劉成 于洋 朱濤
在熱軋工藝中，因?yàn)檠趸磻?yīng)的緣故，在加熱爐內(nèi)以及軋制機(jī)組和機(jī)架上的半成品表面會(huì)形成氧化鐵皮。除鱗水和冷卻水會(huì)沖洗掉鋼表面的氧化鐵皮，并將其沖入熱軋生產(chǎn)線下面的水槽內(nèi)。水?dāng)y帶著氧化鐵皮顆粒，高速流經(jīng)水槽注入開放的氧化鐵皮坑內(nèi)，水在此處減速并變得平靜，氧化鐵皮顆粒在重力作用下沉積于坑底。
由于軸承與液壓機(jī)內(nèi)潤滑油/油脂的泄漏和/或含油流體噴向精軋工作輥，廢水通常油性很大。廢水中的油易黏附并污染氧化鐵皮顆粒。尤其在氧化鐵皮坑中，氧化鐵皮顆粒下沉，油滴漂浮，逆流運(yùn)動(dòng)為油滴覆蓋氧化鐵皮顆粒提供了機(jī)會(huì)。另外，油會(huì)浮起并在氧化鐵皮坑內(nèi)的廢水表面上形成油斑。當(dāng)氧化鐵皮被回收并經(jīng)過油斑時(shí)，會(huì)受到嚴(yán)重污染。
熱軋廢水是氧化鐵皮、油和水的混合物。在煉鐵和煉鋼過程中，將這些成分徹底地相互分離，使其可以循環(huán)利用。清潔的氧化鐵皮在燒結(jié)礦生產(chǎn)中，可以替代鐵礦石和其他高成本鐵料；潔凈的水在熱軋工藝中可以替代河/湖水作為除鱗水、冷卻水或水槽補(bǔ)給水；清潔的油在煉鐵和煉鋼工藝中則可以替代外購的燃油。如果這些部分各自都能以較高的純度加以回收，便能保證它們的可回收性，并實(shí)現(xiàn)綠色零廢物的熱軋生產(chǎn)。
最近，安塞樂米塔爾熱軋廠研究人員完成了在安塞樂米塔爾的熱軋機(jī)上使用連續(xù)動(dòng)力分離器，將氧化鐵皮從快速流動(dòng)的水槽廢水中進(jìn)行分離的工業(yè)試驗(yàn)。從粗軋機(jī)水槽內(nèi)將粗軋機(jī)廢水的一股支流（~1％）抽入旋風(fēng)式切向動(dòng)力分離器中。廢水中的氧化鐵皮顆粒沉降到分離器底部，而經(jīng)過處理的水上升到分離器的頂部。沉降下來的氧化鐵皮顆粒與水一起進(jìn)入分級機(jī)，并通過螺旋輸送機(jī)被不斷抽取、脫水并排出。在試驗(yàn)期間，從各個(gè)位置采集氧化鐵皮樣品和水樣，以便隨后進(jìn)行分析。
方 法
熱軋機(jī)上的氧化鐵皮、水和油的原有回收操作：
參與此次研究的熱軋機(jī)生產(chǎn)汽車用熱軋鋼卷。板坯在加熱爐內(nèi)再加熱，然后排出到軋機(jī)上。加熱后的板坯經(jīng)高壓水除鱗后，由粗軋機(jī)軋輥軋制。鋼材向前移動(dòng)，經(jīng)過剪切和進(jìn)一步除鱗，最后由精軋機(jī)軋輥軋制成成品。
在熱軋過程中，需用大量的冷卻水來冷卻鋼并保護(hù)軋制設(shè)備。冷卻水和除鱗水?dāng)y帶氧化鐵皮注入地下約8 m的水槽中。圖1是熱軋機(jī)上的廢水流處理示意圖。該熱軋機(jī)有兩個(gè)水槽，分別是粗軋水槽和精軋水槽。除鱗水和粗軋機(jī)冷卻水流入粗軋機(jī)水槽，而精軋機(jī)冷卻水則流入精軋機(jī)水槽。粗軋水槽內(nèi)的水首先進(jìn)入中心坑，然后繼續(xù)流向西坑。粗軋機(jī)水槽水中的氧化鐵皮顆粒沉降于中心坑和西坑內(nèi)。粗軋機(jī)的水被脫脂以便油脂回收利用后，又作為冷卻水的一部分直接循環(huán)回到軋機(jī)內(nèi)。精軋機(jī)的水流入東坑，氧化鐵皮顆粒沉積于此。精軋機(jī)廢水經(jīng)撇油回收后被抽入廢水處理廠，在此處與其他廢水合并處理。廢水處理廠生產(chǎn)出清潔的水、油和油性污泥。
