段閆超，邢宏偉，孫瑞靖，康 月，邵 宸

（華北理工大學(xué) 冶金與能源學(xué)院，河北 唐山 063009）

高爐渣是高爐冶煉過(guò)程中排出的廢渣，主要應(yīng)用于建材原料、機(jī)械制造和農(nóng)業(yè)微肥等[1]。目前處理高爐渣的方式是將其?；?，干法避免了熔渣與水直接換熱產(chǎn)生的氣體污染，熔渣高品質(zhì)余熱得到了回收，節(jié)約了大量新水，風(fēng)淬法和離心?；ǖ玫降墓虘B(tài)渣粒品質(zhì)跟水淬渣相當(dāng)，離心粒化法和風(fēng)淬法成為最有發(fā)展前景的?；夹g(shù)[2]。在干法的基礎(chǔ)上衍生出一種了氣-水混淬法，有效避免大量熔渣顯熱的浪費(fèi)，減少了環(huán)境污染，制備得到的玻璃微珠應(yīng)用更廣，實(shí)現(xiàn)了中國(guó)冶金固廢高附加值利用新技術(shù)的革新[3]。

1 高爐渣的處理工藝

1.1 高爐渣簡(jiǎn)介

高爐渣是高爐冶煉過(guò)程中排出的廢渣，其主要化學(xué)成分是二氧化硅、氧化鈣、氧化鎂和三氧化二鋁。

1.2 高爐渣濕法處理

濕法處理是處理高爐渣最普遍的方法，此方法最大好處就是能高效回收利用高爐渣，濕法大致分為4種，國(guó)內(nèi)大多采用底濾法，國(guó)外則大多采用因巴法。其中底濾法(OCP)占地面積較大，投資額低，水渣質(zhì)量好；因巴法(INBA)能有效解決蒸汽對(duì)環(huán)境造成的污染，但需引進(jìn)技術(shù)，投資成本高；拉薩法(RASA)工藝較復(fù)雜，設(shè)備多，涉及到的維護(hù)費(fèi)高，大多企業(yè)不采納；圖拉法(TYNA)工藝簡(jiǎn)單，耗水量低，運(yùn)行效率高，但其配套系統(tǒng)不完整，需進(jìn)行改進(jìn)和完善才能大規(guī)模應(yīng)用。圖1可以看出濕法處理缺點(diǎn)在于消耗大量水資源，一噸液態(tài)渣需大約10噸水；在水淬過(guò)程中也伴隨著含硫氣體的排放，水淬處理排放氣體污染物約40萬(wàn)噸；大量顯熱被浪費(fèi)，熔渣的高溫顯熱在水淬過(guò)程中轉(zhuǎn)化為沖渣水的低溫余熱。

圖1 高爐渣濕法處理方法

1.3 高爐渣干法處理

1.3.1 離心?；?/p>

離心?；ㄊ菍⑷墼?jīng)粒化器?；?，再被冷卻形成固態(tài)渣粒，國(guó)內(nèi)外學(xué)者紛紛采用實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬的方法對(duì)其展開(kāi)討論研究。Wu等人[4]和Ahmed等人[5]研究了?；鹘Y(jié)構(gòu)對(duì)臨界轉(zhuǎn)變流速及平均液滴直徑的影響，明確了旋轉(zhuǎn)杯產(chǎn)生的顆粒最小，?；Ч沧詈茫瑫r(shí)研究了高爐熔渣的離心?；匦?，提高轉(zhuǎn)速以及減小流量能夠獲得小而均勻的液滴。王東祥[6]等人，基于流體體積函數(shù)法(VOF)，建立了空氣-熔渣液膜兩相流流動(dòng)的二維數(shù)值模型，分析了熔渣在離心力作用下成膜、成絲、成滴機(jī)理。楊銀凱[7]基于流體體積函數(shù)法(VOF)對(duì)熔渣離心?；M(jìn)行了數(shù)值模擬，建立了氣-渣兩相流的數(shù)學(xué)模型，研究離心?；Ч挠绊懸蛩?，研究表明轉(zhuǎn)盤直徑越大，轉(zhuǎn)速越快，渣粒平均直徑越小。

1.3.2 風(fēng)淬法

利用高速高壓氣流對(duì)液態(tài)高爐渣進(jìn)行氣淬破碎，使其破碎完成換熱成為液滴。王子兵[8]等人以高爐渣為原料，空氣為風(fēng)淬介質(zhì)，利用空氣和水進(jìn)行冷卻換熱，經(jīng)回轉(zhuǎn)冷渣器，進(jìn)行高溫渣粒余熱回收試驗(yàn)，研究調(diào)質(zhì)劑、氣淬壓力和噴嘴結(jié)構(gòu)對(duì)系統(tǒng)回收效率的影響。

