CN102494967A - 测量铁矿粉湿容量、水接触角和料层孔隙率的系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种测量铁矿粉湿容量、水接触角和料层孔隙率的系统及方法，该系统通过对系统结构和功能的改进，装置总体积更小，占用更少空间，使用和操作也更加方便，对测量条件的要求也更宽松，而且能够同时测量铁矿粉的湿容量、水接触角和料层孔隙率；该方法通过综合考虑容器所受浮力与固液界面张力的平衡、铁矿粉料层分布对液体吸收的影响以及铁矿粉吸收液体的过程控制准确度等因素，减小了偶然误差对测试结果的影响，使测量数据的重复性更强、准确性更高，从而能够为烧结混合料配水控制及造球工艺的提高提供更有利的数据信息基础。

Description

测量铁矿粉湿容量、水接触角和料层孔隙率的系统及方法

技术领域

本发明属于钢铁冶金领域，尤其涉及一种测量铁矿粉湿容量、水接触角和料层孔隙率的系统及方法。 

背景技术

钢铁冶金领域中，将铁矿粉、焦炭、熔剂等配水混合，通过圆筒混料机的制粒作用，获得具有一定粒度分布的混合料小球，然后在台车上通过抽风烧结最终获得高炉炼铁所需的烧结矿。该制粒过程中，配水量对混合料的造球行为，以及最终混合料小球的粒度分布有重要影响：随着水分的增大，混合料透气性增大，提高生产率；但若水分过大，将在烧结断面上形成过湿带，使料层阻力变大，同时使能源消耗上升；若水分过小，则影响混合料造球效果，直接影响烧结过程的透气性。因此，混合料水分控制的重要性是不言而喻的，适宜的配水量既能保证混合小球的强度和尺寸，又能最大程度上节约用水和减少烧结所需的配碳。 

我国绝大多数大型钢铁联合企业生产所需的铁矿石主要依靠进口。目前，随着优质铁矿石资源的不断减少和进口铁矿石价格的上涨，原料成本在格钢铁企业中所占的比例越来越高。钢铁企业为了缓解压力，不断的扩大原料的来源，很多种类的含铁物料被用到了烧结过程中，例如硫酸渣、转炉赤泥、高磷矿、铁品位矿等，造成了目前烧结所用原料种类繁多、成分波动大，影响着烧结工序的经济效益。原料的不稳定性给混合料制粒过程最佳配水量的选择带来困难。然而，在烧结混合料中，铁矿粉的湿容量、水接触角、料层孔隙率等湿润性参数对混合料的配水量以及造球强度和尺寸有着决定性的影响，如果能够测算和掌握所用铁矿粉原料的这些湿润性参数，便能够为烧结混合料配水控制及造球工艺的提高提供有利的数据基础。本申请人的团队研究出了一种测量铁矿粉湿容量及测算烧结混合料配水量的方法，并就该方法在我国申请了发明专利，专利号为ZL200910104357.3。其中公布的方法及其使用的装置已经能够在工业控制程度上实现铁矿粉湿容量的测量即烧结混合料料配水量的测算，但经过后期研究和反复试验，发现其测量和测算结果的重复性还不够强、准确性还不够高，所采用的装置体积庞大，测量操作不太方便，并且测量和测算结果的重复性不够强、准确性不够高，其所采用的装置及方法都有待改进，也没有能够同时测量获得铁矿粉的水接触角和料层孔隙率，因此对烧结混合料配水控制及造球工艺的提 高帮助有限。 

发明内容

针对上述问题，本发明的目的在于提供一种测量铁矿粉湿容量、水接触角和料层孔隙率的系统，通过对系统结构和功能的改进，装置总体积更小，占用更少空间，使用和操作也更加方便，对测量条件的要求也更宽松，而且能够同时测量铁矿粉的湿容量、水接触角和料层孔隙率。为实现该目的，本发明采用了如下的技术手段： 

测量铁矿粉湿容量、水接触角和料层孔隙率的系统，包括饱和吸液量检测装置和计算机； 

所述饱和吸液量检测装置主要由水槽、圆筒容器和电子天平构成；所述电子天平设置于水槽的上方，电子天平的称重盘通过挂绳连接有低位挂钩和高位挂钩，所述低位挂钩能够升降调节其挂钩高度，所述高位挂钩位于低位挂钩的上方；所述圆筒容器主要由一竖直放置的圆筒以及圆筒下端口平铺绷制的滤纸构成，圆筒容器的上方设有吊绳并能够通过吊绳吊挂在与电子天平的称重连接的低位挂钩或高位挂钩上；所述水槽能够容纳圆筒容器伸入水槽中； 

