CN115246703B - 一种利用剪切变稀特性控制高炉渣基玻璃微珠粒径的方法 - Google Patents

一种利用剪切变稀特性控制高炉渣基玻璃微珠粒径的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种利用剪切变稀特性控制高炉渣基玻璃微珠粒径的方法，包括以下步骤：测试高炉熔渣在定转速与变转速条件下的初始黏度曲线；在熔融高炉渣中加入少量可改变熔渣流变行为的调质剂；测试恒温下改性高炉熔渣在定转速与变转速条件下的黏度变化情况，得到改性高炉熔渣黏度与剪切速率相关性曲线；测试降温过程中熔渣黏度变化与剪切速率变化关系图；利用玻璃微珠制备系统，根据剪切应力传感器实时反馈的数据，按照玻璃微珠粒径要求，制备出球形度高、粒径大小满足要求的高炉渣基玻璃微珠。本发明方法可以充分利用熔渣显热，调质剂用量较小，可以有效降低生产过程中旋转杯装置能耗，并在节能降耗的基础上显著提升产品附加值。

Description

一种利用剪切变稀特性控制高炉渣基玻璃微珠粒径的方法
技术领域
本发明属于工业固废资源化利用技术领域，具体涉及一种利用剪切变稀特性控制高炉渣基玻璃微珠粒径的方法。
背景技术
传统高炉渣以水淬处理为主，由此引发一系列资源、能源与环境问题。熔渣干法粒化技术是显热回收的理想方式。但是到目前为止干法粒化技术工业化应用的成功案例尚不多见，限制干法粒化技术进行工业化应用的难点问题主要体现在以下三方面：
（1）产品质量难控制：干法粒化的粒化率及渣粒的玻璃相量难以保证；
（2）热回收效率低：为得到高玻璃相量的粒化渣需要大风压、风量，而大风压、风量造成热回收效率低，两者的矛盾难以调和；
（3）连续运行难度大、成本高：造粒装置要求高、价格贵、损耗大，设备系统复杂等因素影响干法粒化的连续运行。
高炉渣的粒化过程是与以上三个难点问题都紧密联系的核心环节。研究表明，熔渣颗粒粒度减小，其球形度、玻璃相量和热回收效率都会提高，同时，通过对粒度、球形度和玻璃相量的调控，粒化高炉渣在磨料、建筑3D打印、光催化复合材料等高附加值资源化利用方面前景广阔。因此，控制并优化高炉渣的粒化过程是突破干法粒化技术瓶颈的关键。采用干法粒化技术，在粒化过程中细化渣粒、提升渣珠品质，不但可以提高余热回收效率，减少水消耗及污染气体排放，还可以拓展粒化高炉渣的应用范围，对我国钢铁工业节能减排和可持续发展具有积极的促进作用。
通过综合比较干法粒化工艺和水淬粒化工艺，并分析炉渣在全生命周期的能源消耗、环境负荷和经济效益，证实了干法粒化在节能降耗方面的潜力，说明高炉熔渣干法粒化技术具有良好的可持续性和可行性。目前出现的干法粒化方式主要包括钢珠浸淬法、离心粒化（转杯法、转盘法、滚筒法等）以及气淬粒化。离心粒化技术具有结构简单紧凑，能耗低的优点所以备受关注，而传统的气淬粒化技术由于存在粒化效果差、冷却强度低的问题限制了其发展，针对它的研究也相对较少。
根据改性高炉熔渣在高剪切速率下黏度会变低的非牛顿流体特性，通过添加少量硼砂作为调质剂，增强改性高炉熔渣的剪切变稀特性。带有扇叶的转子既能对熔渣起到搅拌作用，加速调质剂的熔解，缩短高炉熔渣均质化的时间；同时通过剪切应力传感器记录的剪切应力数据大小可以和熔渣黏度建立直接联系，并直观反映出熔渣剪切变稀特性的强弱。通过计算机读取不同转速下转子的剪切应力数值，由计算机换算得到熔渣实时黏度值，通过改变变频驱动电机二频率控制转子转速，并达到控制熔渣粒径和球形度的目的，最终实现在节能降耗的基础上显著提升产品附加值。
发明内容
本发明的目的在于有效利用高炉熔渣显热制备球形度高、粒径可控的高品质玻璃微珠，提供一种利用剪切变稀特性控制高炉渣基玻璃微珠粒径的方法，在节能减排的基础上最大限度提升产品附加值。
本发明主要通过以下技术方案实现：一种利用剪切变稀特性控制高炉渣基玻璃微珠粒径的方法，该方法包括以下步骤：
步骤一：分别测试高炉熔渣在定转速与变转速条件下的初始黏度曲线，确定其临界黏度和临界黏度温度；
步骤二：向熔渣改性系统渣罐内熔融高炉渣中加入少量可改变熔渣流变行为的调质剂硼砂，其质量百分比根据所需玻璃微珠粒径大小控制在2%~6%；
步骤三：测试恒温下改性高炉熔渣在定转速与变转速条件下的黏度变化情况，得到改性高炉熔渣黏度与剪切速率相关性曲线；
步骤四：测试降温过程中熔渣黏度变化与剪切速率变化关系图；
