CN105021645A - 在线分析烧结过程的试验装置及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明是一种在线分析烧结过程的试验装置及其使用方法，该试验装置包括烧结杯体、红外热成像仪与压差测量系统；红外热成像仪和压差变动器分别连接计算机，以通过红外热成像仪测量烧结过程中料层的温度分布，并将数据导入计算机进行软件处理，得到烧结过程各带的厚度、迁移速度的信息，以及通过压差变动器将压力变化导入计算机，得到料层中透气性动态变化数据。在烧结试验进行过程中，可以通过该装置在不破坏料层结构的条件下，在线测得料层纵向温度分布，据此得到烧结各带的厚度、透气性等特征参数。根据得到的烧结过程数据，结合产质量指标，可从热状态的角度为优化烧结过程提供指导和参考。

Description

在线分析烧结过程的试验装置及其使用方法

技术领域

本发明涉及一种黑色金属冶金原材料的预处理装置和方法，具体说涉及一种铁矿石烧结过程的分析试验装置。

背景技术

烧结(抽风烧结)是国内外钢铁企业最广泛采用的含铁原料造块方法。烧结过程可概括为：将烧结混合料(含铁原料、燃料、熔剂及返矿等)配以适量的水分，经混匀及制粒后铺到烧结机的台车上，烧结料表面点火后，在下部风箱强制抽风作用下，料层内燃料自上而下燃烧并放热，混合料在高温作用下发生一系列物理、化学变化，最终固结成烧结矿。通常，根据温度的高低和其中的物理化学变化，自上而下可以将正在烧结的料层分为六个带，即烧结矿带、冷却带、熔化带、燃烧带、干燥预热带及水分冷凝带(过湿带)。烧结料层中，六个带的迁移速度、厚度、透气性等参数对烧结过程及烧结矿的产质量有重要影响。

研究和模拟烧结最常用的试验装置为烧结锅系统，通常包括混合机、布料器、点火器、烧结锅、破碎机、烧结成品处理系统(烧结矿落下强度、筛分指数、转鼓指数检测装置)。试验通常模拟烧结生产中的配料结构与主要烧结参数，将一定量(10-100kg)的混合料混匀和制粒后，加入烧结锅内的炉篦条上至一定高度(通常600-900cm)，然后将点火器移至料层上方点火(温度1000-1100℃，时间1-3min)，同时烧结锅底部开始抽风，空气自上而下通过料层，与混合料中燃料燃烧，六个带开始形成并向下移动，当燃烧带达到蓖条后，废气温度达到最高，烧结过程结束，对烧结矿破碎，并检测分析，得到烧结成品率、生产率、垂直烧结速度、转鼓强度、落下强度、燃料单耗等产质量指标。因此，常规的烧结锅系统在寻找输入参数与输出结果之间的定性关系方面较好，但对烧结过程尤其是包括六个带迁移的热状态的动态过程参数方面不能很好分析和把握。

中国专利CN202330319U和CN102435630A介绍了一种常规烧结杯内加一个圆柱型套筒烧结杯试验方法，用于解析烧结过程。该圆柱型套筒由两个半圆型套筒组合而成，烧结过程中，通过向两个半圆型套筒中通入氮气、并灌入环氧树脂，使烧结过程中断，并保持各带的性质，取出后，分别检测各带的厚度及形态特征。由于套筒的加入，边缘效应变严重，该专利采用了减小物料粒度方式弥补这一缺陷，其使用的试验物料需<3mm,这与常规烧结试验用原料(<8mm)存在较大差异，一般烧结过程3-8mm粒级物料占总量的50%以上，理想的烧结过程为部分<3mm物料形成液相，粘附若干大颗粒，组成平均粒度20-30mm的烧结矿，若人为缩小物料的粒度，得出的研究结论可能与正常铁矿烧结过程存在一定差异。

中国专利CN103088211A公开了一种测量烧结料层燃烧带位置和温度的方法以及装置，采用将一根刚玉管插入烧结杯料层中心，然后将热电偶插入刚玉管中，通过计算机测量跟踪燃烧带的最高温度及迁移速度。该方法可适时得到燃烧带的最高温度和迁移速度，但对烧结过程中干燥预热带、水分冷凝带等的厚度及迁移速度无法监测。

中国专利CN202845031U提出一种试验用烧结杯，其特点是杯筒为耐高温石英玻璃，上下端由法兰和拉杆组成的支架连接，组成透明的烧结杯。该试验系统可观察到杯内烧结过程及现象，比如高温带的厚度及移动情况、过湿带的厚度，但无法定量细分出各带的边界、位置及迁移速度等信息。