所述计算机的数据输入端与饱和吸液量检测装置中电子天平的测量数据输出端相连，计算机根据饱和吸液量检测装置检测的质量为M的待测铁矿粉吸收环己烷的饱和吸液量m₀以及质量为M的待测铁矿粉吸收水的饱和吸液量m_w测算出待测铁矿粉的湿容量Mc、水接触角θ_w和料层孔隙率 

其中， 

待测铁矿粉湿容量Mc的求取公式为： 

$\mathrm{Mc}=\frac{m_w}{M}\·100\%;$

待测铁矿粉水接触角θ_w的求取公式为： 

${\mathrm{\θ}}_w=\arccos \left(\frac{{\mathrm{\ρ}}_0^2\·{\mathrm{\γ}}_0\·{\mathrm{\μ}}_w\·m_w^2\·t_0}{{\mathrm{\ρ}}_w^2\·{\mathrm{\γ}}_w\·{\mathrm{\μ}}_0\·m_0^2\·t_w}\right);$

待测铁矿粉料层孔隙率 

的求取公式为： 

其中，ρ₀、γ₀、μ₀分别为环己烷的密度、表面张力和粘度，t₀为质量为M的待测铁矿粉吸收环己烷直至饱和所经历的时长；ρ_w、γ_w、μ_w分别为水的密度、表面张力和粘度，t_w为质量为M的待测铁矿粉吸收水直至饱和所经历的时长；V为质量为M的待测铁矿粉 堆设的料层的体积。 

上述的测量铁矿粉湿容量、水接触角和料层孔隙率的系统中，作为一种优化，所述圆筒容器的圆筒直径在5～20厘米之间。 

上述的测量铁矿粉湿容量、水接触角和料层孔隙率的系统中，作为一种优化，所述圆筒容器的圆筒下端口还扣接有网板，所述滤纸平铺绷制于圆筒下端口与网板之间。 

本发明的另一目的在于提供相应的测量铁矿粉湿容量、水接触角和料层孔隙率的方法，该方法通过综合考虑容器所受浮力与固液界面张力的平衡、铁矿粉料层分布对液体吸收的影响以及铁矿粉吸收液体的过程控制准确度等因素，减小了偶然误差对测试结果的影响，使测量数据的重复性更强、准确性更高。本发明为目的而采用的技术手段如下： 

测量铁矿粉湿容量、水接触角和料层孔隙率的方法，采用如上所述测量铁矿粉湿容量、水接触角和料层孔隙率的系统进行测量，具体包括如下步骤： 

A)用环己烷和水分别作为测试液体，测量质量为M的待测铁矿粉吸收环己烷的饱和吸液量m₀和吸收环己烷直至饱和所经历的时长t₀，以及测量质量为M的待测铁矿粉吸收水的饱和吸液量m_w和吸收水直至饱和所经历的时长t_w；每次测量质量为M的待测铁矿粉吸收测试液体的饱和吸液量和吸收测试液体直至饱和所经历的时长的具体方法为： 

a1)在水槽中盛装测试液体，取干净滤纸平铺绷制于圆筒容器的圆筒下端口，将圆筒容器底部的滤纸浸泡入测试液体中，让滤纸吸收测试液体至完全饱和； 

a2)将圆筒容器吊挂在电子天平连接的低位挂钩上称量，保证圆筒容器的下表面脱离水槽中的测试液体，待电子天平的测量示数稳定后，将电子天平置零；然后调节低位挂钩的挂钩高度使圆筒容器向下运动，当圆筒容器的底部接触水槽中测试液体的表面时电子天平的测量示数增大，随后电子天平的测量示数随圆筒容器继续向下运动而逐渐减小，当电子天平的测量示数减小为零时固定低位挂钩的高度； 

a3)从低位挂钩上取下圆筒容器，另称取干燥的质量为M的待测铁矿粉装入圆筒容器，使其在圆筒容器内均匀堆放，然后将装有待测铁矿粉的圆筒容器吊挂在电子天平连接的高位挂钩上称量，保证圆筒容器的下表面脱离水槽中的测试液体，待电子天平的测量示数稳定后，将电子天平置零； 

a4)再将装有待测铁矿粉的圆筒容器吊挂在固定高度的低位挂钩上称量，此时计算机开始计时并记录电子天平的测量数据，随时间变化，待测铁矿粉吸收测试液体，电子天平的测量示数逐渐增大，当电子天平的测量示数稳定后待测铁矿粉吸收测试液体至饱和，此时电子天平的测量示数即为质量为M的待测铁矿粉吸收测试液体的饱和吸液量，由计算机根据记录的数据计算出质量为M的待测铁矿粉吸收测试液体直至饱和所经历的时长； 