步骤五：利用玻璃微珠制备系统，根据剪切应力传感器实时反馈的数据，建立熔渣黏度与剪切应力的关系式，并通过计算机读取不同转速下转子的剪切应力数值，由计算机换算得到熔渣实时黏度值，通过改变变频驱动电机二频率控制转子转速，并达到控制熔渣粒径和球形度的目的；按照玻璃微珠粒径要求调整旋转杯转速，制备出高炉渣基玻璃微珠。
进一步的步骤二中所述向渣罐内熔融高炉渣中加入少量调质剂硼砂，熔渣改性系统包括渣罐、倾动系统、带有扇叶的转子、转子剪切应力传感器、变频驱动电机二、转子升降装置以及剪切应力数据提取计算机。所述带有扇叶的转子由刚玉连杆和钼质扇叶组成，所述带有扇叶的转子由变频驱动电机二齿轮驱动作变速转动，所述转子升降装置由电机一驱动转子夹臂进行上下移动，所述倾动系统由电机二齿轮驱动渣罐使其倾动。
进一步的步骤二中所述向渣罐内熔融高炉渣中加入少量调质剂硼砂，高炉熔渣的温度在1500℃以上。
进一步的步骤二中所述向渣罐内熔融高炉渣中加入少量调质剂硼砂，均质化时间为5min。
进一步的步骤五中所述玻璃微珠制备系统主要包括旋转杯、变频驱动电机二。旋转杯位于渣罐流槽正下方。旋转杯由变频驱动电机二齿轮驱动进行可变速的旋转运动。
进一步的步骤五中所述玻璃微珠粒径范围在0.5~5mm。
进一步的步骤五中所述出渣温度在1450~1500℃。
进一步的步骤五中所述旋转杯的转速在50~150rpm。
相对于现有技术，本发明的有益效果如下：本发明充分利用高炉熔渣显热，通过向高炉熔渣中加入少量的调质剂，来增强熔渣的剪切变稀特性，使其黏度在较高的剪切速率下呈下降趋势，可以降低熔渣干法粒化过程对较高旋转杯转速的要求。主要利用熔渣的剪切变稀特性实现在较低能耗下得到较小粒径玻璃微珠粒径的目的。渣罐内带有扇叶的转子由变频驱动电机一驱动进行周期性由慢到快的转动，在搅拌熔渣加速其均质化的同时，剪切应力传感器记录转子在不同转速下的剪切应力大小，并与熔渣黏度建立关系式，使剪切应力大小可以直接反映熔渣黏度大小。由计算机绘制不同转速下熔渣黏度曲线，利用此黏度曲线上的转速—黏度数据对应关系控制变频驱动电机二的频率，从而控制旋转杯转速，并最终实现控制玻璃微珠粒径的目的。
附图说明
图1为本发明实施例装置结构示意图；
图2为渣罐结构正视图；
图3为带扇叶的转子正视图；
图4为带扇叶的转子俯视图；
图5 为旋转杯正视图；
图6为高炉熔渣的黏度曲线；
图7为不同硼砂添加量的改性高炉熔渣黏度曲线；
图8为不同剪切速率条件下的改性高炉熔渣黏度值；
图9为降温过程不同剪切速率下熔渣黏度变化曲线；
图中：渣罐（1）、渣罐倾动装置（2）、带扇叶的转子（3）、转子剪切应力传感器（4）、变频驱动电机一（5-1）、变频驱动电机二（5-2）、转子升降装置（6）、剪切应力数据提取计算机（7）、电机一（8-1）、电机二（8-2）、渣罐流槽（9）、旋转杯（10）、进渣口（11）、钢板外壳（12）、耐材内衬（13）、刚玉连杆（14）、钼质扇叶（15）。
具体实施方式
下面对本发明作进一步详细说明。
一种利用剪切变稀特性控制高炉渣基玻璃微珠粒径的方法，包括熔渣改性系统、玻璃微珠制备系统；所述熔渣改性系统包括渣罐（1）、倾动系统（2）、带有扇叶的转子（3）、转子剪切应力传感器（4）、变频驱动电机一（5-1）、转子升降装置（6）以及剪切应力数据提取计算机（7）。所述转子剪切应力传感器（4）与剪切应力数据提取计算机（7）由数据线连接。所述带有扇叶的转子（3）由变频驱动电机一（5-1）齿轮驱动可作变速转动，所述转子升降装置（6）由电机一（8-1）驱动转子夹臂进行上下移动，转子剪切应力传感器（4）与变频驱动电机一（5-1）固定于转子夹臂上并随之同步升降。所述倾动系统由电机二（8-2）齿轮驱动渣罐（1）使其倾动。所述罐体外层为钢板外壳（12），内层为耐材内衬（13）、罐体上部中心开进渣口（11），罐体侧部开流槽（9）；罐体中心通过与倾动系统连接固定于地面。所述玻璃微珠制备系统主要包括旋转杯（10）、变频驱动电机二（5-2）。旋转杯（10）位于渣罐流槽（9）正下方。旋转杯（10）由变频驱动电机二（5-2）齿轮驱动进行可变速的旋转运动。所述变频驱动电机二（5-2）与剪切应力数据提取计算机（7）由数据线连接。
采用所述利用剪切变稀特性控制高炉渣基玻璃微珠粒径的方法步骤如下：
