飞行高炉熔渣颗粒几何形态的可视化测量

张 颖,杨庆辉,杨潇潇,张衍国

(1.北京立化科技有限公司，北京 100085; 2.清华大学 能源与动力工程系，热科学与动力工程教育部重点实验室，清华大学-滑铁卢大学微纳米能源环境联合研究中心，北京 100084)

高炉熔渣是生铁冶炼生产过程中产生的高温、熔融态的工业废弃物[1]。根据国家统计局统计年鉴[2]，2017年我国的生铁产量为7.1亿t，按每生产1 t生铁产生高炉渣0.35 t计算[3]，高炉渣一年的产量就高达2.5亿t。此外，高炉熔渣的排放温度约为1 450～1 550℃，是一种产量巨大的余热资源[4-5]。因此，科研人员开展了高炉熔渣安全、环保、高效的余热回收利用方法研究，主要包括物理法和化学法。物理法回收高炉熔渣余热的研究主要集中于转鼓粒化法[6]、风淬粒化法[7-8]、离心粒化法[9-11]和高速射流粒化法[12]等干法粒化及余热回收工艺。而化学法余热利用主要是将高炉熔渣的热量直接用于不同的化学反应研究，如甲烷重整反应[13-14]、生物质气化反应[15-17]和煤气化反应[18]等。然而，不论哪种高炉熔渣粒化工艺，高炉熔渣颗粒的粒径、球形度等几何形态表征值作为熔渣颗粒相变换热的重要计算参数，值得被研究。

基于图像处理的颗粒几何形貌测量方法，在颗粒表面形状和形貌测量方面得到越来越广泛地应用。陈云波等[19]利用图像分析仪法和人工法分别对水泥颗粒的球形度进行了测量，表明图像分析仪法的结果更准确；牛立聪等[20]提出了一种基于MATLAB图像处理的砂、石颗粒圆形度的计算方法，获得了不同角度下图像区域的圆形度；杨建等[21]研制了一套基于图像法的在线测量系统，对水泥颗粒粒径、圆形度进行了实验测量；Rorato等[22]扫描图像分析了两种不同砂粒的颗粒形状，系统地获得了多颗粒的球形度测量值。上述研究虽涉及颗粒粒径、圆形度的测量，但并未应用于高炉熔渣颗粒。并且，在高炉熔渣颗粒降温传热过程的数值模拟中，大部分研究对高温飞行颗粒的几何参数值进行了理想化假设[23-24]，将熔渣颗粒视为理想化静态球体，忽略了实际粒化后高温熔渣颗粒的高速飞行状态和几何参数变化。因此，本研究提出了一种飞行高炉熔渣颗粒几何形态的测量方法，不仅可以明晰高温熔渣颗粒在粒化飞行过程中的相变换热规律，还可为后续干法粒化装置的结构设计优化、操作工况设计提供理论依据。

本文通过一系列的实验提出了一种瞬间测量飞行高炉熔渣颗粒几何形态的新方法。利用高速摄像机瞬间连续捕捉高速飞行的熔渣颗粒图像，通过MATLAB软件对相应时间点上的颗粒图像分别进行数学形态学处理，得到单个颗粒的当量直径、球形度等几何参数值。此外，通过标尺丈量和计算，得到了单个颗粒的平均飞行速度和飞行轨迹曲线。通过该方法探究了高温熔融态高炉渣颗粒的几何形态和飞行轨迹变化，为今后进一步研究高炉熔渣颗粒的传热特性提供更精准的理论数据和基础。

1 飞行颗粒图像获取

1.1 实验样渣准备

实验所用样渣是来自山东某钢铁厂的高炉渣。通过X射线荧光光谱分析可知，所用样渣的主要成分为CaO、SiO2、Al2O3和MgO，质量分数分别为38.97%、31.24%、16.27%和9.15%。

1.2 实验装置

飞行高炉熔渣几何形态测量的实验装置如图1所示。由图1可知，实验装置主要包括高速摄像机、高温节能熔块炉、热电偶、压缩空气喷射装置、计算机及其图像数据采集与分析软件等。

