高炉渣是高炉炼铁工艺的主要副产品,它从高温熔融状态到完全冷却的过程中释放大量热能;吨铁出渣量在0.3~0.4吨,温度超过1500℃,如何将该部分热量回收,并加以有效利用是当前冶金界的一大热点和难点。熔融态高炉渣的处理工艺直接影响热量的回收和固态渣粒的资源化利用,对比以往的各种渣处理工艺,高温液态熔渣的机械离心粒化技术具有很多优势;在以热能回收为目标的高温熔渣处理工艺中,其核心工作是熔渣的离心粒化、液态渣滴的快速冷却。为了达到良好的余热回收效果,提高粒化炉渣的附加值,就要使熔融态高炉渣粒化为粒径均匀、大小可控的球形炉渣小液滴,并快速冷却,形成高玻璃体含量的冷态高炉渣;高温液态熔渣离心粒化过程的可持续性,是该工艺的核心关键技术。本文分别从理论研究、数值模拟、实验研究与关键技术研究四个方面,通过试验方案的设计、试验平台的搭建、试验过程的实施,围绕着可持续性,进行了高炉渣离心粒化、物相演化、换热过程中的机理验证,明确了离心粒化机理及粒化过程中各阶段物相演化规律,获取了关键控制参数;并通过关键技术研究实验,对该工艺的可行性进行验证,为机械离心粒化技术处理高温液态熔渣,获得高附加值工业原料协同显热回收工艺的工业化应用提供了基础理论与数据支撑。在高温熔渣的机械离心粒化机理研究方面:首先,将液态熔渣的粒化过程划分为减薄、破碎、收缩、飞行、物相演化等五个阶段;并假设高温熔体是由特定直径的液态球状渣粒组成,从液态渣粒的受力分析和波理论方面研究液态熔渣的离心粒化过程;其次,对高温液态球状渣粒,在飞行过程中的液固相变过程进行研究,通过液固相变过程的传热传质数学模型,研究温度、相对速度等因素对液固相变过程的影响规律;最后,基于上述研究结果,建立圆盘法离心粒化处置能力核算数学模型;利用流体力学软件ANSYS对高温熔渣的五个阶段进行数值模拟,重点模拟了高温熔体的减薄、破碎、物相演化三个阶段,对过程中熔渣温度、黏度、固相分数随时间的变化规律进行研究;结合数值模拟结果,分析粒化环境温度等因素对相变界面移动的影响;得出了影响粒化后渣球物相演化过程的因素依次是颗粒直径>温度场强>相对运动速度。通过高温熔渣的机械离心粒化理论研究及数值模拟发现:高炉渣典型的冶金性能指标黏度,是直接影响高温熔体粒化过程的关键因素。通过对高炉渣基础性能的实验研究,明晰了熔渣黏度的决定性因素是化学成分和物理温度,得到了熔渣成分、温度对熔渣黏度的影响规律;分析了黏度对高温熔渣粒化过程的影响,尤其是高温熔渣与金属粒化盘之间的在持续运转过程中的相互作用规律;建立了熔渣黏度、粒化盘直径和角速度影响液态熔渣离心粒化过程的数学模型。以机理分析和数值模拟结果为依托,对离心粒化器的合理操作参数、处理高温熔渣的能力、和换热效率进行计算和试验,得出高温熔渣黏度系数0.2~0.65 Pa·s之间,渣温1450℃~1480℃,φ200mm的粒化盘,在1600~1800r/min条件下可以得到高比例的直径1~2mm形状规则的球状颗粒;粒化渣颗粒与冷却空气相对速度5m/s,空气温度200℃以下,可以使得球状渣粒玻璃化程度和换热效率达到最高。以理论研究为基础,搭建了实验研究平台和高炉现场关键技术研究平台,对比研究了实验室与高炉现场的试验条件差异,对粒化装置进行了多维度系统优化,在机械离心粒化的可持续性方面实现突破,取得了多项保障机械离心粒化可持续运行的技术创新成果;同时,在关键技术研究过程中,尝试了机械离心粒化与硫化换热技术相融合的二级换热思路,达到29%的换热效率。从试验研究结果可以看出,青钢熔融态高炉渣的黏度系数在0.3Pa·s左右,渣温1470℃,φ200mm的粒化盘,在1740r/min左右。可以得到高比例69.4%的直径1~2mm形状规则的球状颗粒;粒化器内环境温度在185℃左右,受转速变化影响较小,各项参数与理论计算值一致性较高。