CN103697696B - 模拟高炉固液气三相运行实验装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种模拟高炉固液气三相运行的实验装置及实验方法，该实验装置包括模拟高炉（1）、空气加热炉（2）、气瓶（3），其中，模拟高炉（1）上的围管（8）与空气加热炉（2）通过硅胶管连接，空气加热炉（2）与气瓶（3）用气管连接。本发明能够全面模拟高炉固液气三相运行的物理过程以及内部物料的运行情况，并且操作简单，实验原料廉价易得，模拟过程透明直观。

Description

模拟高炉固液气三相运行实验装置及方法

技术领域

本发明属于高炉炼铁技术领域，尤其涉及一种模拟高炉内部固液气三相运行情况的实验装置及方法。

背景技术

在高炉冶炼过程中，高炉内部炉料下降、气流上升，固液气三相物质在运动中进行复杂的变化。高炉是一个黑箱，科技工作者一直在研究和模拟其内部物料的运行情况。然而，国内文献公布的物理模型，一般只针对高炉冶炼中的某个过程，例如布料过程或炉缸底铁水流动，但还没有见到全面模拟高炉固液气三相运行的物理模型或实验装置的公开文献。

发明内容

为了克服上述现有技术中物理模型的不足，本发明提供了一种模拟高炉内部三相物质运行的装置及方法。该装置具有透明可视化的容器并且具有完整的模拟高炉各个部分的结构，能够全面模拟高炉固液气三相运行的物理过程以及内部物料的运行情况，具体地说，可模拟炉料下降、炉料软熔、渣铁形成、高炉出铁、气流上升等过程。

本发明采用如下技术方案来实现其目的：

本发明的模拟高炉内部固液气三相运行情况的实验装置包括一种模拟高炉内部固液气三相运行情况的实验装置，其特征在于，该实验装置包括模拟高炉本体的模拟高炉1、空气加热炉2、气瓶3，其中，模拟高炉1上设有围管8和与围管8连通的多个进气孔9，围管8与空气加热炉2连接，空气加热炉2与气瓶3连接。

模拟高炉1还可以设有出水口4、金属网5、加热管6、热电偶7；其中，加热管6和热电偶7位于模拟高炉1的下部，金属网5设置在模拟高炉1内部的下方，围管8设置在金属网5上方的模拟高炉1外周。

在本发明的实施例中，所述连接方式通过硅胶管连接或者管道连接。

在本发明的实施例中，所述模拟高炉1全高740-920mm，炉喉1-1直径170-190mm，炉身1-2高450-500mm，炉腰1-3直径250-300mm，炉腰1-3高50-80mm，炉腹1-4高70-100mm，炉缸1-5直径220-260mm，炉缸1-5高60-90mm。

在本发明的另一实施例中，所述模拟高炉1全高800mm，炉喉1-1直径180mm，炉身1-2高470mm，炉腰1-3直径280mm，炉腰1-3高60mm，炉腹1-4高80mm，炉缸1-5直径240mm，炉缸1-5高80mm。

所述模拟高炉1可以是透明容器或者半透明容器。

在本发明的实施例中，模拟高炉1模拟高炉本体，空气加热炉2模拟热风炉，出水口4模拟出铁口，金属网5用于承载实验原料，加热管6将水加热使实验原料融化，围管8模拟高炉热风围管，进气孔9模拟高炉风口。

根据本发明的另一方面，一种使用本发明的实验装置模拟高炉内部固液气三相运行情况的实验方法，该实验方法包括下述步骤：该实验方法包括下述步骤：（a）向模拟高炉（1）加水；（b）将实验原料模拟高炉布料的方式加入实验装置中；（c）通过空气加热炉（2）向模拟高炉（1）通入热空气；（d）将模拟高炉（1）中的水加热至实验原料熔点；（e）先将进气孔处的实验原料熔化，形成局部空腔；再由上至下逐渐融化并向下滴落至底部，使原料被部分溶解；（f）每隔一段时间，将熔化的原料从出水口（4）排出。

