CN101701770B - 高炉初渣实验方法及初渣实验炉 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高炉初渣实验方法及初渣实验炉，解决了目前实验方法无法获取初渣，从而不能很好的指导优化炉料结构的问题。包括设有炉膛管的电炉和配气柜，所述炉膛管内设有位于石墨底座上的石墨坩埚，石墨坩埚上端设有中心压杆，所述中心压杆上端穿过炉膛管并插设有热电偶，中心压杆上设料面荷重调整装置，所述炉膛管上端设上盖并设排气口及位移传感器，下端设接料盒并通过还原气体进口与配气柜连通，所述还原气体进口与配气柜的连接管路上设压差变送器。本发明实验方法是利用本发明的初渣炉，模拟高炉条件获得初渣，在线记录各项检测数据，并对初渣进行化学分析及微观检测，从而对优化炉料结构具有极其重要的指导意义。

Description

高炉初渣实验方法及初渣实验炉

技术领域

本发明涉及一种高炉治炼行业初渣的研究实验方法具体的说是一种高炉初渣实验方法及初渣实验炉。

背景技术

高炉中炉渣的形成经历滴落初渣、炉腹初渣、风口渣、终渣共四个阶段。滴落初渣和炉腹初渣又可统称为“初成渣”或简称为“初渣”。初渣形成过程的特点通常用开始软化温度、开始滴落温度、矿石层的透气性等指标表征。一般希望矿石的开始软化温度要高，软熔区间(开始滴落温度和开始软化温度的差值)要窄，透气性要好，以利于高炉的强化冶炼。所谓的高炉炉料结构，系指从高炉炉顶装入的铁矿石的种类及其配比，初渣的形成过程与炉料结构有密切关系。

高炉喷吹煤粉有利于降低生铁成本，降低焦比，减轻对环境和优质炼焦煤资源的压力。扩大喷煤量是我国高炉企业永远的追求。高炉喷吹废塑料、废轮胎、废机油等大宗社会废弃物以及天然气、水煤浆等，不仅有利于降低焦比，而且增加煤气中的H₂浓度，改善铁矿石的还原和减少CO₂排放，有利于改善环境。但煤粉等喷吹物在高炉风口前不可能完全燃烧，燃烧率的高低与喷吹物种类与喷吹量，以及风温、富氧率、湿分等鼓风条件密切相关。燃烧率越低、喷吹量越大，生成和被初渣卷入的未燃物就越多。一般来说，初渣中未燃物的含量越高其流动性越差，而不同炉料结构生成的初渣对未燃物的敏感程度各不相同。因此，初渣分析对于优化炉料结构具有重要的指导意义。

目前，国内外对高炉渣性能的研究一般限于终渣，对初渣形成过程，特别是对大量喷煤和其他辅助燃料条件下的初渣性能研究甚少。这主要是因为高炉是一种封闭的高温反应器，难以直接采集初成渣的样品和对其进行研究，无论是在生产高炉上，还是在传统的实验高炉上进行初成渣的熔滴试验，费用都十分昂贵，结果也不理想。因此，急需一种简便易行、结果可靠又能比较真实地反映高炉内部现象的实验炉及实验方法。

发明内容

本发明旨在提出一种模拟高炉条件的初渣实验方法，通过获取初渣并对其分析，从而为探讨炉料结构、喷吹条件与初渣形成过程的关系，设计合理的炉料结构，提高喷吹量，减少CO₂排放，改善软熔带的控制提供一种科学有效的研究手段。

本发明还提供一种用于初渣实验方法的初渣实验炉，能很好的模拟高炉条件，且能直接采集初渣对其进行实验研究。

本发明实验方法包括下述步骤：

(1)将粒度为6.3-10mm的试样投入初渣实验炉的石墨坩埚中，盖严上盖；

(2)通电，制定升温程序控制初渣实验炉升温，热电偶感应炉内温度，炉温达500℃时通N₂气保护，升温至900℃后改通含有体积百分比为1～10％氢的还原气体与试样反应，并点燃排气口煤气，试样料面的温度为900-1550℃；

(3)用热电偶测定试样料面温度、位移传感器测定料柱位移量、差压变送器测定气体通过料柱的压差值，用质谱仪在线分析排气口排出的还原后气体成份，用接料盒收集熔化滴落的初渣，同时用光电感应器感应报警并记录滴落温度；

(4)收集3～4次滴落的初渣后停还原气体，改通N₂保护，切断电源，由接料盒卸料后获得初渣并分析其化学成份和进行微观检测；

(5)以上述滴落的初渣作为基础渣配加未燃烧煤粉制备炉渣样品，之后实验测定它们的熔点、自由流动温度与粘度，其中，所述未燃煤粉的配比按下式计算：

U_b＝Q(1-η)(1-U_a)(1-U_c)            (1)

