熔融渣在旋转杯雾化器上的良性固化过程：渣壳的形成、重熔及残留物特性

《Waste Management》：Benign solidification of molten slag on rotary cup atomizer: slag shell formation, remelting and residue characteristics

高炉渣热能回收与资源化利用中，离心- granulation辅助热能回收（CGATER）技术面临旋转杯高温熔毁问题。本研究发现熔融渣在离心 granulation初期快速凝固形成渣壳，其厚度（<3mm）、晶体含量（>80%）及形态受初始温度、质量流量和转速影响，当杯壁温度超过650℃时渣壳发生再熔化。首次系统揭示渣壳动态演变规律及隔热机制，为设备长效安全运行提供理论支撑。

　　在钢铁工业中，高炉渣（Blast Furnace Slag, BFS）作为一种重要的副产品，具有丰富的能源和资源价值。高炉渣通常是在生产生铁的过程中产生的，每吨生铁的产量约为100至400千克，其温度可高达1450至1550摄氏度。全球范围内的生铁产量在2023年达到了13.2亿吨，相应地，高炉渣的产量也达到了约4亿吨。这些高炉渣所蕴含的热能相当于约2400万吨标准煤，显示出其在能源回收方面的巨大潜力。此外，高炉渣主要由氧化钙（CaO）、二氧化硅（SiO?）、氧化镁（MgO）、氧化铝（Al?O?）以及其他化学成分构成。如果处理得当，高炉渣可以转化为玻璃态物质，从而成为生产波特兰水泥的重要原料。因此，高炉渣在废物转化能源和资源方面具有广阔的应用前景。

然而，目前高炉渣的处理方式大多采用水冷法，将其作为水泥生产的原料。这种方法虽然能够实现资源利用，但无法回收其中的热能，同时消耗了大量的淡水。随着现代工业对高价值利用冶金渣的重视，这一传统处理方式逐渐暴露出其局限性。为了解决这一问题，研究人员提出了多种干法渣粒化（Dry Slag Granulation, DSG）技术，包括风冷法、机械破碎法以及离心粒化法等。其中，离心粒化辅助热能回收（Centrifugal Granulation Assisted Thermal Energy Recovery, CGATER）技术被认为是一种极具前景的方法。该技术的运行原理已在其他文献中有所描述，其优势在于操作简便、结构简单、成本低廉，因此在钢铁工业中获得了广泛的认可。

尽管CGATER技术具有诸多优点，但其在大规模应用方面仍面临挑战。主要问题在于，离心粒化过程中，高炉渣的高温运行可能会导致旋转雾化器的高温失效。这种高温失效指的是，在离心粒化过程中，旋转雾化器可能因高温而熔化，从而影响其长期运行的可靠性。例如，有研究指出，仅在10秒的离心粒化过程中，钢盘就可能因高温而发生断裂。这种现象被归为高温失效，是当前CGATER技术推广过程中需要解决的关键问题之一。

为了缓解这一问题，研究人员提出了一种潜在的解决方案，即在旋转雾化器上沉积一层固体热绝缘层，以降低其运行温度。事实上，已有研究发现，在液态合金的离心粒化过程中，旋转盘上会形成一层固态的壳层。这一现象表明，如果在高炉渣与旋转雾化器之间存在显著的温度差，那么在旋转雾化器上也可能形成一层固态的高炉渣壳层。考虑到高炉渣的热导率较低（约1至3瓦每平方米每开尔文），利用高炉渣壳层作为热绝缘层可能是一种有效的策略。因此，研究高炉渣壳层的形成行为，特别是其是否能够保护旋转雾化器并保持稳定附着，就变得尤为重要。这种现象被定义为“良性固结”。

在以往的研究中，虽然已有学者提出了类似的概念，但他们的研究主要停留在理论层面，缺乏后续的实验和理论验证。因此，目前对于高炉渣壳层形成特性的研究仍较为有限。在现有的研究中，仅有少数学者对高炉渣壳层的形成进行了建模，发现当对旋转雾化器壁面进行额外冷却时，高炉渣壳层在高温下表现出良好的稳定性。然而，在实际操作过程中，这种高炉渣壳层的形成尚未得到实验验证，其动态演化过程也尚不明确。这主要是由于在旋转雾化器与高炉渣的界面处，高炉渣的熔融层会遮挡视线，同时旋转速度较高，使得直接观察高炉渣壳层的形成过程变得非常困难。此外，高炉渣壳层的形成可能会影响旋转雾化器表面的粗糙度，从而进一步影响离心粒化的效果。这一现象在之前的模型研究中已有提及，但其具体影响仍需进一步探讨。

