高爐渣離心?；到y(tǒng)優(yōu)化與實(shí)驗(yàn)研究

(1. 青島大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，山東青島266071； 2. 青島理工大學(xué)機(jī)械與汽車(chē)工程學(xué)院，山東青島266520)

高爐渣是煉鐵過(guò)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(huì)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(fèi)。而干法離心?；廴诟郀t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(fèi)，并且對(duì)爐渣顯熱進(jìn)行回收利用，滿足節(jié)能減排的要求，對(duì)于環(huán)境保護(hù)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(pán)，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(duì)高爐渣離心粒化設(shè)備和系統(tǒng)的研究已取得初步進(jìn)展[8-9]，也開(kāi)展了一系列實(shí)驗(yàn)[10]，理論研究方面成果顯著。但是，目前高爐渣?；^(guò)程存在一系列的問(wèn)題，如渣粒直徑過(guò)大、玻璃體含量較低、渣棉含量高、粒化效率低等，這些問(wèn)題影響了后續(xù)的換熱過(guò)程、粒化設(shè)備的正常運(yùn)行以及工業(yè)應(yīng)用的推廣。上述問(wèn)題的部分成因在于熔融高爐渣流動(dòng)性受溫度[11]、?；鞅砻娼Y(jié)構(gòu)[12]影響顯著，并且?；到y(tǒng)無(wú)法實(shí)時(shí)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(yīng)控制方面做出改進(jìn)，應(yīng)用渣粒粒徑圖像識(shí)別[13-14]，分析研究高爐渣?；瘯r(shí)的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，比較不同的系統(tǒng)參數(shù)對(duì)?；Ч挠绊?，為下一步工業(yè)應(yīng)用做準(zhǔn)備。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 高爐渣離心?；瘷C(jī)理

高爐渣離心?；^(guò)程十分復(fù)雜，從微觀上講，是不同的力對(duì)微元體的作用導(dǎo)致了不同的粒化結(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、粒化盤(pán)提供的離心力等共同作用。同時(shí)，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(duì)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(pán)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(guān)鍵因素，粘附力增大使得液膜的穩(wěn)定性增強(qiáng)，瑞利-柏拉圖不穩(wěn)定條件難以達(dá)到，此時(shí)，液膜邊緣在粘附力作用下形成的液絲粗大，粒化質(zhì)量差，因此?；^(guò)程的溫度控制至關(guān)重要。

1.2 原料

采用青島特殊鋼鐵有限公司一號(hào)高爐出產(chǎn)的高爐渣，為保證高爐渣物料特性，實(shí)驗(yàn)用高爐渣直接從渣溝獲取，避免水淬過(guò)程對(duì)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(shí)驗(yàn)用高爐渣取樣3組，其組分見(jiàn)表1。由表可知，實(shí)驗(yàn)用高爐渣組分區(qū)別不大，可以保證不同組實(shí)驗(yàn)之間高爐渣的物料性質(zhì)基本相同。

1.3 實(shí)驗(yàn)設(shè)備和方法

實(shí)驗(yàn)設(shè)備主要有熔塊爐、 ?；?、 變頻控制器、 出渣器、 粒徑檢測(cè)裝置等，?；到y(tǒng)實(shí)物圖如圖1所示。 熔塊爐可加熱到1 600 ℃，實(shí)驗(yàn)時(shí)將高爐渣投入熔塊爐坩堝內(nèi)，設(shè)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?；到y(tǒng)實(shí)驗(yàn)臺(tái)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(kāi)始?；瘜?shí)驗(yàn)，高爐渣下落到高速旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)盤(pán)上，在離心力作用下甩出、破碎、成粒。轉(zhuǎn)盤(pán)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(pán)一同轉(zhuǎn)動(dòng)，而上層的高爐渣由于黏性力的作用，也一起旋轉(zhuǎn)，但是會(huì)存在一定的速度差，因此得到的渣粒粒徑會(huì)以一定的規(guī)律分布。然后取渣機(jī)構(gòu)取出渣粒，粒徑檢測(cè)單元進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果傳輸?shù)缴衔粰C(jī)，與目標(biāo)值進(jìn)行比較，以檢測(cè)值與目標(biāo)值的差值作為調(diào)節(jié)信號(hào)，通過(guò)可編程邏輯控制器(PLC)和變頻器控制?；P(pán)轉(zhuǎn)速的變化，實(shí)現(xiàn)最佳的?；Ч?/p>

