康 月, 劉 超, 張玉柱,, 姜茂發(fā)

(1. 東北大學 冶金學院, 遼寧 沈陽 110819; 2. 華北理工大學 冶金與能源學院, 河北 唐山 063009)

高爐渣(blast furnace slag,BFS)是煉鐵過程中產(chǎn)生的一種廢渣.水淬法處理后的高爐水渣可以供給水泥廠作水泥替代料.但是該方法使用后的熱水屬于低品質(zhì)熱源[1-3],不能有效回收利用,而且經(jīng)過處理后的水渣用作水泥原料必須經(jīng)過烘干,又會耗費大量能量,同時還會產(chǎn)生H2S和SO2等有害氣體.干式粒化法能高效回收高爐渣余熱,不耗費新水,也沒有有害氣體污染環(huán)境,同時充分?；蟮母郀t渣能夠得到高附加值利用,因而受到國內(nèi)外鋼鐵企業(yè)的廣泛關(guān)注[4-6].氣淬高爐渣屬于干法處理高爐渣,該方法利用超音速空氣射流將液態(tài)熔融渣破碎粒化,通過渣粒與空氣的熱交換回收高爐渣顯熱,具有處理量大、?；Ч玫奶攸c,是一種具有前景的干式處理方法.用這種方法處理高爐渣,提高成珠率,使渣粒?；鶆?粒徑更小,與空氣接觸的比表面積更大,余熱回收量也就更多,而其中粒化工藝是關(guān)鍵.

對于干式?；瑖鴥?nèi)外研究較多的主要是轉(zhuǎn)杯法.Yoshinaga等[7]提出了一種干法造粒和凝固高爐熔渣的方法；實驗表明,熔渣顆粒在空氣流中以大約100 ℃/s的速度冷卻并在約850 ℃時發(fā)生凝固.Wu等[8]研究了不同噴嘴結(jié)構(gòu)對粒化的影響,并建立了預(yù)測液滴尺寸的關(guān)系式；但是,氣淬法目前只停留在對鋼渣的研究上.Long[9]對氣淬鋼渣用作水泥原料進行了基礎(chǔ)研究;與鋼渣相比,高爐渣酸度、黏度較高,易成纖,不易成珠.本文以提高高爐渣氣淬成珠率及降低補熱能耗為目標,解析高爐渣堿度和噴吹壓力對氣淬高爐渣成珠的影響機理,確定高爐渣最佳調(diào)質(zhì)劑添加比例及氣淬工藝參數(shù),最終得到二者耦合作用下的最佳高爐渣氣淬成珠效果.

1 實驗原料和方法

1.1 實驗原料

實驗原料為唐山某鋼鐵廠的高爐渣(干渣),調(diào)質(zhì)劑選用鐵尾礦和鋼渣,三者均為大宗固廢物.高爐渣和調(diào)質(zhì)劑的主要化學成分見表1.

注：高爐渣堿度RBFS=wCaO/wSiO2=1.1.

1.2 實驗方案

實驗爐渣傾倒溫度1 600 ℃,噴嘴孔徑3 mm,流槽的流孔孔徑10 mm,采用表2實驗方案探究不同堿度RBFS對?；Ч挠绊?選用堿度為1.2的爐渣,噴吹壓力分別為0.15，0.20，0.25，0.30和0.35 MPa，對高爐渣進行噴吹,探究不同氣淬壓力對?；Ч挠绊?

表2 不同堿度高爐渣和調(diào)質(zhì)劑配比(質(zhì)量分數(shù))Table 2 Proportion of tempering agent and blast furnaceslag with different basicities(mass fraction) %

1.3 實驗設(shè)備與方法

高爐渣氣淬系統(tǒng)主要分為加熱、噴吹和余熱回收三部分,實驗系統(tǒng)如圖1所示.

