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        高爐渣離心?;到y(tǒng)優(yōu)化與實驗研究

        2019-07-08 06:42:10
        中國粉體技術 2019年5期
        關鍵詞:?;?/a>適應控制爐渣

        (1. 青島大學機電工程學院,山東青島266071; 2. 青島理工大學機械與汽車工程學院,山東青島266520)

        高爐渣是煉鐵過程的主要副產(chǎn)品之一,全球每年產(chǎn)生約40億t的高爐渣[1],出渣的溫度約為1 500~1 700 ℃。 目前,高爐渣的處理工藝主要是水淬法,該方法需要消耗大量的淡水,不僅會產(chǎn)生含硫蒸汽,而且液態(tài)高爐渣所具有的能量也白白浪費。而干法離心粒化熔融高爐渣,除了可以滿足爐渣產(chǎn)物作為水泥添加劑[2-3]的性能要求外,還可以減少水資源的浪費,并且對爐渣顯熱進行回收利用,滿足節(jié)能減排的要求,對于環(huán)境保護具有重大意義[4-5]。具體方法是,利用高速旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)杯或轉(zhuǎn)盤,使高爐渣在離心力的作用下迅速甩出、破碎、冷卻、凝固[6-7],顆粒直徑越小,傳熱速度和凝固速度越快,越有利于顯熱回收和余料利用。對高爐渣離心?;O備和系統(tǒng)的研究已取得初步進展[8-9],也開展了一系列實驗[10],理論研究方面成果顯著。但是,目前高爐渣?;^程存在一系列的問題,如渣粒直徑過大、玻璃體含量較低、渣棉含量高、?;实偷?,這些問題影響了后續(xù)的換熱過程、?;O備的正常運行以及工業(yè)應用的推廣。上述問題的部分成因在于熔融高爐渣流動性受溫度[11]、?;鞅砻娼Y(jié)構(gòu)[12]影響顯著,并且?;到y(tǒng)無法實時反映渣粒粒徑,從而難以根據(jù)粒徑變化調(diào)整系統(tǒng)參數(shù)。故此本研究在?;到y(tǒng)的自適應控制方面做出改進,應用渣粒粒徑圖像識別[13-14],分析研究高爐渣粒化時的實驗現(xiàn)象,比較不同的系統(tǒng)參數(shù)對?;Ч挠绊?,為下一步工業(yè)應用做準備。

        1 實驗

        1.1 高爐渣離心?;瘷C理

        高爐渣離心粒化過程十分復雜,從微觀上講,是不同的力對微元體的作用導致了不同的?;Y(jié)果,由于流體慣性、流體間的黏性剪切力、空氣阻力、表面張力、?;P提供的離心力等共同作用。同時,由于高爐渣本身物理性質(zhì)的變化,宏觀上體現(xiàn)出滴狀分裂、絲狀分裂、膜狀分裂3種模式。對于高爐渣液膜,周向和徑向表面不穩(wěn)定波疊加,從而形成呈螺旋形的絲狀分裂模式。在轉(zhuǎn)盤表面,高爐渣隨溫度變化造成的黏度的變化也是影響?;P鍵因素,粘附力增大使得液膜的穩(wěn)定性增強,瑞利-柏拉圖不穩(wěn)定條件難以達到,此時,液膜邊緣在粘附力作用下形成的液絲粗大,?;|(zhì)量差,因此?;^程的溫度控制至關重要。

        1.2 原料

        采用青島特殊鋼鐵有限公司一號高爐出產(chǎn)的高爐渣,為保證高爐渣物料特性,實驗用高爐渣直接從渣溝獲取,避免水淬過程對高爐渣的影響。由于不同批次礦石出產(chǎn)的高爐渣成分區(qū)別較大,實驗用高爐渣取樣3組,其組分見表1。由表可知,實驗用高爐渣組分區(qū)別不大,可以保證不同組實驗之間高爐渣的物料性質(zhì)基本相同。

        1.3 實驗設備和方法

        實驗設備主要有熔塊爐、 ?;?、 變頻控制器、 出渣器、 粒徑檢測裝置等,粒化系統(tǒng)實物圖如圖1所示。 熔塊爐可加熱到1 600 ℃,實驗時將高爐渣投入熔塊爐坩堝內(nèi),設置升溫曲線,升溫曲線如圖2所示。

