飛行高爐熔渣顆粒幾何形態(tài)的可視化測量

張 穎,楊慶輝,楊瀟瀟,張衍國

(1.北京立化科技有限公司，北京 100085; 2.清華大學 能源與動力工程系，熱科學與動力工程教育部重點實驗室，清華大學-滑鐵盧大學微納米能源環(huán)境聯(lián)合研究中心，北京 100084)

高爐熔渣是生鐵冶煉生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的高溫、熔融態(tài)的工業(yè)廢棄物[1]。根據(jù)國家統(tǒng)計局統(tǒng)計年鑒[2]，2017年我國的生鐵產(chǎn)量為7.1億t，按每生產(chǎn)1 t生鐵產(chǎn)生高爐渣0.35 t計算[3]，高爐渣一年的產(chǎn)量就高達2.5億t。此外，高爐熔渣的排放溫度約為1 450～1 550℃，是一種產(chǎn)量巨大的余熱資源[4-5]。因此，科研人員開展了高爐熔渣安全、環(huán)保、高效的余熱回收利用方法研究，主要包括物理法和化學法。物理法回收高爐熔渣余熱的研究主要集中于轉(zhuǎn)鼓?；╗6]、風淬?；╗7-8]、離心?；╗9-11]和高速射流粒化法[12]等干法?；坝酂峄厥展に?。而化學法余熱利用主要是將高爐熔渣的熱量直接用于不同的化學反應研究，如甲烷重整反應[13-14]、生物質(zhì)氣化反應[15-17]和煤氣化反應[18]等。然而，不論哪種高爐熔渣?；に?，高爐熔渣顆粒的粒徑、球形度等幾何形態(tài)表征值作為熔渣顆粒相變換熱的重要計算參數(shù)，值得被研究。

基于圖像處理的顆粒幾何形貌測量方法，在顆粒表面形狀和形貌測量方面得到越來越廣泛地應用。陳云波等[19]利用圖像分析儀法和人工法分別對水泥顆粒的球形度進行了測量，表明圖像分析儀法的結(jié)果更準確；牛立聰?shù)萚20]提出了一種基于MATLAB圖像處理的砂、石顆粒圓形度的計算方法，獲得了不同角度下圖像區(qū)域的圓形度；楊建等[21]研制了一套基于圖像法的在線測量系統(tǒng)，對水泥顆粒粒徑、圓形度進行了實驗測量；Rorato等[22]掃描圖像分析了兩種不同砂粒的顆粒形狀，系統(tǒng)地獲得了多顆粒的球形度測量值。上述研究雖涉及顆粒粒徑、圓形度的測量，但并未應用于高爐熔渣顆粒。并且，在高爐熔渣顆粒降溫傳熱過程的數(shù)值模擬中，大部分研究對高溫飛行顆粒的幾何參數(shù)值進行了理想化假設[23-24]，將熔渣顆粒視為理想化靜態(tài)球體，忽略了實際?；蟾邷厝墼w粒的高速飛行狀態(tài)和幾何參數(shù)變化。因此，本研究提出了一種飛行高爐熔渣顆粒幾何形態(tài)的測量方法，不僅可以明晰高溫熔渣顆粒在粒化飛行過程中的相變換熱規(guī)律，還可為后續(xù)干法?；b置的結(jié)構(gòu)設計優(yōu)化、操作工況設計提供理論依據(jù)。

本文通過一系列的實驗提出了一種瞬間測量飛行高爐熔渣顆粒幾何形態(tài)的新方法。利用高速攝像機瞬間連續(xù)捕捉高速飛行的熔渣顆粒圖像，通過MATLAB軟件對相應時間點上的顆粒圖像分別進行數(shù)學形態(tài)學處理，得到單個顆粒的當量直徑、球形度等幾何參數(shù)值。此外，通過標尺丈量和計算，得到了單個顆粒的平均飛行速度和飛行軌跡曲線。通過該方法探究了高溫熔融態(tài)高爐渣顆粒的幾何形態(tài)和飛行軌跡變化，為今后進一步研究高爐熔渣顆粒的傳熱特性提供更精準的理論數(shù)據(jù)和基礎。

1 飛行顆粒圖像獲取

1.1 實驗樣渣準備

實驗所用樣渣是來自山東某鋼鐵廠的高爐渣。通過X射線熒光光譜分析可知，所用樣渣的主要成分為CaO、SiO2、Al2O3和MgO，質(zhì)量分數(shù)分別為38.97%、31.24%、16.27%和9.15%。

1.2 實驗裝置

飛行高爐熔渣幾何形態(tài)測量的實驗裝置如圖1所示。由圖1可知，實驗裝置主要包括高速攝像機、高溫節(jié)能熔塊爐、熱電偶、壓縮空氣噴射裝置、計算機及其圖像數(shù)據(jù)采集與分析軟件等。