中国专利CN102840926A介绍了带式烧结机料层内部温度测量装置，主要特征是将一组热电偶封装入耐火管，过点火炉及保温炉后，再通过数据接头，检测料层中的温度信息。该装置能得到料层中多点的温度分布，仍属于间断信息，无法得到料层内纵向全部的温度信息，且用于烧结杯中，存在一定困难，主要原因是电偶组纵向插入后，将破坏料层的原始透气性，对料层中燃料燃烧造成干扰。

日本的安本俊治等人在“烧结料层加热曲线连续测定法的研制及其实际生产应用”的论文中，提出了在烧结台车侧面打孔插入热电偶检测料层温度的方法，得到了单点的烧结料层燃烧带的特性，并分析了不同加热曲线与落下强度和低温还原粉化率的关系。该方法可量化揭示燃烧带特征与烧结矿强度、质量之间的关系，意义重大。但在当今含结晶水的褐铁矿配比较高的烧结台车上，应用和使用都很困难，主要是料层收缩量大，横向插入的热电偶将干扰和破坏料层的正常收缩和透气性变化规律，从而影响燃烧带的正常迁移。

龙红明，毛晓明等人在“基于侧板测温的烧结过程热状态研究”的论文中提出采用多点红外测温枪不停扫描台车侧板，并建立了基于侧板温度的热状态模型，对烧结过程的热状态进行分析，建立了料层各带的划分模型。

综合上述信息，可发现现有的专利和公知技术文献可分为三类，一类是通过间断试验，得到各带的结构，但很难辨析界线及迁移情况。第二类为通过电偶测定，可得到料层内部某些点的动态信息。此类方法存在三个不足，一是信息不够完整，只有少数点的温度信息；二是烧结过程将产生30-40%的液相，料层会收缩，直接插入电偶测得温度响应快，但容易熔化断裂或在料层收缩过程中被拉断。三是插入铠装电偶，响应时间长，且通常会影响烧结过程的透气性，破坏原始温度。第三类采用透明烧结杯，仅能大致区分3带的迁移情况，缺乏精确、定量的数据来区分6个带的厚度、迁移情况。

因此，如能通过非介入的方式，不破坏烧结料层的结构，连续得到烧结过程各带的厚度、迁移速度等信息，对深入研究烧结过程，解析相关机理具有重要现实意义。

发明内容

本发明的目的是提供一种在线分析烧结过程的试验装置及其使用方法，可方便有效研究烧结过程中以燃烧带为代表的各带迁移速度、厚度等信息。

根据本发明一方面提供一种在线分析烧结过程的试验装置，包括烧结杯体、红外热成像仪与压差测量系统；烧结杯一侧开窗口，窗口中嵌入耐高温的透红外石英玻璃，红外热成像仪与窗口相对并设置在其外；压差测量系统包括多个压差取样孔、压差变动器，多个压差取样孔形成在与窗口相对的烧结杯另一侧上，各压差取样孔分别与压差变动器连接；红外热成像仪和压差变动器分别连接计算机，以通过红外热成像仪测量烧结过程中料层的温度分布，并将数据导入计算机进行软件处理，得到烧结过程各带的厚度、迁移速度的信息，以及通过压差变动器将压力变化导入计算机，得到料层中透气性动态变化数据。

烧结杯主体为双层不锈钢壁，在两层之间加设有保温层。

烧结杯上窗口宽度为烧结杯周长的1/4，透红外石英玻璃和不锈钢烧结杯体之间设置凸台，采用石墨纤维密封，外压不锈钢条以压紧密封。

压差取样孔之间上下高度差10cm，设置有9层，并布置成取样孔左右错开，沿烧结杯壁呈“之”字形分布。

根据本发明另一方面提供一种在线分析烧结过程的试验装置的使用方法，包括：

a)将带透红外石英玻璃窗口和压差测量孔的烧结杯安装在负压抽风系统底座上，将红外热成像仪及压差检测系统连接完毕；

b)根据普通烧结生产要求配用不同粒度的各种原料，加水、混合制粒后以成烧结混合料并通过布料装置，布入烧结杯中，以形成烧结料层；

c)采用燃气点火的同时，开启红外热成像仪、压差检测系统；

d)点火结束后，负压调制12-15kPa；烧结过程正式开始，待烧结废气温度达到最高时，烧结过程结束，将负压减半；开始冷却，20min后，冷却过程结束，全程采集料层温度、压差变化数据；将冷却后的烧结矿进行转鼓、落下、筛分及冶金性能等产质量性能检测。

