CN106652750A - 用于炼铁反应器内凝壳现象研究的实验装置及实验方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于炼铁反应器内凝壳现象研究的实验装置及实验方法。实验装置中，用于容纳铁水原料的坩埚置于高温炉炉膛恒温区，凝壳采集器能够可选择地伸入坩埚中，凝壳采集器包括冷却元件、包裹在冷却元件底部的凝壳基体以及套设在冷却元件外部并叠置在凝壳基体上的隔热套，制冷系统与冷却元件连通形成冷却剂循环流路。由此，凝壳基体模拟炼铁反应器的内衬，冷却元件模拟炼铁反应器的冷却设备，在凝壳基体内外侧形成外热内冷的大温差环境，高度还原了炼铁反应器炉缸内铁水凝壳的形成过程，填补了凝壳现象研究的实验装置的空白。实验方法采用上述实验装置，填补了凝壳现象研究的实验方法的空白。

Description

用于炼铁反应器内凝壳现象研究的实验装置及实验方法

技术领域

本发明属于冶金技术领域，特别是属于高温熔体相变传热传质实验技术领域，尤其涉及一种用于炼铁反应器内凝壳现象研究的实验装置及实验方法。

背景技术

凝壳现象普遍存在于现代火法冶金反应器中，尤其存在于炼铁反应器中，上述炼铁反应器包括但不限于高炉、HISMELT熔融还原炉、HISARNA旋风炉、COREX以及FINEX熔融气化炉。

以高炉为例，高炉大型化的综合效益无需赘述，目前世界工业发达国家已基本实现高炉大型化，而我国也正在积极推进。大型高炉的诸多优势是一系列创新科技与实践高度集成的结果，但高炉长寿才是体现其大型化优势的基础，短寿的大高炉只能空谈优势。日本和欧洲各主要产铁国的高炉平均寿命已经达到或超过15年，为高炉大型化优势的全面展示提供了有力支撑。我国高炉长寿水平自20世纪90年代以来取得了显著进步，先后出现了一批炉龄接近甚至超过15年的大中型高炉。但毋庸讳言，我国高炉长寿水平仍良莠不齐，整体水平与发达国家还有一定差距。

实践表明，承受较大热负荷的炉腹、炉腰和炉身下部与炉缸区域是决定现代高炉寿命的关键部位。近些年，通过采用先进的冷却设备和耐火材料，炉腹、炉腰和炉身下部中修频率高、寿命短的问题已经基本解决，但炉缸问题依然突出。可见，在高冶炼强度和低原燃料品质的新形势下，限制高炉长寿的瓶颈部位正逐渐从炉腹、炉腰和炉身下部区域转向炉缸。在导热系数低、抗化学侵蚀和机械破坏性能优良且持久的超级耐火材料问世之前，高炉炉缸内衬在连续生产过程中的耗损不可避免。而采用较高导热系数衬材，配备高效冷却设备，形成热面凝壳是保护炉缸内衬，从而保障其长期安全生产的根本途径。在实际生产时的高温高压理化环境下，高炉炉缸内衬无法长期承受炙热熔渣和铁水的侵蚀破坏，但高效冷却设备和合理操作措施的配合可降低内衬工作温度，使近衬面处熔融物冷却结壳，隔绝高温流体与内衬的直接接触，从而能够有效保护内衬，延长炉缸使用寿命。

高炉炉缸长寿的研究可从其内衬侵蚀和保护两方面入手，其中后者旨在揭示上述“自保护”凝壳现象的控制机理，从而为制定炉缸长寿设计和操作措施提供科学指导。必须说明的是，目前的技术手段尚无法在高炉生产过程中进行炉缸凝壳的观测或取样，而绝大多数基于数学模型的相关结论却又需要实际结果或数据的验证。鉴于内衬热面凝壳对于炉缸乃至高炉寿命的决定性影响，开发出用于高炉炉缸凝壳现象研究的实验装置及实验方法便具有非常显著的实际意义。

