钢铁工业既是我国经济发展的支柱行业,同时又是高能耗、高污染行业,其总能耗占全国工业总能耗16%以上,而高温熔渣作为钢铁冶炼过程的主要副产物,其年产量约为3.4亿吨,显热量高达1260 MJ/吨。目前,国内外广泛采用水淬法对高温液态高炉渣进行快速冷却,并将获得的玻璃体矿渣大规模用于生产水泥,实现其资源化利用,但同时浪费大量高温余热,消耗大量水资源。为兼顾高温熔渣余热回收与资源化利用,经过几十年研究,干式离心粒化法因制备的熔渣粒径小、冷却形成的玻璃体含量高、处理系统能耗低、污染物排放小等优势受到广泛关注。但相关研究仍处于实验室阶段,目前尚无工业应用。其主要原因是该技术仍存在粒化液滴快速冷却与热回收品位难以兼顾、粒化熔渣液滴群易发生粘结以及离心粒化装置处理量不足等关键瓶颈问题。为此,本文对高炉渣熔融液滴相变冷却及撞击壁面特性展开研究,为液态熔渣干式离心粒化及余热回收技术的开发提供理论指导。首先,利用热丝法及DSC技术对高炉渣在不同冷却/加热方式下物相演变过程开展了研究,建立了高炉渣非等温结晶与析晶动力学方程;随后,开展了熔渣液滴风冷凝固过程实验研究,提出了相关换热准则方程,并结合结晶动力学方程,建立了耦合物相演变的高炉渣熔融液滴风冷凝固模型,揭示了工艺参数对炉渣内部温度及玻璃体分布规律的影响,为粒化渣冷却工艺的设计提供依据;其次,开展了熔渣液滴撞击壁面动态行为可视化实验,获得了熔渣液滴温度及形态演变规律,并探究了承撞壁面的材料及性能对熔渣液滴撞击行为的影响机制,明晰了离心粒化装置壁面防粘结设计依据;最后,通过离心粒化过程中熔渣液滴群撞击壁面可视化实验,揭示了熔渣液滴撞击壁面的运动规律,构建了液滴群撞击壁面粘结概率模型,探明了液滴群粘结特性和换热特性,获得了熔渣液滴群撞击水冷壁的传热经验关联式,为熔渣离心粒化余热回收系统的粒化仓壁面设计和运行参数调控提供理论指导。得到的主要结论有:1.工业高炉渣恒温冷却曲线呈“C”字形,由于过冷度增大,结晶驱动力增大,但溶质扩散阻力增大,晶体孕育及生长速率随温度先增大后减小,采用JMA结晶动力学模型可实现熔渣结晶过程的预测。恒速冷却过程中,冷却速率越大,熔渣起始结晶温度越低;基于恒温冷却结晶动力学方程,并结合本文提出的非等温等效结晶时间处理方法,可预测熔渣恒速冷却过程结晶度随时间变化规律;熔渣完全形成玻璃体的临界冷却速率为48.9°C·s-1,完全形成晶体的最大冷却速率为13°C·s-1。为防止发生析晶反应,对于温度已低于玻璃转变温度Tg的玻璃态高炉渣,应避免使其受热温度回升至Tg以上;对于未结晶但温度仍高于Tg的半熔融高炉渣,更易发生析晶,应尽可能防止被加热。2.为兼顾熔渣液滴快速冷却形成玻璃体和尽可能提高风温,熔渣液滴风冷工艺设计原则可概括为:在熔渣易发生结晶的温度区间（约为1012～1322 oC）,应采用温度较低、速度较高的冷却风;而当熔渣液滴/颗粒高于或低于此温度区间时,可适当提高风温、减小风速,特别是炉渣温度低于Tg后,可对炉渣进行缓冷,提高风温,保证渣粒温度不高于Tg即可。熔渣液滴温度越高,风冷换热系数越高,换热准则方程须引入温度修正项。当形成结晶时,晶体含量在径向上由外向内不断增大,液滴直径对风冷凝固过程结晶行为的影响显著,减小粒化液滴直径是提高玻璃体含量最有效的措施。3.熔渣撞击壁面存在五种不同的形态演变模式,按照液滴撞击壁面后最终的形态特征,不同的形态演变模式可命名为沉积、回缩、快速飞溅、回缩-沉积和回缩-破碎。各个状态之间的界限由Re和T0*决定。根据本文研发的熔渣表观温度标定方法,得到了熔渣撞击壁面过程中液膜温度分布,发现不同形态演变模式下的液膜运动和温度分布特性不是仅由初始参数决定的,高粘度液态炉渣流动以及与壁面间传热的协同作用会阻碍熔渣形态的连续演变过程。防止熔渣液滴充分铺展是防止液滴撞击壁面发生粘结的关键,而熔渣充分铺展的关键是撞击克服表面能能垒。对于撞击石英玻璃的高炉渣熔融液滴,其充分铺展的无量纲表面能能垒约为2.72。液滴撞击倾斜壁面会发生滑移,且液膜的铺展和破碎受到抑制,但铺展时间会被延长。4.常温条件下,熔渣液滴与壁面表观接触角均大于90°,壁面温度越高,表观静态接触角越小,熔渣受壁面粘附作用越强。表面粗糙度0.1～0.35μm的310s适合作为粒化仓壁面材料,粗糙度过小,易导致炉渣充分铺展,粗糙度过大会引起熔渣与壁面发生物理粘附。针对310s壁面,熔渣浸润性对液膜运动行为的影响占主导地位,固液间换热的影响占次要地位,为防止液滴浸润壁面,减弱液滴的铺展和粘附,壁面温度应至少维持在550 oC以下。倾斜壁面延长了液滴铺展时间,进而强化壁面对熔渣的冷却,进而增大液膜回缩过程中的阻力,不利于液滴从壁面尽快脱离,粒化仓应采用垂直壁面。5.离心粒化系统中熔渣液滴撞击壁面将依次经过铺展、回缩和回弹过程。熔渣液滴最大铺展面积Am和对应的时间τm、熔渣液滴在壁面总停留时间τa以及从壁面脱落时的恢复系数e等运动参数均与液滴直径D0和粒化器线速度u0相关;熔渣液滴铺展面积与时间的关系A（τ）可用Nelder函数形式描述,相关的待定系数与D0和u0相关。本文得到了以上参数与D0和u0的具体函数关系。通过构建熔渣液滴群撞击壁面聚并概率模型,系统地提出了不同直径液滴发生碰撞的概率Pij、发生聚并的总体概率P、修正平均直径D3’2以及液滴群聚并指数Rs等具体评价参数,对于离心粒化工艺,推荐液滴群聚并指数应不高于0.1。为提高离心粒化处理量,减缓壁面粘结,应采取外部措施增大粒化仓壁面撞击区域高度,可适当增大粒化仓直径,同时,对水冷壁进行有效冷却,避免温度过高而增大熔渣在壁面停留时间。随粒化器线速度的增大,熔渣在撞击壁面过程中温度可下降50～120°C,在液滴群聚并指数不高于0.1的条件下,熔渣与水冷壁换热功率可根据本文提出的经验关联式,由粒化器线速度和熔渣流量计算得到。