在本发明的一个实施例中，根据本发明的一个实施例的实验原料包括：冰糖，粒度为6～7mm，模拟焦炭；冰颗粒，粒度2～3mm，模拟烧结矿，其内核为植物油凝固颗粒，用于模拟烧结矿中的脉石；尿素，粒度1～2mm，模拟球团矿。

与现有技术相比，本发明的实验装置及方法的有益效果在于能够全面模拟高炉固液气三相运行的物理过程以及内部物料的运行情况，具体地说，可模拟炉料下降、炉料软熔、气流上升、渣铁形成、高炉出铁等过程。

附图说明

图1是本发明的示意性结构图。

具体实施方式

以下结合附图和示例性实施例详细描述本发明模拟高炉内部固液气三相运行情况的实验装置的设计原理和结构组成。

本发明的工作原理是，根据实际高炉中的结构以及实际高炉在炼铁过程中经历的各个过程利用本发明进行模拟实验。在实际高炉冶炼过程中，炉料不断下降，并与上升的高温煤气流相接触，矿石和熔剂被加热、分解、还原，经软化、熔融，最后形成铁水和熔渣，积存于炉缸，定期或连续排出炉外；焦炭则被氧化形成上升的煤气流。其中，炉料在各区内物理状态不同，运行特性也不一样。风口区以上属固-气二相区或固-气-液三相区。炉料运动指的是固体料的运行及其中矿石软熔后的流动状态；风口区以下的炉缸内，汇集流下的渣和铁因密度不同而分层存在(渣上铁下)，固态焦炭浸没在渣铁之中。随着冶炼进行，渣、铁层逐渐增厚并定期或连续排出，所以此区内的炉料运动主要指液态渣、铁的流动和焦炭的沉浮状态。固体料流受装料设备特性的限制，炉料入炉后料面呈中心低、边缘高的斜面。但由于风口上方的焦炭不断落入回旋区燃烧，而风口区位于炉子边缘，加上炉身逐渐扩展的形状影响，故边缘比中心下料快，使料层愈往下愈趋平坦，具体地说，一般炉喉下料快，进入炉身后随炉型扩展，速度减慢，软熔后速度又加快。此外，同一高度上径向不同点的料速不同。炉墙边缘处于风口焦炭燃烧区上方，下料最快；处于死料柱正上方的炉子中心区域下料最慢；中间区则介于两者之间。就整体而言，在炉身块状带，炉料大体上是呈活塞流动状态向下运行。

为了克服现有技术中的模型不能够完全模拟高炉炼铁过程的不足，并且根据实际高炉中的固液气三相运行的基本原理，提出了本发明，用于模拟炉内运行规律和高炉固液气三相运行规律，以进行实验研究。然而，本发明的构思不限于此，可以适用于任何炉型的模拟。

本发明提供的模拟高炉内部三相物质运行的装置主要包括：模拟高炉1、空气加热炉2、气瓶3。模拟高炉1模拟高炉本体，可从其上部加入实验原料；空气加热炉2模拟热风炉；出水口4模拟出铁口；金属网5用于承载实验原料；加热管6可将水加热，热水可使实验原料融化；围管8模拟高炉热风围管；进气孔9模拟高炉风口；用粒度为6～7mm的冰糖颗粒模拟焦炭、2～3mm冰颗粒模拟烧结矿、1～2mm的尿素颗粒模拟球团矿。冰颗粒内有植物油凝固颗粒，用于模拟烧结矿所含脉石。制作方法为凝结的植物油颗粒浸水后冷冻、破碎。

在实际高炉中，铁矿石在下降过程中被还原、软熔、形成渣铁。根据这一特点，利用含有植物油内核的冰颗粒模拟烧结矿，冰颗粒遇到热空气流而熔化出的水穿过料层滴落至装置底部。其植物油内核到达金属网5处，与热空气和60℃的温水接触并熔化为液体，漂浮于温水表面，这一过程模拟高炉渣铁的形成过程。

在实际高炉中，焦炭起到炉料骨架的作用，在下降过程中缓慢消耗。根据这一特点，利用冰糖颗粒模拟焦炭。在实验原料下降过程中，冰糖颗粒缓慢溶于水滴中，其固态可维持到装置金属网处。

