CN106645266A - 一种高温熔渣基础性能测试方法、装置及装置的使用方法 - Google Patents

一种高温熔渣基础性能测试方法、装置及装置的使用方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种高温熔渣基础性能测试方法、装置及装置的使用方法，其装置包括内置电加热装置、高温热电偶、电加热装置保温层的炉体；可垂直穿越所述炉体的试样托杆；炉体外对应炉体激光发射窗口设置的激光源；对应炉体观测窗口设置的高速摄像机；与高速摄像机和高温热电偶相接的程序控制数据处理和显示系统；与炉体相接的充气装置和抽真空泵。用该装置进行熔渣基础性能测试，熔渣试样在模拟气体环境下采取分段式加热熔化，利用高速摄像机以激光为背景光实时观测试样的熔化过程，通过在线测试分析系统得到熔渣熔化特征温度和不同温度下的润湿角及表面张力数据，自动化程度高，测试结果准确可靠。

Description

一种高温熔渣基础性能测试方法、装置及装置的使用方法
技术领域
本发明涉及材料物理性能的测试，特别是一种对炼铁炼钢高温熔渣基础性能进行测试的方法、装置及装置的使用方法。
背景技术
熔渣是冶金过程中形成的除金属熔体外的另一种以氧化物为主体的多元复合物。
在炼铁过程中，高炉熔渣可以在有效还原合金元素的同时控制生铁的化学成分；由于炉渣附着在高炉炉衬上，使得炉渣对炉衬起到一定的保护作用；另外，正是由于高炉熔渣的形成才使得高炉内出现了软熔带和滴落带，控制渣的成分及性质可以有效地控制软熔带和滴落带的区间及温度，进而有效控制高炉的冶炼强度及能力。
在炼钢过程中，熔渣覆盖在钢液表面，可以有效地将液态金属与空气中的氧气隔离，防止金属的二次氧化，并防止其他有害气体进入金属熔体中；熔渣可利用自身的理化特性来吸附甚至脱除金属熔体内的有害元素和夹杂物；由于在冶炼的金属熔体表面有熔渣的存在，可减少冶炼过程中金属熔体的热损失，确保冶炼温度；在倾倒或浇注金属熔体时，熔渣在水口处起到润滑与控制传热的作用。
目前，人们对于熔渣性能的研究还尚不够全面。一些学者力图通过建立黑箱模型、结构特征参数模型、热力学模型及分子动力学模型来解析熔渣的结构和性质；也有一些学者力图通过直接或间接的测试来表征解析熔渣的性质。近年来，随着测试设备和成像技术的不断进步，人们开始采用高温在线测试熔体特性的方法对高温熔渣进行研究，但直接针对熔渣的高温在线测试装置并不多见。
熔渣的熔化温度、润湿性和表面张力是高温熔渣的主要基础性能，对这三项基础性能，目前的测试方法是采用常规加热装置将试样置于大气环境下连续加热熔化，通过人工观测熔渣的熔化过程，用温度测试装置测试不同熔化状态下的温度，计算出熔渣不同温度下的润湿性和表面张力，通过对同一试样多次测试得到的测试数据取平均值或优选值作为最终测试结果。该方法存在的缺点是：
1、熔渣熔化过程采取人工观测(或借助辅助工具观测)，受人为因素影响测试准确度难以保证。
2、测试操作繁琐，工作效率低。
3、测试过程中，加热装置及试样均暴露在大气环境中，不能模拟熔渣所处的复杂气体环境，无法满足多种复杂气体条件下的测试。
发明内容
针对上述现有测试方法存在的缺点，本发明的目的是提供一种高温熔渣基础性能测试方法、使用该方法的装置及该装置的使用方法，使测试高温熔渣基础性能实现自动化；能够模拟熔渣所处不同气体环境；且测试结果准确可靠。
为实现这一目的，本发明提供的高温熔渣基础性能测试方法是，将熔渣试样在模拟气体环境下进行分段式加热熔化；利用CMOS高速摄像机以激光为背景光，实时观测试样的熔化过程，通过在线测试分析系统得到熔渣熔化特征温度和不同温度下的润湿角及表面张力数据。
用上述方法测试高温熔渣基础性能的装置，包括炉体；在炉体内有电加热装置，电加热装置中设有高温热电偶，电加热装置的外部有保温层；保温层和电加热装置的左右两侧壁上分别开有透光孔；在炉体的下部安装有可垂直穿越所述炉体、电加热装置和保温层，并可升降的试样托杆，在炉体的上部安装有供试样托杆伸出炉体通过的管道，管道的上端有密封盖；在炉体的两侧壁上对应所述电加热装置开设相互对应的激光发射窗口和观测窗口，激光发射窗口和观测窗口分别由滤光片封闭，在炉体的外侧对应激光发射窗口设有激光源，对应观测窗口设有CMOS高速摄像机，CMOS高速摄像机和所述高温热电偶分别与程序控制数据处理和显示系统相接；炉体下部通过进气管道、气体流量阀和气体控制柜与气瓶相接；炉体上部通过抽真空管与真空泵相接。
上述测试高温熔渣基础性能的装置的使用方法，包括以下步骤：
步骤1、根据测试目的及测试条件选择基板将待测试熔渣压制成规定形状的试样；
步骤2、将装置的密封盖开启，使试样托杆上升，试样托杆的上端通过供试样托杆通过的管道伸出后，把试样置于所述基板上，与基板一起放置在试样托杆的上端，确保试样水平和无损坏后，将试样托杆匀速缓慢下降到电加热装置中的测试区，通过调整激光源、试样托杆和CMOS高速摄像机三者的位置，使其与保温层和电加热装置左右两侧壁上的透光孔处于同一水平线上，然后关闭密封盖，用真空泵对炉内抽真空；