综上，目前亟需创新出一种可以用于炼铁反应器内凝壳现象研究的实验装置及实验方法。

发明内容

(一)要解决的技术问题

为了解决现有技术中的问题，本发明提供一种用于炼铁反应器内凝壳现象研究的实验装置及实验方法。

(二)技术方案

为了达到上述目的，本发明采用的主要技术方案包括：

本发明一方面提供一种用于炼铁反应器内凝壳现象研究的实验装置，包括：高温炉；用于容纳铁水原料的坩埚，坩埚放置在高温炉的炉膛恒温区内；能够可选择地伸入坩埚中的凝壳采集器，凝壳采集器包括冷却元件、包裹在冷却元件底部的凝壳基体、以及套设在冷却元件外部并叠置在凝壳基体上的隔热套；制冷系统，制冷系统与冷却元件连通形成冷却剂循环流路。

根据本发明，凝壳基体的材料为高纯石墨或刚玉，隔热套的材料为耐火材料，冷却元件的材料为钢或铜合金，在冷却元件和凝壳基体之间填满石墨胶。

根据本发明，凝壳基体和隔热套均通过螺钉固定在冷却元件的外表面。

根据本发明，还包括：氮气瓶，高温炉的炉膛下方设有氮气入口，氮气瓶与氮气入口连通。

根据本发明，坩埚为石墨坩埚或刚玉坩埚；凝壳基体的壁厚位于5-20mm的范围内，高度位于100-200mm的范围内；隔热套为套筒状，其壁厚位于5-20mm的范围内，高度位于200-600mm的范围内；冷却元件包括冷却元件主体、冷却剂供给管和冷却剂导出管，凝壳基体包裹在冷却元件主体的底部，隔热套套设在冷却元件主体外部，冷却剂供给管的出口与冷却元件主体的内部连通，冷却剂导出管的入口与冷却元件主体的内部连通，冷却元件主体为圆柱形，冷却元件主体的外径位于10-30mm的范围内，内径位于5-20mm的范围内，高度位于300-1000mm的范围内。

根据本发明，冷却元件为圆柱形冷却元件、U形冷却元件、螺旋形冷却元件、翅片形冷却元件或肋板形冷却元件。

根据本发明，制冷系统包括冷却剂存储罐、用于对冷却剂存储罐内的冷却剂降温的制冷器、连接冷却剂存储罐的出口与冷却剂供给管的入口的第一管路、连接冷却剂存储罐的入口与冷却剂导出管的出口的第二管路、设置在第一管路上的流量计、设置在第二管路上的泄压阀和泵、以及可移动支架，冷却剂存储罐和泵安装在可移动支架上；实验装置还包括升降驱动器，升降驱动器与凝壳采集器连接。

本发明另一方面提供一种采用上述任一项用于炼铁反应器内凝壳现象研究的实验装置的实验方法，包括如下步骤：S1、装有铁水原料的坩埚放置在高温炉的炉膛恒温区中；S2、将高温炉的炉膛恒温区升温至第一设定温度，待坩埚中形成铁水后，搅拌均匀铁水；S3、启动制冷系统，冷却剂在制冷系统和冷却元件之间循环流动，冷却剂的温度为第二设定温度；S4、将凝壳采集器伸入坩埚中并且使凝壳基体与坩埚内的铁水接触，形成附着在凝壳基体外的铁水凝壳；S5、一定时间后，将凝壳采集器提升至高温炉外降温；S6、剥离铁水凝壳制样；其中，第一设定温度和第二设定温度的温差位于1220-1500℃的范围内。

根据本发明，在步骤S1执行完毕后，打开氮气瓶，使氮气持续从高温炉的炉膛底部注入炉膛中，保持氮气的注入同时开始执行步骤S2；在步骤S5中，将凝壳采集器提升至高温炉外后使用氮气喷枪吹扫铁水凝壳。

根据本发明，在步骤S2中，第一设定温度位于1250-1500℃的范围内；在步骤S3中，第二设定温度位于0-30℃的范围内，冷却剂的流量位于0.1-1.5m³/s的范围内。