e)根据测得的数据，获得烧结过程各带的厚度、迁移速度、透气性变化等烧结过程参数。

各种原料组成为：铁矿粉均在8mm以下，返矿粒度5mm以下，焦粉0-3mm，熔剂0-3mm。

烧结杯底部预先放入2kg粒度为10-25mm的铺底料，烧结料层高度可模拟现场烧结生产料层高度，高度在650-900mm之间。

燃气采用焦炉煤气或液化石油气或天然气点火。

点火温度1000-1100℃，点火时间1-3min。

在烧结矿冷却后，将其进行转鼓、落下、筛分及冶金性能等产质量性能检测。

本发明的有益效果在于，可在不破坏烧结料层结构的条件下，在线测得烧结料层纵向全高度方向、横向大截面方向全方位、整个烧结过程的温度分布，同时可测得烧结料层压差变化情况，两种综合表征烧结过程各带迁移、厚度变化、透气性变化等关键烧结特征参数。

附图说明

图1是本发明一个实施例的在线分析烧结过程的试验装置的配置图。

图2是图1实施例中的烧结杯的俯视图。

图3是图2的沿A—A剖切所获得的剖视图。

图4是图2沿B—B所视的侧视图。

图5是本发明的烧结过程热状态分析数据处理流程图。

具体实施方式

为让本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，以下结合附图对本发明的具体实施方式作详细说明。首先需要说明的是，本发明并不限于下述具体实施方式，本领域的技术人员应该从下述实施方式所体现的精神来理解本发明，各技术术语可以基于本发明的精神实质来作最宽泛的理解。在附图中相同的附图标记表示相同的部分。

本发明一个实施例的在线分析烧结过程的试验装置，如图1所示，包括烧结杯1、红外热成像仪5与压差测量系统3；烧结杯1的一侧开窗口4，窗口中嵌入耐高温的透红外石英玻璃4a，红外热成像仪5与窗口4相对并设置在其外；压差测量系统3包括多个压差取样孔3b、压差变动器3a，多个压差取样孔形成在与窗口相对4的烧结杯另一侧上，各压差取样孔3b分别通过传感器3c与压差变动器3a连接；红外热成像仪5和压差变动器3a分别连接计算机6，以通过红外热成像仪5测量烧结过程中料层（置放在烧结杯内，未标示）的温度分布，并将数据导入计算机6进行软件处理，得到烧结过程各带的厚度、迁移速度的信息，以及通过压差变动器3a将压力变化导入计算机6，以得到料层中透气性动态变化数据。在本实施例中，烧结杯上窗口4的宽度为烧结杯1周长的1/4，如图2所示，透红外石英玻璃4a和不锈钢烧结杯体1之间设置凸台，采用石墨纤维密封，外压不锈钢条以压紧密封（未标示）。石墨纤维软密封的方式可防止不锈钢杯体与石英玻璃热膨胀系数不一致导致的漏风，同时可消除不锈钢杯体热膨胀后，热应力对石英玻璃结构的破坏。

各压差取样孔3b之间上下高度差10cm，如图3所示，设置有9层，并布置成取样孔左右错开，沿烧结杯壁呈“之”字形分布，如图4所示。

本发明的在线分析烧结过程的试验装置的使用方法，包括：

a)将带透红外石英玻璃窗口4和压差测量孔3b的烧结杯1安装在负压抽风系统底座（未图示）上，将红外热成像仪5及压差检测系统3连接完毕；

b)根据普通烧结生产要求配用不同粒度的各种原料，加水、混合制粒后成烧结混合料并通过布料装置（未图示）布入烧结杯1中，以形成烧结料层（未标示）；

c)采用燃气点火的同时，开启红外热成像仪5、压差检测系统3；

d)点火结束后，负压调制12-15kPa；烧结过程正式开始，待烧结废气温度达到最高时，烧结过程结束，将负压减半；开始冷却，20min后，冷却过程结束，全程采集料层温度、压差变化数据；将冷却后的烧结矿进行转鼓、落下、筛分及冶金性能等产质量性能检测。

e)根据测得的数据，获得烧结过程各带的厚度、迁移速度、透气性变化等烧结过程参数。

在步骤e）中，烧结过程热状态分析数据处理流程如图5所示。分析过程如下，烧结点火同时，开启分析软件，以10秒一个周期按图5流程在线动态分析烧结过程各带的厚度及迁移速度。具体分析过程如下：