實驗時,調(diào)質(zhì)后的高爐渣由直流電弧爐出料口緩慢流出,拉瓦爾噴嘴噴吹的空氣流與渣流方向垂直,通過氣液兩相流的相互作用對熔渣進行破碎?；?破碎后的渣滴在空氣流和自身表面張力的作用下收縮成球,并隨空氣流一同進入冷渣器進行熱量交換,同時在飛行過程中冷卻至完全凝固;凝固后的渣粒通過氣流的噴吹從冷渣機尾部排渣口排出;最后收集和測量渣珠.熔渣溫度用快速測溫熱電偶測量,并在顯示器上顯示.在研究某一因素對?；挠绊憰r,保持其他因素不變.氣淬高爐渣實驗現(xiàn)場如圖2所示.

2 實驗結(jié)果與分析

2.1 熔渣堿度對粒化效果的影響

2.1.1 熔渣堿度對成珠率的影響

實驗設(shè)定:原料30 kg,出渣溫度1 600 ℃,噴嘴壓力0.2 MPa,拉瓦爾噴嘴出口馬赫數(shù)1.6,冷渣器轉(zhuǎn)速5.5 r/min.對高爐渣進行?；?并對渣珠粒度進行篩選,實驗結(jié)果如圖3所示.

按照表2中實驗方案進行高爐熔渣氣淬實驗,通過圖3可以看出,當高爐渣堿度由0.8升高到1.2時,成珠率隨堿度的增加呈逐漸增加的趨勢,由42.11%增加到86.33%;當高爐渣堿度繼續(xù)升高到1.3,成珠率呈現(xiàn)降低趨勢,由86.33%降低至84.47%.綜合高爐渣堿度對成珠率的影響,當高爐渣堿度為1.2時,成珠率最高,為86.33%,顯著提高了氣淬高爐渣的成珠率.

2.1.2 熔渣堿度對粒徑分布和平均直徑的影響

用方孔篩(GB/T6003.1—1997)篩分渣珠,確定其粒徑分布.由圖4可以看出,?；脑榱街饕植荚?～2.5 mm之間,基本呈正態(tài)分布,分布較均勻.堿度的增加有利于氣淬出直徑較小的渣珠,纖維數(shù)量逐漸減少.渣珠平均直徑隨堿度增加呈先減小后增加的趨勢.綜合來看,堿度為1.2時,不但可以獲得最高成珠率,同時渣珠平均直徑也較小,因此最佳?；郀t渣堿度為1.2.這主要是因為堿度在0.8～1.1區(qū)間,堿度越小,熔渣黏度越大,離子之間越不容易發(fā)生擴散,因此熔渣不易發(fā)生破碎;而在堿度相對較大的熔渣中由于Ca2+的增加,其最外層的兩個價電子很容易被硅原子奪走,形成硅氧離子,解聚能力增強,從而使得熔渣中[SiO4]4-復(fù)雜陰離子團發(fā)生解體,破壞了其內(nèi)部穩(wěn)定的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)和鏈狀結(jié)構(gòu),使得熔渣易破碎,增加了成珠率.堿度繼續(xù)增加到1.3,成珠率反而有一定程度下降,主要是因為堿度過大,使熔渣黏度劇增的臨界溫度也會顯著升高,在噴吹降溫過程中熔渣溫度一旦低于該溫度,液相渣中就會出現(xiàn)固相結(jié)晶顆粒,破壞熔渣均一性,使熔渣流動性減弱,即黏度增加,同時產(chǎn)生的大粒徑渣塊數(shù)量也隨之上升,增加了渣珠的平均直徑.

2.2 噴嘴氣體壓力對粒化效果的影響

2.2.1 噴嘴氣體壓力對成珠率的影響

采用拉瓦爾噴嘴氣淬?；郀t渣主要利用噴嘴出口處強大的氣流將液態(tài)渣流吹散、破碎成渣珠,氣流動能大小對渣珠的?；饹Q定性作用.氣流動能由噴嘴出口氣體壓力決定,因此通過實驗對噴嘴出口氣體壓力進行研究.實驗設(shè)定:原料30 kg,堿度1.2,出渣溫度1 600 ℃,噴嘴出口馬赫數(shù)1.6,冷渣器轉(zhuǎn)速為5.5 r/min.對高爐渣進行?；?并對渣珠粒度進行篩選,實驗結(jié)果見圖5.

