熔渣保温剂的性能研究

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［1－6］。以熔融钢渣为例，转炉排出的钢渣温度在1600℃左右，其所蕴含的热量相当于30～40kg的重油，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10～12min，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［7－8］。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2mm，实验方案如表1所示。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(ZG－0.01型感应电炉，最大功率50kW，最高加热温度1700℃)内嵌入一石墨块(φ120×50)作为热源，并在其中心钻一孔(φ6×10)，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1600～1650℃，因而实验中将石墨块加热到1600℃后，调节中频炉的输出功率使石墨块温度恒定在1600℃。将表1中混合均匀的保温剂装入刚玉坩埚(φ50×100)内摊平，同时测量保温层的厚度，然后将刚玉坩埚放置于1600℃石墨台上，将镍铬镍硅热电偶置于保温剂表面中心处，加热30min后记录下镍铬镍硅热电偶所显示的温度。

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450℃，远远低于石墨块的1600℃，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B1、B5、B7所用保温剂配方不同但用量都为20g，B2、B6、B8都为30g，对其进行比较发现，B5与B7保温剂表面温度非常接近，但较B1低约100℃，将实验B2、B6、B8进行对比也可得到与B1、B5、B7相同的结果。实验B5、B6、B7、B8保温剂中膨胀珍珠岩含量为15%，B1、B2保温剂中膨胀珍珠岩含量为10%，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入熔点较高的焦炭粉和粉煤灰。

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B1～B4。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。

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α为常数，即α/λ越大保温效果越好，而α/λ如式(4)所示。假设空气温度为室温20℃，根据表2实验结果可计算得不同保温剂的α/λ，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α/λ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B5的α/λ值最大，即保温剂配方为膨胀珍珠岩15%、焦炭粉10%、粉煤灰75%，保温层厚度为34mm时单位厚度的保温剂保温效果最佳，其α/λ值为118m－1，保温剂表面温度为335℃。

2现场验证实验

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120t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6t，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120kg。实验中使用Raytek3i红外测温仪进行测温，其发射率设定为0.95，安放位置距离熔渣大约为5m。

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;③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。

通过观察实验过程发现:加保温剂的熔渣实验X1～X4在倒渣时熔渣流动性明显要好于不加保温剂的实验X5，并且实验X5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X1～X4倒渣时的熔渣温度明显高于不加保温剂的实验X5，并且温降速率大大减缓。实验X1、X2的温降速率较低平均为4.15℃/min，实验X3、X4的温降速率分别为7.89℃/min和7.01℃/min，因此实验X1、X2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15%、焦炭粉10%、粉煤灰75%的保温剂较优秀，经过约13min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8.52kgce/t。

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15%、焦炭粉10%、粉煤灰75%，保温层厚度为34mm时，单位厚度的保温剂保温效果最佳，保温层表面温度为335℃。经过在唐钢中厚板厂1号120t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℃/min，与没加保温剂相比温降速率降低了大约6℃/min。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8.52kgce/t。