A_c＝0.5QηA_d                       (2)

以上两式中，U_b为高炉初渣卷入的未燃烧煤粉量，kg/t铁；Q为喷煤量，kg/t铁；η为风口前煤粉燃烧率；U_a为进入高炉终渣的未燃煤粉的百分比，取40-70％质量；U_c为参加直接还原与气化反应的未燃煤粉量，取40-70％质量；A_c为与高炉初渣接触的煤粉中的灰分量，kg/t铁；A_d为所喷吹煤粉中灰分含量，％。

所述步骤(1)中试样的上下各铺有一层小颗粒焦炭，厚度均为20mm，粒度10～12mm。铺设下层焦炭的目的是防止石墨坩埚的滴下孔被堵塞，铺设上层焦炭的作用是使荷重均匀分布、防止石墨坩埚的石墨压块上的出气孔被堵。

本领域技术人员可根据需要以CO、N₂、为主，并从CO₂、H₂S、Ar、CH₄等中选取若干种组分进行还原气体配制，以尽可能接近高炉实际情况为准，优选加入氢气代替部分一氧化碳作还原剂以减少CO₂排放，改善环境保护，氢的含量占还原气体体积的1～10％。

实验过程中，在线记录试样的料面温度、料柱位移量、气体压差、气体成份，以及滴落温度，并用接料盒收集滴落的初渣，送化学分析和微观检测。根据检测的数据，计算机可自动计算试样的软化开始温度、软化结束温度、熔化滴落温度、软化温度区间、软熔温度区间、压差积分值、高温还原性、直接还原度、间接还原度等表征高炉含铁炉料冶金性能和初成渣形成特点的各种指数。

包括设有炉膛管的电炉和配气柜，其特征在于，所述炉膛管内设有位于石墨底座上的石墨坩埚，石墨坩埚上端设有中心压杆，所述中心压杆上端穿过炉膛管并插设有热电偶，中心压杆上设料面荷重调整装置，所述炉膛管上端设上盖并设排气口及位移传感器，下端设接料盒并通过还原气体进口与配气柜连通，所述还原气体进口与配气柜的连接管路上设压差变送器。

所述排气口经通气管与质谱仪连接。

所述接料盒上还设有用于感应试样滴落物的光电感应器。

所述料面荷重调整装置为液压缸。

试样置于炉膛管内的石墨坩埚中，由中心压杆压紧，所述料面荷重由料面荷重调整装置控制中心压杆下压调节。配气柜与还原气体进口连通，可通入还原气体与试样反应，在反应前后还可通入N₂气保护，热电偶由中心压杆上端插入，用于检测料面温度。试样熔化的初渣(即滴落物)可由石墨坩埚及坩埚底座滴落至接料盒中。

发明人仔细研究了高炉中初渣的形成过程及条件，特别设计了初渣实验炉，解决了现有高炉无法直接获取初渣并对初渣进行分析研究的问题，在初渣实验炉中模拟高炉条件进行升温，调节煤气成分和荷重，能够采集得到滴落的初渣，对初渣进行化学分析和微观检测，并进一步利用初渣配制炉渣样品，并检测其熔点、自由流动温度与粘度，从而可以研究喷吹物种类、喷吹量等对炉腹初渣流动性的影响，进一步得以指导高炉炉料结构的优化。

有益效果：

1，采用本发明方法，利用初渣实验炉，通过模拟高炉条件可获得滴落的初渣，解决了目前各种实验方法均无法获得初渣，从而无法对初渣进行研究的问题。

2，本发明初渣实验炉专为获取初渣而设计，较大型的实验高炉相比其结构简单、制作成本低，有利于以较低的成本开展对高炉初成渣的实验研究。

3，控制液压缸自动调整料面荷重，利用光电感应器自动感应初渣滴落，更为安全、精确、可靠。

4，本实验方法对初渣分析的结果更接近高炉实际，实验方法中还利用H₂气代替碳作还原剂以减少CO₂排放，为优化指导高炉炉料结构，从而扩大喷吹量、降低焦比和生铁成本，减少CO₂排放，减轻炼铁高炉对环境的负荷提供一种科学而有效的研究手段。

附图说明

图1为初渣实验炉的结构示意图。

其中，1-配气柜、2-差压变送器、3-支撑架、4-电炉、5-还原气体进口、6-接料盒、7-光电感应器、8-石墨底座、9-试样、10-石墨坩锅、11-炉膛管、12-中心压杆、13-上盖、14-排气口、15-位移传感器、16-液压缸、17-热电偶、18-通气管、19-质谱议。