其中，高速摄像机的型号为i-SPEED 720 Color 72GB，最高帧速率达75万fps，主要配合i-SPPED Control软件进行电脑控制和图像采集。高温节能熔块炉主要用来加热熔化高炉渣，最高加热温度为1 600℃。温度采用直径为φ25 mm的铂铑B型热电偶进行实时监测。

1.3 实验方法与步骤

实验过程中，首先利用高温节能熔块炉将高炉渣进行加热，加热的同时连接热电偶以实现高炉渣温度的实时监测。待高炉渣全部熔化为液相高炉熔渣后，拔下坩埚底部的塞块，液相熔渣自然下落的同时，打开压缩空气，对下落的液相熔渣进行喷射粒化，并利用高速摄像机对飞行熔渣颗粒进行连续图像采集。为保证拍摄图像的清晰度，设定高速摄像机帧速率为10 000 fps，镜头光圈为5.6。

2 图像处理与分析

2.1 图像处理方法

选取两个粒化颗粒作为研究对象，分别称之为颗粒A和颗粒B，且颗粒A和颗粒B是由一个原来的更大颗粒粒化而成的。利用MATLAB分别对其在不同时间下的JPG图像进行数学形态学处理，即用具有一定形态的结构元素去度量和提取图像中的对应形状，保持其基本形状结构的前提下，除去不相干的结构，以达到图像分析和识别的目的。以颗粒B的单张图像处理为例，处理后的图像如图2所示。

图2 图像处理过程：(a)原图；(b)去噪图像；

(1)去噪处理。在MATLAB中利用imread函数读取图像文件，并裁剪其大小以至于只包含所研究的单个粒化颗粒，如图2(a)所示。选图过程中，在0～10.5 ms的飞行期间内，颗粒的外形变化剧烈，时间取值间隔定为1.5 ms，之后时间取值间隔定为10.5 ms。利用高斯滤波对裁剪后的图像进行去噪处理，以去除图像生成和传输过程中的噪声干扰，如图2(b)所示。

(2)形态学运算。将滤波后的RGB图像转化为灰度图像，如图2(c)所示。利用最大类间方差法找到一个合适的阈值，将灰度图像进行二值化分割，如图2(d)所示。调用imfill函数进行区域填充，imclose函数进行闭合运算，消除区域空洞并填补轮廓线中的断裂。调用bwlable函数连通区域计数并进行边界标记，如图2(e)所示。

(3)特征提取。利用弗里曼8链码法进行边缘跟踪和提取，调用regionprops函数度量和提取边界周长和区域面积，边界周长即边界像素点个数，区域面积即图像中值为1的像素点总数。

2.2 颗粒当量直径和球形度计算

本文采用颗粒当量直径和球形度对飞行熔渣颗粒进行几何形态表征。当量直径Dr定义为与颗粒表面积相等的圆的直径，其值可作为粒化颗粒尺寸度量的参考参数。球形度C在二维描述中也可称为圆形度，定义为表面积乘以4π与周长平方的比值，C在数值上越接近于1，表明颗粒越趋向于球形。需要注意的是，计算颗粒的当量直径时，颗粒表面积为颗粒的实际面积而不是图像的区域面积。

3 结果与讨论

高炉熔渣颗粒在粒化飞行过程中外形不断发生变化，利用同视窗下的标尺可丈量一定时间间隔下高炉熔渣颗粒的飞行距离，结合时间间隔进而可以得到该颗粒粒化后在空中的平均飞行速度。以本文所研究的飞行颗粒B为例：通过计算，可得其在10.5 ms、21 ms、31.5 ms、42 ms、52.5 ms、63 ms时刻处的飞行速度分别为3.8 ms、3.5 ms、3.5 ms、3.8 ms、3.8 ms、4 m/s，则颗粒B粒化后在空中的平均飞行速度约为3.7 m/s，飞行图像变化如图3所示。同样通过计算，颗粒A粒化后在空中的平均飞行速度约为3.1 m/s。

