【技术文献】高密度大粒径高炉水冲渣工艺系统研究

　　本文首先明确了实验室条件下熔渣温度和喷水温度对水冲渣密度和粒径尺寸的影响。然后又在钢铁厂的水冲渣系统生产现场进行了试验，发现调节喷嘴孔的孔径和间距能够得到高密度、大粒径的水冲渣。同时利用神经网络计算估算水冲渣单重和平均拉径，分析单个工艺因素的影响。根据上述试验和分析结果，开发出了一种新型水冲渣工艺系统，可以生产出单重为 1.40kg/l 以上，平均粒径为 2mm 以上的高炉水冲渣，作为高密度、大粒径的原料用于混凝土细骨料。

　　1 前言

　　高炉渣曾经主要作为水泥和道路路基材料，由于用量减少，近年来逐渐用于混凝土细骨料使用。水冲粒化后的高炉渣具有潜在的水硬性，据报道，高炉水冲渣代替砂子作为混凝土细骨料使用，20 年后抗压强度仍在增加。近来，高炉渣细骨料在高强度混凝土中的应用研究不断发展，日本“混凝土添加高炉渣细骨料使用规范”也已修订。

　　高炉渣细骨料很少单独使用，它常与天然砂混合作为混凝土细骨料使用。然而，由于砂子粒度分布根据使用地区不同而不同，要求高炉渣细骨料的粒度分布也要根据使用地域不同而不同。 高炉水渣作为细骨料在混凝土中使用不同于在水泥中使用，在混凝土中使用的高炉渣要求密度高，单重需达 1.45kg/l 以上。由于水冲粒化渣有很多密封空隙存在，因此，为了获得高密度水渣，需要降低水冲渣的孔隙率。

　　高炉熔渣在水冲过程中，蒸汽在熔渣中溶解，蒸汽与熔渣中的氮反应，导致氮气和氢气逸出使水渣中产生孔隙。众所周知，降低熔渣温度是获得高密度水冲渣的有效方法。

　　也有关于水冲渣粒度尤其是获得大粒度渣的技术研究。但同时获得高密度和大粒度的粒渣很困难，因为水冲渣粒度增大时冷却速率会下降，容易形成泡沫渣。

　　也有在实验室条件下用低熔点合金和高炉渣获得计算水渣粒度的方程。但该方程未考虑到熔渣温度和冲水温度的影响。 研究在实验室条件下分析了熔渣温度、冲水温度、喷嘴型式对水冲渣密度和粒度的影响，研究发现喷嘴型式确实有影响。

　　在工厂高炉水冲渣现场通过采用不同型式的喷嘴，证实了喷嘴型式对水渣密度和粒度的影响。 在工厂高炉水冲渣现场，在高炉出渣过程中，出渣速度和熔渣温度是不断变化的，同时水/ 渣比和冲水温度也跟着相应变化，影响成渣质量的水冲渣工艺条件包括多种变量，这些变量之间相互作用。

　　神经网络是处理多条件下目标与不同条件之间关系的分析方法。为了说明水冲渣物理性能及其影响因素之间的相互作用，利用神经网络计算技术研究了熔融氧化物黏度、熔解硅酸盐表面张力、熔渣硫化物含量的预测值，对多变量输入-输出数据进行了回归计算，通过神经网络计算能够高精度预测新工艺条件所发生的结果。因此，研究利用神经网络计算预测了高炉水渣的密度和粒度，分析了熔渣条件和冲水条件对水渣密度和粒度的影响。 根据研究结果，开发了一种新型水冲渣工艺系统，可以生产单重 140kg/l 以上，平均粒径 2mm 以上的高炉水冲渣，作为粗大、高密度的原料用于混凝土骨料。传统水冲渣系统难以达到上述指标，通过本研究研制的新结构水冲渣工艺系统能够实现。以下详细介绍研究内容及开发过程。

　　2 试验方法

　　2.1 水冲渣质量研究方法

　　在 JFE 钢铁公司高炉出渣期间，于水冲渣生产现场对水渣进行取样，同时搜集生产数据。研究了水渣密度和粒度与熔渣温度、喷水温度、熔渣流速以及水/渣比之间的关系。图 1 为取样高炉水冲渣系统。