具体实施方式

下面结合附图对本初渣实验炉作进一步解释说明：

参照图1，包括安装在支撑架3上的设有炉膛管11的电炉4和配气柜1，所述炉膛管11内设有位于石墨底座8上的石墨坩埚10，石墨坩埚10上端设有中心压杆12，所述中心压杆12上端穿过炉膛管11并插设有热电偶17，炉膛管11内的中心压杆12连接有液压缸16，所述炉膛管11上端设上盖13并设排气口14及位移传感器15，下端设接料盒6，并通有还原气体进口5与配气柜1连通，所述还原气体进口5与配气柜1的连接管路上设压差变送器2。所述排气口14经通气管18与质谱仪19连接。所述接料盒6上还设有用于感应试样滴落物的光电感应器7。

初渣炉的炉膛周缘装U型硅钼棒发热元件，在电压作用下硅钼棒发热并向炉膛管内供热，利用控制柜装有的智能控温仪表，按照预先设定各段时间内应到达的指定温度控制电炉升温。

实验方法实施例：

试样准备：

按照如下方案准备了8种炉料结构分别作为试样进行实验，百分数为质量百分比：

(1)100％酸性球团矿

(2)100％澳大利亚块矿

(3)烧结矿75％，球团矿15％，5％澳矿，5％海南矿

(4)烧结矿65％，球团矿25％，5％澳矿，5％海南矿

(5)烧结矿55％，球团矿35％，5％澳矿，5％海南矿

(6)烧结矿45％，球团矿45％，5％澳矿，5％海南矿

(7)烧结矿35％，球团矿55％，5％澳矿，5％海南矿

(8)100％高碱度烧结矿

实验条件如表1所示：

表1铁矿石初成渣形成实验条件

实验方法：

(1)先将粒度10～12mm的小颗粒焦炭铺入石墨坩埚9底部，铺入厚度为20mm，再称粒度为6.3-10mm的800克试样9装入石墨坩埚10中，高约100mm。在试样9上部再铺一层焦炭，厚度为20mm，压紧中心压杆12，并盖严上盖13，插好热电偶17，并装好位移传感器15；

(2)通电，按制定的升温程序控制初渣实验炉升温，热电偶17感应炉内温度，炉温达500℃时通N₂气保护，升温至900℃后改通含1～10％体积H₂的还原气体与试样反应，并点燃排气口煤气，试样料面的温度为900-1550℃。

(3)用热电偶17测定试样料面温度、位移传感器15测定料柱位移量、差压变送器2测定气体通过料柱的压差值，用质谱仪19在线分析排气口14排出的还原后气体(即煤气)成份并送至计算机分析，试样9在受热、受压、还原的过程中，将发生失重、软化和熔化，最后滴落，用接料盒6收集熔化滴落的初渣，同时用光电感应器7感应报警并记录滴落温度。

(4)收集3～4次滴落物后停还原气体，改通N₂保护，切断电源，由接料盒6卸料后获得初渣并分析其化学成份并进行微观检测，根据上述检测得到的各项数据，计算机自动计算试样的软化开始温度、软化结束温度、熔化滴落温度、软化温度区间、软熔温度区间、压差积分值、高温还原性、直接还原度、间接还原度等表征高炉含铁炉料冶金性能和初成渣形成特点的各种指数。。

(5)以上述滴落的初渣作为基础渣配加未燃烧煤粉制备炉渣样品，之后实验测定它们的熔点、自由流动温度与粘度，其中，所述未燃煤粉的配比按下式计算：

U_b＝Q(1-η)(1-U_a)(1-U_c)                    (1)

A_c＝0.5QηA_d                               (2)

以上两式中，U_b为高炉初渣卷入的未燃烧煤粉量，kg/t铁；Q为喷煤量，kg/t铁，；η为风口前煤粉燃烧率；U_a为进入高炉终渣的未燃煤粉的百分比，取40-70质量％；U_c为参加直接还原与气化反应的未燃煤粉量，取40-70质量％；A_c为与高炉初渣接触的煤粉中的灰分量，kg/t铁；A_d为所喷吹煤粉中灰分含量，10.54％。本实施例中，按照煤比180kg/t铁，60质量％、70质量％、80质量％和100质量％四种煤粉燃烧率计算确定了初成渣中未燃煤粉的配比和煤灰的配比。

通过多次实验，并对与初渣有关的各种参数进行了分析比较，发现当球团矿配比从15质量％增加到25质量％和35质量％时，初渣中的FeO含量减少，软化区间和软熔区间变窄，透气阻力指数略有增加，而且在相同未燃煤含量时，增加球团矿配比，初渣的自由流动温度和熔点下降。由此证实，对于大量喷煤高炉，在一定范围内，适当增加球团矿配比对改善初渣流动性和热稳定性十分有利。

