 2 0 0k 。之后高炉粒化渣粒打在设备内壁上，壁面所布冷 却水管中的冷却水将热量带走。高炉渣反弹回继续下落，通过与流化空气和埋在 床层内的换热管道的热交换来进行热回收。此法可使炉渣粒度达21 1 1 1 1 1 左右，比 水冲渣性能更优越，但其设备较复杂。 g a 抽取空气到集尘袋室：b 渣槽；c 冷空气入口：d 主转轴； e 粒化颗粒；f 改进的粒化床；g 水冷壁；h 旋转杯 图1 - 9 机械法粒化工艺流程图 ( 5 ) 机械搅拌法熔渣造粒工艺 日本住友金属工业开发了一种连续搅拌法熔渣造粒工艺，采用机械搅拌法2 2 】 将熔渣破碎，其装置示意见图1 1 0 。 将高炉熔渣注入搅拌装置，带有叶片的旋转轴连续搅拌使熔渣冷却破碎，粒 化后的高温渣粒随转轴的转动连续地输送到装置的外部，转轴由外部的电机带动， 粒化装置通过外部的水套冷却保护。 试验中高炉熔渣的平均流量约为3 0 t h ，在1 4 0 0 c 左右流人，熔渣粒化后约 在9 0 0 从装置中排出，粒化的渣粒大部分在2 0 m m 左右，排出后的高温渣粒还 l ( 1 青岛理工大学工学硕士学位论文 持有熔渣热量的5 0 p a 上，可再二次回收。该工艺研究证明了利用连续搅拌方式 将熔渣干式粒化是可行的。研究者还对粒化工艺得到的冷却渣粒进行了渣品质的 考察，发现通过对造粒气氛的调整可得到满足道路用渣品质的渣粒制品。 l l 。 1 。弋n 。 一- -目 r 一 一 i l | l| | | 7 一 l 笾也u - i l i 1 一i 曲 1 熔渣；2 旋转轴：3 电动机；4 粒化渣；5 水套；6 叶片；7 冷却水 图1 1 0 机械搅拌熔渣造粒工艺流程图 机械搅拌破碎工艺基本不可取，因此法得到的渣粒尺寸大且不均匀，玻璃化 程度不高，只能用作铺路材料，产品附加值低下且整个工艺本身对熔渣的显热回 收效率也很低。 ( 6 ) 连铸连轧法工艺 a 供渣嘴；b 水冷平辊；c 水冷网辊；d 输送机；e 膜式水冷壁：f 碎渣机； g 给水泵：h 省煤器；i 汽包：j 循环泵 图1 - 11 连铸连轧法熔渣余热回收工艺 连铸连轧法熔渣平板固化工艺是由中国有关技术人员根据1 9 8 6 年乌克兰第 聂伯罗彼得罗夫斯克冶金学院开发的炉渣干式粒化方案，并参照有色金属连铸连 青岛理工大学工学硕士学位论文 轧工艺，对原工艺进行改造而成，其工艺流程如图1 1 1 所示3 1 1 。其工作流程为： 由渣罐车运来的熔渣倒人渣池，熔渣从供渣嘴( a ) 连续流到水冷平辊( b ) 和水冷网 辊( c ) ，然后进入链式输送机( d ) ，在运输机下部通人冷空气，渣的热量传给冷空 气和膜式水冷壁( e ) ，冷却后的渣在碎渣机( f ) 中破碎，软化水经轧辊流入水箱，经 给水泵( g ) 压人省煤器( h ) ，然后进入汽包( i ) ，饱和水经循环泵( j ) 压人膜式水冷壁， 加热气化后回到汽包，从汽包出来的饱和蒸汽进入过热器，成为过热蒸汽。 据报道，该工艺热回收率可达6 6 5 ，具有良好的操作性和可观的投资回报， 但其最大困难在于冷却工序的设计，平板式高温渣的透气性严重影响冷空气和水 冷壁的换热效率，因而存在很大的缺陷，预测的热回收效率有待于生产性试验的 验证。 ( 6 ) 化学法工艺 应 图1 - 1 2 甲烷循环反应热回收过程不意图 化学法高炉渣处理工艺首先是将高炉渣的热量作为吸热化学反应的热源储存 起来，然后在适当的时候通过放热反应将储存的热量释放出来加以应用。此工艺 是由b i s i o 等人提出的。其反应热回收过程如图1 1 2 所示 2 8 3 0 3 2 5 1 。通过甲烷与 水蒸气的混合物在高炉渣高温热的作用下，生产一定的一氧化碳和氢气。反应方 程式为： c h 4 ( g ) + 厶乞d ( g ) c o ( g ) + 3 1 - 1 2 ( g ) ( 1 2 ) 此反应为吸热反应，反应过程中所需要的热量来自于液态高炉渣冷却成颗粒 1 2 状的高炉渣所放出的热量。