        表1 高爐渣組分表

        圖1 高爐渣粒化系統(tǒng)實驗臺圖2 高爐渣?;到y(tǒng)升溫曲線Fig.1 Blast furnace slag granulation system test benchFig.2 Blast furnace slag granulation system heating curve

        考慮到加熱爐的耐受性,初始階段升溫速度較慢,800 ℃之后,以10 ℃/min的速率迅速升溫,并在1 400 ℃保溫1 h。加熱完成后開始?;瘜嶒?,高爐渣下落到高速旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)盤上,在離心力作用下甩出、破碎、成粒。轉(zhuǎn)盤與熔融高爐渣之間存在粘附力,在粘附力的作用下,高爐渣與轉(zhuǎn)盤一同轉(zhuǎn)動,而上層的高爐渣由于黏性力的作用,也一起旋轉(zhuǎn),但是會存在一定的速度差,因此得到的渣粒粒徑會以一定的規(guī)律分布。然后取渣機構(gòu)取出渣粒,粒徑檢測單元進行檢測,檢測結(jié)果傳輸?shù)缴衔粰C,與目標值進行比較,以檢測值與目標值的差值作為調(diào)節(jié)信號,通過可編程邏輯控制器(PLC)和變頻器控制?;P轉(zhuǎn)速的變化,實現(xiàn)最佳的?;Ч?。

        1.4 系統(tǒng)控制方式與粒徑檢測分析

        在?;M程初期,熔渣的流量存在波動,而熔渣流量對?;蟮脑A接绊戯@著,必須對特定流量匹配相應的轉(zhuǎn)速,以實現(xiàn)高爐渣離心?;淖赃m應控制,控制流程如圖3所示。

        圖3 高爐渣粒化系統(tǒng)控制流程圖Fig.3 Flow diagram of blast furnace slag granulation system

        在實驗初始時,控制渣流的流量為60 g/s,熔塊爐的出渣溫度為1 500 ℃,?;P的轉(zhuǎn)速為1 200 r/min。 得到的渣粒經(jīng)過粒徑檢測分析,根據(jù)粒徑的?;|(zhì)量,一方面立即反饋到電機進行轉(zhuǎn)速修正; 另一方面存儲到轉(zhuǎn)速匹配模型庫,使得系統(tǒng)的運行和控制更加精確。 為了能夠?qū)崟r獲取渣粒粒徑,實驗使用機器視覺的方法,渣粒粒徑的檢測裝置如圖4所示。

        圖4 高爐渣?;到y(tǒng)渣粒粒徑檢測裝置Fig.4 Particle size detecting device of blast furnaceslag granulation system

        檢測裝置由工業(yè)相機、20 V直流電源及計算機組成,其原理采用圖像拍攝的方式來獲取高爐渣顆粒圖像,拍攝的圖像通過以太網(wǎng)傳輸?shù)诫娔X客戶端后,通過編寫的程序算法對圖像做一系列處理,包括灰度化、圖像去噪、二值化、圖像分割等步驟,以提取其特征參數(shù),檢測界面如圖5所示。

        圖5 高爐渣?;到y(tǒng)渣粒粒徑檢測界面Fig.5 Blast furnace particle granulation system slag particle size detection interface

        渣粒直徑一方面作為渣粒粒化質(zhì)量的檢測,另一方面將平均粒徑作為自適應控制系統(tǒng)的實時反饋信號,上位機根據(jù)實時檢測的粒徑大小做出反應,調(diào)節(jié)粒化盤轉(zhuǎn)速,從而實現(xiàn)高爐渣離心?;淖赃m應控制。

        2 實驗結(jié)果與分析

        2.1 實驗結(jié)果

        基于上述?;囼炏到y(tǒng)與渣粒粒徑檢測系統(tǒng),進行4組試驗,分別探索渣流穩(wěn)定性對?;挠绊懀瑢Ρ榷;P轉(zhuǎn)速法和適應時變來流的自適應控制法的粒化效果,研究可以保證較高?;屎洼^小渣粒平均粒徑的?;P分布范圍,并利用自適應控制研究了轉(zhuǎn)速對渣棉生成量的影響。表2為變轉(zhuǎn)速下不同粒徑渣粒質(zhì)量及質(zhì)量分數(shù)。圖6為實驗得到的不同粒徑的高爐渣渣粒。