表2不同球团矿配比炉料的初成渣形成特性

表3不同球团矿配比炉料的初成渣粘度

表1和2中，3#-7#炉料的球团矿配比分别为15％、25％、35％、45％和55％，3#是当时高炉实际使用的炉料。由表1可知，与3#炉料比较，4#和5#炉料的滴落初成渣中的FeO含量明显减小，这表明球团矿配比增加10％-20％对改善炉料的高温还原性有利；由表2可知，混有未燃煤的初成渣的粘度，4#-7#炉料基本上都比3#炉料小，这说明在高炉大量喷吹煤粉时，增加球团矿配比有利于改善初成渣的流动性。由表1还可以看出，虽然增加球团矿配比一般会引起软化温度和滴落温度的降低，但球团矿配比25％-35％时，熔滴性能并没有明显的变化，仍在控制范围内。

根据以上对初渣有关的各种参数进行的综合分析，制定出如下炉料结构优化方案：质量百分比为天然块矿配比10％(即澳矿及海南矿)、球团矿配比为25％～35％、高碱度烧结矿配比为65％～55％。

发明人采用传统的熔滴实验条件及方法对烧结矿的炉料结构进行了软熔温度和透气性的测定，发现与采用本发明实验方法相比对同一试样采用不同实验方法结果大有不同，表2显示了一种烧结矿的对比。

表4实验条件对铁矿石软熔性能测定结果的影响

	软化开始温度/℃	软化结束温度/℃	滴落开始温度/℃	软化区间/℃	软熔区间/℃	压差/Pa
							W厂五烧(低)	1228	1290	1454	62	164	33.15
W厂五烧(高)	1192	1270	1463	78	193	47.95

表2中，“W厂五烧(低)”代表传统熔滴实验的结果，“W厂五烧(高)”代表本发明实验的结果。其原因主要是初渣形成实验的煤气中CO含量远远高于熔滴实验(43％对30％)，升温制度也有较大区别。由于初渣形成实验的升温制度、煤气成分制度和荷重制定是模拟高炉条件制定的，因此用本发明初渣实验得到的软熔温度与透气性，比传统的熔滴实验更能说明炉料结构在高炉内的行为，对指导炉料结构的优化和高炉操作更有意义。

Claims (4)

1.一种初渣实验炉，包括设有炉膛管的电炉和配气柜，其特征在于，所述炉膛管内设有位于石墨底座上的石墨坩埚，石墨坩埚上端设有中心压杆，所述中心压杆上端穿过炉膛管并插设有热电偶，中心压杆上设料面荷重调整装置，所述炉膛管上端设上盖并设排气口及位移传感器，下端设接料盒并通过还原气体进口与配气柜连通，所述还原气体进口与配气柜的连接管路上设压差变送器，所述排气口经通气管与质谱仪连接，所述接料盒上还设有用于感应试样滴落初渣的光电感应器，所述料面荷重调整装置为液压缸，控制液压缸自动调整料面荷重。

2.一种高炉初渣实验方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)将粒度为6.3-10mm的试样投入权利要求1所述的初渣实验炉的石墨坩埚中，盖严上盖；

(2)通电，制定升温程序控制初渣实验炉升温，热电偶感应炉内温度，炉温达500℃时通N₂气保护，升温至900℃后改通含有体积百分比为1～10％氢的还原气体与试样反应，并点燃排气口煤气，试样料面的温度为900-1550℃；

(3)用热电偶测定试样料面温度、位移传感器测定料柱位移量、差压变送器测定气体通过料柱的压差值、利用质谱仪在线分析排气口排出的煤气成份，用接料盒收集试样熔化滴落的初渣，同时用光电感应器感应报警并记录滴落温度；

(4)收集3～4次滴落的初渣后停还原气体，改通N₂保护，切断电源，由接料盒卸料后获得初渣并分析其化学成份和进行微观检测。

3.如权利要求2所述的高炉初渣实验方法，其特征在于，还包括步骤(5)以上述滴落的初渣作为基础渣配加未燃烧煤粉制备炉渣样品，之后实验测定它们的熔点、自由流动温度与粘度，其中，所述未燃煤粉的配比按下式计算：

U_b＝Q(1-η)(1-U_a)(1-U_c)                    (1)

A_c＝0.5Q ηA_d                              (2)

以上两式中，U_b为高炉初渣卷入的未燃烧煤粉量，kg/t铁；Q为喷煤量，kg/t铁；η为风口前煤粉燃烧率；U_a为进入高炉终渣的未燃煤粉的百分比，可取40-70质量％；U_c为参加直接还原与气化反应的未燃煤粉量，取40-70质量％；A_c为与高炉初渣接触的煤粉中的灰分量，kg/t铁；A_d为所喷吹煤粉中灰分含量，质量％。

4.如权利要求2所述的高炉初渣实验方法，其特征在于，所述步骤(1)中试样的上下各铺有一层小颗粒焦炭，厚度均为20mm。

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