高爐渣離心粒化系統優化與實驗研究

(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品之一，全球每年產生約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，不僅會產生含硫蒸汽，而且液態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，滿足節能減排的要求，對于環境保護具有重大意義[4-5]。具體方法是，利用高速旋轉的轉杯或轉盤，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。對高爐渣離心粒化設備和系統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，目前高爐渣粒化過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、粒化效率低等，這些問題影響了后續的換熱過程、粒化設備的正常運行以及工業應用的推廣。上述問題的部分成因在于熔融高爐渣流動性受溫度[11]、粒化器表面結構[12]影響顯著，并且粒化系統無法實時反映渣粒粒徑，從而難以根據粒徑變化調整系統參數。故此本研究在粒化系統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象，比較不同的系統參數對粒化效果的影響，為下一步工業應用做準備。

1 實驗

1.1 高爐渣離心粒化機理

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粒化結果，由于流體慣性、流體間的黏性剪切力、空氣阻力、表面張力、粒化盤提供的離心力等共同作用。同時，由于高爐渣本身物理性質的變化，宏觀上體現出滴狀分裂、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定波疊加，從而形成呈螺旋形的絲狀分裂模式。在轉盤表面，高爐渣隨溫度變化造成的黏度的變化也是影響粒化關鍵因素，粘附力增大使得液膜的穩定性增強，瑞利-柏拉圖不穩定條件難以達到，此時，液膜邊緣在粘附力作用下形成的液絲粗大，粒化質量差，因此粒化過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的高爐渣成分區別較大，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別不大，可以保證不同組實驗之間高爐渣的物料性質基本相同。

1.3 實驗設備和方法

實驗設備主要有熔塊爐、 粒化器、 變頻控制器、 出渣器、 粒徑檢測裝置等，粒化系統實物圖如圖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，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 高爐渣粒化系統實驗臺圖2 高爐渣粒化系統升溫曲線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。加熱完成后開始粒化實驗，高爐渣下落到高速旋轉的轉盤上，在離心力作用下甩出、破碎、成粒。轉盤與熔融高爐渣之間存在粘附力，在粘附力的作用下，高爐渣與轉盤一同轉動，而上層的高爐渣由于黏性力的作用，也一起旋轉，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律分布。然后取渣機構取出渣粒，粒徑檢測單元進行檢測，檢測結果傳輸到上位機，與目標值進行比較，以檢測值與目標值的差值作為調節信號，通過可編程邏輯控制器(PLC)和變頻器控制粒化盤轉速的變化，實現最佳的粒化效果。

1.4 系統控制方式與粒徑檢測分析

在粒化進程初期，熔渣的流量存在波動，而熔渣流量對粒化后的渣粒粒徑影響顯著，必須對特定流量匹配相應的轉速，以實現高爐渣離心粒化的自適應控制，控制流程如圖3所示。

圖3 高爐渣粒化系統控制流程圖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 ℃，粒化盤的轉速為1 200 r/min。 得到的渣粒經過粒徑檢測分析，根據粒徑的粒化質量，一方面立即反饋到電機進行轉速修正； 另一方面存儲到轉速匹配模型庫，使得系統的運行和控制更加精確。 為了能夠實時獲取渣粒粒徑，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 高爐渣粒化系統渣粒粒徑檢測裝置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傳輸到電腦客戶端后，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，檢測界面如圖5所示。

圖5 高爐渣粒化系統渣粒粒徑檢測界面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量的檢測，另一方面將平均粒徑作為自適應控制系統的實時反饋信號，上位機根據實時檢測的粒徑大小做出反應，調節粒化盤轉速，從而實現高爐渣離心粒化的自適應控制。

2 實驗結果與分析

2.1 實驗結果

基于上述粒化試驗系統與渣粒粒徑檢測系統，進行4組試驗，分別探索渣流穩定性對粒化的影響，對比定粒化盤轉速法和適應時變來流的自適應控制法的粒化效果，研究可以保證較高粒化效率和較小渣粒平均粒徑的粒化盤分布范圍，并利用自適應控制研究了轉速對渣棉生成量的影響。表2為變轉速下不同粒徑渣粒質量及質量分數。圖6為實驗得到的不同粒徑的高爐渣渣粒。

2.2 渣流流量穩定性對粒化的影響

受熔渣黏度影響，初始時出渣是非連續的，在達到穩態之前，會存在一定的波動過程，波動過程無法控制。在此過程中，由于渣流的不穩定性，對粒化盤的轉速調節缺乏依據，故此過程中的粒化質量較差，粒徑分布范圍較大，并且產生了部分渣棉。