由圖5可知,隨著氣體壓力的增加成珠率先增加后降低之后又呈逐漸增加趨勢,但增加趨勢減緩.壓力為0.2 MPa時,成珠率最高為86.33%,壓力繼續(xù)增加到0.25 MPa后,成珠率會顯著降低.這主要是因為氣體壓力越大,氣體流速越大,產(chǎn)生的動能就越大,作用于熔渣的剪切應(yīng)力也越大,對熔渣的粒化能力也就越強.高爐熔渣按其結(jié)構(gòu)特征在剪切應(yīng)力的作用下被首先破碎成圓柱狀液絲, 液絲在自身黏性力和表面張力作用下繼續(xù)破碎成液滴;但當氣體流速大到一定程度后,對熔渣的冷卻能力提高,液渣拉伸形成液絲后與空氣熱交換加快,從而完全凝固形成了纖維,顯著降低了成珠率.再繼續(xù)增加壓力,噴嘴流速增加,氣流形成湍流,熔渣破碎力進一步增強,粒徑進一步減小,從而使液滴迅速凝固,阻止液滴進一步破碎的阻力增大,則液滴的二次破碎能力減弱,成珠率的增加趨勢也隨之減緩.其次根據(jù)氣體動力學原理,噴嘴出口氣體流速v與噴吹壓力之間關(guān)系式為

(1)

式中:g為重力加速度;R為氣體常數(shù),R=29.27 m/K;K為壓容比,K=cp/cV,對空氣而言,K=1.4;T0為壓縮氣體進入噴嘴前溫度,K;p1為大氣壓力,取0.1 MPa;p2為噴嘴出口壓力，MPa.

令k=gK,則式(1)可簡化為

(2)

可以看出,噴嘴流速隨壓力的增加呈非線性增長,壓力增大到一定程度后,速度的變化開始變緩,不會對?；Чa(chǎn)生顯著影響,反而會增加能耗,所以噴吹壓力不宜過大.

2.2.2 噴嘴氣體壓力對渣珠粒徑分布和平均直徑的影響

圖6為不同氣體流速對渣珠粒徑分布的影響.可以看出,不同氣體流速所吹出的渣粒粒徑均集中分布在1～2.5 mm之間,粒徑分布比較均勻,并且基本符合正態(tài)分布,而且小粒徑渣珠數(shù)量隨壓力的增加而增加,平均直徑隨壓力的增加逐漸減小,但減小趨勢逐漸減緩.

由圖7可以看出,在不同氣體壓力下可以獲得粒徑分布均勻的渣珠.氣體壓力較小時,渣珠粒徑較大,渣粒成黑色橢球狀;當氣體壓力增加時,渣粒粒徑顯著減小,粒徑更均勻,形狀也更趨于規(guī)則.這說明隨著氣體壓力的增加,高爐渣?；浞?能夠產(chǎn)生更多粒徑較小的渣珠,增加了渣珠凝固速度,加快了渣珠與周圍環(huán)境的換熱速率;同時,形狀規(guī)則的渣珠增大了與空氣的接觸面積,更有利于高爐渣余熱的回收.

3 結(jié) 論

1) 隨著高爐渣堿度的增加,成珠率先增加后降低,同時可有效減小渣珠平均直徑.堿度為1.2時,成珠率提高至86.33%;但當堿度超過1.2時,粒徑有增大趨勢,且成珠率也開始下降.

2) 渣珠的平均直徑隨噴吹壓力的增加逐漸減小,成珠率呈先增加后降低又增加的趨勢,但增幅減緩,壓力為0.2 MPa時獲得最高成珠率.

3) 渣珠粒徑集中分布在1～2.5 mm之間,基本呈正態(tài)分布,分布較均勻.