B)测量质量为M的待测铁矿粉堆设的料层的体积V，并输入至计算机，由计算机测算出待测铁矿粉的湿容量Mc、水接触角θ_w和料层孔隙率 

其中， 

待测铁矿粉湿容量Mc的求取公式为： 

$\mathrm{Mc}=\frac{m_w}{M}\·100\%;$

待测铁矿粉水接触角θ_w的求取公式为： 

${\mathrm{\θ}}_w=\arccos \left(\frac{{\mathrm{\ρ}}_0^2\·{\mathrm{\γ}}_0\·{\mathrm{\μ}}_w\·m_w^2\·t_0}{{\mathrm{\ρ}}_w^2\·{\mathrm{\γ}}_w\·{\mathrm{\μ}}_0\·m_0^2\·t_w}\right);$

待测铁矿粉料层孔隙率 的求取公式为： 

其中，ρ₀、γ₀、μ₀分别为环己烷的密度、表面张力和粘度；ρ_w、γ_w、μ_w分别为水的密度、表面张力和粘度。 

综上所述，相比于现有技术，本发明提供的测量铁矿粉湿容量、水接触角和料层孔隙率的系统及方法的有益效果在于，通过对系统结构和功能的改进，以及对测量过程中多方面影响因素的考量和改进，使得系统所用装置总体积更小，占用更少空间，使用和操作也更加方便，对测量条件的要求也更宽松，而且除了测量铁矿粉的湿容量之外，还能够同时测量铁矿粉的水接触角和料层孔隙率，并且提高了测量数据的重复性和准确性，能够为烧结混合料配水控制及造球工艺的提高提供更有利的数据信息基础。 

附图说明

图1为本发明测量铁矿粉湿容量、水接触角和料层孔隙率的系统结构示意图； 

图2为本发明实施例中铁矿粉I分别吸收环己烷、水的吸液量-时间曲线图； 

图3为本发明实施例中铁矿粉II分别吸收环己烷、水的吸液量-时间曲线图。 

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步的说明。 

参见图1。本发明提供的测量铁矿粉湿容量、水接触角和料层孔隙率的系统，主要包括有饱和吸液量检测装置10和计算机20。系统中的饱和吸液量检测装置10主要由水槽11、圆筒容器12和电子天平13构成；电子天平13设置于水槽11的上方，电子天平13的称重盘通过挂绳连接有低位挂钩15和高位挂钩14，低位挂钩15能够升降调节其挂钩高度，高 位挂钩14位于低位挂钩的上方；圆筒容器12主要由一竖直放置的圆筒以及圆筒下端口平铺绷制的滤纸构成，圆筒容器12的上方设有吊绳16并能够通过吊绳16吊挂在与电子天平13的称重连接的低位挂钩15或高位挂钩14上；水槽11能够容纳圆筒容器12伸入水槽中。饱和吸液量检测装置中，圆筒容器的圆筒直径最好在5～20厘米之间；如果圆筒直径过小，圆筒容器与液体接触的固液边缘效应对水接触角的测量影响较大，影响其测量准确性；如果圆筒直径过大，则测试所需的铁矿粉用量也随之增加，产生不必要的浪费。考虑到滤纸的强度和承载能力有限，最为改进方案，圆筒容器的圆筒下端口还可以扣接一网板，滤纸平铺绷制于圆筒下端口与网板之间，这样滤纸可以透过网板的网孔吸水，同时网板又增强了圆筒容器的承载强度和承载量；网板与圆筒下端口采用扣接方式，方便于将网板从圆筒下端口取下而更换滤纸。能够升降调节其挂钩高度的低位挂钩，其具体结构可以是多种形式的，作为一种举例，例如低位挂钩可以由螺杆、螺母以及承载在螺母上的挂钩架构成，旋转调节螺母在螺杆上的位置，即可带动螺母上承载的挂钩架进行升降调节，从而调节挂钩高度；当然，本领域技术人员可以根据其已有技术知识设计出其它结构的低位挂钩，使之能够升降调节其挂钩高度。饱和吸液量检测装置中的水槽采用普通盛水容器即可，只需要保证水槽的大小能够容纳圆筒容器伸入水槽中就可以了；如果在条件允许的情况下，水槽最好是由透明材料制成的，便于观测；还可以在水槽侧边设置入水口和出水口，方便在不移动、不翻倒水槽的情况下更换水槽中盛装的液体。系统中，计算机20的数据输入端与饱和吸液量检测装置10中电子天平13的测量数据输出端相连，计算机20根据饱和吸液量检测装置10检测的质量为M的待测铁矿粉吸收环己烷的饱和吸液量m₀以及质量为M的待测铁矿粉吸收水的饱和吸液量m_w测算出待测铁矿粉的湿容量Mc、水接触角θ_w和料层孔隙率 

其中， 

待测铁矿粉湿容量Mc的求取公式为： 

$\mathrm{Mc}=\frac{m_w}{M}\·100\%;$

待测铁矿粉水接触角θ_w的求取公式为： 

${\mathrm{\θ}}_w=\arccos \left(\frac{{\mathrm{\ρ}}_0^2\·{\mathrm{\γ}}_0\·{\mathrm{\μ}}_w\·m_w^2\·t_0}{{\mathrm{\ρ}}_w^2\·{\mathrm{\γ}}_w\·{\mathrm{\μ}}_0\·m_0^2\·t_w}\right);$