表2 變轉速下不同粒徑渣粒質量及質量分數

a 0～<2 mmb 2～<5 mmc 5～<8 mmd ≥8 mm圖6 800 r/min下粒化盤直徑120 mm時的渣粒粒徑Fig.6 Particle size of 800 r/min granulation disc diameter 120 mm

15 s內穩態與非穩態流量的出渣渣粒粒徑分布對比如圖7所示。 由圖可知，流量穩定時渣粒粒徑集中分布在1～3 mm； 流量不穩定時粒徑分布隨機性較大，渣棉相較于渣流流量穩定時增加了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，粒化質量差。 由于系統本身的滯后性，在渣流的非穩態階段粒化盤轉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，系統的快速性難以改善，因此，若要減小非穩態流量的影響，只能縮短非穩態渣流的存在時間。

圖7 穩態與非穩態流量的粒徑分布Fig.7 Particle size distribution of steady and unsteady flow

2.3 自適應控制法對粒化的影響

高爐渣離心粒化過程中，成粒特性受工質物性、粒化設備結構參數、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為粒化器半徑，Re為雷諾數，We為韋伯數，Oh為一無量綱參數。其中受粒化盤轉速的變化影響最大的是韋伯數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，若提高轉速，離心力導致慣性力增大，We增大，平均粒徑d減小；流量減小時反之。

綜上所述，為了提高粒化質量，必須根據渣流流量大小實時改變粒化盤轉速。 由于粒化過程的復雜性，以及不同煉鐵高爐出產高爐渣物理性質的差別，難以實現渣流流量與粒化盤轉速之間的匹配，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，使自適應調控方法的閉環回路反饋得以完善。 圖8為自適應控制法與定粒化盤轉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，粒化盤根據粒徑大小實時改變轉速，可以達到較好的粒化效果，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 自適應控制法與定粒化盤轉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 粒化盤直徑對粒化的影響

控制粒化盤轉速與渣流流量不變，粒化盤直徑對粒化效率和渣粒平均直徑的影響如圖9所示。由圖可知，在粒化盤直徑小于160 mm時，粒化效率與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，粒化效率不再升高；當粒化盤直徑在120～160 mm范圍內時，渣粒平均粒徑分布在2～3 mm之間，粒徑較小且分布均勻。結合上述實驗結果得出，在保證粒化質量的前提下，為了盡可能地提高單位時間的生產量，粒化盤直徑應控制在120～160 mm。

圖9 粒化盤直徑對渣粒平均粒徑和粒化效率的影響Fig.9 Effect of granulation disc diameter on average particle size and granulation efficiency of slag

根據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，此時沿著粒化盤徑向存在較大的速度梯度，流體的雷諾數越大，邊界層就越薄，高爐渣液膜厚度隨粒化器徑向距離增大而減小。粒化盤直徑在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；粒化盤直徑在160 mm以上時，在液膜邊緣處厚度很薄，單位面積粒化盤區域對應的熔渣質量小，此時熔渣尚未到達粒化盤邊緣處，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量較多，很容易堵塞設備管路，此時粒化過程難以控制在絲狀分裂模式，因此粒化質量變差。

2.5 粒化盤轉速大小對渣棉的影響

為了探尋粒化盤轉速對渣棉生成的影響，控制熔渣溫度和流量不變，調整粒化盤的轉速，得到渣棉含量與渣粒平均粒徑隨粒化盤轉速的變化情況，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，渣粒平均粒徑隨粒化盤轉速的變化趨于穩定；同時，渣棉的質量分數隨轉速的增大有所增加，在轉速為1 600～2 000 r/min時，渣棉的生成量有很大的變化，產生大量的渣棉。實際粒化時渣棉極易堵塞設備的管道，因此在實際生產中要控制轉速在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 粒化盤轉速對渣粒平均粒徑和渣棉質量分數的影響Fig.10 Effect of granulation disk rotation speed on average particle size of slag particles and mass fraction of slag wool

3 結論

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

2)以粒徑檢測單元作為控制反饋，實現高爐渣離心粒化的自適應控制，可以實時地調整粒化盤轉速。相較于定粒化盤轉速法，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，有效提高了粒化質量。

3)粒化盤直徑在140～160 mm范圍內時既可以保證粒化質量，又可以保證粒化效率。

4)為避免渣棉的產生，必須控制粒化盤轉速在1 600 r/min以下，保證設備正常運行。