1.3.3 氣-水混淬法

利用氣-水在噴嘴內(nèi)完成混合，以氣淬力保證熔渣的破碎和粒度分布，以霧化冷卻水保證其降溫速率，?；笾苽涑霾Ａ⒅椤Ｈf(wàn)新宇[9]等人提出一種新的“高爐渣氣-水混淬干法?；坝酂峄厥招鹿に嚒保⑦M(jìn)行了300kg/h擴(kuò)大試驗(yàn)，探究了空氣流量，霧化冷卻水對(duì)?；Ч挠绊?。

1.4 高爐渣處理工藝發(fā)展趨勢(shì)

目前國(guó)內(nèi)的鋼廠主要還是采用濕法處理高爐渣，水淬?；罂勺鳛樯a(chǎn)水泥的原料，但這種處理方式消耗了大量水資源；其次水淬過(guò)程中伴隨著SO2等酸性污染氣體的產(chǎn)生；水淬后的高爐渣內(nèi)高值余熱得不到回收，造成熔渣所攜帶的大量高品質(zhì)熱能被浪費(fèi)。

同時(shí)干法工藝下的風(fēng)淬法處理能力大、冷卻速度很慢，防止設(shè)備渣粘就要加大設(shè)備尺寸，導(dǎo)致投資也相應(yīng)提高，若將風(fēng)淬工藝中的熔渣?；皖w粒冷卻分開(kāi)處理，解決冷卻介質(zhì)導(dǎo)熱系數(shù)低的問(wèn)題，即可減少高壓造粒風(fēng)機(jī)的投入，降低風(fēng)量并減少動(dòng)力消耗，氣-水混淬法將成為高爐渣處理工藝的未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)。

2 高爐渣資源化應(yīng)用

高爐渣不僅局限于水泥領(lǐng)域，在建筑，道路維修，農(nóng)業(yè)化肥，污水治理，以及阻燃方面都存在應(yīng)用的潛質(zhì)。為了提升高爐渣的附加利用值，國(guó)內(nèi)外諸多學(xué)者紛紛投入研究。例如：利用高爐渣的吸附性來(lái)處理污水[10]，水淬后的高爐渣具有水硬膠凝性，可制備出礦渣硅酸鹽水泥，石膏礦渣水泥，石灰礦渣水泥等[11]，水淬高爐渣作為一種急冷產(chǎn)物，具有表面粗糙多孔、質(zhì)地輕等優(yōu)點(diǎn)，是作為高品質(zhì)建筑材料領(lǐng)域硅酸鹽類載體的優(yōu)質(zhì)材料[12]，調(diào)質(zhì)后的高爐渣在高溫液態(tài)下通過(guò)噴吹或離心等工藝，制得礦渣棉纖維，具有不燃性、化學(xué)穩(wěn)定性好、較低導(dǎo)熱性等特性，是有機(jī)保溫材料理想替代產(chǎn)品[13]。

3 玻璃微珠的應(yīng)用

3.1 實(shí)心玻璃微珠的應(yīng)用

實(shí)心玻璃微珠，它是實(shí)心的且表面光滑，抗壓性和耐磨性較高，具有較強(qiáng)的酸堿腐蝕性等。

根據(jù)其粒度的不同可作為研磨劑；還可作為壓力支撐劑，用于石油開(kāi)采過(guò)程中；可以作為固體潤(rùn)滑劑，減少機(jī)械磨損；在其表面鍍上鎳鈷后可以改進(jìn)其對(duì)電磁波的吸收和近紅外線的反射，在軍用防偽涂層中用來(lái)屏蔽微波雷達(dá)、紅外雷達(dá)或其它電磁波雷達(dá)和聲波探測(cè)系統(tǒng)的探測(cè)[14，15]；將不同粒度的玻璃微珠拌入涂料涂在路面可作反光標(biāo)識(shí)，減少交通事故的發(fā)生[16]。