步骤3、按所需模拟现场气体的成分及其含量通过气瓶和气体控制柜配制测试用模拟气体，用气体流量阀控制模拟气体的流量向炉内充气，并对气体成分和流量进行实时监测；同时由程序控制系统根据预先设定的多段式加热熔化温度曲线对熔渣进行升温加热；
步骤4、测试过程中，由CMOS高速摄像机在线抓取试样熔化过程的照片，由显示器加以显示；试样的熔化特征温度通过程序控制数据处理和显示系统中的在线测试分析系统模块实时测出，润湿角和表面张力通过在线抓取照片后经数据处理模块处理后获得；
步骤5、测试结束后停止加热，关闭模拟气体，待炉内温度冷却至室温后开启密封盖，将试样托杆上升，其上端伸出炉体后取出测试后的试样(可供后续分析或处理)，将测试数据和记录视频加以保存。
与现有高温熔渣基础性能测试方法和装置相比较，本发明的有益效果是：
1、利用本发明装置进行高温熔渣基础性能测试，采用高速摄像机以激光为背景在线抓取熔渣熔化过程照片，熔渣开始熔化温度、半球点温度和完全流动温度可自动分析得出，润湿角和表面张力通过数据处理系统得到，自动化程度高，测试结果准确可靠。
2、利用本发明装置可模拟多种复杂气体环境，满足多种复杂条件下的测试。
3、测试过程由计算机全程记录的同时也可对过程中的某一时刻进行实时图像抓取，方便后期或者他人对相关测试数据的收集整理和验证。
附图说明
图1为本发明高温熔渣基础性能测试装置的结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明做进一步说明。
如图1所示，本发明高温熔渣基础性能测试装置有一方形炉体1；在炉体内中心部位安装多段式控温电加热装置3，将高温热电偶5置于电加热装置中，再电加热装置的外部设置保温层2，在保温层和电加热装置的左右两侧壁上开设与下述激光发射窗口和观测窗口相对应的保温层透光孔18和电加热装置透光孔23；在炉体的下部安装可垂直穿越所述炉体、电加热装置和保温层，并可上下升降的圆柱形试样托杆10，试样托杆由耐高温的刚玉制成，其穿越的炉体下部砌筑耐火砖(未图示)，炉体的上部安装供试样托杆上升伸出炉体的管道7(管道内经稍大于试样托杆的直径)，管道的上端加可开启的密封盖6；在炉体的两侧壁上对应电加热装置的中心部位开设相互对应的激光发射窗口21和观测窗口22，两窗口分别由滤光片4密封，在炉体的外侧对应激光发射窗口设置激光源11，对应观测窗口设置CMOS高速摄像机12，CMOS高速摄像机和所述热电偶分别与程序控制数据处理和显示系统13相接；炉体下部通过进气管道17、气体流量阀15和气体控制柜16与装有不同气体的气瓶14相接；炉体上部通过抽真空管19与真空泵20相接。
以下为用上述装置测试高温熔渣基础性能的实施例。
该实施例选取的测试用高温熔渣为精炼渣，其成份按重量为：MgO 10％，SiO210％，CaO 1.43％，Al2O3 28.57％，钙铝比为1.8。通过测试实验确定该高温熔渣高温下的熔化温度、润湿角及表面张力三项基础性能。测试过程如下：
1、根据精炼渣的成分，用所需成分的分析纯，按配比进行配料；用研钵使配料充分混匀，然后通过模具和液压器将其压制成高度约为1cm的圆柱形试样8，基板9选取高纯氧化铝基板。
2、开启装置的密封盖，将试样托杆上升，试样托杆的上端通过供试样托杆通过的管道伸出管道口后，将试样置于所述基板上，与基板一起放置在试样托杆的上端正中央，确保试样水平和无损坏后，将试样托杆匀速缓慢下降到电加热装置中的测试区，通过调整激光源、试样托杆和CMOS高速摄像机三者的位置，使其与保温层和电加热装置左右两侧壁上的透光孔均处于同一水平线上，然后关闭密封盖，用真空泵对炉内抽真空后开始测试。
3、本测试的气体环境为氮气，用气体流量阀控制氮气的流量为5L/min向炉内充气；同时通过程序控制系统根据设定的多段式升温制度对试样进行加热升温熔化。本实施例设定的升温制度为：第一段，由室温升至1200℃，升温速率为15℃/min；第二段，在1200℃下恒温10min；第三段，由1200℃升至1500℃，升温速率为5℃/min。
4、测试过程中，试样的熔化特征温度通过在线测试分析系统模块实时测出，其结果如表1所示；其润湿角和表面张力通过在线抓取照片后经数据处理模块处理后获得，其结果如表2所示。
5、测试结束后停止加热，关闭氮气气体，待炉内温度冷却至室温后开启密封盖，使试样托杆上升，上端伸出管道口后取出测试后试样产物，留待后续分析或处理，将测试数据和记录视频加以保存。
表1 熔渣熔化特征温度
熔化特征 变形温度 软化温度 半球温度 流动温度 溶化区间
温度(℃) 1352 1360 1374 1383 31
表2 熔渣润湿角和表面张力
温度(℃) 1350 1355 1360 1365 1370 1375 1380 1385 1390
润湿角(°) 1 1 1 5 23 84 127 142 142
表面张力(mN/m) 17 34 75 89 113 231 487 562 563

