液态钢渣中金属液滴的电磁分离技术基础研究

As by-product of steel production, the annual output of steel slag is quite huge. Steel slag typically contains waste iron and steel about 10-15%. Traditional steel mills recycle the waste iron and steel in the steel slag by crushing, magnetic separation, screening process, the processing technology is complex, the investment in equipment is large, the metal recovery rate is low, and the environment pollution is heavy. Aim at the physical property differences of slag and steel (specific gravity, electrical conductivity, viscosity, interfacial tension), a new separation method between slag and steel controlled by a modulated helical magnetic field will be developed in this proposal, the method yields the advantages of energy saving, environmental protection, non-contact, high-efficient separation. The electromagnetic field calculation model will be established to obtain the magnetic field and electromagnetic volume force distribution in the two-phase system of liquid slag and liquid steel under the condition of the modulated helical magnetic field. An Euler two-phase flow model will be established to study the major physics effect of force source term on liquid metal movement in the momentum equation, and the average two-phase flow properties, to analyze the influence of equivalent size of metal droplets on forces. The experimental devices will be established, and the temperature will maintain in a reasonable range during the steel-slag separation process and the experimental device will be put in the modulated helical magnetic field. Liquid steel should overcome the interfacial resistance to realize the directional segregation driven by Lorenz force, the separating purpose of slag and steel will be achieved. , it most expected that with this study, the underlying of the flowing state of liquid steel in the molten slag when imposing the modulated helical magnetic field should be known well, and the influence of the technical parameters should be understood clearly.

作为钢铁生产流程的伴生物，钢渣每年的产出量巨大。由于生产技术特点，钢渣当中一般含有10-15%的渣钢，钢厂通过破碎、磁选、筛分工艺来回收钢渣中的废钢铁，加工工艺复杂、设备投资大、金属回收率低、环境污染。本项目针对钢渣和渣钢的物理性质差异（密度、电导率、流动性、界面张力），开发一种模式螺旋磁场控制的渣-钢分离新方法，节能、非接触、环保、分离彻底。建立电磁场计算模型，获得螺旋模式磁场作用下渣、钢两相体系中电磁体积力分布；建立欧拉两相流模型，研究力源项对金属运动的作用，以及宏观的、平均的两相流属性，分析金属液滴的等效尺寸对各个力的影响。建立实验装置，充分利用冶金熔渣的高温，通过外加热源控制熔渣和金属混合物的温度，将其置于螺旋模式磁场当中，使熔渣中的液态金属在洛伦兹力的作用下，克服界面阻力，实现定向偏聚，达到渣-钢分离的目的。掌握螺旋模式磁场作用下液态金属在熔渣中的运动规律，并获得合理的技术参数。

钢渣作为钢铁生产的副产物每年的产出量巨大，处理和回收利用技术的开发具有重要意义。利用完的钢渣不可避免地含有一定量的渣钢，含量一般为10-15%。目前的工业上的通用办法是通过破碎、磁选、筛分工艺来回收钢渣中的废钢铁。但有如下缺点：工艺复杂、设备投资大、金属回收率低、环境污染。本项目针对钢渣和渣钢的物理性质差异（密度、电导率、流动性、界面张力），研究可能在熔融钢渣状态下实现渣、钢的分离的解决方案，这些方法具有高效、环保和节能的特点。 .利用高频磁场进行加热，同时施加螺旋模式磁场，利用钢、渣间电导率的差异，在螺旋模式磁场下产生电磁力的差异，从而实现钢渣分离。实验结果表明施加电磁场搅拌后分离得到的渣铁含量约为无磁场施加条件下获得渣铁含量的2倍，所以采用运动磁场电磁驱动的方法可有效实现在熔融状态下渣钢的分离。.利用GaInSn液滴融合模拟实验观察金属液滴在有电磁场和无电磁场这两种情况下的运动的特点规律及融合情况。结果表明在无磁场作用下，金属液滴无法克服甘油和自身表面张力而达到融合效果，而在有电磁场作用下的金属液滴有融合的趋势。通过试验相关的数值模拟，表明在两个金属液滴相接触的位置速度明显变大，这也是从侧面解释了金属液滴受到电磁力作用发生变形融合。.利用电毛细运动现象可以实现钢液滴在钢渣中的定向运动，从而实现钢、渣分离。为证明方法的可行性，我们分别进行了数值模拟和低温模拟实验。数值模拟的结果表明可以得出在施加电毛细力的情况下液滴的运动速度是未施加电毛细力时的5倍多，且还未达到运动速度最大的情况。界面张力梯度是与施加电场强度有关的函数，适当增加电场强度还能大幅增加金属液滴的运动速度，从而提高钢、渣分离的效率。低温模拟实验表明在金属液滴的电毛细运动速度与溶液粘度、电场强度以及液滴半径均有关，随粘度增加而减小，随电场强度增加而增加，随液滴半径增加而增加。所以只要调整好钢渣的物性参数并适当施加电场，即可实现钢渣分离。