冶金熔渣保温剂的保温性能研究.pdf

Vo L 3 l N0 ． 2 Ma r ． 2 0 1 2 冶金能源 E N】 ￡ R GY F OR ME I ．AI J I J URG I C AL I N DUs T R Y 9 冶金熔渣保 温剂的保 温性 能研 究 杨志杰 苍大强 李 宇 刁美玲 北京科技大学冶金与生态工程学院 摘要以熔渣的 “ 热”和 “ 渣”高附加值的双利用为出发点，对熔渣保温剂的保温性能进 行了研究 ，结果表明当膨胀珍珠岩为 1 5 ％、焦炭粉为 1 0 ％、粉煤灰为 7 5 ％，保温剂厚度为 3 4 m m时保温剂保温效果最佳，保温剂表面温度为 3 3 5 C。并通过在唐钢中厚板厂 1 号 1 2 0 t 转 炉上的现场实验验证 。该保温剂保温效果 良好，与没加保温剂相比温降速率降低了约 6 ℃／ m i n ， 在整个运输过程中热能损失量减少了 8 ． 5 2 k g c e ／ t 。 关键词熔渣保温剂温降速率 St u dy o n t he t he m l a l i n s u l a t i o n pe r f o r ma n c e o f he a t - i ns ula tin g a g e n t f o r t he me t a l l u r g i c a l mo l t e n s l a g Y a n g Z h i j i e C a n g D a q i a n g L i Y u D i a o Me i l i n g U n i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y B e i j i n g Ab s t r a c t I n o r d e r t o r e a l i z e s l a g a n d h e a t o f t h e mo l t e n s t e e l sla g 。 t h e t h e r ma l i n s u l a t i o n p e r f o rm anc e o f h e a t i n s u l a t i n g a g e n t f o r t h e mo l t e n s l ag w a s r e s e a r c h e d ．T h e res et s i n d i c a t e d the t h e r ma l i n s u l a - t i o n pe r f o r ma n c e Was the o p ti mal wh e n the c o n t e n t o f e x p a n d e d per l i t e， t h e c o k e p o we r and the fl y a s h i n the h e a t i n s u l a ti n g a g e la t w e r e 1 5 ％ ，1 0 ％ and 7 5 ％ s e p a r a t e l y ．A n d the s u r f a c e t e mpe r a t u r e o f h e a t i n s u l a t i n g age n t w a s o n l y 3 3 5 C wh e n i t s thi c k n e s s wa s 3 4 mm．Me a n wh i l e ，i ts t h e rm al i n s u l a - ti o n per f o rm anc e Was v e r ycel l e n t t h r o u g h fi e l d e x per i me n ts i n the No ． 1 1 2 0 t c o n v e r t e r a t me d i u m and h e a v y p l a n t o f T an g s h a n I r o n and S t e e l C o r p o r a ti o n ．