液态的高炉渣可以通过高速喷出的甲烷和水蒸气的混 合气体对其进行冷却粒化，二者进行强烈的热交换，液态高炉渣在因受到甲烷和 水蒸气气流的破碎和强制的冷却作用下，温度急剧下降粒化成小颗粒，如图1 1 3 所示。吸热反应生成的一氧化碳和氢气进入下一反应器，在一定的条件下，两者 发生化学反应生成甲烷和水蒸气，释放出热量。反应方程式为： c o ( g ) + 3 h 2 ( g ) _ c h 4 ( g ) + h 2 d ( g ) ( 1 - 3 ) 放热反应生产的甲烷和水蒸气经热交换器冷却之后返回循环使用。热交换出 来的热量经过处理之后可高炉热风炉、发电等使用。 i a 壳体；b 渣液薄膜；c 表面波；d 现状物；e 小渣滴 图1 1 3 风淬装置 1 3 课题的提出及意义 从以上分析可以看出，高炉渣的物理化学性质研究已经成熟，各国在高炉渣 资源利用方面已取得了很好成果；但是，在高炉渣所含的丰富热量却还没有能够 得到充分的利用。目前绝大部分高炉采用的是湿法处理工艺，回收的炉渣余热用 于取暖。只是利用炉渣中低品端热量，并且夏季和无取暖设备的地方，这部分能 量不但白白的浪费掉，而且造成水资源的大量浪费，对大气，水和土壤也造成了 严重的污染，恶化了工作环境。而其他干法处理工艺由于各自的缺陷大部分还处 于实验室研究阶段，未实现工业化。研究发现，液态高炉炉渣高效利用，有两个 关键的问题需要解决：一是液态高炉渣的粒化，二是粒化后渣的热量回收利用。 针对上述对国内外研究现状及存在的问题，本课题研究的目的是在于提出一种节 青岛理工大学工学硕士学位论文 约水资源、有效利用高炉余热、成本低，处理后的炉渣玻璃体含量高、颗粒均匀 的液态高炉炉渣干式粒化的处理工艺。 主要涉及高炉渣的干式离心粒化机理、高炉渣式离心粒化系统设计、冷态实 验和热态验研究三方面内容。新型高效的炉渣粒化处理工艺可以有效解决高炉渣 显热回收和减少环境污染的难题，具有重大的经济效益和环保效益，在钢铁等冶 金行业液态熔渣的余热回收利用方面具有广阔的应用前景。 1 4 论文的内容 本论文在前人工作的基础上，研制、改进了干式离心粒化系统。液态高炉渣 高效利用的两个关键问题：一是液态高炉渣的粒化，二是粒化后渣的热量回收利 用。本文提出一种节约水资源、有效利用高炉余热、成本低，处理后的炉渣玻璃 体含量高、颗粒均匀的液态高炉炉渣干式粒化的处理工艺。 论文共分五章，具体如下： 第二章为理论研究部分，综合介绍了前人在干式离心粒化方面的工作，对比 了各种物理模型的特点，指出高炉渣干式离心粒化粒学模型可以得到更加准确结 果：同时为后面的章节做了理论工作准备。 第三章研制并改进了高炉渣干式离心粒化系统，该系统主要由金属合金的熔 炼、熔融液输送、离心粒化、余热利用、p l c 控制、监控等五个部分组成。又通 过对离心盘的材质选择、形状、直径、边缘高度、固定筋、凹盘倾角0 等设计， 实现高炉渣干式离心粒化并控制粒化颗粒的形成因素。 第四章实验研究了干式离心粒化的状况，从旋转盘的形状、直径、转速，熔 融液体的流量、过热度以及风量影响因素上分析了对粒化效果的影响，得出离心 粒化法的规律。 第五章对全文的工作做了总结，并展望了今后工作的方向。 各章节间的关系如图1 1 4 所示。 1 4 青岛理工大学工学硕士学位论文 图1 1 4 论文的组织结构 1 5 青岛理工大学工学硕士学位论文 第2 章高炉渣离心粒化理论研究 2 1 离心粒化的理论基础 根据文献介绍【3 6 瑚】，日本学者棚泽等和荷兰学者h i n z e 等人利用水溶液和有 机溶液等进行了离心粒化液滴破碎的机理实验，并且得到了相同的重要结果。棚 泽和h i n z e 等人的实验结果表明，采用旋转盘离心粒化时，液滴离心粒化的分裂 形态如图2 1 所示为( a ) 液滴状分裂、( b ) 纤维状分裂和( c ) 膜状分裂。三种分裂方式 之间可以互相转化，取决于粒化条件。根据棚泽的研究结果，当粒化盘直径大， 旋转速度、液体流量和粘滞系数均小时，液体成滴状分裂；中等金属流量和中等 旋转速度时，线或纤维形成在旋转体周围进而破碎成液滴；而在高的旋转速度， 金属流量和粘滞系数均大时，液膜主要以膜状分离方式破碎。