尿素为圆滑颗粒，用于模拟球团矿，在下降过程中逐渐溶于水中，至消失。

此外，实际高炉存在风口循环区，本发明的实验装置的进气孔9模拟风口，进入的热空气将附近的冰块迅速熔化，并加速冰糖颗粒和尿素颗粒的溶解，形成空腔。同时，因只有部分热空气能到达装置中心，且动能减少，温度降低，难以迅速熔化中心料柱，因此会形成类似高炉死料柱的固体区域，本发明的实验装置模拟了这一死料柱的固体区域。

随着实验的进行，装置底部形成的液体不断增多，可从出水口4排出。这一过程模拟高炉出铁。

实施例1

参照图1，本发明的模拟高炉内部三相物质运行的装置，包括模拟高炉1、空气加热炉2、气瓶3，其中，模拟高炉1上设有围管8和与围管8连通的多个进气孔9。模拟高炉1外周的围管8与空气加热炉2通过管道连接，例如，利用硅胶管连接；空气加热炉2与气瓶3用管道连接，例如，利用气管连接。本发明不限于此，可以采用软管、硬管等各种方式来连接。

本发明实验装置的模拟高炉1还设有出水口4、金属网5、加热管6、热电偶7；其中，加热管6和热电偶7位于模拟高炉1的下部，金属网5设置在模拟高炉1内部的下方，围管8设置在金属网5上方的模拟高炉1的外周。

模拟高炉1模拟高炉本体，可从其上部加入实验原料，模拟高炉1可以是透明的或半透明的容器，并且可以利用有机玻璃来制造，从而形成透明容器或半透明容器。模拟高炉1可以包括炉喉1-1、炉身1-2、炉腰1-3、炉腹1-4和炉缸1-5。本发明的模拟高炉1的各个部分与实际炼钢中使用的高炉的各个部分具有相同的构造，是实际炼钢中使用的高炉的微缩模型，用于更加精确地模拟高炉炼铁固液气三相物质的运行情况。根据实际生产中使用的高炉，可以对模拟高炉1的各个部分的尺寸进行设定，例如，模拟高炉1的全高可以为740-920mm，其中，炉喉1-1直径可以为170-190mm，炉喉高110mm-150mm，炉身1-2高可以为450-500mm，炉腰1-3直径可以为250-300mm，炉腰1-3高可以为50-80mm，炉腹1-4高可以为70-100mm，炉缸1-5直径可以为220-260mm，炉缸1-5高可以为60-90mm，但是本发明不限于此，可以根据本发明的基本构造，以实际模型为基础来模拟高炉本体。

空气加热炉2模拟热风炉，通过将经过空气加热炉2的空气加热到预定温度，然后经由例如硅胶管的连接管道而通入到模拟高炉1中。气瓶3与空气加热炉2连通，用于向空气加热炉2提供模拟高炉1内部所需的气体。

出水口4从炉缸1-5伸出，用于模拟出铁口，将炉缸1-5内容纳的融化原料按照设定的间隔从出水口4排出。

金属网5用于承载实验原料，在本发明的示例性实施例中，金属网5用于承载模拟焦炭的冰糖、模拟烧结矿的冰颗粒以及模拟球团矿的尿素，金属网5可以具有直径为0.5mm～1mm的均匀网孔，以稳定地承载上述实验原料。

加热管6可将水加热，加热管6可以是棒状或者圆环状的加热丝，但是本发明不限于此，加热管6还可以是任何能够对炉缸1-5进行加热的元件，加热管6可拆卸地插入到炉缸1-5布置的与加热管6的形状和位置相对应的位置内，热水可使实验原料融化，由于本发明中使用的实验原料是在60-70℃的温度下对高炉炼钢的过程进行模拟，因此加热管6可以加热到所需的温度范围内。