Th e t e mp e rat u r e d e s c e n t r a t e o f mo l t e n s t e e l s l a g d e c r e a s e s b y 6 C／ mi n thu s the l o s s q u ali t y of h e a t e n e r g y d e c r e a le b y 8 ． 5 2 k g c e ／t i n t h e p r o c ess o ft r a n s p o r t a ti o n ． Ke y wo r d s mo l t e n s l ag h e a t i n s ula ti n g a g e n t t e mperat u r e d esc e n t rat e 冶金行业是一个大进大出行业，产生的固体 废弃物量巨大，而在固体废弃物中高温熔渣如高 炉渣、钢渣、铁合金渣、有色金属冶炼渣 、熔融 还原炉渣等所占比例较高，因此如何高效利用高 温熔渣已成为冶金行业 中研究的热点[ 1 I 6 】 。以熔 融钢渣为例 ，转炉排 出的钢渣温度在 1 6 0 0 o C左 右，其所蕴含的热量相当于 3 O一 4 0 k g的重油， |- 十二五国家科技支撑重大项 目 2 0 1 1 B A C O 6 B I O ， 国家 自然科学基金重点项 目 5 1 0 3 4 0 0 8 。 收稿 日期 2 0 1 1 1 01 7 杨志杰 1 9 8 3一 ， 博士生； 1 0 0 0 8 3 北京市海淀区。 并且温度越高其热熔值越大。而在钢铁厂的实际 生产中，熔渣在渣包 渣罐内的降温速度十 分迅速 ，一般从排渣处运输到渣处理处需 1 O一 1 2 mi n ，在该期间内热量散失十分严重 ，熔渣表 面形成一层较厚的凝 固层 ，在倒渣的过程当中甚 至会出现粘包现象 ，造成倒渣困难 ，更重要的是 热量散失严重 】 。因此为了方便熔渣 的后续处 理利用，使熔渣的 “ 热”和 “ 渣”得到高附加 值的双利用，在熔渣被处理利用之前必须进行保 温处理。导致熔渣热量散失 的原因主要有两个 一 是熔渣本身，熔渣的温度与外界环境温差较 1 0 冶金能源 E NE RGY F OR ME n U RG I C AL I N DUS T R Y V0 1 ． 3l N0 ． 2 M 2 01 2 大 ；二是渣包结构 ，为了便于接渣 ，渣包一般被 设计 为广 口形状 ，熔渣的热量主要通过渣包 口散 失掉。 根据上述分析 ，作者提出在熔渣表面覆盖一 层保温剂，以减少热量散失和减缓温降，使熔融 态钢渣在处理利用之前仍保持 良好 的流动性。该 文对以膨胀珍珠岩、粉煤灰和焦炭粉为主要原料 的保温剂的保温性能进行 了研究 ，并进行了现场 工业验证实验。 1 保温剂的保温性能研究 1 ． 1 实验 实验所用原料为膨胀珍珠岩、粉煤灰、焦炭 粉 ，膨胀珍珠岩的粒径为 2 m m，实验方案如表 1 所 示 。 表 1 实验方案 由于熔渣热量主要是通过包 口向外散失 ，因 此可以近似认为是单向传热。实验中采用单向加 热的方式来模拟熔渣的热量散失过程。具体的实 验操作为 在 中频 炉 Z G一0 ． 0 1型感应 电炉 ， 最大功率 5 0 k W，最高加热温度 1 7 0 0 C内嵌入 一 石墨块 p 1 2 05 0 作为热源 ，并 在其 中心 钻一孔 1 0 ，将双铂铑热 电偶插入孔内用 来测量石墨块的温度 ，由于刚排出的熔融钢渣温 度大约为 1 6 0 01 6 5 0 ℃ ，因而实验 中将石墨块 加热到 1 6 0 0 ； 后 ，调节 中频炉的输 出功率使石 墨块温度恒定在 1 6 0 0 ℃。将表 1中混合均匀的 保温剂装入 刚玉坩埚 01 0 0 内摊 平 ，同 时测量保 温层 的厚 度 ，然后将 刚玉坩 埚放置于 1 6 0 0 C石墨台上 ，将镍铬镍硅热电偶置于保温剂 表面中心处 ，加热 3 0 mi n后记录下镍铬镍硅热电 偶所显示的温度。 1 ． 2 结果与讨论 实验结果如表 2所示 ，保温剂表面温度最高 为4 5 0 o C，远远低于石墨块的 1 6 0 0 ℃ ，因此总的 来说每一种配方的保温剂的保温效果都较好 。