1.4 系統(tǒng)控制方式與粒徑檢測(cè)分析

在?；M(jìn)程初期，熔渣的流量存在波動(dòng)，而熔渣流量對(duì)?；蟮脑Ａ接绊戯@著，必須對(duì)特定流量匹配相應(yīng)的轉(zhuǎn)速，以實(shí)現(xiàn)高爐渣離心粒化的自適應(yīng)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(shí)驗(yàn)初始時(shí)，控制渣流的流量為60 g/s，熔塊爐的出渣溫度為1 500 ℃，?；P(pán)的轉(zhuǎn)速為1 200 r/min。 得到的渣粒經(jīng)過(guò)粒徑檢測(cè)分析，根據(jù)粒徑的?；|(zhì)量，一方面立即反饋到電機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)速修正； 另一方面存儲(chǔ)到轉(zhuǎn)速匹配模型庫(kù)，使得系統(tǒng)的運(yùn)行和控制更加精確。 為了能夠?qū)崟r(shí)獲取渣粒粒徑，實(shí)驗(yàn)使用機(jī)器視覺(jué)的方法，渣粒粒徑的檢測(cè)裝置如圖4所示。

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

檢測(cè)裝置由工業(yè)相機(jī)、20 V直流電源及計(jì)算機(jī)組成，其原理采用圖像拍攝的方式來(lái)獲取高爐渣顆粒圖像，拍攝的圖像通過(guò)以太網(wǎng)傳輸?shù)诫娔X客戶端后，通過(guò)編寫(xiě)的程序算法對(duì)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(cè)界面如圖5所示。

圖5 高爐渣?；到y(tǒng)渣粒粒徑檢測(cè)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(cè)，另一方面將平均粒徑作為自適應(yīng)控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)反饋信號(hào)，上位機(jī)根據(jù)實(shí)時(shí)檢測(cè)的粒徑大小做出反應(yīng)，調(diào)節(jié)?；P(pán)轉(zhuǎn)速，從而實(shí)現(xiàn)高爐渣離心?；淖赃m應(yīng)控制。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

基于上述粒化試驗(yàn)系統(tǒng)與渣粒粒徑檢測(cè)系統(tǒng)，進(jìn)行4組試驗(yàn)，分別探索渣流穩(wěn)定性對(duì)?；挠绊?，對(duì)比定?；P(pán)轉(zhuǎn)速法和適應(yīng)時(shí)變來(lái)流的自適應(yīng)控制法的?；Ч芯靠梢员ＷC較高?；屎洼^小渣粒平均粒徑的?；P(pán)分布范圍，并利用自適應(yīng)控制研究了轉(zhuǎn)速對(duì)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?jǐn)?shù)。圖6為實(shí)驗(yàn)得到的不同粒徑的高爐渣渣粒。

2.2 渣流流量穩(wěn)定性對(duì)粒化的影響

受熔渣黏度影響，初始時(shí)出渣是非連續(xù)的，在達(dá)到穩(wěn)態(tài)之前，會(huì)存在一定的波動(dòng)過(guò)程，波動(dòng)過(guò)程無(wú)法控制。在此過(guò)程中，由于渣流的不穩(wěn)定性，對(duì)?；P(pán)的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)缺乏依據(jù)，故此過(guò)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?jǐn)?shù)

a 0～<2 mmb 2～<5 mmc 5～<8 mmd ≥8 mm圖6 800 r/min下?；P(pán)直徑120 mm時(shí)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(duì)比如圖7所示。 由圖可知，流量穩(wěn)定時(shí)渣粒粒徑集中分布在1～3 mm； 流量不穩(wěn)定時(shí)粒徑分布隨機(jī)性較大，渣棉相較于渣流流量穩(wěn)定時(shí)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，?；|(zhì)量差。 由于系統(tǒng)本身的滯后性，在渣流的非穩(wěn)態(tài)階段粒化盤(pán)轉(zhuǎn)速難以實(shí)時(shí)響應(yīng)渣流流量變化，受?；^(guò)程與粒徑檢測(cè)裝置取料過(guò)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(shí)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(yīng)控制法對(duì)?；挠绊?/h3>

高爐渣離心?；^(guò)程中，成粒特性受工質(zhì)物性、粒化設(shè)備結(jié)構(gòu)參數(shù)、運(yùn)行工況的影響，如熔融高爐渣密度、黏度、表面張力及?；P(pán)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為粒化器半徑，Re為雷諾數(shù)，We為韋伯?dāng)?shù)，Oh為一無(wú)量綱參數(shù)。其中受?；P(pán)轉(zhuǎn)速的變化影響最大的是韋伯?dāng)?shù)We，We反映了流體慣性力與表面張力的效應(yīng)之比。

流量增大時(shí)，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(shí)平均粒徑d增大，若提高轉(zhuǎn)速，離心力導(dǎo)致慣性力增大，We增大，平均粒徑d減小；流量減小時(shí)反之。