步骤一：分别测试高炉熔渣在定转速与变转速条件下的初始黏度曲线，确定其临界黏度和临界黏度温度；
高炉渣典型成分如表1所示。
表1 高炉渣典型成分
表1 高炉渣典型成分
SiO<sub>2</sub> Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub> CaO MgO Na<sub>2</sub>O+ K<sub>2</sub>O
高炉渣 34.17 15.86 36.53 8.62 0.85
高炉熔渣的黏度曲线如图6所示。
由图6可以看出高炉渣在1210℃继续降温过程中，黏度由0.9Pa·s急剧增大。确定高炉熔渣的临界黏度和临界黏度温度分别为1210℃和0.9Pa·s。
步骤二：向熔渣改性系统渣罐内熔融高炉渣中加入少量可改变熔渣流变行为的调质剂硼砂，其质量百分比根据所需玻璃微珠粒径大小控制在2%~6%不等；
步骤三：测试恒温下改性高炉熔渣在定转速与变转速条件下的黏度变化情况，得到改性高炉熔渣黏度与剪切速率相关性曲线；
图7 分别添加2%、4%、6%质量分数硼砂的改性高炉熔渣黏度曲线。
随着硼砂添加量由2%增大到6%，改性高炉熔渣的黏度呈降低趋势。当硼砂添加量为6%时，熔渣临界黏度温度降低到1150℃，黏度降低到0.75Pa·s。
图8不同剪切速率条件下高炉渣及改性高炉熔渣黏度值。
随着剪切速率由20/s-1增大到70/ s-1，添加6%硼砂的改性高炉熔渣其黏度下降趋势最明显。
步骤四：测试降温过程中熔渣黏度变化与剪切速率变化关系图。
以添加2%硼砂的改性高炉熔渣为例子，测试降温过程不同剪切速率下熔渣黏度变化曲线如图9所示。
由图9可以看出，在温度由1200℃降低到1120℃的过程中，添加2%硼砂的改性高炉熔渣在恒定20/s-1剪切速率条件下，其黏度由1.2Pa·s增大到2.2Pa·s，涨幅明显，而降温过程随着剪切速率由20/s-1增大到70/ s-1，其黏度由1.2Pa·s增大到1.27Pa·s，涨幅很小，剪切速率的增大使熔渣黏度值降低。其他硼砂添加量的改性熔渣也有类似变化趋势。
步骤五：利用玻璃微珠制备系统，根据剪切应力传感器实时反馈的数据，建立熔渣黏度与剪切应力的关系式，并通过计算机读取不同转速下转子的剪切应力数值，由计算机换算得到熔渣实时黏度值，通过改变变频驱动电机二频率控制转子转速，并达到控制熔渣粒径和球形度的目的。按照玻璃微珠粒径要求调整旋转杯转速，制备出球形度高、粒径大小满足要求的高炉渣基玻璃微珠。
带扇叶的转子在熔渣内旋转，由于转子与熔渣产生了相对运动，在这二者之间形成了速度梯度。由于熔体的粘性力作用，在转子上产生一个力矩，并由剪切应力传感器记录传输到计算机。当熔体为牛顿流体，速度梯度和力矩都是一个恒定值，可以按照下式进行计算：
Figure 659527DEST_PATH_IMAGE001
式中： r——为柱体的外径； R——为坩埚的内径； π——为圆周率；
h——为柱体浸入熔体深度； η——为熔体的粘度。
当转子浸入熔体深度h为固定时，粘度公式简化为：
Figure 373405DEST_PATH_IMAGE002
其中K为常数，满足
Figure 887563DEST_PATH_IMAGE003
因此，只要测量到转子剪切应力（扭矩），就能测量出液体的粘度。
熔渣转变为非牛顿流体时可以表示为：
Figure 79510DEST_PATH_IMAGE004
式中
Figure 893882DEST_PATH_IMAGE005
——屈服应力；
Figure 450765DEST_PATH_IMAGE006
——流体特性的度量。
当
Figure 514536DEST_PATH_IMAGE007
时，流体即为牛顿流体。
2%、4%、6%硼砂添加量在不同旋转杯转速条件制备的玻璃微珠粒径分布情况分别如表2、表3、表4所示。
表2 2%硼砂添加量的玻璃微珠粒径分布情况
Figure 447857DEST_PATH_IMAGE008
表3 4%硼砂添加量的玻璃微珠粒径分布情况
Figure 913474DEST_PATH_IMAGE009
表4 6%硼砂添加量的玻璃微珠粒径分布情况
Figure 641258DEST_PATH_IMAGE010