其中，高速攝像機的型號為i-SPEED 720 Color 72GB，最高幀速率達75萬fps，主要配合i-SPPED Control軟件進行電腦控制和圖像采集。高溫節(jié)能熔塊爐主要用來加熱熔化高爐渣，最高加熱溫度為1 600℃。溫度采用直徑為φ25 mm的鉑銠B型熱電偶進行實時監(jiān)測。

1.3 實驗方法與步驟

實驗過程中，首先利用高溫節(jié)能熔塊爐將高爐渣進行加熱，加熱的同時連接熱電偶以實現(xiàn)高爐渣溫度的實時監(jiān)測。待高爐渣全部熔化為液相高爐熔渣后，拔下坩堝底部的塞塊，液相熔渣自然下落的同時，打開壓縮空氣，對下落的液相熔渣進行噴射粒化，并利用高速攝像機對飛行熔渣顆粒進行連續(xù)圖像采集。為保證拍攝圖像的清晰度，設定高速攝像機幀速率為10 000 fps，鏡頭光圈為5.6。

2 圖像處理與分析

2.1 圖像處理方法

選取兩個?；w粒作為研究對象，分別稱之為顆粒A和顆粒B，且顆粒A和顆粒B是由一個原來的更大顆粒?；傻?。利用MATLAB分別對其在不同時間下的JPG圖像進行數(shù)學形態(tài)學處理，即用具有一定形態(tài)的結(jié)構(gòu)元素去度量和提取圖像中的對應形狀，保持其基本形狀結(jié)構(gòu)的前提下，除去不相干的結(jié)構(gòu)，以達到圖像分析和識別的目的。以顆粒B的單張圖像處理為例，處理后的圖像如圖2所示。

圖2 圖像處理過程：(a)原圖；(b)去噪圖像；

(1)去噪處理。在MATLAB中利用imread函數(shù)讀取圖像文件，并裁剪其大小以至于只包含所研究的單個粒化顆粒，如圖2(a)所示。選圖過程中，在0～10.5 ms的飛行期間內(nèi)，顆粒的外形變化劇烈，時間取值間隔定為1.5 ms，之后時間取值間隔定為10.5 ms。利用高斯濾波對裁剪后的圖像進行去噪處理，以去除圖像生成和傳輸過程中的噪聲干擾，如圖2(b)所示。

(2)形態(tài)學運算。將濾波后的RGB圖像轉(zhuǎn)化為灰度圖像，如圖2(c)所示。利用最大類間方差法找到一個合適的閾值，將灰度圖像進行二值化分割，如圖2(d)所示。調(diào)用imfill函數(shù)進行區(qū)域填充，imclose函數(shù)進行閉合運算，消除區(qū)域空洞并填補輪廓線中的斷裂。調(diào)用bwlable函數(shù)連通區(qū)域計數(shù)并進行邊界標記，如圖2(e)所示。

(3)特征提取。利用弗里曼8鏈碼法進行邊緣跟蹤和提取，調(diào)用regionprops函數(shù)度量和提取邊界周長和區(qū)域面積，邊界周長即邊界像素點個數(shù)，區(qū)域面積即圖像中值為1的像素點總數(shù)。

2.2 顆粒當量直徑和球形度計算

本文采用顆粒當量直徑和球形度對飛行熔渣顆粒進行幾何形態(tài)表征。當量直徑Dr定義為與顆粒表面積相等的圓的直徑，其值可作為?；w粒尺寸度量的參考參數(shù)。球形度C在二維描述中也可稱為圓形度，定義為表面積乘以4π與周長平方的比值，C在數(shù)值上越接近于1，表明顆粒越趨向于球形。需要注意的是，計算顆粒的當量直徑時，顆粒表面積為顆粒的實際面積而不是圖像的區(qū)域面積。

3 結(jié)果與討論

高爐熔渣顆粒在?；w行過程中外形不斷發(fā)生變化，利用同視窗下的標尺可丈量一定時間間隔下高爐熔渣顆粒的飛行距離，結(jié)合時間間隔進而可以得到該顆粒?；笤诳罩械钠骄w行速度。以本文所研究的飛行顆粒B為例：通過計算，可得其在10.5 ms、21 ms、31.5 ms、42 ms、52.5 ms、63 ms時刻處的飛行速度分別為3.8 ms、3.5 ms、3.5 ms、3.8 ms、3.8 ms、4 m/s，則顆粒B?；笤诳罩械钠骄w行速度約為3.7 m/s，飛行圖像變化如圖3所示。同樣通過計算，顆粒A?；笤诳罩械钠骄w行速度約為3.1 m/s。