本研究旨在揭示高炉渣壳层的形成、熔化和残留特性。研究高炉渣壳层的基本物理机制具有双重意义。一方面，这是在实施将高炉渣壳层作为热绝缘层之前，了解其形成、熔化和残留行为的前提。另一方面，对这些特性的深入理解有助于优化离心粒化过程的性能。因此，本研究通过可视化手段，观察了高炉渣壳层的形成过程，并提出了新的方法来判断高炉渣壳层的状态，即形成或熔化。此外，还研究了高炉渣壳层的形态和厚度分布，并通过X射线衍射（XRD）技术分析了其晶体相组成。本研究是少数对高炉渣壳层特性进行深入探讨的工作之一，不仅为CGATER技术的发展提供了新的思路，也为冶金渣的有效管理提供了理论支持。

本研究采用了一套实验装置，该装置位于重庆大学，专注于高炉渣的离心粒化系统。该系统的详细信息可以在相关文献中找到。在本研究中，除了采用现有的实验设备外，还增加了红外相机和红外测温仪来记录高炉渣和旋转雾化器的温度变化。红外相机安装在旋转雾化器上方，红外测温仪则安装在旋转雾化器下方，以确保能够准确获取高炉渣和旋转雾化器的温度数据。通过这些设备，研究人员能够实时监测高炉渣在离心粒化过程中的动态变化，从而更深入地理解高炉渣壳层的形成机制。

在实验过程中，研究人员观察到高炉渣的整个生命周期。首先，高温的液态高炉渣在旋转雾化器上流动，逐渐冷却并形成细小的液滴。随后，这些液滴在旋转雾化器表面形成一层固态的高炉渣壳层。整个过程可以分为三个阶段。在第一阶段，高炉渣从旋转雾化器的中心流向边缘，其流动状态较为混乱，温度相对较低。在第二阶段，随着离心力的增强，高炉渣开始加速冷却，逐渐形成固态壳层。在第三阶段，固态壳层可能在旋转雾化器表面稳定存在，但随后可能因高温而再次熔化，从而影响其性能。

研究人员通过实验数据，分析了不同初始温度和质量流量下的高炉渣壳层形成特性，以及不同旋转速度对壳层形成的影响。研究发现，高炉渣壳层在旋转雾化器表面形成后，其形态呈现出手指状，最大厚度约为3毫米。此外，壳层在侧壁的结晶含量超过了80%，表明其在高温下具有良好的稳定性。然而，当旋转雾化器的壁面温度超过约650摄氏度时，形成的高炉渣壳层可能会发生熔化，从而影响其保护作用。因此，研究人员提出了新的计算方法，以预测高炉渣壳层的熔化过程，并通过实验验证了该方法的有效性。

本研究还探讨了高炉渣壳层的残留特性。研究发现，高炉渣壳层在旋转雾化器表面的残留形态呈现出手指状，表明其在高温下能够稳定附着。这种残留形态的形成可能受到多种因素的影响，包括初始温度、质量流量和旋转速度等。此外，高炉渣壳层的残留可能对旋转雾化器的表面粗糙度产生影响，从而进一步影响离心粒化的效果。因此，对高炉渣壳层的残留特性的研究，不仅有助于理解其形成机制，也为优化离心粒化过程提供了理论依据。

通过本研究的实验和分析，研究人员揭示了高炉渣壳层在旋转雾化器上的形成、熔化和残留特性。这些特性对于实现CGATER技术的长期稳定运行具有重要意义。因此，本研究不仅为CGATER技术的发展提供了新的思路，也为冶金渣的管理提供了理论支持。此外，本研究还为未来的研究方向提供了参考，特别是在如何利用高炉渣壳层作为热绝缘层方面，可能为实现低成本、高效能的CGATER技术提供新的解决方案。

总之，本研究通过实验和理论分析，揭示了高炉渣壳层在旋转雾化器上的形成、熔化和残留特性。这些特性对于实现CGATER技术的长期稳定运行具有重要意义。因此，本研究不仅为CGATER技术的发展提供了新的思路，也为冶金渣的管理提供了理论支持。此外，本研究还为未来的研究方向提供了参考，特别是在如何利用高炉渣壳层作为热绝缘层方面，可能为实现低成本、高效能的CGATER技术提供新的解决方案。