要制备粒径较大的玻璃微珠，如粒径范围在4.5~5mm，硼砂添加量2%、旋转杯转速50 rpm比较适合；而制备粒径较小的微珠如粒径范围0.5~1.5mm，则应适当提高硼砂添加量，并增大旋转杯转速，硼砂添加量6%、旋转杯转速150 rpm更适合。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，对本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种利用剪切变稀特性控制高炉渣基玻璃微珠粒径的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：分别测试高炉熔渣在定转速与变转速条件下的初始黏度曲线，确定其临界黏度和临界黏度温度；
步骤二：向熔渣改性系统渣罐内熔融高炉渣中加入少量可改变熔渣流变行为的调质剂硼砂，其质量百分比根据所需玻璃微珠粒径大小控制在2%~6%；
步骤三：测试恒温下改性高炉熔渣在定转速与变转速条件下的黏度变化情况，得到改性高炉熔渣黏度与剪切速率相关性曲线；
步骤四：测试降温过程中熔渣黏度变化与剪切速率变化关系图；
步骤五：利用玻璃微珠制备系统，根据剪切应力传感器实时反馈的数据，建立熔渣黏度与剪切应力的关系式，并通过计算机读取不同转速下转子的剪切应力数值，由计算机换算得到熔渣实时黏度值，通过改变变频驱动电机二频率控制转子转速，并达到控制熔渣粒径和球形度的目的；按照玻璃微珠粒径要求调整旋转杯转速，制备出高炉渣基玻璃微珠。
2.根据权利要求1所述的一种利用剪切变稀特性控制高炉渣基玻璃微珠粒径的方法，其特征在于：所述步骤二中，熔渣改性系统包括渣罐（1）、倾动系统（2）、带有扇叶的转子（3）、转子剪切应力传感器（4）、变频驱动电机一（5-1）、转子升降装置（6）以及剪切应力数据提取计算机（7）；所述带有扇叶的转子（3）由刚玉连杆（14）和钼质扇叶（15）组成，所述带有扇叶的转子（3）由变频驱动电机一（5-1）齿轮驱动可作变速转动，所述转子升降装置（6）由电机一（8-1）驱动转子夹臂进行上下移动，所述倾动系统由电机二（8-2）齿轮驱动渣罐（1）使其倾动。
3.根据权利要求1所述的一种利用剪切变稀特性控制高炉渣基玻璃微珠粒径的方法，其特征在于：所述步骤二中，硼砂作为调质剂加入高炉熔渣中，高炉熔渣的温度在1500℃以上。
4.根据权利要求1所述的一种利用剪切变稀特性控制高炉渣基玻璃微珠粒径的方法，其特征在于：所述步骤二中，硼砂作为调质剂加入高炉熔渣中，均质化时间为5min。
5.根据权利要求1所述的一种利用剪切变稀特性控制高炉渣基玻璃微珠粒径的方法，其特征在于：所述步骤五中，玻璃微珠制备系统主要包括旋转杯（10）、变频驱动电机二（5-2）；旋转杯（10）位于渣罐流槽（9）正下方，旋转杯（10）由变频驱动电机二（5-2）齿轮驱动进行可变速的旋转运动。
6.根据权利要求1所述的一种利用剪切变稀特性控制高炉渣基玻璃微珠粒径的方法，其特征在于：所述步骤五中，玻璃微珠粒径范围为0.5~5mm。
7.根据权利要求1所述的一种利用剪切变稀特性控制高炉渣基玻璃微珠粒径的方法，其特征在于：所述步骤五中，出渣温度为1450~1500℃。
8.根据权利要求1所述的一种利用剪切变稀特性控制高炉渣基玻璃微珠粒径的方法，其特征在于：所述步骤五中，旋转杯的转速为50~150rpm。
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Application publication date: 20221028

Assignee: Hebei Tongluo Technology Co.,Ltd.

Assignor: NORTH CHINA University OF SCIENCE AND TECHNOLOGY

Contract record no.: X2023980037942

Denomination of invention: A method for controlling the particle size of blast furnace slag based glass microspheres using shear thinning characteristics

Granted publication date: 20221125

License type: Common License

Record date: 20230712