待测铁矿粉料层孔隙率 

的求取公式为： 

其中，ρ₀、γ₀、μ₀分别为环己烷的密度、表面张力和粘度，t₀为质量为M的待测铁 矿粉吸收环己烷直至饱和所经历的时长；ρ_w、γ_w、μ_w分别为水的密度、表面张力和粘度，t_w为质量为M的待测铁矿粉吸收水直至饱和所经历的时长；V为质量为M的待测铁矿粉堆设的料层的体积。M表示的是测试过程中所称取的待测铁矿粉质量，通常情况下M在100～500克范围内取值即可。环己烷和水的密度、表面张力和粘度可以预先测取并记录在计算机中作为备用参数，或者通过教科书或相关技术资料查询获得。本发明之所以会用到环己烷，是因为领域内通常将环己烷认定为铁矿粉的完美润湿体，因此在工业技术领域内通常取铁矿粉与环己烷的接触角θ₀＝0°；本发明正需要利用铁矿粉与环己烷的接触角为零度的特性测量铁矿粉的水接触角，具体在方法流程中作进一步的说明。 

从本发明测量铁矿粉湿容量、水接触角和料层孔隙率的系统结构可以看到，与申请人在此前专利ZL200910104357.3中所采用的装置相比，水槽采用普通容器即可，而不必要采用U形水槽，这样使得装置总体积减小了，占用更少空间使用和操作也更加方便；并且本发明系统中，水槽中盛装液体的量可以是任意的，不影响测试的进行，因此也不必要如此前专利中那样用储水箱时刻控制水槽中液体的液面高度，测量条件的要求也更宽松；更值得说明的是，本发明的系统中，饱和吸液量检测装置中设置有低位挂钩和高位挂钩，且低位挂钩能够升降调节其挂钩高度，这一结构能够为更准确的数据测量提供保证，在方法流程中会进行进一步的说明。 

利用本发明提供的测量铁矿粉湿容量、水接触角和料层孔隙率的系统，可以对不同种类的铁矿粉进行湿容量、水接触角和料层孔隙率的测量，其测量的具体流程如下： 

A)用环己烷和水分别作为测试液体，测量质量为M的待测铁矿粉吸收环己烷的饱和吸液量m₀和吸收环己烷直至饱和所经历的时长t₀，以及测量质量为M的待测铁矿粉吸收水的饱和吸液量m_w和吸收水直至饱和所经历的时长t_w。每次测量质量为M的待测铁矿粉吸收测试液体的饱和吸液量和吸收测试液体直至饱和所经历的时长的具体方法为： 

a1)在水槽中盛装测试液体，取干净滤纸平铺绷制于圆筒容器的圆筒下端口，将圆筒容器底部的滤纸浸泡入测试液体中，让滤纸吸收测试液体至完全饱和。 

a2)将圆筒容器吊挂在电子天平连接的低位挂钩上称量，保证圆筒容器的下表面脱离水槽中的测试液体，待电子天平的测量示数稳定后，将电子天平置零；然后调节低位挂钩的挂钩高度使圆筒容器向下运动，当圆筒容器的底部接触水槽中测试液体的表面时电子天平的测量示数增大，随后电子天平的测量示数随圆筒容器继续向下运动而逐渐减小，当电子天平的测量示数减小为零时固定低位挂钩的高度。 

该步骤中，先将电子天平置零，目的是以电子天平的零刻度作为圆筒容器所受外力平 衡的平衡标记，由于将电子天平置零时圆筒容器的下表面脱离测试液体，不会受到测试液体的浮力和表面张力作用，仅受到圆筒容器重力和电子天平拉力作用，因此将电子天平置零时电子天平拉力与圆筒容器重力相等，二者达到力平衡。然后，调节低位挂钩的挂钩高度使圆筒容器向下运动，向下运动过程中，在圆筒容器的底部尚未接触到水槽中的测试液体时，电子天平的测量示数均保持为零，当圆筒容器的底部接触水槽中测试液体的表面时，由于圆筒容器的底部受到固液界面张力向下的力作用，因此电子天平的测量示数增大，随后，圆筒容器继续向下运动，因圆筒容器的底部开始排开一定体积的测试液体，从而测试液体对圆筒容器产生向上的浮力，且圆筒容器越向下运动其受到的浮力越大，浮力逐渐抵消掉圆筒容器受到的固液界面张力作用，因此电子天平的测量示数又随圆筒容器继续向下运动而逐渐减小；当电子天平的测量示数减小为零时固定低位挂钩的高度，电子天平的测量示数为零即表示圆筒容器所受外力再次平衡，而由于此时圆筒容器所受外力除了电子天平拉力和圆筒容器重力外，还有其所受浮力与固液界面张力，又因为此前对电子天平置零使得电子天平测量示数为零时的电子天平拉力与圆筒容器重力相等，因此此时刻所固定低位挂钩的高度，使得圆筒容器吊挂在低位挂钩状态下圆筒容器所受浮力与固液界面张力相等。 