　　用取样机将水渣试样从生产现场取出，取样机安放在脱水器出口侧输送带上。取样时间 20min，所取水渣试样重约 20kg。在取样同时收集了熔渣温度、输送带上水渣流量、喷水速度、喷水温度、搅拌槽温度等数据。在喷水之前用激光温度计测量熔渣温度，用喷水温度和输送带上成渣流量计算水/渣比。为计算水渣密度，利用骨料堆比重和骨料固体含量的标准测试方法计算水渣单重。为计算水渣平均直径，利用骨料筛分测试标准方法检测水渣粒度分布。

　　2.2 水冲渣试验方法

　　高炉渣从出渣口流出后，在水冲渣过程中的流速及温度是随时间而变化的。因此，难以单独分析水/渣比和喷水温度对水渣粒度的影响。

　　为研究熔渣温度和喷水温度对水渣粒度和密度的影响，制备了水冲渣试验装置，见图 2。

　　该装置由 50kg 重感应炉、冷却水箱、加压泵、喷嘴、冷却通道、收集渣槽组成。 首先，将 5kg 高炉粒渣用石墨坩锅感应炉熔化，由于熔渣中氮浓度对水冲渣产生孔隙影响很大，因此熔化过程中用氮气作为氛围气体使用。 炉渣在 1673-1823K 温度熔化，并持续 30min 以上，然后取出塞棒，使熔渣通过坩锅底部直径为 10mm 的小孔流入冷却通道中，熔渣流被喷嘴喷出的水粒化，喷嘴安置在冷却通道的一端。然后水冲粒化渣沿着带有冷却水的冷却通道流向另一端，落入收集槽内。熔渣流动持续时间约为 1min。喷水压力由加压泵加压后提高到 50-60kPa，水蒸气通过水箱将喷吹水温提高到 293-343K，水渣通过收集槽内的滤网收集。取出后在 383K 温度以上干燥 12h 后测量水渣粒径分布。

　　2.3 水冲渣试验中采用不同型式喷嘴

　　分别用多孔型喷嘴和狭缝型喷嘴(见图 3)研究了喷嘴型式的影响，采用的多孔喷嘴孔径为 2-5mm，孔距为 5-12mm。 在上述水冲渣试验装置上，更换不同型式喷嘴进行试验。将多孔型或狭缝型喷嘴板装在水冲渣试验系统中，研究更换喷嘴板上的喷孔直径或喷孔布置是否能够控制水渣的单重和平均粒径。多次变换喷孔直径和间距进行试验，喷水流速通过改变喷孔面积相应进行了调整。取样仍然是在 20min 内取出 20kg 渣样。

　　3 试验结果

　　3.1 水冲渣工艺参数与水渣单重和粒径的关系

　　研究了熔渣温度、喷水温度、熔渣流量、水/渣比(重量比)与水渣单重和粒径随时间变化之间的关系。由于出铁口在高炉底部，出渣初期口径较小，铁水汇集到高炉底部先于熔渣从出铁口流出，所以开始时熔渣流量较小，随着时间的延长，出铁口口径变大，熔渣流量逐渐变大，水/渣比开始变小。由于熔渣流量的影响，熔渣温度和喷水温度在出渣初期较低，随着时间的延长而逐渐升高，高炉出渣初期水渣单重较大，然后逐渐变小。另一方面，高炉出渣后期水渣平均直径稍有增加。 研究了水渣单重与水冲粒化之前熔渣温度之间的关系。当温度在 1673K 以上时，随着熔渣温度的升高，水渣单重减小。当温度为 1673K 及以下时，水渣单重是常数，约为 1.4kg/1。 研究发现水渣粒度与喷水温度随时间的变化是相似的。因此分析了水渣平均直径与喷水温度之间的关系，结果发现喷水温度越高，水渣粒度越粗大。分析了水渣平均粒径与单重之间的关系，发现粒度粗大的水渣密度低，而细小粒度的水渣密度高。也就是说，粗大粒度水渣与高密度水渣形成条件是相反的。因此，获取大粒度、低密度或小粒度、高密度水渣的条件容易满足，而要在现有水冲渣工艺系统生产作为细骨料使用的大粒度、高密度水渣则很困难。