围管8模拟高炉热风围管，进气孔9模拟高炉风口，围管8通过橡胶管或硅胶管与空气加热炉2连通，加热后的空气被吹送到围管8，围管8与多个进气孔9连通，吹送入围管8的空气通过利用橡胶管或硅胶管进入进气孔9，进气孔9周围空气流动快，因此进入的热空气将附近的冰块迅速熔化，并加速冰糖颗粒和尿素颗粒的溶解，形成空腔。同时，因只有部分热空气能到达模拟高炉1中心，且动能减少，温度降低，难以迅速熔化中心料柱，因此会形成类似高炉死料柱的固体区域，以模拟高炉实际运行的真实状态。

下面，将结合上述内容来详细描述使用本发明中的实验装置模拟高炉内部固液气三相运行情况的实验方法，所述实验方法包括模拟炉料下降、炉料软溶、渣铁形成、高炉出铁、气流上升等过程。

首先，向模拟高炉1加水，水位高于金属网52mm～3mm，随后，将实验原料模拟高炉布料的方式加入实验装置中，用以观察炉料的运行。

接下来，向模拟高炉1通入100℃～150℃的热空气，该热空气是通过气瓶3提供到气体加热炉2，经气体加热炉2加热后供应到模拟高炉1中，具体地，热气流流经围管8，然后进入进气孔9，以与炉料接触。

此外，将模拟高炉1中的水加热至待实验原料熔点，热空气流进入模拟高炉1，将进气孔处的实验原料熔化，形成局部的空腔；模拟高炉1内的实验原料与热气流接触，由上至下逐渐融化并向下滴落至底部；原料被部分溶解；每隔一段时间，从出水口4排出熔化后的原料。

实施例2

具体地，使用本发明的实验装置模拟高炉内部固液气三相运行情况的实验方法包括下述步骤：向模拟高炉1加水，水位高于金属网52mm～3mm；从模拟高炉1上部，将实验原料模拟高炉布料的方式加入实验装置中；空气流从气瓶3进入空气加热炉2被加热至100℃～150℃，然后通入模拟高炉；用加热管6加热模拟高炉1的水至60℃～70℃；热空气流进入模拟高炉1，将进气孔处的冰颗粒熔化，形成局部的空腔，模拟高炉的风口循环区；容器中心的原料形成的料柱模拟高炉的死料柱；模拟高炉1内的冰颗粒与热气流接触，由上至下逐渐融化成水并向下滴落至底部；冰糖颗粒和尿素颗粒被水部分溶解，模拟了高炉内铁矿石被煤气流还原滴落，焦炭被煤气流熔损的过程；在金属网5处，实验原料与热水接触并逐渐溶于水，冰颗粒中的植物油颗粒融化为液体，漂浮在水表面，模拟高炉渣铁界面；每隔一段时间，从出水口4排水，模拟高炉出渣和铁的过程。

在本发明中的实验装置中，所述冰糖颗粒的粒度为6～7mm，用于模拟焦炭；所述冰颗粒的粒度为2～3mm，模拟烧结矿，其内核为植物油凝固颗粒，用于模拟烧结矿中的脉石；所述尿素的粒度为1～2mm，用于模拟球团矿。

实施例3

下面，结合根据本发明的示例性实施例来详细描述使用本发明中的实验装置模拟高炉内部固液气三相运行情况的实验方法。

在根据发明的本示例性实施例中，参照图1，模拟高炉1模拟高炉形状，模拟高炉1全高800mm，炉喉高130mm，炉身高470mm，炉喉直径180mm，炉腰直径280mm，炉腰高60mm，炉腹高80mm，炉缸直径240mm，炉缸高80mm。按照上述操作方法，将准备好的实验原料，按照冰颗粒:尿素:冰糖颗粒=100:10:15的比例分20批次加入模拟高炉1。热空气温度为120℃，以0.03MPa的压力通入模拟高炉1。实验现象为：在容器进气孔9处，冰颗粒首先熔化，逐渐形成空腔，上部的原料逐渐产生液体向下滴落至容器底部，每隔15分钟将模拟高炉内产生的液体排出。具体地，热风在上升过程中，与原料发生热交换，使得原料不断地由固体转化为液体。因穿过模拟高炉1上部原料的热风温度较低，上部炉料基本保持固态；因穿过模拟高炉1中部原料的热风温度不足以迅速熔化原料，中部原料出现类似炉料软熔的现象；因穿过模拟高炉1的下部原料的热风温度较高，固体原料熔化速度快，体积不断缩小，为中部及上部的原料提供下降空间；模拟高炉1的原料在重力的作用下不断下降。热风在上升过程中不断熔化冰块，在所经过的路径融化产生的液体和管道反映了模拟高炉1内的气体分布。