        2.2 渣流流量穩(wěn)定性對粒化的影響

        受熔渣黏度影響,初始時出渣是非連續(xù)的,在達到穩(wěn)態(tài)之前,會存在一定的波動過程,波動過程無法控制。在此過程中,由于渣流的不穩(wěn)定性,對?;P的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)缺乏依據(jù),故此過程中的?;|(zhì)量較差,粒徑分布范圍較大,并且產(chǎn)生了部分渣棉。

        表2 變轉(zhuǎn)速下不同粒徑渣粒質(zhì)量及質(zhì)量分數(shù)

        a 0~<2 mmb 2~<5 mmc 5~<8 mmd ≥8 mm圖6 800 r/min下?;P直徑120 mm時的渣粒粒徑Fig.6 Particle size of 800 r/min granulation disc diameter 120 mm

        15 s內(nèi)穩(wěn)態(tài)與非穩(wěn)態(tài)流量的出渣渣粒粒徑分布對比如圖7所示。 由圖可知,流量穩(wěn)定時渣粒粒徑集中分布在1~3 mm; 流量不穩(wěn)定時粒徑分布隨機性較大,渣棉相較于渣流流量穩(wěn)定時增加了15%,大粒徑的渣粒和渣塊增加了24%,高爐渣渣粒粒徑分布比較分散,粒化質(zhì)量差。 由于系統(tǒng)本身的滯后性,在渣流的非穩(wěn)態(tài)階段?;P轉(zhuǎn)速難以實時響應渣流流量變化,受粒化過程與粒徑檢測裝置取料過程的限制,系統(tǒng)的快速性難以改善,因此,若要減小非穩(wěn)態(tài)流量的影響,只能縮短非穩(wěn)態(tài)渣流的存在時間。

        圖7 穩(wěn)態(tài)與非穩(wěn)態(tài)流量的粒徑分布Fig.7 Particle size distribution of steady and unsteady flow

        2.3 自適應控制法對?;挠绊?/h3>

        高爐渣離心?;^程中,成粒特性受工質(zhì)物性、粒化設備結(jié)構(gòu)參數(shù)、運行工況的影響,如熔融高爐渣密度、黏度、表面張力及粒化盤直徑、轉(zhuǎn)速等。渣粒平均粒徑的擬合公式為

        (1)

        式中,d為渣粒平均粒徑,R為?;靼霃?,Re為雷諾數(shù),We為韋伯數(shù),Oh為一無量綱參數(shù)。其中受?;P轉(zhuǎn)速的變化影響最大的是韋伯數(shù)We,We反映了流體慣性力與表面張力的效應之比。

        流量增大時,液膜厚度增大,表面張力增大,We減小,而平均粒徑與We成反比,故此時平均粒徑d增大,若提高轉(zhuǎn)速,離心力導致慣性力增大,We增大,平均粒徑d減??;流量減小時反之。

        綜上所述,為了提高?;|(zhì)量,必須根據(jù)渣流流量大小實時改變?;P轉(zhuǎn)速。 由于?;^程的復雜性,以及不同煉鐵高爐出產(chǎn)高爐渣物理性質(zhì)的差別,難以實現(xiàn)渣流流量與?;P轉(zhuǎn)速之間的匹配,因此高爐渣離心粒化自適應控制以渣粒粒徑檢測作為反饋,使自適應調(diào)控方法的閉環(huán)回路反饋得以完善。 圖8為自適應控制法與定?;P轉(zhuǎn)速法粒徑分布與平均粒徑的對比。 由圖可以看出,在自適應控制下,?;P根據(jù)粒徑大小實時改變轉(zhuǎn)速,可以達到較好的?;Ч?,渣粒粒徑分布集中度較高,集中分布在3 mm左右,且渣棉和過大粒徑的渣粒生成量少,平均粒徑減小20%,渣棉生成量減少35%。

        圖8 自適應控制法與定?;P轉(zhuǎn)速法的粒徑分布對比Fig.8 Size distribution and comparison of adaptive control method and granulating disk speed method