用安裝在行車上的抓斗回收坑內(nèi)沉積的氧化鐵皮，中心坑和東坑每周兩次，而西坑則每周一次。均勻地挖坑，并將氧化鐵皮置于堤上進(jìn)行脫水后再重新安置。
相關(guān)研究與認(rèn)識(shí)：
早期對氧化鐵皮的研究著重于其油濃度。在研究期間，每當(dāng)挖坑時(shí)，都會(huì)收集并分析氧化鐵皮的代表樣本。2010年的研究歷時(shí)約7個(gè)月，2011年的研究為期1個(gè)月左右。前者是為了了解問題所在，后者則是通過增加挖掘頻率來評估在氧化鐵皮質(zhì)量方面的影響。
研究表明，氧化鐵皮的油濃度變化很大，并且可能受很多因素的影響。在許多情況下，氧化鐵皮的油濃度高于公司內(nèi)耗的閾值（0.15％）。另外，僅僅改善氧化鐵皮坑操作似乎對生產(chǎn)清潔的氧化鐵皮沒有什么效果。
在工藝進(jìn)程中將氧化鐵皮從油內(nèi)分離是以先前推導(dǎo)的相關(guān)公式為基礎(chǔ)。
在參與此次研究的熱軋?jiān)O(shè)備中，水槽水流動(dòng)很快，以至于氧化鐵皮顆粒在水槽中的總停留時(shí)間只有幾分鐘。但是，氧化鐵皮顆粒在氧化鐵皮坑中停留至少30h~40h。此外，與氧化鐵皮坑中緩慢流動(dòng)的廢水相比，水槽中的湍流廢水對氧化鐵皮顆粒的油濃度降低更為不利。因此，根據(jù)公式推斷，從水槽水中捕集的氧化鐵皮肯定比從氧化鐵皮坑內(nèi)回收的氧化鐵皮要清潔得多。
試驗(yàn)裝置的布局：
將切向動(dòng)力分離器放置在西坑附近的地面上，分離器的進(jìn)水口與軟管相連，該軟管與粗軋機(jī)水槽中部的古德溫（Godwin）潛水泵連接在一起。泵由柴油動(dòng)力裝置推動(dòng)的液壓油驅(qū)動(dòng)，通過改變動(dòng)力裝置的轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)進(jìn)水流速。在分離器的進(jìn)水管上安裝了一個(gè)捆綁式流量計(jì)。進(jìn)水管上有一個(gè)采樣閥以便采樣。來自分離器的廢水被排入西坑。
一些帶有氧化鐵皮和油/油脂的粗軋機(jī)水槽廢水被抽入動(dòng)力分離器。廢水切向進(jìn)入分離器，氧化鐵皮顆粒因切向力和重力，從水和油中分離出來。分離出的氧化鐵皮顆粒沉積到分離器底部，與水一起流入分級室，并由分級機(jī)不斷去除。與此同時(shí)，氧化鐵皮被脫水。
粗軋水槽中的廢水流速約為6000m3/h，泵至動(dòng)力分離器的廢水支流約為60m3/h。因此，該試驗(yàn)對粗軋機(jī)水槽中的廢水流影響不大。
取樣：