反之，粒化盘直径 小、旋转速度、液体流量和粘滞系数均大时，液体成膜状分裂；当上述参数值居 中时，液体成纤维状分裂。棚泽还提出，除上述三种状态外，当液体粘度较小， 纤维较粗且尺寸断开，可认为是一种柱状分裂状态，如图2 1 ( d ) 所示。 ( a ) 滴状分裂( b ) 纤维状分裂 ( c ) 膜状分裂( d ) 柱状分裂 图2 - 1 离心粒化分裂模型图 另外，棚泽等人通过摄影测定了三种分裂模式的临界流速g 。，这些流速给出 1 7 b 、 p ， 乙；、 o o 乙_ o _ o ，j o 、 一 o r 、 广矿一 口 _ 。河一 青岛理工大学工学硕士学位论文 了滴状分裂的最大流量、纤维的最小间距以及成膜的最小流量，随着吼的改变， 三种分裂方式可以相互转化。 滴状分裂的最大临界流速q 。为： = 2 8 ( 0 咒) 2 培p p ) 扯l o c u ( p c r d ) m 川( 2 - 1 ) 纤维流具有最小间距的临界流速q 。：为： ：8 o ( d 咒) 27 3 p p ) i + 1 0 0 如回) l 7 2y 3 j ( 2 - 2 ) d p l t 3 0 c m s 时非粘性液体成膜的最小临界流速q 。4 为： q 。兰2 0 ( 1 d ) 1 7 2 ( 1 n ) 27 3 ( o p ) s 7 6 ( 2 4 ) 上述公式中q c l 、q c z 、q c 3 、q c 4 为临界流速( e m 3 s ) ，d 为旋转盘直径( c m ) ， 1 1 为旋转盘转速( r m i n ) ，p 为液体密度( c m 3 ) ，盯为液体面张力( d y “c m 2 ) ，为 液体粘度系数( d y n s e r a 2 ) 。 日本学者y o s h i n a g a t 3 9 】等人用高温熔渣实物做研究对象，并利用高速照相机 观察实验。图2 - 2 在持续流量下，流动液体进行脉动情况。他研究了熔渣粒化以 及固化过程中的特性，提出离心粒化分裂模式均与流量、旋转盘转速等直接相关。 图2 - 2 持续流量下分裂模型图 此外，我国的于庆波等人的研究表明，离心粒化分裂模式均与流量、旋转盘 转速、旋转盘形状等直接相关。这是由于离心力引起液体的不稳定性( 远离中心 处液体受到的力大于靠近中心处液体受到的力) 从而导致液体的分裂，而液体的 表面张力和粘性则阻碍分裂的进行，两者综合作用，就产生了不同的分裂模式。 1 8 青岛理工大学工学硕士学位论文 由于上面论述得知，离心粒化由于粒化条件不一而产生滴状、纤维状和膜状 分模式。关于旋转盘离心颗粒的尺寸，目前所得到的均是一些半理论半经验的公 式。 对于滴状分裂，c h a m p a g n e 曾给出过两个经验计算公式： d = 4 6 3 1 0 6 ( o r p ) 0 4 3 0 ld 蝴0 1 2 c o o l 9 8 ) ( 2 5 ) d = c ( 1 功炒( 声河心 ( 2 6 ) 式中d 为颗粒平均尺寸，c 为常数，其余符号含义同上。 k i t a m u r a 等人也给出了离心颗粒平均直径公式： d = 1 6 r r e o 2 6 z r o 3 8 耽柚4 2( 2 7 ) 式中，d 为颗粒直径( r a m ) ，r 为粒化盘直径( r a m ) ，r e 为雷诺数，乃为 o h n e s o r g e 数，w e 为韦伯系数。 加藤等人认为，在表示离心粒化的颗粒尺寸上，用最大频率出现粒径( d 删。) 比用平均粒径d 要妥当些。他们从实验得出： d m o d 。= 4 0 0 x 1 0 5x n 。0 8 4 ( 2 - 8 ) d m o d 。= o cd 加4 7 ( 2 9 ) 诸多学者如w a l t o n 、棚泽、大山、m a y 都得出：d = 伍国炒( 矽计坨公式， 只是由于粒化条件不一，液体粘度不一，所得常数k 不尽相同。