a3)从低位挂钩上取下圆筒容器，另称取干燥的质量为M的待测铁矿粉装入圆筒容器，使其在圆筒容器内均匀堆放，然后将装有待测铁矿粉的圆筒容器吊挂在电子天平连接的高位挂钩上称量，保证圆筒容器的下表面脱离水槽中的测试液体，待电子天平的测量示数稳定后，将电子天平置零。 

该步骤中，M可以在圆筒容器可承载的范围内任意取值，通常情况下M取值在100～500克范围内；而让待测铁矿粉在圆筒容器内均匀堆放，是指让待测铁矿粉在圆筒容器内各处堆放的厚度基本相同，这主要是为了避免铁矿粉料层堆放厚度不均而在吸收测试液体过程中出现不同情况的局部塌陷，这种局部塌陷会影响铁矿粉湿容量和料层孔隙率的检测精度以及检测重复性，因此避免这种影响；同时，让待测铁矿粉在圆筒容器内均匀堆放也更便于测算其料层的体积。然后，将装有待测铁矿粉的圆筒容器吊挂在电子天平连接的高位挂钩上称量，保证圆筒容器的下表面脱离水槽中的测试液体，待电子天平的测量示数稳定后，将电子天平置零，此时将电子天平再次置零，是为了以电子天平此时的零刻度表明电子天平的拉力与装有干燥的待测铁矿粉的圆筒容器的重力相等。 

a4)再将装有待测铁矿粉的圆筒容器吊挂在固定高度的低位挂钩上称量，此时计算机开始计时并记录电子天平的测量数据，随时间变化，待测铁矿粉吸收测试液体，电子天平的测量示数逐渐增大，当电子天平的测量示数稳定后待测铁矿粉吸收测试液体至饱和，此 时电子天平的测量示数即为质量为M的待测铁矿粉吸收测试液体的饱和吸液量，由计算机根据记录的数据计算出质量为M的待测铁矿粉吸收测试液体直至饱和所经历的时长。 

将装有待测铁矿粉的圆筒容器吊挂在固定高度的低位挂钩上称量时，计算机开始计时并记录电子天平的测量数据，是因为此前固定高度的低位挂钩位置使得圆筒容器吊挂低位挂钩状态下圆筒容器底部接触测试液体且其所受浮力与固液界面张力相等，而且圆筒容器刚挂上低位挂钩时其内盛装的待测铁矿粉还未开始吸收水槽中的测试液体，电子天平的拉力依然等于装有干燥的待测铁矿粉的圆筒容器的重力，因此圆筒容器刚挂上低位挂钩时电子天平的测量示数还是为零，此时计算机开始计时，用以作为记录待测铁矿粉吸收测试液体直至饱和所经历的时长的计时起始点，同时计算机记录电子天平的测量数据，以记录待测铁矿粉的吸液量变化情况。而后待测铁矿粉吸开始收测试液体，电子天平的测量示数逐渐增大，当电子天平的测量示数稳定、不在增大后，即表明质量为M的待测铁矿粉吸收测试液体已达到饱和，这时电子天平的测量示数即为质量为M的待测铁矿粉吸收测试液体的饱和吸液量，计算机即可记录的待测铁矿粉吸液量数据变化情况计算出质量为M的待测铁矿粉吸收测试液体直至饱和所经历的时长。 

用环己烷和水分别作为测试液体，分别按步骤a1～a4)进行测量操作。用环己烷作为测试液体完成步骤a1～a4)，即可测量获得质量为M的待测铁矿粉吸收环己烷的饱和吸液量m₀和吸收环己烷直至饱和所经历的时长t₀；用水作为测试液体完成步骤a1～a4)，即可测量获得质量为M的待测铁矿粉吸收水的饱和吸液量m_w和吸收水直至饱和所经历的时长t_w。至此，步骤A)得以完成。 

B)测量质量为M的待测铁矿粉堆设的料层的体积V，并输入至计算机，由计算机测算出待测铁矿粉的湿容量Mc、水接触角θ_w和料层孔隙率 

其中： 

待测铁矿粉湿容量Mc的求取公式为： 

$\mathrm{Mc}=\frac{m_w}{M}\·100\%;$

待测铁矿粉水接触角θ_w的求取公式为： 

${\mathrm{\θ}}_w=\arccos \left(\frac{{\mathrm{\ρ}}_0^2\·{\mathrm{\γ}}_0\·{\mathrm{\μ}}_w\·m_w^2\·t_0}{{\mathrm{\ρ}}_w^2\·{\mathrm{\γ}}_w\·{\mathrm{\μ}}_0\·m_0^2\·t_w}\right);$