　　3.2 熔渣温度和喷水温度对水渣粒径和密度的影响

　　用水冲渣试验装置研究了熔渣温度对水渣单重和平均粒径的影响，尽管喷嘴型式和水温不同，变化值也不同，但当熔渣温度从 1773K 降到 1673K(降低 100K)时，水渣的单重提高 0.1-0.2kg/l，平均粒径增加 0.2-0.7mm。 用水冲渣试验装置研究了喷水温度对水渣单重和平均粒径的影响，试验中，熔渣温度保持不变，为 1673K。随着水温的升高，水渣粒度增大而密度减小，当水温下降 20K，单重提高 0.05-0.25kg/l，平均粒径减小 0-0.3mm。

　　3.3 喷嘴型式影响

　　为了分析喷嘴型式的影响，用多孔型喷嘴和狭缝型喷嘴在水冲渣试验装置上进行了试验。试验中，下述工艺参数保持不变。水/渣比为 12，熔渣温度为 1673K，喷水压力为 60kPa，喷水温度为 343K，喷水流量为 60l/min。 试验发现，采用狭缝型喷嘴，则可获得小粒度低密度粒渣，最大平均粒径为 D/L=0.5，但是没有获得相对于密度的最佳粒径值。

　　通过图像和录像观察分析了熔渣与流水碰撞的情况。采用狭缝型喷嘴，熔渣与流水碰撞时，渣粒成形后剧烈分散开，可以观察到分散出去的渣粒飞过水流而没有进到水流里面。而采用多孔型喷嘴，渣粒就能随流水进入冷却通道。由于熔渣直径约为 3-4mm，当所用喷嘴孔距直径为 4mm 以内时，熔渣就总能与水发生碰撞。如果喷嘴孔距直径超过 4mm，熔渣流就不一定能与流水发生碰撞。因此，D/L 存在一个最佳值。

　　3.4 变换喷嘴外形水冲渣试验结果

　　分别采用狭缝型和多孔型喷嘴试验对比了水渣粒径与单重的关系。从试验结果看，生产高密度、大粒径水渣是可行的。采用狭缝型喷嘴的水渣密度和单重都比多孔型喷嘴的小。试验研究了多孔型喷嘴孔径、孔距以及喷水速度的作用。孔径 20mm 比孔径 30mm 喷嘴所获得的水渣密度大。喷水速度低，所得水渣粒度较粗。当喷水速度为 11m/s 时，可以得到高密度、大粒径的水渣。但是没有发现可以同时得到平均粒径 2mm 以上、单重达到 1.4kg/l 的工艺条件。

　　4 分析讨论

　　4.1 粒径估算方程的应用

　　喷射法是通过两股流体碰撞形成粒状成品的一种方法，是金属粉末生产粒状金属的常用方法。通过试验获得粒径的估算方程在气体喷射工艺中得到广泛使用。将水喷射速度作为能量，将上述方程修改用于水喷射工艺，其中利用环形喷嘴试验，将喷射气体在喷射过程中的动能作为液滴表面能的一部分，将估算方程修改用于计算粒径尺寸，但这些方程只能用于相似的喷嘴型式。

　　由上述试验结果可知，粒径随熔渣温度的下降以及喷水温度的升高而增大。利用估算方程计算值与水冲渣试验值进行对比，试验值与计算值的相关系数是 0.15。估算方程是试.验方程，多个研究者使用该方程计算了 d(水渣粒径)/D(熔渣流直径)值，它们的计算值差别很大，有两个数量级。由于水渣平均直径为 12-2.0mm，d/D 比值范围较窄，为 0.02-0.05，用估算方程计算的水渣粒径值与试验值不一致。