每次試驗(yàn)持續(xù)不停進(jìn)行4h。每隔15min取一次流入廢水的樣品和處理后流出廢水的樣品。對于每個(gè)試驗(yàn)，都會(huì)保存流入廢水、流出廢水和分離出的氧化鐵皮的復(fù)合樣品，以作預(yù)備和后續(xù)分析用。從堤上堆積的氧化鐵皮中取樣。從冷卻水噴嘴前的管中抽取0.189m3的循環(huán)水（西坑廢水）樣品。總共進(jìn)行了四次試驗(yàn)，其中分離器氧化鐵皮是指通過動(dòng)力分離器從廢水中分離出的氧化鐵皮，而坑內(nèi)氧化鐵皮是指用抓斗從氧化鐵皮坑內(nèi)回收的氧化鐵皮。
樣本處理：
將水樣稱重并傾析。從水樣中分離出的懸浮固體被稱量并分析油和顆粒尺寸分布。根據(jù)樣品總重量和傾析的固體重量，計(jì)算出水樣中的懸浮固體濃度。分析氧化鐵皮樣品中的油和顆粒尺寸分布，對顆粒尺寸分布進(jìn)行篩分分析。根據(jù)入水和出水中的固體濃度，計(jì)算出分離率。
結(jié)果與討論
氧化鐵皮樣品中的油濃度：
氧化鐵皮樣本中的油濃度結(jié)果表明，分離器氧化鐵皮中的油濃度隨分離器中廢水流量的增加而降低，一旦廢水流入量超過43m3/h左右，分離器氧化鐵皮中的油濃度便可忽略不計(jì)。
分離器氧化鐵皮樣品的尺寸分布結(jié)果表明，在低流速下，水中的大顆粒更少。分離器氧化鐵皮樣品在較高流速下細(xì)粒更少的另一個(gè)原因，可能是因?yàn)橥Ａ魰r(shí)間較短而降低了細(xì)小氧化鐵皮顆粒的分離率。
氧化鐵皮樣品中＜0.106mm部分的質(zhì)量百分比被用作氧化鐵皮樣品中細(xì)粒量的指標(biāo)。油濃度和細(xì)粒指標(biāo)之間有很強(qiáng)的關(guān)聯(lián)性。因此，在最小流速以上進(jìn)行分離器操作至關(guān)重要。如此，大的氧化鐵皮顆粒就不會(huì)沉積在管道內(nèi)，而分離出來的氧化鐵皮也將變得干凈。
分離器產(chǎn)生的氧化鐵皮比從坑內(nèi)回收的軋機(jī)氧化鐵皮更清潔。坑內(nèi)氧化鐵皮樣品中的油濃度與相應(yīng)的分離器氧化鐵皮樣品中的油濃度之比大于5。因此，試驗(yàn)證明，從快速流動(dòng)的水槽水中分離出氧化鐵皮便可生產(chǎn)出更清潔的氧化鐵皮。
經(jīng)處理水內(nèi)的總懸浮固體濃度：
處理過后的水，其樣品中總懸浮固體的濃度結(jié)果表明，與原有的循環(huán)水相比，經(jīng)分離器處理后的水更為潔凈，分離器流出廢水中的總懸浮固體比原有循環(huán)水少三分之二左右。分離器流出廢水之所以更加干凈，是因?yàn)榉蛛x器可以捕集更多的細(xì)小固體，而抓斗卻無法抓取非常細(xì)小的氧化鐵皮顆粒。常規(guī)的氧化鐵皮坑沉降——機(jī)械回收，不能有效地從水中分離出細(xì)小的氧化鐵皮顆粒。
分離率：
動(dòng)力分離器和坑（中心坑+西坑）之間的分離率結(jié)果表明，動(dòng)力分離器的分離率比中心坑和西坑的總和高出20％。
此外，進(jìn)水的流速和固體濃度對分離率也有影響。較高的流速意味著停留時(shí)間較少，因此分離率更低。從直觀上來看，固體濃度較高時(shí)，分離率也相應(yīng)更高。
新技術(shù)帶來的益處：