仃为金属溶液表 面张力( d y n e c m 2 ) ，p 为金属溶液密度( c m 3 ) ，d 为旋转盘直径( m m ) 。 近期日本学者f r a z e r t 4 0 1 研究了r o t a r yc u pa t o m i z e r ( r c a ) 的高粘度熔渣颗 粒：得出了离心粒化颗粒直径的方程( 2 1 0 ) ，在这个方程中，经过许多试验确定 了系数，其中在许多实验分别确定了系数，得到了半经验公式。 k = 6 x l o - 4 斗，煮舞 ，+ 制 南 l ，2 ( 2 加， 此处，参数用单位系统c 、g 、s 表示。 其中：“。一沿杯液体的平均径向速度c 枞“。2 q 2 n 2 s i n o m ； 1 9 青岛理工大学工学硕士学位论文 一( m m ) , 2 , = 巾2 名n y 习； 丸蝴从杯子飞射出去液滴的直径 ( m m ) ， d 呦= c o 江液滴在空气中爆破点 一号慝+ a d l + a 2 4 r ：l，2；2 嘶i j 占液体的角速度与杯唇的夹角( o ) ，s i n 占2 每； 巧液模离开杯唇的速度( “s ) ；在6 - - 9 0 。时“胁= 巧，以上成立。 对于纤维状和膜状分裂过程，一般来说是沿用l o r dr a y l e i g h 液柱分裂理论和 w e b e r 、s e e 、s q u i r e 等人的膜状分裂理论。f r a s e r 等人对粒化盘产生线状液粒切断、 生成液粒进行了研究，得出液粒的平均直径d 。为： d s d ：0 4 1 b , 如2 ) 。5 泅加) 0 2 恤鲤2 妒1 ( 2 1 1 ) 式中：卜流速。 北村等人对于w e 数从1 0 0 1 0 0 0 0 0 范围进行了实验，得到了纤维状分裂粒径 d 与粒化条件关系式： d = 1 7 8 q 0 2 6 ( p ) - o 。1 2 ( 仃p ) o r - 1 7 1 0 “ ( 2 1 2 ) 根据文献介绍，几位作者已导出的确定平均液滴直径或主要直径的半理论 半经验公式，其表达式为： d = i d p l ) l 坨 ( 2 1 3 ) 式中d 颗粒直径，r a m ； k 常数： 仞旋转角速度； y 液体表面张力； 青岛理工大学工学硕士学位论文 d 粒化盘直径，m m ； p 工液体密度； 近期日本学者p u r w a n t o 等咖1 进一步研究了旋转杯粒化法( r c a ) 所得渣粒的性 能，并用高速摄像机拍摄了粒化过程的散布图。实验还分析了转速对熔渣粒化尺 寸的影响，通过数据拟合得到粒度公式，即： d p = 1 6 8 6 r c o ( 2 1 4 ) 式中：d 口颗粒直径，i l l m ； r _ 杯的半径，m m 。 此外，我国的于庆波等人【4 2 】的模拟研究，根据量纲分析和相似原理推导出了 影响渣粒直径的准则关系式，并通过实验确定了各项系数。 d s = 0 3 2 3 t _ r e 卸1 9 2s r 。0 2 9 2 w e 。0 3 4 2 ( 2 15 ) 式中：为颗粒直径( m m ) ，转杯边缘处的扎膜厚度，r e 为雷诺数，s r - 斯特罗哈尔数，耽为韦伯系数。 从以上方程不难看出，金属熔体的特性参数，如熔点、动粘度、表面张力、 比热、热导率、密度、裂解热等，对粒化粉末的粒度有一定的影响。而这些参数 中动粘度和表面张力对粒度的影响较大。一般说来，随着温度的升高，金属动粘 度和表面张力都降低。粘度越小、表面张力越小，平均粒度越小。 液体的表面张力随着温度的升高而近似线性的下降，可用兰姆希尔公式 表示 4 3 】： t r v 2 胆= 七( 乃一五一6 ) ( 2 1 6 ) 式中：z 合金液的临界温度，； z 合金液的实际温度，； 仃表面张力，1 0 - 3 n m ： k 一比热，2 1 1 0 - 7 j k ： v 一合金液的摩尔体积，c m 3 。 由上式可见，随着合金温度的升高，即五增大，正- 五减