劉成 于洋 朱濤
在熱軋工藝中，因為氧化反應(yīng)的緣故，在加熱爐內(nèi)以及軋制機組和機架上的半成品表面會形成氧化鐵皮。除鱗水和冷卻水會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，逆流運動為油滴覆蓋氧化鐵皮顆粒提供了機會。另外，油會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，會受到嚴(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上使用連續(xù)動力分離器，將氧化鐵皮從快速流動的水槽廢水中進行分離的工業(yè)試驗。從粗軋機水槽內(nèi)將粗軋機廢水的一股支流（~1％）抽入旋風(fēng)式切向動力分離器中。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入分級機，并通過螺旋輸送機被不斷抽取、脫水并排出。在試驗期間，從各個位置采集氧化鐵皮樣品和水樣，以便隨后進行分析。
方 法
熱軋機上的氧化鐵皮、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，然后排出到軋機上。加熱后的板坯經(jīng)高壓水除鱗后，由粗軋機軋輥軋制。鋼材向前移動，經(jīng)過剪切和進一步除鱗，最后由精軋機軋輥軋制成成品。
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是熱軋機上的廢水流處理示意圖。該熱軋機有兩個水槽，分別是粗軋水槽和精軋水槽。除鱗水和粗軋機冷卻水流入粗軋機水槽，而精軋機冷卻水則流入精軋機水槽。粗軋水槽內(nèi)的水首先進入中心坑，然后繼續(xù)流向西坑。粗軋機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)回到軋機內(nèi)。精軋機的水流入東坑，氧化鐵皮顆粒沉積于此。精軋機廢水經(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行脫水后再重新安置。
相關(guān)研究與認(rèn)識：
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，都會收集并分析氧化鐵皮的代表樣本。2010年的研究歷時約7個月，2011年的研究為期1個月左右。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設(shè)備中，水槽水流動很快，以至于氧化鐵皮顆粒在水槽中的總停留時間只有幾分鐘。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。
試驗裝置的布局：
將切向動力分離器放置在西坑附近的地面上，分離器的進水口與軟管相連，該軟管與粗軋機水槽中部的古德溫（Godwin）潛水泵連接在一起。泵由柴油動力裝置推動的液壓油驅(qū)動，通過改變動力裝置的轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)進水流速。在分離器的進水管上安裝了一個捆綁式流量計。進水管上有一個采樣閥以便采樣。來自分離器的廢水被排入西坑。
一些帶有氧化鐵皮和油/油脂的粗軋機水槽廢水被抽入動力分離器。廢水切向進入分離器，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，并由分級機不斷去除。與此同時，氧化鐵皮被脫水。
粗軋水槽中的廢水流速約為6000m3/h，泵至動力分離器的廢水支流約為60m3/h。因此，該試驗對粗軋機水槽中的廢水流影響不大。
取樣：
每次試驗持續(xù)不停進行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。對于每個試驗，都會保存流入廢水、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?？偣策M行了四次試驗，其中分離器氧化鐵皮是指通過動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，對顆粒尺寸分布進行篩分分析。根據(jù)入水和出水中的固體濃度，計算出分離率。
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。
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)粒更少的另一個原因，可能是因為停留時間較短而降低了細(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)之間有很強的關(guān)聯(lián)性。因此，在最小流速以上進行分離器操作至關(guān)重要。如此，大的氧化鐵皮顆粒就不會沉積在管道內(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)回收的軋機氧化鐵皮更清潔?？觾?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，試驗證明，從快速流動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，是因為分離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：
動力分離器和坑（中心坑+西坑）之間的分離率結(jié)果表明，動力分離器的分離率比中心坑和西坑的總和高出20％。
此外，進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間較少，因此分離率更低。從直觀上來看，固體濃度較高時，分離率也相應(yīng)更高。
新技術(shù)帶來的益處：
試驗結(jié)果表明，在工藝進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)備停機時間和維護成本，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)生的油性污泥也會更少。采用現(xiàn)有的操作實踐，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)化可能會進一步降低油性污泥的產(chǎn)生率。因此，工藝內(nèi)分離技術(shù)可以實現(xiàn)近零廢物熱軋生產(chǎn)。
最后，由于進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
使用動力分離器從水槽廢水支流中分離氧化鐵皮的工業(yè)試驗，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。