圖3 熔渣顆粒B的飛行圖像

3.1 當量直徑

按照前面介紹的計算方法，對飛行熔渣顆粒A和顆粒B降溫過程中不同時刻的當量直徑進行了計算，計算結(jié)果如圖4所示。

結(jié)合圖3和圖4可以看出，熔渣顆粒在飛行過程中，當量直徑呈現(xiàn)先減小后不變的趨勢，是因為熔渣顆粒的飛行過程是一個降溫冷凝收縮的過程，當顆粒表面溫度降低至顆粒臨界凝固溫度以下時，顆粒的表面出現(xiàn)結(jié)殼，幾何形態(tài)基本不再發(fā)生變化。結(jié)殼后顆粒A的平均當量直徑約為3.4 mm，顆粒B的平均當量直徑約為5.9 mm。

圖4 飛行熔渣顆粒的當量直徑變化

對于顆粒B來說，結(jié)殼后當量直徑仍在周期性變化，是因為成型的顆粒B并不是一個規(guī)則的球體形狀，且飛行過程中伴隨著周期性旋轉(zhuǎn)，所以同一顆粒不同的投影平面直徑有所不同。而對比顆粒A和顆粒B的當量直徑變化可以看出，顆粒A的表面結(jié)殼時間明顯短于顆粒B，說明?；蟮念w粒當量直徑越小，其凝固冷卻速率越快[25]。

3.2 球形度

按照前面介紹的計算方法，對飛行熔渣顆粒降溫過程中不同時刻的球形度進行了計算，計算結(jié)果如圖5所示。

圖5 飛行熔渣顆粒的球形度變化

結(jié)合圖3和圖5可以看出，熔渣顆粒B在飛行過程中，最初呈現(xiàn)桿狀結(jié)構(gòu)，球形度僅為0.39。隨著不斷的下落飛行，顆粒形態(tài)逐漸趨于球形，球形度不斷增大。當時間間隔為21 ms時，顆粒的球形度增大至0.64。當球形度繼續(xù)增大至0.65左右時，球形度變化開始呈現(xiàn)周期性，進一步驗證了顆粒的周期性旋轉(zhuǎn)飛行狀態(tài)。

顆粒A在飛行過程中球形度基本保持不變，進一步驗證了其表面冷卻速度較大的結(jié)論。此外，對比顆粒A和顆粒B的球形度可以看出，熔渣顆粒飛行過程均為一個趨向于球體的過程，而結(jié)殼后顆粒A的平均球形度約為0.72，顆粒B的平均球形度約為0.63，表明顆粒當量直徑越小，顆粒球形度越大。

3.3 飛行軌跡

利用標尺丈量顆粒?；蟮娘w行坐標，得到顆粒A和顆粒B粒化后在空中的飛行軌跡，如圖6所示。需要指出的是，圖像分析過程中，顆粒A和顆粒B是由同一個大顆粒?；纬傻牟煌睆降念w粒。初始位置時，兩個顆粒仍有拉絲連接，位于同一垂直平面上，橫坐標相等。因此，以兩個顆粒初始位置坐標點作為飛行軌跡曲線的起點。

由圖可知，在同一時刻，顆粒A和顆粒B的縱坐標之間的差值基本保持不變，說明兩個顆粒在垂直方向的飛行速度基本相等。而顆粒A和顆粒B的橫坐標雖然都在增大，但兩者之差也越來越大，并且顆粒直徑越大，橫坐標越大，即飛行距離越遠，可能是由于顆粒B在射流粒化的瞬間獲得的初始速度較大導致的，也側(cè)面說明了粒徑分布存在一定的隨機性。

圖6 飛行熔渣顆粒的運動軌跡

4 結(jié)論

本文利用高速攝像機對熔渣顆粒飛行過程中幾何形態(tài)的變化進行了可視化測量實驗，得到了高爐熔渣顆粒飛行過程中當量直徑和球形度的變化規(guī)律以及對傳熱效果的影響。實驗結(jié)果總結(jié)如下：

(1)熔渣顆粒飛行過程中，當量直徑先減小后不變，球形度先增大后不變，當量直徑為5.9 mm的熔渣顆粒平均球形度約為0.63；

(2)熔渣顆粒的飛行過程是一個逐漸趨向于球體的過程，當量直徑為5.9 mm的熔渣顆粒飛行過程中球形度由0.39增大至0.65；

(3)熔渣顆粒當量直徑越小，其凝固冷卻速率越快；

(4)當量直徑為5.9 mm的熔渣顆粒平均球形度小于當量直徑為3.4 mm的熔渣顆粒的平均球形度；

(5)熔渣顆粒粒徑分布具有一定的隨機性。

本文所研究的測量方法特別適用于高溫熔融態(tài)的多組分小顆?；蛞旱卧诟咚亠w行過程中幾何形態(tài)參數(shù)的瞬間測定，實驗數(shù)據(jù)為改善高爐熔渣余熱回收效果提供了理論基礎。