待测铁矿粉料层孔隙率 的求取公式为： 

其中，ρ₀、γ₀、μ₀分别为环己烷的密度、表面张力和粘度；ρ_w、γ_w、μ_w分别为水的 密度、表面张力和粘度。 

铁矿粉的湿容量Mc即表示铁矿粉饱和吸液量占铁矿粉自身重量的百分比；铁矿粉的料层孔隙率 

则将铁矿粉吸液饱和时其中所含液体的体积考虑为空隙所占体积，由此来测算孔隙率；这在两个相关公式中都表示得较为明确。 

对于待测铁矿粉水接触角θ_w的求取需要加以说明。渗透质量法测量铁矿粉与液体之间的接触角过程中，铁矿粉料层吸收液体质量m随时间t变化的关系如下： 

$\frac{m^2}{t}=\frac{{\mathrm{\ρ}}^2\·\mathrm{\γ}\·\cos \mathrm{\θ}}{2\mathrm{\μ}}\·f;$

该关系式中，ρ、γ、μ分别铁矿粉表示所吸收液体的密度、表面张力和粘度，f表示铁矿粉所堆设料层的结构参数。因此，质量为M的待测铁矿粉吸收环己烷的饱和吸液量m₀和吸收环己烷直至饱和所经历的时长t₀之间有： 

$\frac{m_0^2}{t_0}=\frac{{\mathrm{\ρ}}_0^2\·{\mathrm{\γ}}_0\·\cos {\mathrm{\θ}}_0}{2{\mathrm{\μ}}_0}\·f_0;$

f₀表示以环己烷作为测试液体进行测试时，质量为M的待测铁矿粉在圆筒容器内均匀堆设的料层结构参数；ρ₀、γ₀、μ₀分别为环己烷的密度、表面张力和粘度。又由于前述所提及的通常取铁矿粉与环己烷的接触角θ₀＝0°，因此cosθ₀＝1，则有： 

$\frac{m_0^2}{t_0}=\frac{{\mathrm{\ρ}}_0^2\·{\mathrm{\γ}}_0}{2{\mathrm{\μ}}_0}\·f_0.$

质量为M的待测铁矿粉吸收水的饱和吸液量m_w和吸收水直至饱和所经历的时长t_w之间有： 

$\frac{m_w^2}{t_w}=\frac{{\mathrm{\ρ}}_w^2\·{\mathrm{\γ}}_w\·\cos {\mathrm{\θ}}_w}{2{\mathrm{\μ}}_w}\·f_w;$

f_w表示以水作为测试液体进行测试时，质量为M的待测铁矿粉在圆筒容器内均匀堆设的料层结构参数；ρ_w、γ_w、μ_w分别为水的密度、表面张力和粘度。 

对于相同质量的同种铁矿粉在同一容器内均匀堆设的料层结构参数可以认为是相同的，即有f_w＝f₀，进而由上述几个关系式转换可得待测铁矿粉水接触角θ_w的求取公式： 

${\mathrm{\θ}}_w=\arccos \left(\frac{{\mathrm{\ρ}}_0^2\·{\mathrm{\γ}}_0\·{\mathrm{\μ}}_w\·m_w^2\·t_0}{{\mathrm{\ρ}}_w^2\·{\mathrm{\γ}}_w\·{\mathrm{\μ}}_0\·m_0^2\·t_w}\right).$

通过上述方法可见，本发明测量铁矿粉湿容量、水接触角和料层孔隙率的方法中，仅通过测量铁矿粉针对环己烷和水的饱和吸液量和吸收液体直至饱和所经历的时长，就可以 同时获得铁矿粉湿容量、水接触角和料层孔隙率，测试操作处理比较简便。在操作过程中，本发明方法综合考虑了圆筒容器所受浮力与固液界面张力的平衡以及铁矿粉料层分布对液体吸收的影响，使测量数据的重复性更强、准确性更高。此外，本申请人在先专利ZL200910104357.3中提供的测量方法中，是先在圆筒容器中加入铁矿粉、再测量确定圆筒容器所受浮力与固液界面张力的平衡位置点、而后开始对铁矿粉吸收液体的过程加以计时，在其测量平衡位置点的过程中铁矿粉就有可能已经开始吸收一部分液体，因此在确定平衡位置点后才开始对铁矿粉吸收液体过程计时，有可能引起铁矿粉吸收测试液体直至饱和所经历的时长的计时误差，从而影响待测铁矿粉水接触角θ_w的测量准确性；而本发明方法通过步骤a2)先测量确定了圆筒容器所受浮力与固液界面张力的平衡位置点，再在步骤a3)中放入待测铁矿粉并在铁矿粉与测试液体接触的开始即对铁矿粉吸收液体的过程加以计时，由此可见，本发明方法提高了铁矿粉吸收液体的过程控制准确度，避免了现有技术中存在的误差，也进一步的提高了待测铁矿粉水接触角θ_w的测量准确性。 