試驗(yàn)結(jié)果表明，在工藝進(jìn)程中將氧化鐵皮從水槽水中分離可生產(chǎn)出幾近無油的更清潔的氧化鐵皮以及更潔凈的循環(huán)水，該水中的懸浮固體濃度是原有循環(huán)水的三分之一。開發(fā)的這種新技術(shù)還可以帶來許多其他益處。
首先，工藝內(nèi)分離的氧化鐵皮始終可回收利用?，F(xiàn)有氧化鐵皮再循環(huán)利用的主要障礙是氧化鐵皮中的油。就鐵礦石燒結(jié)中的氧化鐵皮回收而言，針對以使用鐵礦石作為高爐主要原料的綜合鋼鐵公司，氧化鐵皮的基準(zhǔn)油限值為0.5％。安塞樂米塔爾美國公司用于燒結(jié)的氧化鐵皮油限為0.15％，遠(yuǎn)高于基準(zhǔn)極限。
工藝內(nèi)分離氧化鐵皮可以滿足公司的油限標(biāo)準(zhǔn)，而坑內(nèi)氧化鐵皮樣品大多超過了極限值。因此，通過實(shí)施工藝內(nèi)分離技術(shù)，參與此次研究的工廠可以安全地回收所有氧化鐵皮，而不會(huì)出現(xiàn)排放違規(guī)、產(chǎn)品損壞和設(shè)備故障等問題。因無需公開回購高價(jià)鐵料，具有顯著的成本優(yōu)勢。
其次，懸浮物較少且更為干凈的循環(huán)水能防止管道和噴嘴堵塞，這將減少設(shè)備停機(jī)時(shí)間和維護(hù)成本，并確保設(shè)備的高效性。
第三，更清潔的氧化鐵皮意味水中將殘留更多的油。結(jié)果便是撇油器能從廢水中回收更多的油，而額外回收的油能替代更多的外購燃油。
新技術(shù)在分離器氧化鐵皮上達(dá)到了86.45％的分離率和0.04％的油濃度。假設(shè)年產(chǎn)400萬噸的成品鋼卷，如果采用新技術(shù)，每年可以多回收1200噸左右的油。
第四，高效的分離說明可以生產(chǎn)出更多可回收的清潔氧化鐵皮，而且廢水處理廠產(chǎn)生的油性污泥也會(huì)更少。采用現(xiàn)有的操作實(shí)踐，氧化鐵皮總量中有41.55％變?yōu)橛托晕勰?，但采用新技術(shù)后，可降至13.55％。工藝中分離操作的優(yōu)化可能會(huì)進(jìn)一步降低油性污泥的產(chǎn)生率。因此，工藝內(nèi)分離技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)近零廢物熱軋生產(chǎn)。
最后，由于進(jìn)入廢水處理廠的固體和油較少，廢水處理成本得以顯著降低。
結(jié) 語
使用動(dòng)力分離器從水槽廢水支流中分離氧化鐵皮的工業(yè)試驗(yàn)，分離出的幾近無油的氧化鐵皮油濃度約為坑內(nèi)回收的氧化鐵皮五分之一。經(jīng)處理廢水中含有的懸浮物比坑內(nèi)廢水的少三分之二。就從廢水中分離氧化鐵皮的效率而言，新技術(shù)的效率要比在坑內(nèi)沉積并用抓斗回收氧化鐵皮的現(xiàn)有操作高出20％以上。運(yùn)用新技術(shù)將生產(chǎn)出更清潔的氧化鐵皮、更潔凈的循環(huán)水、回收更多廢油并大大減少油性氧化鐵皮污泥。除了用于鋼鐵生產(chǎn)，該技術(shù)還可用于其他工業(yè)領(lǐng)域。
