永磁分离法在轧钢废水处理中的应用
摘要 论述所研制的永磁分离法去除轧钢过程废水中铁磁性悬浮物的原理、装置构造及实际使用中的效果、影响因素等，与传统废水处理工艺比较，新方法具有工序简单、占地少、投资省、效果佳的优越性。
关键词 废水处理 磁性分离法 轧钢生产 环境保护
APPLICATION OF THE PERMANENT MAGNETIC SEPARATING METHOD TO WASTE WATER DISPOSAL IN ROLLING MILLS
Yang Yongle Qian Dayou
（Shanghai Pudong Iron ＆ Steel （Group） Co．）
Abstract The basic theory and equipment structure of a permanent magnetic separating method used for removing iron magnetic suspensions in waste water from rolling mills were described， as well as the effects in usage and some influence factors．Comparing with traditional method， the new process were simple in operation， lower in cost， and the equipment occupied a little space with an excellent result．
Key Words Environmental Protection， Magnet Treatment， Steel Rolling， Waste Water Disposal
1 轧钢废水处理概述
在轧钢过程中，轧机轴承、轧辊等均需水冷却，铁皮沟需水来冲洗，用过的水中含有大量的氧化铁皮，每炼1t钢，大约产生17kg以上氧化铁皮，这些氧化铁皮绝大部分进入水中，使水中的悬浮物含量高达几千mg／L，因此水不仅不能回用，而且根据环保要求也不能直接排放。
由此，轧钢系统需要水处理及循环设施。国内通常的轧钢污水处理系统采用三级法，第一级主要是旋流井，第二级主要是平流式或斜板式沉淀池，第三级主要是压力过滤器或高梯度电磁过滤器，但都须设置一套专门的污泥脱水装置，因此此类水处理工艺流程长，设施占地面积很大。以浦钢型钢厂为例，处理600m3／h水，设施占地2000m2以上，同时水处理投资费用很高，平均处理每m3水的投资费用在7000～10000元之间，特别是前级投资，即铁皮沟与一次沉淀池(或旋流井)，要占到整个水处理投资的50%。例如浦钢公司厚板厂的铁皮沟深度在-4m至-28m之间，一次沉淀池标高-28m，两项构件光土建投资费超过300万元。此外，一次沉淀池中的污水要通过提升送往二次沉淀池，由于废水中含有大量氧化铁皮，泵的磨损非常严重，仅每年更换水泵叶轮费用不下于25万元。
综上所述，传统工艺流程繁长，投资大，且设施易损，因此国内轧钢废水处理设施正常运行的例子不多，大多不得不采用直排的形式维持生产。这不仅大大增加用水量(在缺水地区，往往使生产成本费用更为昂贵)，而且污水不经处理直排对环境造成了污染。
作者针对上述情况，根据水中悬浮物(氧化铁皮)带有磁性的特点，采用磁性分离法研制了一种永磁分离器来处理轧钢污水。
采用永磁分离法用于轧钢废水处理中，特别是在铁皮沟的前级-4m到-5m处，设置永磁分离器，使污水经磁分离后，悬浮物含量大幅度降低，从而使铁皮沟坡度减小，长度缩短，旋流井可改成吸水井，省却了旋流井、平流池、压力过滤器等设施，使投资降低，占地减少。该技术及装置的工艺性试验1996年7月在浦钢公司型钢厂完成，并通过上海市环保局鉴定。
2 永磁分离法的原理及影响因素
永磁分离法的原理是基于污水中的悬浮物，即氧化铁皮系磁性物质，在高梯度永磁场的作用下被吸附在磁铁周围，提出水面后分离，使污水得到净化。
2.1 受力分析
设有一直径为dc，密度为pc，质量为mc的近似球形的氧化铁皮悬浮物在磁场强度恒定的磁场中。其受力情况示意于图1。
该颗粒运动轨迹可用矢量方程表示：
（1）图1 磁性悬浮物在磁场中的受力状态
式中
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系粒子的加速度，ΣF为所受外力的合力
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（2）
其中
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是重力，不变量，即
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（3）
式(3)中pc为颗粒密度
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是浮力
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（4）
式(4)中p为介质密度
介质的阻力Fp取决于介质、粒子的参数和粒子的速度。当Re＜2320时，根据Stokes阻力公式
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（5）
式中μ为介质运动粘滞系数，
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为粒子运动速度
磁力是变量，与磁场强度的平方成正比，与悬浮物的截面积成正比。
表达式
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（6）
其中K是悬浮物的磁化系数，S是悬浮物的截面积，H是磁场强度
把式(3)、(4)、(5)、(6)代入式(2)得到
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（7）
在通常情况下，小颗粒的重力与浮力在高磁场力的作用下，可忽略不计。
则式(7)可简化成
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（8）
悬浮物被吸附，其所受磁力KSH2必大于反向阻力3πμvdc，起初颗粒作加速运动，随着反向阻力上升，最终吸力等于阻力，合力为零，则式(8)变成