        2.4 ?;P直徑對?;挠绊?/h3>

        控制?;P轉(zhuǎn)速與渣流流量不變,?;P直徑對?;屎驮F骄睆降挠绊懭鐖D9所示。由圖可知,在粒化盤直徑小于160 mm時,?;逝c粒化盤直徑的線性擬合度較好,基本呈正比例關系,直徑超過160 mm后,?;什辉偕?;當?;P直徑在120~160 mm范圍內(nèi)時,渣粒平均粒徑分布在2~3 mm之間,粒徑較小且分布均勻。結(jié)合上述實驗結(jié)果得出,在保證?;|(zhì)量的前提下,為了盡可能地提高單位時間的生產(chǎn)量,?;P直徑應控制在120~160 mm。

        圖9 ?;P直徑對渣粒平均粒徑和?;实挠绊慒ig.9 Effect of granulation disc diameter on average particle size and granulation efficiency of slag

        根據(jù)流體在粒化器表面鋪展成膜機理和邊界層理論[15-16],在距離粒化盤中心較遠處,熔融高爐渣黏性力與慣性力相比基本可以忽略不計,此時沿著?;P徑向存在較大的速度梯度,流體的雷諾數(shù)越大,邊界層就越薄,高爐渣液膜厚度隨?;鲝较蚓嚯x增大而減小。?;P直徑在120 mm以下時,熔渣攤開后在邊緣處較厚,得到的渣粒粒徑較大;?;P直徑在160 mm以上時,在液膜邊緣處厚度很薄,單位面積?;P區(qū)域?qū)娜墼|(zhì)量小,此時熔渣尚未到達?;P邊緣處,速度就達到了臨界速度,液膜破碎、甩出,觀察得知這種情況下形成的渣棉數(shù)量較多,很容易堵塞設備管路,此時?;^程難以控制在絲狀分裂模式,因此粒化質(zhì)量變差。

        2.5 粒化盤轉(zhuǎn)速大小對渣棉的影響

        為了探尋?;P轉(zhuǎn)速對渣棉生成的影響,控制熔渣溫度和流量不變,調(diào)整?;P的轉(zhuǎn)速,得到渣棉含量與渣粒平均粒徑隨?;P轉(zhuǎn)速的變化情況,如圖10所示。 由圖可以看出,在熔渣溫度和流量不變時,隨著轉(zhuǎn)速的增大,渣粒平均粒徑減小,超過1 600 r/min后,渣粒平均粒徑隨?;P轉(zhuǎn)速的變化趨于穩(wěn)定;同時,渣棉的質(zhì)量分數(shù)隨轉(zhuǎn)速的增大有所增加,在轉(zhuǎn)速為1 600~2 000 r/min時,渣棉的生成量有很大的變化,產(chǎn)生大量的渣棉。實際?;瘯r渣棉極易堵塞設備的管道,因此在實際生產(chǎn)中要控制轉(zhuǎn)速在1 600 r/min以下,減小渣棉的生成量,保證設備的正常運行。

        圖10 ?;P轉(zhuǎn)速對渣粒平均粒徑和渣棉質(zhì)量分數(shù)的影響Fig.10 Effect of granulation disk rotation speed on average particle size of slag particles and mass fraction of slag wool

        3 結(jié)論

        1)相對于穩(wěn)定渣流流量,15 s的非穩(wěn)定渣流流量條件下,渣棉生成量增加了15%,大粒徑的渣粒和渣塊增加了24%,因此在實際生產(chǎn)中必須盡量縮短非穩(wěn)態(tài)的時間。

        2)以粒徑檢測單元作為控制反饋,實現(xiàn)高爐渣離心粒化的自適應控制,可以實時地調(diào)整?;P轉(zhuǎn)速。相較于定?;P轉(zhuǎn)速法,所得到的高爐渣渣粒平均粒徑減小20%,渣棉形成量減少35%,渣粒粒徑多集中的3 mm左右,有效提高了?;|(zhì)量。

        3)?;P直徑在140~160 mm范圍內(nèi)時既可以保證粒化質(zhì)量,又可以保證粒化效率。

        4)為避免渣棉的產(chǎn)生,必須控制?;P轉(zhuǎn)速在1 600 r/min以下,保證設備正常運行。

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