Claims (3)

1.一种高温熔渣基础性能测试方法，其特征在于：将熔渣试样在模拟气体环境下进行分段式加热熔化；利用CMOS高速摄像机以激光为背景光，实时观测试样的熔化过程，通过在线测试分析系统得到熔渣熔化特征温度和不同温度下的润湿角及表面张力数据。
2.用权利要求1所述高温熔渣基础性能测试方法测试高温熔渣基础性能的装置，其特征在于：包括炉体；在炉体内有电加热装置，电加热装置中设有高温热电偶，电加热装置的外部有保温层；保温层和电加热装置的左右两侧壁上分别开有透光孔；在炉体的下部安装有可垂直穿越所述炉体、电加热装置和保温层，并可升降的试样托杆，在炉体的上部安装有供试样托杆伸出炉体通过的管道，管道的上端有密封盖；在炉体的两侧壁上对应所述电加热装置开设相互对应的激光发射窗口和观测窗口，激光发射窗口和观测窗口分别由滤光片封闭，在炉体的外侧对应激光发射窗口设有激光源，对应观测窗口设有CMOS高速摄像机，CMOS高速摄像机和所述高温热电偶分别与程序控制数据处理和显示系统相接；炉体下部通过进气管道、气体流量阀和气体控制柜与气瓶相接；炉体上部通过抽真空管与真空泵相接。
3.权利要求2所述测试高温熔渣基础性能的装置的使用方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤1、根据测试目的及测试条件选择基板，将待测试熔渣压制成规定形状的试样；
步骤2、将装置的密封盖开启，使试样托杆上升，试样托杆的上端通过供试样托杆通过的管道伸出后，把试样置于所述基板上，与基板一起放置在试样托杆的上端，确保试样水平和无损坏后，将试样托杆匀速缓慢下降到电加热装置中的测试区，通过调整激光源、试样托杆和CMOS高速摄像机三者的位置，使其与保温层和电加热装置左右两侧壁上的透光孔处于同一水平线上，然后关闭密封盖，用真空泵对炉内抽真空；
步骤3、按所需模拟现场气体的成分及其含量通过气瓶和气体控制柜配制测试用模拟气体，用气体流量阀控制模拟气体的流量向炉内充气，并对气体成分和流量进行实时监测；同时由程序控制系统根据预先设定的多段式加热熔化温度曲线对熔渣进行升温加热；
步骤4、测试过程中，由CMOS高速摄像机在线抓取试样熔化过程的照片，由显示器加以显示；试样的熔化特征温度通过程序控制数据处理和显示系统中的在线测试分析系统模块实时测出，润湿角和表面张力通过在线抓取照片后经数据处理模块处理后获得；
步骤5、测试结束后停止加热，关闭模拟气体，待炉内温度冷却至室温后开启密封盖，将试样托杆上升，其上端伸出炉体后取出测试后的试样，将测试数据和记录视频加以保存。
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