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（9）
此时v设定为vg，称为驱进速度。
由式(9)可见，悬浮物驱进速度与磁场强度平方和悬浮物大小成正比，与介质粘度成反比。
2.2 悬浮物在磁场中的运动分析
设：磁路通道长度为L，宽度为h，其运动示意于图2。
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（10）图2 悬浮物在磁场中的运动示意
把(10)式中vg用(9)式代替
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（11）
从式(11)可看出，当
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则dc越小。
表明被吸附的颗粒越小，整个装置的捕集效率就越高。在实践中可通过下列途径来提高装置的捕集效率。
(1)增加工作区的磁场强度；
(2)降低流体的相对速度；
(3)增加磁场区(流体通道)的长度
(4)减少流体通道的高度。
3 永磁分离器的基本结构
采用永磁分离法研制的永磁分离器的基本结构见图3示意，主要由以下几部分组成：带有流道的箱体1、安置于链条上的磁块2(可绕轴4转动)、非导磁材料的外壳3(使污水与磁块隔离)、转动轴4(由电机带动)、以及非磁性材料的导向板5。含有磁性颗粒的污水从箱体的流道上口流入。其中磁性悬浮物被磁快吸附在非导磁的外壳上随磁块移动，到分离器顶部，由导向板进行分离，净水从流道的下口流出。
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图3 永磁分离器的结构示意
4 应用实例及最佳工艺参数的确定
上述永磁分离器曾应用于浦钢公司型钢厂铁皮沟中。试验装置的工艺参数如下：
(1)磁场强度(以钕铁硼磁场表面测定为准)大于2200高斯，
(2)流道长度0.8m，
(3)流道高度0.03m，
(4)流道宽度0.4m。
该装置在现场前后试验运转两个月，并请有关监测单位进行现象跟踪测定，测定结果见表1。
表1 试验结果
| 试 验 条 件 | 颗 粒 物 | | 流量（m3／h） | 线速度（cm／s） | 进水浓度（mg／L） | 出水浓度（mg／L） | 去除率% | 平均去除率% | | 19 | 22.5 | 2318～42900 | 96～348 | 91.1～99.6 | 95.5 | | 20.8 | 3023 | 186 | 93.9 | 94.4 | | 3034 | 158 | 94.8 | | 45.7 | 21990 | 151 | 99.3 | 99.2 | | 14420 | 112 | 99.2 | | 22.5 | 22.5 | 2047～10710 | 104～351 | 83.4～99 | 93.3 | | 28.8 | 940～51000 | 157～255 | 72.9～99.7 | 93.4 | | 25 | 22.5 | 483～5481 | 100～213 | 78.1～97.7 | 88.3 | | 28.8 | 109300 | 89 | 99.9 | 98.8 | | 4866 | 111 | 97.7 | | 27.7 | 28.8 | 3334 | 139 | 95.8 | 96.5 | | 4688 | 132 | 97.2 | | 30 | 28.8 | 3299 | 158 | 95.2 | 90.5 | | 895 | 204 | 77.2 | | 16800 | 146 | 99.1 |
(1)各种流量和线速度条件下的平均去除率为88.3%～99.2％。总体平均去除率为94.55%。
(2)出水浓度为89mg／L～351mg／L，平均 浓度177mg／L，已低于国家规定的排放标准。
此外，分离出的污泥平均含水率15.8%，可以直接综合利用。
测试结果的数据经整理后，绘出了磁分离器中废水流量、进水浓度及磁场平移线速度与悬浮物去除率的关系，分别见图4～图6。
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图6 磁场平移速度与悬浮物去除率的关系
从图4可见，随废水流量的增大，悬浮物去除率下降，废水流量似以23～30m3／h为最佳，此时去除率约95%以上。
从图5可见，悬浮物去除率随进水浓度增加而升高，说明该装置完全适用于高浓度的含铁污水。
从图6可见，本课题研制的装置去除率与磁场移动有一定关系，当线速度为25～28cm／s时，去除率最高。
5 工程应用
本课题成果已成功应用于浦钢公司型钢厂、无锡钢厂、成都无缝钢管厂等单位，并于1996年7月由上海市环保局完成技术鉴定。专家一致认为，本课题的研制成功对轧钢废水处理提供了一条行之有效的方法和途径，并有较好的经济和社会效益。
原轧钢废水处理工艺和改进后的工艺比较见图7和表2。从图7和表2可见，新工艺大大简化了原来的工序，其技术经济指标的优越显而易见。 |
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图7 废水处理新工艺与旧工艺的工序比较
表2 永磁分离工艺与原工艺的
技术经济指标比较
对比项目
| 传统工艺 | 永磁分离技术 | | 设施占地 | 以100％计 | 15％ | | 投资总额 | 以100％计 | 40％ | | 污泥脱水设备 | 有 | 省却 | | 运行费用 | 以100％计 | 30％ | | 用电 | 以100％计 | 20％ | | 操作人员 | 以100％计 | 30％ | | 水处理后含污量 | ＜50mg／L | ＜50mg／L |
6 结 论 (1)所研制的永磁分离器技术适用于轧钢系统含高浓度铁磁性颗粒废水的处理，分离出的污泥含水率很低，因此还可省去污泥脱水工序。
(2)实际应用表明，研制的永磁分离器运行线速度为25～28cm／s、处理水量为28～30m3／h时，处理效率(除污率)可达95%以上。
(3)采用永磁分离法是对传统轧钢水处理工艺的重大突破，可大大简化处理工序，具有明显的经济和社会效益。
作者单位：上海浦钢(集团)有限公司，200126
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