实施例： 

下面以两种不同的铁矿粉为例，分别记为铁矿粉I和铁矿粉II，用本发明的系统及方法分别测量该两种铁矿粉的湿容量、水接触角和料层孔隙率。在室温25℃的环境下，分别测得环乙烷和水的密度、表面张力和粘度值如表1所示，将这些数据存入本发明系统的计算机中作为备用数据。 

表1 

一、测量铁矿粉I的湿容量、水接触角和料层孔隙率： 

测试环境的温度为25℃，利用本发明测量铁矿粉湿容量、水接触角和料层孔隙率的系统，采用本发明的方法，先按照步骤A，用环己烷和水分别作为测试液体，测量铁矿粉I的吸收测试液体的饱和吸液量和吸收测试液体直至饱和所经历的时长，每次测量所称取铁矿粉I的质量为200g；由计算机记录的200g铁矿粉I的吸液量-时间曲线图如图2所示，图2中的曲线①为200g铁矿粉I吸收环己烷的吸液量-时间曲线，图2中的曲线②为200g铁矿粉I吸收水的吸液量-时间曲线。根据图2所示的吸液量-时间曲线图可得，200g铁矿粉I吸收环己烷的饱和吸液量m_0，I＝14.78g，吸收环己烷直至饱和所经历的时长t_0，I＝402s；200g铁矿粉I吸收水的饱和吸液量m_w，I＝18.24g，吸收水直至饱和所经历的时长t_w，I＝596s。然后再按照本 发明方法的步骤B，测得200g铁矿粉I的堆设的料层体积为48.56cm³，再由计算机测算出待测铁矿粉I的湿容量Mc_I、水接触角θ_w，I和料层孔隙率 

测算结果如表2所示。 

表2 

二、测量铁矿粉II的湿容量、水接触角和料层孔隙率： 

测试环境的温度为25℃，利用本发明测量铁矿粉湿容量、水接触角和料层孔隙率的系统及方法，先按照本发明方法的步骤A，用环己烷和水分别作为测试液体，测量铁矿粉II的吸收测试液体的饱和吸液量和吸收测试液体直至饱和所经历的时长，每次测量所称取铁矿粉II的质量为200g；由计算机记录的200g铁矿粉II的吸液量-时间曲线图如图3所示，图3中的曲线①为200g铁矿粉II吸收环己烷的吸液量-时间曲线，图3中的曲线②为200g铁矿粉II吸收水的吸液量-时间曲线。根据图3所示的吸液量-时间曲线图可得，200g铁矿粉II吸收环己烷的饱和吸液量m_0，II＝18.20g，吸收环己烷直至饱和所经历的时长t_0，II＝252s；200g铁矿粉II吸收水的饱和吸液量m_w，II＝22.24g，吸收水直至饱和所经历的时长t_w，II＝441s。然后再按照本发明方法的步骤B，测得200g铁矿粉II的堆设的料层体积为53.16cm³，再由计算机测算出待测铁矿粉II的湿容量Mc_II、水接触角θ_w，II和料层孔隙率 测算结果如表3所示。 

表3 

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。 

Claims (4)

1.测量铁矿粉湿容量、水接触角和料层孔隙率的系统，其特征在于，包括饱和吸液量检测装置和计算机；

所述饱和吸液量检测装置主要由水槽、圆筒容器和电子天平构成；所述电子天平设置于水槽的上方，电子天平的称重盘通过挂绳连接有低位挂钩和高位挂钩，所述低位挂钩能够升降调节其挂钩高度，所述高位挂钩位于低位挂钩的上方；所述圆筒容器主要由一竖直放置的圆筒以及圆筒下端口平铺绷制的滤纸构成，圆筒容器的上方设有吊绳并能够通过吊绳吊挂在与电子天平的称重连接的低位挂钩或高位挂钩上；所述水槽能够容纳圆筒容器伸入水槽中；

所述计算机的数据输入端与饱和吸液量检测装置中电子天平的测量数据输出端相连，计算机根据饱和吸液量检测装置检测的质量为M的待测铁矿粉吸收环己烷的饱和吸液量m₀以及质量为M的待测铁矿粉吸收水的饱和吸液量m_w测算出待测铁矿粉的湿容量Mc、水接触角θ_w和料层孔隙率

