显著改善钢铁行业用水使用功能的方法与装置

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显著改善钢铁行业用水使用功能的方法与装置
张艺灵
摘要：本文详细介绍了我国钢铁行业的用水节水形势，指出了目前钢铁冶金行业用水量下降趋势呈趋缓的态势。

提出了一种解决此瓶颈的新技术—将普通水源低成本处理成使用性能优异的小分子团水，并将小分子团水应用于乳化液、防锈液、冷却水、冲洗水等。

目前该技术已经得到实际应用并获得成功。

关键词：钢铁工业；电气石；小分子团水；乳化液；防锈液；冷却水
1 概述
近年来，随着工业化、城镇化的快速推进和全球气候变化影响加剧，我国水灾害频发、水生态损害，导致水资源短缺、水环境污染等问题愈加凸显，已经成为制约经济社会发展的突出瓶颈。

而钢铁行业是耗水大户，也是废水排放大户。

国家历来重视工业（包括钢铁行业）节水，《中华人民共和国水法》《中华人民共和国清洁生产促进法》中都有关于节水的相关规定。

党的十八大以来，明确提出“节水优先、空间均衡、系统治理、两手发力”的新时期水利工作方针；习近平总书记，在深入推动黄河流域生态保护和高质量发展座谈会上提出“要精打细算用好水资源，从严从细管好水资源。

要创新水权、排污权等交易措施”；工业和信息化部、国家发展改革委等六部门2022年联合印发《工业水效提升行动计划》，提出“到2025年，钢铁行业吨钢取水量下降10%”的预期目标，对于促进工业节水提效，助推冶金行业高质量发展具有重要意义。

在行业技术进步和各钢铁企业的不懈努力下，根据2021年重点钢铁企业取新水总量为172772万m3，比2020年下降1.54%；重复用水量为8756175万m3，水重复利用率从2017年的97.83%升至2021年的98.07%；吨钢耗新水量由2017年的3.12m3降至2.44m3，节水总体成效显著。

据查，国外先进钢铁企业吨钢新水耗用量明显低于我国。

虽然这几年吨钢耗新水量都呈下降趋势，但下降幅度越来越小，进一步追赶世界先进水平已遇到瓶颈，需要改善管理方式、寻找新的解决思路和技术研发推广。

仅从钢铁节水环节看问题，我国钢铁业实现低碳排放和低碳发展可谓任重而道远，为适应国家节水新形势，必须创新性地开展钢铁行业用水技术与装置，对于严重缺水的我国尽一份义务。

2 技术突破
钢铁行业用水主要可分为四大类：装备和工具冷却（如、高炉炉体冷却、连铸结晶器冷却、轧辊辊系冷却）、产品的直接与间接冷却（焦化产品的冷却、热轧板卷在线冷却、钢管热处理的冷却）、洗涤与冲刷（如高炉冲渣、煤气洗涤）、溶剂配制与稀释（酸洗液、乳化液的配制与稀释），其中前两类的耗用量占到70%上下。

钢铁行业节水与改善用水使用功能应是相辅相成、并行不悖的基本措施，节水技术的核心是提高水的利用效率和效益。

《工业水效提升行动计划》提出应大力推广应用串级用水、密闭循环冷却等先进适用的节水工艺技术，同时，多元化取水，扩大海水利用规模，实施雨污分流，充分收集利用雨水。

钢铁企业要积极开发利用《工业水效提升行动计划》中提出的非常规水资源，并促进用水方式的源头减量、过程控制与末端治理，同时建立优化水的网络集成：蒸气冷却水回收，蒸气冷凝水除铁、除油，外排废水回用和“零排放”等内容，充分利用水源，加强废水循环利用。