　　4.2 水渣粒化过程

　　从变换喷嘴参数水冲渣试验结果及生产实际的水冲渣系统，得到水渣粒化过程，如图 4 所示。

　　首先，熔渣流与水流相撞后破碎形成粒状渣，由于水流的拉拽撕扯作用，形成的渣粒具有棱角。不像气体粒化系统产生表面张力，形成渣粒为球形。

　　渣粒与水流中的水相遇后被冷却，渣粒周围形成一层蒸汽膜，这层膜随后又被蒸汽溶解。在一个热丝法试验中，发现在高喷水温度情况下熔渣与水之间并未出现润湿现象，当熔渣表面蒸汽膜达到沸腾条件时，由于熔渣中的氮与溶解蒸汽发生反应会有氮气和氢气逸出，这些气体形成气泡，粒渣周围就会泡沫化，因此粒渣的直径就会增大。熔渣内溶解的水蒸气量跟渣粒周围产生的水蒸气量多少有关，跟渣粒与蒸汽接触时间的长短有关，熔渣温度越高、喷水温度越高，水/渣比越小，产生的蒸汽越多。

　　水流速度或水/渣比提高时，水流就冲破渣周围的蒸汽，水和渣就很容易发生接触。另一方面，熔渣是通过水流冲击成渣粒的，水/渣比和水流速度即水流能通过熔渣影响成渣的粒径大小。当喷水温度或熔渣温度提高时，蒸汽产生，水流的能量下降，这种情况下成渣泡沫化，粒径粗大。因此认为，渣温、水温、水/渣比、喷水流速影响水冲渣的密度和粒度大小。

　　4.3 利用神经网络计算估算水冲渣密度

　　神经网络计算结构，如图 5 所示，将预先存放的测量数据作为导师信号 t，与利用神经网络计算输出值 y 进行比较，计算了对应的 y 与 t 之间不同的连接权值，加上连接权值后又进行了新的计算。计算重复进行，直到总误差落入设定范围内。用新的输人数据通过最终连接权函数估算输出值是可行的。 用神经网络计算估算了水冲渣的单重。计算中使用了上述试验中所获得的 150 个试验数据。其中，水/渣比大于 80t/t，熔渣温度小于 1640K，这些都考虑了极端不正常情况。

　　假定的输入条件是水/渣比、喷水速度(喷嘴出口流速)、喷水温度、熔渣温度、喷嘴的 D/L，输出值是单重，神经网络计算的中间单元使用了 5 个单元。计算结果直到 0.05kg/1 以下，平均误差为 5%以下，本次计算迭代次数收敛在 4378 次，单重试验值与计算值的相关系数为 0.93，计算值与试验值吻合较好。

　　假设水冲渣的标准工艺条件为水/渣比 30t/t，喷水流速 14m/s，喷水温度 348K，熔渣温度 1723K，D/L0.571(m/m)。在上述五个工艺参数中，让其中一个参数作变量，另外 4 个用上述假定值来计算水渣单重，将计算值与试验值进行对比。熔渣温度从 1723K 降到 1623K(降低 50K)时，水渣单重提高 0.22kg/l。

　　利用神经网络计算所得到的熔渣温度对水冲渣单重影响的提高值比实验室试验所得的值要大。当水温从 343K 降到 323K(降低 20K)时，单重提高 0.1kg/1，与实验室试验值相同。喷水速度的影响很小。而对于 D/L 值，当 D/L=0.45 时，单重达到最大。单重随着水/渣比的提高而提高。

　　4.4 神经网络计算估算水冲渣粒径尺寸

　　像单重一样，用神经网络计算估算了水冲渣粒径大小。利用上述喷嘴外形变化试验的结果，假设输入结果为水/渣比、喷水速度(喷嘴出口处的流速)、喷水温度、熔渣温度以及喷嘴的 D/L 值。输出值为水冲渣的平均直径。计算直到 0.087mm 及以下，平均误差为 5%及以下。

　　神经网络计算的中间单元为 6 个单元，为最小的迭代次数。本次计算平均迭代次数为 9002 次。将试验观察平均值与计算值进行对比，它们之间的相关系数为 0.85，说明神经网络计算对粒径尺寸的估算精度较高。 在前述的 5 个标准工艺参数中，其中 4 个是标准参数，只有一个是变量的情况下计算了平均粒径尺寸。将平均计算值与测量值进行了对比。