图3 熔渣颗粒B的飞行图像

3.1 当量直径

按照前面介绍的计算方法，对飞行熔渣颗粒A和颗粒B降温过程中不同时刻的当量直径进行了计算，计算结果如图4所示。

结合图3和图4可以看出，熔渣颗粒在飞行过程中，当量直径呈现先减小后不变的趋势，是因为熔渣颗粒的飞行过程是一个降温冷凝收缩的过程，当颗粒表面温度降低至颗粒临界凝固温度以下时，颗粒的表面出现结壳，几何形态基本不再发生变化。结壳后颗粒A的平均当量直径约为3.4 mm，颗粒B的平均当量直径约为5.9 mm。

图4 飞行熔渣颗粒的当量直径变化

对于颗粒B来说，结壳后当量直径仍在周期性变化，是因为成型的颗粒B并不是一个规则的球体形状，且飞行过程中伴随着周期性旋转，所以同一颗粒不同的投影平面直径有所不同。而对比颗粒A和颗粒B的当量直径变化可以看出，颗粒A的表面结壳时间明显短于颗粒B，说明粒化后的颗粒当量直径越小，其凝固冷却速率越快[25]。

3.2 球形度

按照前面介绍的计算方法，对飞行熔渣颗粒降温过程中不同时刻的球形度进行了计算，计算结果如图5所示。

图5 飞行熔渣颗粒的球形度变化

结合图3和图5可以看出，熔渣颗粒B在飞行过程中，最初呈现杆状结构，球形度仅为0.39。随着不断的下落飞行，颗粒形态逐渐趋于球形，球形度不断增大。当时间间隔为21 ms时，颗粒的球形度增大至0.64。当球形度继续增大至0.65左右时，球形度变化开始呈现周期性，进一步验证了颗粒的周期性旋转飞行状态。

颗粒A在飞行过程中球形度基本保持不变，进一步验证了其表面冷却速度较大的结论。此外，对比颗粒A和颗粒B的球形度可以看出，熔渣颗粒飞行过程均为一个趋向于球体的过程，而结壳后颗粒A的平均球形度约为0.72，颗粒B的平均球形度约为0.63，表明颗粒当量直径越小，颗粒球形度越大。

3.3 飞行轨迹

利用标尺丈量颗粒粒化后的飞行坐标，得到颗粒A和颗粒B粒化后在空中的飞行轨迹，如图6所示。需要指出的是，图像分析过程中，颗粒A和颗粒B是由同一个大颗粒粒化而形成的不同直径的颗粒。初始位置时，两个颗粒仍有拉丝连接，位于同一垂直平面上，横坐标相等。因此，以两个颗粒初始位置坐标点作为飞行轨迹曲线的起点。

由图可知，在同一时刻，颗粒A和颗粒B的纵坐标之间的差值基本保持不变，说明两个颗粒在垂直方向的飞行速度基本相等。而颗粒A和颗粒B的横坐标虽然都在增大，但两者之差也越来越大，并且颗粒直径越大，横坐标越大，即飞行距离越远，可能是由于颗粒B在射流粒化的瞬间获得的初始速度较大导致的，也侧面说明了粒径分布存在一定的随机性。

图6 飞行熔渣颗粒的运动轨迹

4 结论

本文利用高速摄像机对熔渣颗粒飞行过程中几何形态的变化进行了可视化测量实验，得到了高炉熔渣颗粒飞行过程中当量直径和球形度的变化规律以及对传热效果的影响。实验结果总结如下：

(1)熔渣颗粒飞行过程中，当量直径先减小后不变，球形度先增大后不变，当量直径为5.9 mm的熔渣颗粒平均球形度约为0.63；

(2)熔渣颗粒的飞行过程是一个逐渐趋向于球体的过程，当量直径为5.9 mm的熔渣颗粒飞行过程中球形度由0.39增大至0.65；

(3)熔渣颗粒当量直径越小，其凝固冷却速率越快；

(4)当量直径为5.9 mm的熔渣颗粒平均球形度小于当量直径为3.4 mm的熔渣颗粒的平均球形度；

(5)熔渣颗粒粒径分布具有一定的随机性。

本文所研究的测量方法特别适用于高温熔融态的多组分小颗粒或液滴在高速飞行过程中几何形态参数的瞬间测定，实验数据为改善高炉熔渣余热回收效果提供了理论基础。