目前京唐钢铁公司和宝钢湛江已采用海水进行加工和冷却使用；唐山钢铁公司已将唐山市的城市污水回收，经处理后用于钢铁生产。

自然界的水不是以单一水分子（H2O）的形式存在的，而是由若干水分子通过氢键作用而聚合在一起，形成水分子簇，国内俗称“水分子团”但自然界的水不是以单个水分子的形式存在，不是单一水分子H2O，而是首尾相连以分子团（簇）的形式存在。

自来水10个～13个，纯净水13个～30个左右，死水40个以上。

经过弱电场高密度磁力线的电磁场，可使水分子团分解为具有五个或六个水分子的小分子团结构的水，即所谓“五环水”“六环水”就是小分子团水。

小分子团水拥有渗透力强、溶解度高、运动速度快等物理特性，其活性高，可灭杀人、动物体内的百病之源—自由基，对人体具有保健、强身、助长作用，目前广泛应用于人体健康、医药生物及化妆品方面。

本着小分子水特性及加强水循环利用的思路，本技术为钢铁行业节水提供了新的思路和方法，即从水的活化、水质的稳定入手，使其具有更强的冷却力、冲刷力、乳化力、溶解力、分散力以及抗变质、抗结垢的能力，从而明显改善水的使用功能，这样也就从源头上做到减量化控制，使用过程做到高效和减排。

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（1）可以从源头削减对新水资源的需求量，在无须耗费额外能源的条件下，利用处理介质材料的特殊物理特性，将自来水、江河水和地下水处理成为具有小分子团的活化水，这种活化水具有更强的分散力、冲刷力、乳化力、溶解力。

这一特性有助于用其配制更具使用效能的乳化液、酸洗液和防锈液。

（2）经本技术处理后的水具有还原性、弱碱性、流动性、渗透性和导热性，具有更低的表面张力，更强的抗结垢能力和抑菌能力。

这一特性使其可用作更具效能的直接和间接冷却系统的冷却剂。

（3）经本技术处理后的水质稳定而可控，不易退化、变质。

（4）装置实用、先进、环保和节能。

3 本处理装置的工作原理
本处理技术使用过程中除仪器仪表及泵等所耗电能外，无须耗用新增电能、磁能、热能、辐射能和化学能，却能对水起到活化处理的显著作用，其根本原因在于利用了电气石的永电性、活化性等天然材料的独特本性。

而所谓妙用，就是通过独特的配方、工艺以及设计，将电气石材料所具有的永电性、远红外效应以及高的比表面积的效用发挥到极致。

电气石是一种以含硼为特征的铝、钠、钙、镁的环状硅酸盐晶体矿物，常被应用于环保、电子、医药、化工、轻工、建材等领域。

电气石其晶体结构的对称性为R3m，其与众不同的晶体结构可以持久放出微电流使与之接触的水分子电解产生负离子。

且电气石本身是一种发射远红外线的矿物材料，其辐射出的远红外线波段与水的辐射波长相近，可以使接触的水分子获得必要的活化能而处于高度活性状态，放出负离子，并且使水分子发生共振，振幅和能量的极大化足以使部分大分子团之间的“氢键”断开，改变水分子的微观结构使其达到小分子化、矿物质离子化、弱碱化。

小分子团水具有较高的界面活性和较低的氧化还原电位，使水的渗透力、分散力、代谢力、吸附力得以强化，并能消除自来水中的异味、余氯及三氯甲烷，抑制有害细菌及藻类的滋生。

而电气石作为一种天然矿物材料，不仅资源丰富且可以重复利用，降低企业投资成本，且对环境无污染。

将永电性矿石—电气石加工成多种规格的陶瓷球粒，并采用科学的方式填充至水处理器料室中。

球状颗粒可以增加自来水、矿泉水、地下井水等与电气石的接触表面积，使之充分反应，从而更好地被小分子团化、离子化和弱碱化，赋以其与原水不完全相同的物理特性（比重、比热容、表面张力、黏度系数），成为具有活性的工业用功能水。