3.2 空心玻璃微珠的應(yīng)用

空心玻璃微珠主要應(yīng)用于固體浮力材料、絕熱材料以及固體火箭燃料充填劑等。孟凡明等[17]以雙酚A環(huán)氧樹(shù)脂E51為基質(zhì)原料，甲基四氫苯酐為固化劑，采用密度為0.25g/cm3K25空心玻璃微珠為輕質(zhì)填充物，制備出空心玻璃微珠填充固體浮力材料，隨著玻璃微珠填充量的增加，浮力材料的單軸壓縮強(qiáng)度和耐靜水壓強(qiáng)度逐漸降低，玻璃微珠填充量超過(guò)18%時(shí),材料性能下降幅度增大。張平等[18]將聚酰亞胺與空心玻璃微珠復(fù)合制備出具有優(yōu)良隔熱性能的聚酰亞胺復(fù)合薄膜，同時(shí)研究空心玻璃微珠對(duì)聚酰亞胺薄膜隔熱及力學(xué)性能的影響。研究結(jié)果表明：粒徑大且填充量高的空心玻璃微珠，其復(fù)合膜隔熱效果越好；通過(guò)改變空心玻璃微珠填充量和粒徑可以調(diào)控復(fù)合薄膜的導(dǎo)熱、熱學(xué)及力學(xué)等性能。

4 高爐渣制備玻璃微珠

將高爐渣氣淬成珠后，所形成的玻璃微珠具有較高附加值，同時(shí)市場(chǎng)需求和應(yīng)用范圍也較大，而目前關(guān)于該方面的研究較少。劉振超[19]建立數(shù)學(xué)模型，研究高爐渣氣淬成珠機(jī)理。研究結(jié)果表明：高爐渣可以作為制造玻璃微珠的原料；噴嘴直徑、氣體的流量與壓力、高爐渣的表面張力和黏度會(huì)影響氣淬成珠過(guò)程；最佳工藝條件為出渣溫度1600℃，調(diào)質(zhì)劑鋼渣添加量10%，氣淬壓力0.3MPa，噴嘴馬赫數(shù)1.6；多種影響因素作用下與成珠率的多元線性回歸方程表明馬赫數(shù)對(duì)成珠率的影響作用最大。王麗麗等[20]通過(guò)對(duì)氣淬高爐熔渣干法粒化進(jìn)行試驗(yàn)，研究了不同氣流速度及熔渣黏度對(duì)?；阅艿挠绊?，得出成珠率隨著氣流速度增加呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢(shì)，主要分布于1mm～3mm，基本呈正態(tài)分布，最佳氣流速度為550m/s，平均粒徑達(dá)到1.88mm；低黏度有利于提高?；阅?；氣淬過(guò)程中存在不穩(wěn)定波，該波的傳播和冷卻作用下導(dǎo)致液絲斷裂成液滴，氣流速度不宜無(wú)限增大，將導(dǎo)致液絲再氣動(dòng)力作用下來(lái)不及斷裂形成液滴?？翟碌萚21]將高爐渣氣淬制備的玻璃微珠進(jìn)行性能分析，結(jié)果表明，堆積密度隨粒徑的增加先增加后減小，并且渣珠粒徑主要集中在0.30mm～1.0 mm之間，成珠率較高；渣珠不耐酸，在同一侵蝕溶液中，粒徑較大的渣珠的抗侵蝕能力強(qiáng)于粒徑較小的渣珠；粒徑越小，渣珠筒壓強(qiáng)度越大，渣珠承受壓力的能力越強(qiáng)，高爐渣珠表面光滑平整，呈圓球狀,粒徑大小均勻；渣珠非晶相含量較高當(dāng)渣珠粒徑＜0.30mm時(shí)，XRD曲線變?yōu)轲z頭峰，基本不再有晶相析出，礦相變?yōu)榉蔷唷?/p>

5 總結(jié)

發(fā)展帶來(lái)的能源短缺狀況不斷加劇，國(guó)內(nèi)外學(xué)者開(kāi)始對(duì)工業(yè)固體廢棄物的回收利用展開(kāi)研究。高爐礦渣作為煉鐵行業(yè)中的主要副產(chǎn)品，高爐渣的水淬處理目前仍是主要的高爐渣處理方法沖渣水余熱的回收利用是當(dāng)前亟待解決的問(wèn)題之一，其組成成分中含有多種金屬氧化物，具備較高的回收價(jià)值。

目前我國(guó)對(duì)于高爐礦渣的綜合利用率仍然遠(yuǎn)低于國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家，且主要在建筑、道路等行業(yè)中充當(dāng)填料使用，附加值較低。

為了實(shí)現(xiàn)高爐礦渣的高附加值利用，我們?nèi)孕枰槍?duì)高爐礦渣中的主要成分開(kāi)拓新的利用途徑。利用高爐渣噴吹制備玻璃微珠具有很好的研究前景，噴吹過(guò)程中除了有實(shí)心玻璃微珠，空心玻璃微珠也摻雜其中，這種新型干法粒化將成為今后研究的新方向。