第一步，从红外热成像仪提取红外图像，并按石英窗口的形状抽取可用数据区域，将其植入平面坐标和时间序列中。

第二步，将72DPI的像素点按平面坐标标尺网格化，带入平面坐标值。

第三步，实先测定石英玻璃的吸收率A值，建立不同温度(波长)修正值，录入处理软件中，将像素点红外温度进行窗口吸收修正，消除石英玻璃窗口的自辐射和其前后表明以及反射的影响，使红外数据准确的反映料层的真实值。

第四步，温度带定位，由下至上，按100℃、700℃、1200℃、1200℃、100℃温度划分等温线，对烧结各带进行定位，划分标准为原始料温-100℃(过湿带)、100-700℃(干燥预热带)、700-1200℃(燃烧带)、1200-最高温度-1200℃(熔化带)、1200-100℃(冷却带)、100℃以下(成品烧结矿矿带)进行定位。将各带的面积除以窗口宽度，计算得出各带的厚度信息。

第五步，以10秒一个周期，计算各带分界线迁移的速度，得到各带的迁移速度。

较佳地，各种原料组成为：铁矿粉均在8mm以下，返矿粒度5mm以下，焦粉0-3mm，熔剂0-3mm。

在试验开始前，烧结杯底部预先放入2kg粒度为10-25mm的铺底料，烧结料层高度可模拟现场烧结生产料层高度，高度在650-900mm之间。

燃气采用焦炉煤气或液化石油气或天然气点火。点火温度1000-1100℃，点火时间1-3min。

以下列举一个具体应用实例进行详细说明，以便更清楚理解本发明的特点和优点。

在该应用实例中，是采用上述本发明的在线分析烧结过程的试验装置开展烧结试验研究，配料表如表1所示。

表1烧结试验配料表

品种	匀矿	生石灰	石灰石粉	白云石粉	烧结粉	返矿	焦粉	水分
									比例/%	59.44	2.56	1.75	4.50	4.83	18.55	3.12	5.26

混合时间2min，制粒时间5min，料层高度780mm，点火温度1050℃，点火时间1.5min，采用在线分析烧结过程的装置，烧结负压为14.7kPa，

烧结料层温度分布图，采用“烧结过程热状态分析软件”得到如下实施例。

实施例1：烧结进行至第10min时，对红外测温仪图像进行提取，并进行像素点网格化、窗口吸收修正、各带定位后，得到各带的厚度从上至下分别为，烧结矿带28mm，冷却带90mm，熔化带53mm，燃烧带17mm，干燥预热带18mm，过湿带544mm，此时烧结过程中因过湿带宽，阻力较大，各个测压点的负压数据如表2所示。燃烧带的迁移速度为30.59mm/min。

表2压差测量数据

实施例2：烧结进行至第13min时，软件重复上述分析流程，得到各带的厚度从上至下分别为，烧结矿带112mm，冷却带122mm，熔化带41mm，燃烧带19mm，干燥预热带16mm，过湿带430mm，此时烧结过程中因过湿带较宽，阻力较大，各个测压点的负压数据如表3所示。燃烧带的迁移速度为34.80mm/min。

表3压差测量数据

实施例3：烧结进行至第19min时，软件重复上述分析流程，得到各带的厚度从上至下分别为，烧结矿带161mm，冷却带126mm，熔化带75mm，燃烧带20mm，干燥预热带16mm，过湿带332mm，此时烧结过程中因过湿带变窄，但熔化带变宽，总阻力大，各个测压点的负压数据如表4所示。燃烧带的迁移速度为17.55mm/min，速度大幅度降低。

表4压差测量数据

实施例4：烧结进行至第25min时，得到各带的厚度从上至下分别为，烧结矿带270mm，冷却带130mm，熔化带90mm，燃烧带26mm，干燥预热带18mm，过湿带186mm，此时烧结过程中因过湿带变窄，但熔化带变宽，总阻力大，各个测压点的负压数据如表5所示。燃烧带的迁移速度为26.75mm/min，速度有所提高。