4 本活化处理装置的处理效果
本技术最重要的功能在于它能使通过其中的自来水、矿泉水、地下水等水源小分子团化，从而使其处于活性状态并释放出负离子，且这一活性状态具有优异的耐时效性（抗水质退化）。

经本技术处理后的水样经国家药物及代谢产物分析研究中心检测，高频17O核磁共振（简称17ONMR）的检测结果表明小分子团化程度达到了较高水平。

水分子团的大小可以由17ONMR氧谱中的半峰宽Hz 值来表征，半峰宽Hz值越小，水分子团也越小。

4.1 各类水的处理效果
经测试不同水经本设计处理装置处理前后的半峰宽Hz值发现：北京城市自来水在处理前为104.46Hz，处理后为52.63Hz；农夫山泉矿泉水在处理前为103.73Hz，处理后为49.84Hz；中国农科院北方某示范基地深井水在处理前为59.04Hz，处理后为45.98Hz；江苏常州地区深井水在处理前为70.23Hz，处理后为47.86Hz；由此可见，自来水的处理效果最为明显。

4.2 自来水处理效果的时效性
由于自来水的处理效果最为明显，此后选用仪器再次测试处理后自来水（62.63Hz）的时效性，经测试。

2天之后的半峰宽为62.84Hz；10天之后的半峰宽为62.82Hz；1个月后的半峰宽为63.05Hz；70天后的半峰宽为60.45Hz；110天后的半峰宽为59.82Hz；由此可见，处理后的自来水其半峰宽值稳定性较好，可以长时间保证其小分子团化程度。

4.3 处理前后自来水的抑菌能力的对比
将经过处理的自来水样送至北京市疾病预防控制中心检测，发现未处理的自来水样初始细菌总数为210CFU/ml，而经过处理的自来水样其初始细菌总数为188CFU/ml，1小时后，普通自来水样的细菌总数为216CFU/ml，抑菌率为-2.9%，而经过处理自来水样的细菌总数为120CFU/ml，抑菌率为36.2%，3h后，普通自来水样的细菌总数为232CFU/ml，抑菌率为-10.5%，而经过处理自来水样的细菌总数为4CFU/ml，抑菌率为97.9%，6h后，普通自来水样的细菌总数为256CFU/ml，抑菌率为-21.9%，而经过处理自来水样的细菌总数为0CFU/ml，抑菌率为100%，该数据表明经处理后的自来水具有高的抑制有害细菌生长的能力，这一特质对于易于变质发臭的乳化液产品来说无疑是极具重要性的。

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5 本技术产品的品种与应用范围
5.1 乳化液
乳化液以其优异的润滑及冷却性能被广泛应用于机械、金属材料加工等领域，在轧制过程中采用乳化液进行润滑及冷却能够有效降低轧制力、减小摩擦、控制磨损、改善轧材的表面质量及机械性能，对轧制生产过程节能降耗、提高产品质量具有重要意义。

将过滤后的原水，通过填充电气石的装置处理后，使其变为小分子团水，使用此处理后的小分子团水与定量的乳化油充分搅拌，并经过性能测试后，乳化液出料。

该种乳化液具有突出的防臭、抑菌功能。

5.2 防锈剂
防锈剂是一种超级高效的合成渗透剂，可以强力渗入铁锈、腐蚀物、油污内从而轻松地清除掉锈迹和腐蚀物，具有渗透除锈、松动润滑、抵制腐蚀、保护金属等性能，并在部件表面上形成并贮存一层润滑膜，抑制湿气及许多其他化学成份造成的腐蚀，广泛应用于无缝钢管、冷轧管、焊接管等在内的各类钢材产品。