而 实验 B 1 、B 5 、B 7 所用保温剂配方不同但用量都 为 2 0 g ，B 2 、B 6 、B 8都为 3 0 g ，对其进行比较发 现 ，B 5与 B 7保 温剂表 面温度非 常接近 ，但 较 B 1 低约 1 0 0 ℃，将实验 B 2 、B 6 、B 8进行 对 比也 可得到 与 B l 、B 5 、B 7相 同的结 果。实 验 B 5 、 B 6 、B 7 、B 8保温剂 中膨胀珍珠岩含 量为 1 5 ％ ， B l 、B 2保温剂中膨胀珍珠岩含量为 1 0 ％，膨胀 珍珠岩含量高的保温剂表面温度明显低于其含量 低的 ，因此可以认为膨胀珍珠岩对保温剂 的保温 性能起主要作用 。但由于它的熔点较低 ，单独将 其作为保温剂原料时 ，很容易被熔渣所熔化而失 去保温性能，因此保温剂 中仍需配人熔点较高的 焦炭粉和粉煤灰 。 表 2 保温性能实验 结果 保温剂 B l B 2 B 3 B 4 B 5 B 6 旧 r 7 B 8 3 2 4 4 7 0 3 4 4 5 3 9 6 2 4 2 5 4 O 3 3 5 4 3 3 5 31 2 3 4 0 33 3 保 温层厚度／ mil l 2 2 表面温度／ * C 4 5 0 由于影响保温剂保温效果的不仅是保温剂本 身的保温性 ，还与其厚度有关 ，因此对 同一配方 不同用量下的保温剂进行 了实验 B lB 4 。根据 保温过程 中的热量传输示意图 图 1 可知 ，热 量通过石墨层界面与保温层之间的导热以及保温 层界面与空气的热交换散失到空气中。当热量传 输达到平衡时，通过保温层传递的热流密度与保 温剂通过保温层界面传递到空气中的热流密度相 等 ，即 q 保 q 空 。 图 1 热量 传输 示 意 图 ． 、 d 、 g 保 热量传输方向 Vo 1 ． 3 1 N o ． 2 Ma r ． 2 01 2 冶金能源 I N ER ； Y F O R ME I I A I J I J URGI C AL I ND US T R Y 口 空 一 q 保和 q 空分别如式 1 、式 2 此保温剂 的导热系数如式 3 所示 一 2现场验证实验 所示 ， 因 。 翟 A ㈥ 根据传热学知识可知导热系数越大保温效果 越差，由于每次实验条件基本相同，所以可以认 为 为常数 ，即 A越大保温效果越好 ，而 A如式 4 所示。假设 空气 温度为室温 2 0 C， 根据表 2实验结果可计算得； 同保温剂的 a ／ A， 如表3所示。根据图2 可知，随保温层厚度的增 加，同一配方保温剂的 a ／ A值呈下降趋势，即 随着温层厚度的增加 ，其单位厚度保温层的保温 作用效果在逐渐下降，因此增加保温剂厚度能够 降低热量散失，但考虑到保温剂用量及其成本， 只要保温层厚度能够满足保温需求 即可。而实验 B 5的 A值最大，即保温剂配方为膨胀珍珠岩 1 5 ％、焦炭粉 1 0 ％、粉煤灰 7 5 ％，保温层厚度 为 3 4 m m时单位厚度的保温剂保温效果最佳，其 A值为 1 1 8 m～，保温剂表面温度为3 3 5 ℃。 ㈩ A D 保 一 、 。 式 中 口 保为通过保温层 的热流密度 ， W／ m ； 口 空为 散失于空气 中的热流密度 ， W／ m 2 ； A为保温剂 的 导热系数， w／ m ℃ ； 为保温层上表面温 度 ， K； 为石 墨块 温度 ， K； D保为保 温层 厚度 ， ra i n ； o r 为对流换热系数 ， w／ 1 1 1 2 ℃ 。 表 3不同保温剂的 A值 ’ 1 堕呈 璺 墼 塑 堕 塑 里 塑 l 1 l 9 O 7 l 5 3 l l 8 9 8 1 0 0 65 图2 保温剂厚度对 A的影响 为了验证上述保温剂在生产中的实际保温效 果 ，现场实验场地选为唐钢中厚板厂的 1号 1 2 0 t 转炉 ，渣包为四棱锥形。实验中选用流动性较好 的拉碳渣 ，每次实验渣量为钢水 的 5 ％左右即约 为 6 t ，根据渣包形状最终确定每次实验保温剂用 量为渣 量 的 2 ％ ，即约 为 1 2 0 k g 。实验 中使 用 R a y t e k 3 i 红外测温仪 进行测温 ，其发射率设定 为 0 ． 9 5 ，安放位置距离熔渣大约为 5 m。 