　　水/渣比为 30 以下，水温在 343K 以上，熔渣温度在 1723K 以上时，渣粒直径几乎是个常数。在实验室试验情况下，水温在 343K 以下时每提高 20K，平均直径提高0.1mm。

　　当熔渣温度从1673K提高到1723K(提高50K)时，平均直径提高0.2mm。这一结果与实验室试验结果趋势相反。如果 D/L 设为 06 及以下，平均直径将变大。当喷水速度为 12m/s 以下，随着喷水速度的下降，水渣粒径增大。

　　4.5 细骨料用大粒径、高密度水冲渣的制造

　　假设所用细骨料的平均直径为 1.5mm 以上，单重为 1.5kg/1 以上。而水冲渣是不规则形状的，因此为了保持新拌混凝土的和易性及混凝土的压缩强度，如果作为细骨料使用，水冲渣需要进行研磨。然而水冲渣研磨后粒径会变小，密度会提高。因此，研磨之前水冲渣的直径要相应的大一些，则研磨之前水渣的质量参数定为平均直径 2.0mm 以上，单重 1.4kg/1。

　　根据神经网络计算的分析结果设计了生产粗大粒径、高密度水冲渣的特殊设备，见图 6。制作了一个新喷水箱和搅拌罐，与原有成粒系统可联合使用。从新的搅拌罐返回的粒渣送往原有冷却通道，然后在脱水筛处脱水。 将熔渣温度降至 1673K 以下，可使单重达到 1.4kg/1 以下。

　　在新成渣系统中，由于熔渣从高炉出来后先进入渣罐然后再进行喷水粒化，可使熔渣温度降至 1673K 以下。所用喷嘴盘比值 D/L=0.44，得到的粒化渣密度高。为得到大粒径成渣，水/渣比设为 10，水温调到 343K 以上。

　　为了保证粒径达到 2.0mm 以上，这在生产水泥用水冲渣生产线上无法实现。研究采用了较低的喷水速度。从新设备上喷水速度与成渣直径的关系看出，降低喷水速度可得到粗粒径的成渣。获得平均直径 2.0mm 以上水冲渣的喷水速度设为 7m/s，在此喷水速度下的水冲渣单重为 1.43-1.63kg/l，能够达到水冲渣的目标值。经过研磨以后，渣粒变得更加圆滑，单重为 1.5-1.7kg/1，平均直径为 1.5-1.7mm(细度模数:3.3-3.5)，吸水率为 0.2%-0.5%，能够满足细骨料使用的质量指标。

　　利用新设备生产的水冲渣孔隙率低，而且在随后的研磨过程中渣粒的尖角部分和多孔部分能够最先破碎。因此，新开发的水冲渣细骨料尖角少且孔隙率低。

　　5 结论

　　研究了作为混凝土细骨料使用的高炉水冲渣高密度、大粒径的工艺条件。在水冲渣系统中，水/渣比和喷水温度变化的同时熔渣流速、熔渣温度也在变化，很难将这些参数按特定条件控制。首先明确了实验室条件下熔渣温度和喷水温度对水冲渣密度和粒径尺寸的影响，然后又在钢铁厂的水冲渣系统生产现场进行了试验。发现调节喷嘴孔的孔径和间距能够得到高密度、大粒径的水冲渣。

　　神经网络计算估算水冲渣单重和平均粒径的精度很高。用神经网络计算可以分析单个工艺因素的影响。 根据上述试验和分析结“果，提出了高密度、大粒径水冲渣的生产工艺。制作了一个生产细骨料用水冲渣的专用新系统。

　　利用新设备降低喷水速度，可以生产出单重为 1.40kg/1 以上，平均粒径为 2.0mm 以上的高密度、大粒径的水冲渣。

　　将这种水冲渣研磨后可达到混凝土骨料使用要求的单重为 1.5-1.7kg/l，平均耗径为 1.5-1.7mm 的质量指标。 如本研究所证实，在水冲渣生产工艺优化和设备设计方面，神经网络计算是一种有效的方法。