与油溶性防锈剂相比水溶性防锈剂具有无毒、无污染、不易燃爆、干燥快、价格优等优点，水基防锈剂替代传统的防锈油已是大势所趋。

将过滤后的原水，通过填充电气石的装置处理后，使其变为小分子团水，使用此处理后的小分子团水与定量的防锈基础油充分搅拌，并经过性能测试后，水基防锈剂出料。

5.3 冷却水
在钢铁行业中，每天需要使用大量的循环冷却水系统保证生产进度及产线安全，其作用至关重要，如日产3500t的炼铁厂，每小时需要约5560立方米的间接循环水量供高炉风口冷却、炉体冷却、空压冷却等，需要约1500立方米的直接冷却水用于炉缸喷水；年产670万吨的炼钢厂，每小时需要约1800立方米的纯水进行烟道气化冷却，需要约4900立方米的纯水进行烟罩、罩裙冷却；年产210万吨的冷轧卷板厂，每小时需要13500立方米循环水进行乳化液、电机通风、连续退火炉等间接冷却。

冷却水的直接和间接冷却，耗用大量的水资源，其在冶金废水中所占比例巨大，且工业生产的循环冷却水一般为经过处理的软化水，经电气石装置处理的小分子水具有更强的冷却力、冲刷力，可以减少消耗水源、增加循环冷却水系统冷却效果；弱碱性可以保证冷却水的pH值，减缓冷却系统中的金属腐蚀；抗变质、抗结垢、抑菌性可以减少微生物的生成，不仅可以延缓冷却系统中的金属腐蚀还可以延缓管道结垢等问题，延长冷却水系统使用寿命、降低能耗、节约企业成本。

5.4 冲洗水
在钢铁行业中，金属加工厂为去除产品表面杂质常使用大量水资源进行冲洗，经电气石装置处理的小分子水具有更强的冲刷力、分散力、洗涤力和渗透力，可以更高效地去除杂质，减少高炉冲渣、煤气洗涤以及废液清洗所消耗的水源。

6 工厂使用案例介绍
经电气石装置处理的小分子水技术目前已应用于江苏常州某精密制管公司，该公司成立于2011年，是专业生产精密焊管和冷拔管的厂家，设备先进，技术水平较高，该公司将处理后的小分子水用于配制乳化液和水性防锈剂等。

乳化液配置所用水的质量十分重要，它不但直接影响到乳化液的稳定性、防锈性、防霉性和起泡性，也关系到泵站和液压支架各类过滤器的效率和使用寿命。

该公司原先使用普通井水配制乳化液，从2012年12月开始试用电气石处理的小分子团水处理设备。

该公司拥有多条焊管线，其中1条线使用小分子团水配置的乳化液，其余为普通水配置的乳化液。

乳化液生产最容易出现的问题就是发臭，经常不得不将乳化液池抽空清理，从而损失大量的乳化液和水，造成原材料损耗。

乳化液发臭其根本原因是含有大量细菌，细菌分为耗氧菌和厌氧菌，厌氧菌生存在没有氧气的环境中，代谢释放出SO2，有臭鸡蛋味。

而研究发现，pH值在8.3～9.2时，细菌难以生存。

小分子团水的弱碱性恰好抑制了细菌的滋生和繁殖。

江苏常州某精密制管公司使用三个月小分子团水处理设备后，现场对比发现小分子团水乳化液在使用中烟气更大（经检测为水蒸气，无味道），而普通水乳化液烟气较小，但有明显臭味。

这充分说明小分子团水有更强的冷却能力（更多的水蒸气会带走更多的热量）及抑菌性能。

7 结语
水是我们赖以生存的资源，应该利用有限的资源发挥最大的作用，维持水资源一种良性循环的状态，以达到永续利用。

钢铁冶金行业是传统的用水大户，其节水前景广阔，我们需要以先进的科学方法、完善的管理手段、强化管理职能，在2025年“十四五”规划的收官之年，使钢铁行业吨钢取水量实现下降10%的目标，提高钢铁行业的用水效率。

而电气石处理小分子水技术的应用将为钢铁行业实现节水减排目标提供一条现实可行的路径。

（作者单位：钢研工程设计有限公司）
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