表 4 现场 实验方案 ％ 恧 瓣 实验方案如表 4所示 ，分别对上述三个配方 的保温剂及不加保温剂进行了对 比。实验操作过 程为 ①首先将原料按表4 称量好，搅拌混匀后 装入编织袋 ，然后置放于转炉操作平台的观察孔 旁；②将清空的渣包运输到转炉下方，当排渣开 始后用红外测温仪测量熔渣温度，同时用秒表开 始记时； 排渣结束后 ，将保温剂通过转炉操作 平 台上的观察孔投放于熔渣表面 ，同时记录下整 个排渣及投料时间；④渣包车运输渣包到排渣坑 处，同时记录运输时间；⑤将熔渣倒出，同时用 红外测温仪测量熔渣温度。 通过j 【见 察实验过程发现加保温剂的熔渣实 验 X1 一 4 ． 在倒渣时熔渣流动性 明显要好于不加 保温剂的实验 X 5 ，并且实验 【 5的熔渣表面形成 一 层很厚的渣壳，几乎无法将渣倒出。同时还发 现保温剂与熔渣之间具有良 好的的互溶性，倒渣 过程中保温剂几乎可以全部熔解于渣中，因此保 温剂不会对熔渣的后序利用产生不利影响。 对排渣温度、时间等 的测 量结果如表 5所 示。从实验结果可以看出，加保温剂的实验 x 1 一 X 4倒渣时的熔渣温度 明显高于不 加保 温剂的 实验 5，并且温降速率大大减缓。实验 X 1 、X 2 的温降速率较低平均为4 ． 1 5 C ／ m i n ，实验 X 3 、 下转第 1 6页 1 6 冶金能源 E NE RGY F OR ME TA L L U RGI C AL I ND US T RY Vo 1 ． 3l No ． 2 Ma r ． 2 01 2 比两种冶炼 过程 ，当降低一氧化碳 的 回收浓度 时，常规冶炼对应的系统收益较 “ 全三脱”冶 炼要高，平 均收益率 比 “ 全三脱”冶炼要高 6 0 ％左右。 参考文献 [ 1 ]王爱华，蔡九菊 ，王 其影响因素研究 [ J ] ． 鼎等 ．转炉煤气回收规律及 冶金 能源 ，2 0 0 4 ，2 3 4 52 5 5． [ 2 ]王爱华，蔡九菊，郦秀萍等 ． 转炉煤气 回收分析及 其提高措施 [ J ] ．钢铁，2 0 0 6，4 1 5 8 1 8 4 ． [ 3 ]张东丽，毛艳丽，曲余玲等 ．提高转炉煤气回收与 利用的措施 [ J ] ．冶金管理，2 0 1 1 ， 4 5 7- 6 0 ． [ 4 ]安连锁 ．泵与风机 [ M] ．北京 中国电力出版社， 2 0 0 8 1 07 2 ． 赵艳编 辑 上接第 1 1页 X 4的温 降速 率 分 别 为 7 ． 8 9 o C ／ mi n和 7 ． 0 l o C ／ m in ，因此实验 X l 、X 2保温剂保温效果较好， 这与 1 ． 2得 出的结论相同。虽然由于现场操作测 温存在一定 的误 差 ，但通过现场 观察 ，实验 1 、 2在倒渣时熔渣流动性确实 比其他 的效果 要好 。 因此配方为膨胀珍珠岩 1 5 ％ 、焦炭粉 1 0 ％、粉 煤灰 7 5 ％的保 温剂较优 秀 ，经过 约 1 3 m i n的运 输，最终倒出的渣仍保持了良好的流动性 ， 基本 不会影响熔渣的后序处理利用 ，在整个运输过程 中热能损失量减少了 8 ． 5 2 k g c e ／ t 。 表 5 现场实验结果 3结 论 通过对保温剂保温性能的研究发现 ，随着温 层厚度的增加，其单位厚度保温层的保温效果在 下降。配方为膨胀珍珠岩 1 5 ％、焦炭粉 1 0 ％、 粉煤灰 7 5 ％，保温层厚度为 3 4 ra m时，单位厚 度的保温剂保温效果最佳，保温层表面温度为 3 3 5 C。经过在唐钢 中厚板厂 1号 1 2 0 t 转炉上 的 现场实验验证 ，结果显示其保温效果 良好 ，加该 保温剂后熔渣温降速度为4 C ／ m in ，与没加保温 剂相比温降速率降低了大约6 ℃／ m i n 。并且在倒 渣时熔渣保持 了良好的流动性 ，在熔渣表面并没 有形成渣壳，在整个运输过程中热能损失量减少 了 8 ． 5 2 k g c e ／ t 。 参考文献 [ 1 ]B ．D a s ，S ．P r a k a s h 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