其中，

待测铁矿粉湿容量Mc的求取公式为：

$\mathrm{Mc}=\frac{m_w}{M}\·100\%;$

待测铁矿粉水接触角θ_w的求取公式为：

${\mathrm{\θ}}_w=\arccos \left(\frac{{\mathrm{\ρ}}_0^2\·{\mathrm{\γ}}_0\·{\mathrm{\μ}}_w\·m_w^2\·t_0}{{\mathrm{\ρ}}_w^2\·{\mathrm{\γ}}_w\·{\mathrm{\μ}}_0\·m_0^2\·t_w}\right);$

待测铁矿粉料层孔隙率

的求取公式为：

其中，ρ₀、γ₀、μ₀分别为环己烷的密度、表面张力和粘度，t₀为质量为M的待测铁矿粉吸收环己烷直至饱和所经历的时长；ρ_w、γ_w、μ_w分别为水的密度、表面张力和粘度，t_w为质量为M的待测铁矿粉吸收水直至饱和所经历的时长；V为质量为M的待测铁矿粉堆设的料层的体积。

2.根据权利要求1所述的测量铁矿粉湿容量、水接触角和料层孔隙率的系统，其特征在于，所述圆筒容器的圆筒直径在5～20厘米之间。

3.根据权利要求1所述的测量铁矿粉湿容量、水接触角和料层孔隙率的系统，其特征在于，所述圆筒容器的圆筒下端口还扣接有网板，所述滤纸平铺绷制于圆筒下端口与网板之间。

4.测量铁矿粉湿容量、水接触角和料层孔隙率的方法，其特征在于，采用如权利要求1～3中任一项所述测量铁矿粉湿容量、水接触角和料层孔隙率的系统进行测量，具体包括如下步骤：

A)用环己烷和水分别作为测试液体，测量质量为M的待测铁矿粉吸收环己烷的饱和吸液量m₀和吸收环己烷直至饱和所经历的时长t₀，以及测量质量为M的待测铁矿粉吸收水的饱和吸液量m_w和吸收水直至饱和所经历的时长t_w；每次测量质量为M的待测铁矿粉吸收测试液体的饱和吸液量和吸收测试液体直至饱和所经历的时长的具体方法为：

a1)在水槽中盛装测试液体，取干净滤纸平铺绷制于圆筒容器的圆筒下端口，将圆筒容器底部的滤纸浸泡入测试液体中，让滤纸吸收测试液体至完全饱和；

a2)将圆筒容器吊挂在电子天平连接的低位挂钩上称量，保证圆筒容器的下表面脱离水槽中的测试液体，待电子天平的测量示数稳定后，将电子天平置零；然后调节低位挂钩的挂钩高度使圆筒容器向下运动，当圆筒容器的底部接触水槽中测试液体的表面时电子天平的测量示数增大，随后电子天平的测量示数随圆筒容器继续向下运动而逐渐减小，当电子天平的测量示数减小为零时固定低位挂钩的高度；

a3)从低位挂钩上取下圆筒容器，另称取干燥的质量为M的待测铁矿粉装入圆筒容器，使其在圆筒容器内均匀堆放，然后将装有待测铁矿粉的圆筒容器吊挂在电子天平连接的高位挂钩上称量，保证圆筒容器的下表面脱离水槽中的测试液体，待电子天平的测量示数稳定后，将电子天平置零；

a4)再将装有待测铁矿粉的圆筒容器吊挂在固定高度的低位挂钩上称量，此时计算机开始计时并记录电子天平的测量数据，随时间变化，待测铁矿粉吸收测试液体，电子天平的测量示数逐渐增大，当电子天平的测量示数稳定后待测铁矿粉吸收测试液体至饱和，此时电子天平的测量示数即为质量为M的待测铁矿粉吸收测试液体的饱和吸液量，由计算机根据记录的数据计算出质量为M的待测铁矿粉吸收测试液体直至饱和所经历的时长；

B)测量质量为M的待测铁矿粉堆设的料层的体积V，并输入至计算机，由计算机测算出待测铁矿粉的湿容量Mc、水接触角θ_w和料层孔隙率

其中，

待测铁矿粉湿容量Mc的求取公式为：

$\mathrm{Mc}=\frac{m_w}{M}\·100\%;$

待测铁矿粉水接触角θ_w的求取公式为：

${\mathrm{\θ}}_w=\arccos \left(\frac{{\mathrm{\ρ}}_0^2\·{\mathrm{\γ}}_0\·{\mathrm{\μ}}_w\·m_w^2\·t_0}{{\mathrm{\ρ}}_w^2\·{\mathrm{\γ}}_w\·{\mathrm{\μ}}_0\·m_0^2\·t_w}\right);$

待测铁矿粉料层孔隙率

的求取公式为：

其中，ρ₀、γ₀、μ₀分别为环己烷的密度、表面张力和粘度；ρ_w、γ_w、μ_w分别为水的密度、表面张力和粘度。

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