綜上所述，為了提高?；|(zhì)量，必須根據(jù)渣流流量大小實(shí)時(shí)改變?；P(pán)轉(zhuǎn)速。 由于?；^(guò)程的復(fù)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(shí)現(xiàn)渣流流量與?；P(pán)轉(zhuǎn)速之間的匹配，因此高爐渣離心?；赃m應(yīng)控制以渣粒粒徑檢測(cè)作為反饋，使自適應(yīng)調(diào)控方法的閉環(huán)回路反饋得以完善。 圖8為自適應(yīng)控制法與定粒化盤(pán)轉(zhuǎn)速法粒徑分布與平均粒徑的對(duì)比。 由圖可以看出，在自適應(yīng)控制下，?；P(pán)根據(jù)粒徑大小實(shí)時(shí)改變轉(zhuǎn)速，可以達(dá)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(guò)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(yīng)控制法與定?；P(pán)轉(zhuǎn)速法的粒徑分布對(duì)比Fig.8 Size distribution and comparison of adaptive control method and granulating disk speed method

2.4 粒化盤(pán)直徑對(duì)?；挠绊?/h3>

控制粒化盤(pán)轉(zhuǎn)速與渣流流量不變，?；P(pán)直徑對(duì)粒化效率和渣粒平均直徑的影響如圖9所示。由圖可知，在?；P(pán)直徑小于160 mm時(shí)，?；逝c?；P(pán)直徑的線性擬合度較好，基本呈正比例關(guān)系，直徑超過(guò)160 mm后，?；什辉偕撸划?dāng)?；P(pán)直徑在120～160 mm范圍內(nèi)時(shí)，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(shí)驗(yàn)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(shí)間的生產(chǎn)量，?；P(pán)直徑應(yīng)控制在120～160 mm。

圖9 ?；P(pán)直徑對(duì)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(jù)流體在?；鞅砻驿佌钩赡C(jī)理和邊界層理論[15-16]，在距離?；P(pán)中心較遠(yuǎn)處，熔融高爐渣黏性力與慣性力相比基本可以忽略不計(jì)，此時(shí)沿著粒化盤(pán)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(pán)直徑在120 mm以下時(shí)，熔渣攤開(kāi)后在邊緣處較厚，得到的渣粒粒徑較大；粒化盤(pán)直徑在160 mm以上時(shí)，在液膜邊緣處厚度很薄，單位面積?；P(pán)區(qū)域?qū)?yīng)的熔渣質(zhì)量小，此時(shí)熔渣尚未到達(dá)?；P(pán)邊緣處，速度就達(dá)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(shè)備管路，此時(shí)?；^(guò)程難以控制在絲狀分裂模式，因此?；|(zhì)量變差。

2.5 ?；P(pán)轉(zhuǎn)速大小對(duì)渣棉的影響

為了探尋粒化盤(pán)轉(zhuǎn)速對(duì)渣棉生成的影響，控制熔渣溫度和流量不變，調(diào)整?；P(pán)的轉(zhuǎn)速，得到渣棉含量與渣粒平均粒徑隨?；P(pán)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(shí)，隨著轉(zhuǎn)速的增大，渣粒平均粒徑減小，超過(guò)1 600 r/min后，渣粒平均粒徑隨粒化盤(pán)轉(zhuǎn)速的變化趨于穩(wěn)定；同時(shí)，渣棉的質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨轉(zhuǎn)速的增大有所增加，在轉(zhuǎn)速為1 600～2 000 r/min時(shí)，渣棉的生成量有很大的變化，產(chǎn)生大量的渣棉。實(shí)際?；瘯r(shí)渣棉極易堵塞設(shè)備的管道，因此在實(shí)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(shè)備的正常運(yùn)行。

圖10 ?；P(pán)轉(zhuǎn)速對(duì)渣粒平均粒徑和渣棉質(zhì)量分?jǐn)?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(duì)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(shí)際生產(chǎn)中必須盡量縮短非穩(wěn)態(tài)的時(shí)間。

2)以粒徑檢測(cè)單元作為控制反饋，實(shí)現(xiàn)高爐渣離心?；淖赃m應(yīng)控制，可以實(shí)時(shí)地調(diào)整粒化盤(pán)轉(zhuǎn)速。相較于定?；P(pán)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(pán)直徑在140～160 mm范圍內(nèi)時(shí)既可以保證?；|(zhì)量，又可以保證?；省?/p>

4)為避免渣棉的產(chǎn)生，必須控制粒化盤(pán)轉(zhuǎn)速在1 600 r/min以下，保證設(shè)備正常運(yùn)行。