表5压差测量数据

综上所述，本发明在烧结杯一侧安装透红外石英玻璃窗口4并设置红外热成像仪5，点火后，开始测量烧结料层中温度的分布，根据测得的温度，划分烧结过程七带的初始分布，烧结过程中，一直在线测量各带的温度变化和迁移情况，通过计算机中的数据处理软件，得到各带厚度变化、迁移速度等烧结过程特征参数。另一侧测量料层中压差的变化情况，将测得的压力差通过压差变动器输入计算机中，动态计算不同层之间的压降，得到料层透气性数据。本发明可在不破坏烧结料层结构的条件下，在线测得烧结料层纵向全高度方向，横向大截面方向全方位、整个烧结过程的温度分布，同时可测得烧结料层压差变化情况，两种综合表征烧结过程各带迁移、厚度变化、透气性变化等关键烧结特征参数,因此可以在不破坏料层结构的条件下，在线、高精度的得到烧结过程的温度、透气性的变化，研究烧结过程热状态与产质量的对应关系，解析烧结过程的限制环节，为优化烧结过程、提高烧结产质量、降低排放和污染提供数值依据。

应理解，在阅读了本发明的上述讲授内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

Claims (10)

1.一种在线分析烧结过程的试验装置，其特征在于，包括烧结杯体、红外热成像仪与压差测量系统；烧结杯一侧开窗口，窗口中嵌入耐高温的透红外石英玻璃，红外热成像仪与窗口相对并设置在其外；压差测量系统包括多个压差取样孔、压差变动器，多个压差取样孔形成在与窗口相对的烧结杯另一侧上，各压差取样孔分别与压差变动器连接；红外热成像仪和压差变动器分别连接计算机，以通过红外热成像仪测量烧结过程中料层的温度分布，并将数据导入计算机进行软件处理，得到烧结过程各带的厚度、迁移速度的信息，以及通过压差变动器将压力变化导入计算机，得到料层中透气性动态变化数据。

2.根据权利要求1所述的在线分析烧结过程的试验装置，其特征在于，所述烧结杯主体为双层不锈钢壁，在两层之间加设有保温层。

3.根据权利要求1或2所述的在线分析烧结过程的试验装置，其特征在于，烧结杯上窗口宽度为烧结杯周长的1/4，透红外石英玻璃和不锈钢烧结杯体之间设置凸台，采用石墨纤维密封，外压不锈钢条以压紧密封。

4.根据权利要求1所述的在线分析烧结过程的试验装置，其特征在于，压差取样孔之间上下高度差10cm，设置有9层，并布置成取样孔左右错开，沿烧结杯壁呈“之”字形分布。

5.一种在线分析烧结过程的试验装置的使用方法，其特征在于，包括：

a)将带透红外石英玻璃窗口和压差测量孔的烧结杯安装在负压抽风系统底座上，将红外热成像仪及压差检测系统连接完毕；

b)根据普通烧结生产要求配用不同粒度的各种原料，加水、混合制粒后以成烧结混合料并通过布料装置，布入烧结杯中，以形成烧结料层；

c)采用燃气点火的同时，开启红外热成像仪、压差检测系统；

d)点火结束后，负压调制12-15kPa；烧结过程正式开始，待烧结废气温度达到最高时，烧结过程结束，将负压减半；开始冷却，20min后，冷却过程结束，全程采集料层温度、压差变化数据；将冷却后的烧结矿进行转鼓、落下、筛分及冶金性能等产质量性能检测；

e)根据测得的数据，获得烧结过程各带的厚度、迁移速度、透气性变化等烧结过程参数。

6.根据权利要求5所述的在线分析烧结过程的试验装置的使用方法，其特征在于，各种原料组成为：铁矿粉均在8mm以下，返矿粒度5mm以下，焦粉0-3mm，熔剂0-3mm。

7.根据权利要求5所述的在线分析烧结过程的试验装置的使用方法，其特征在于，还包括在试验开始前在烧结杯底部预先放入2kg粒度为10-25mm的铺底料，烧结料层高度可模拟现场烧结生产料层高度，高度在650-900mm之间。

8.根据权利要求5所述的在线分析烧结过程的试验装置的使用方法，其特征在于，燃气采用焦炉煤气或液化石油气或天然气点火。

9.根据权利要求8所述的在线分析烧结过程的试验装置的使用方法，其特征在于，点火温度1000-1100℃，点火时间1-3min。

10.根据权利要求5所述的在线分析烧结过程的试验装置的使用方法，其特征在于，还包括在烧结矿冷却后，将其进行转鼓、落下、筛分及冶金性能的产质量性能检测。