在上述方法中，全面地模拟高炉固液气三相运行的物理过程以及内部物料的运行情况，具体地，模拟炉料下降、炉料软溶、渣铁形成、高炉出铁、气流上升等过程。

与现有技术相比，本发明的有益效果还在于，本发明较全面的模拟了高炉炼铁固液气三相物质的运行情况，操作简单，实验原料廉价易得，模拟过程透明直观。操作者还可根据实际需要，采用不同的实验参数。

尽管已经结合示例性实施例描述了本发明，但是本领域技术人员应该清楚，在不脱离权利要求所限定的范围下，可对本发明的示例性实施例进行各种修改和改变，而所有这些改变均在本发明的权利要求范围内。

Claims (8)

1.一种模拟高炉固液气三相运行的实验装置，其特征在于，该实验装置包括模拟高炉(1)、空气加热炉(2)、气瓶(3)，其中，模拟高炉(1)上设有围管(8)和与围管(8)连通的多个进气孔(9)，围管(8)与空气加热炉(2)连接，空气加热炉(2)与气瓶(3)连接，

其中，模拟高炉(1)还设有出水口(4)、金属网(5)、加热管(6)、热电偶(7)；其中，加热管(6)和热电偶(7)位于模拟高炉(1)的下部，金属网(5)设置在模拟高炉(1)内部的下方，围管(8)设置在金属网(5)上方的模拟高炉(1)外周，

其中，围管(8)与空气加热炉(2)通过管道连接。

2.如权利要求1所述的实验装置，其特征在于，所述模拟高炉(1)全高740-920mm，炉喉(1-1)直径170-190mm，炉身(1-2)高450-500mm，炉腰(1-3)直径250-300mm，炉腰(1-3)高50-80mm，炉腹(1-4)高70-100mm，炉缸(1-5)直径220-260mm，炉缸(1-5)高60-90mm。

3.如权利要求2所述的实验装置，其特征在于，所述模拟高炉(1)全高800mm，炉喉(1-1)直径180mm，炉身(1-2)高470mm，炉腰(1-3)直径280mm，炉腰(1-3)高60mm，炉腹(1-4)高80mm，炉缸(1-5)直径240mm，炉缸(1-5)高80mm。

4.如权利要求1所述的实验装置，其特征在于，所述模拟高炉(1)是透明容器或者半透明容器。

5.如权利要求1所述的实验装置，其特征在于，模拟高炉(1)模拟高炉本体，空气加热炉(2)模拟热风炉，出水口(4)模拟出铁口，金属网(5)用于承载实验原料，加热管(6)将水加热使实验原料融化，围管(8)模拟高炉热风围管，进气孔(9)模拟高炉风口。

6.一种使用如权利要求1到5中的任意一项权利要求所述的实验装置模拟高炉固液气三相运行的实验方法，其特征在于，该实验方法包括下述步骤：

(a)向模拟高炉(1)加水；

(b)将实验原料模拟高炉布料的方式加入实验装置中；

(c)通过空气加热炉(2)向模拟高炉(1)通入热空气；

(d)将模拟高炉(1)中的水加热至实验原料熔点；

(e)先将进气孔处的实验原料熔化，形成局部空腔；再由上至下逐渐融化并向下滴落至底部，使原料被部分溶解；

(f)每隔一段时间，将熔化的原料从出水口(4)排出。

7.如权利要求6所述的实验方法，其特征在于，所述实验原料包括：

冰糖，粒度为6～7mm，模拟焦炭；

冰颗粒，粒度2～3mm，模拟烧结矿，尿素，粒度1～2mm，模拟球团矿。

8.如权利要求7所述的实验方法，其特征在于，所述冰颗粒，其内核为植物油凝固颗粒，用于模拟烧结矿中的脉石。