(三)有益效果

本发明的有益效果是：

本发明的实验装置中，高温炉用于在坩埚中制成铁水，凝壳采集器伸入到坩埚中的铁水中后，凝壳基体位于坩埚中且内侧紧密贴靠冷却元件，进而可在凝壳基体的内外形成外热内冷的大温差环境，在此环境下，坩埚中的靠近凝壳基体的铁水会冷却形成附着在凝壳基体外部的铁水凝壳。由此，本发明的实验装置中，采用凝壳基体模拟炼铁反应器的内衬，采用冷却元件模拟炼铁反应器的冷却设备，加之在凝壳基体内外侧形成外热内冷的大温差环境，高度还原了炼铁反应器炉缸内铁水凝壳的形成过程，填补了目前用于炼铁反应器内凝壳现象研究的实验装置的空白，从而可为基于数学模型的相关研究结论提供数据验证，进而可为制定炉缸长寿设计和操作措施提供科学指导。

本发明的实验方法采用上述实验装置，填补了目前用于炼铁反应器内凝壳现象研究的实验方法的空白，可以采集到所形成的铁水凝壳，进而可对该铁水凝壳进行进一步的研究，由此可为基于数学模型的相关研究结论提供数据验证，并且可为制定炉缸长寿设计和操作措施提供科学指导。

附图说明

图1是本发明具体实施方式所提供的实施一的实验装置的结构示意图；

图2是图1示出的实验装置中凝壳采集器的剖面图；

图3是U形冷却元件的结构示意图；

图4是螺旋形冷却元件的结构示意图；

图5是翅片形冷却元件的结构示意图；

图6是肋板形冷却元件的结构示意图。

【附图标记说明】

图中：

1：冷却剂存储罐；2：可移动支架；3：泄压阀；4：泵；5：第二管路；6：冷却剂导出管；7：冷却元件主体；8：隔热套；9：凝壳基体；10：坩埚；11：高温炉；12：第一管路；13：流量计；14：冷却剂供给管；15：升降驱动器；16：氮气瓶。

具体实施方式

为了更好的解释本发明，以便于理解，下面结合附图，通过具体实施方式，对本发明作详细描述，其中，本文所涉及的“上”、“下”、“底”等方位名词均以图1至图6的定向为参照。

实施例一

参照图1，在本实施例中，提供一种用于炼铁反应器内凝壳现象研究的实验装置。该实验装置包括高温炉11、坩埚10、凝壳采集器和制冷系统。

具体地，高温炉11是用于工矿企业、科研单位化验室、实验室加温、热处理的仪器设备，本实施例所采用的高温炉11是工作温度能够制成铁水的高温炉，优选地，高温炉11采用管式钼丝高温炉，工作温度能够达到1500℃。当然，本发明不局限于此，在其他实施例中，可采用任意能够制成铁水的高温炉，例如，一些工作温度能够达到1650℃的高温炉。其中，工作温度即指高温炉炉膛恒温区内的温度。

具体地，坩埚10放置在高温炉11的炉膛恒温区内，坩埚10用于容纳铁水原料，高温炉11升温后，坩埚10中的铁水原料便会熔化成铁水。其中，铁水原料是粉末状，其成分以及各成分的含量根据需要研究的目标铁水凝壳来确定，例如，铁水原料可以是包括工业纯铁、硅铁、锰铁、硫铁、磷铁等在内的磨碎混匀的粉末。

具体地，凝壳采集器能够可选择地伸入坩埚10中，即凝壳采集器能够进入高温炉11并伸入坩埚10中，也可以离开高温炉11。参照图2，凝壳采集器包括冷却元件、凝壳基体9和隔热套8，凝壳基体9包裹在冷却元件底部使得在实验时冷却元件的底部不暴露在铁水中，凝壳基体9至少覆盖冷却元件底部，凝壳基体9覆盖冷却元件的高度根据需要制取的铁水凝壳的多少决定。

具体地，隔热套8套设在冷却元件外部并叠置在凝壳基体9上，隔热套8保证冷却元件的外壁不会暴露在高温炉11内，以降低冷却元件与高温炉11内空间的热交换量，减少冷却元件的热负荷，保护冷却元件并保证冷却元件的制冷作用。隔热套8覆盖冷却元件的高度至少保证凝壳采集器伸入坩埚10后冷却元件的外壁不会暴露在高温炉11内，优选地是尽可能多地覆盖冷却元件。

具体地，制冷系统与冷却元件连通形成冷却剂循环流路，冷却剂在冷却元件中吸热温度升高，制冷系统对温度升高的冷却剂降温，然后将降温后的冷却剂再次送入冷却元件，由此保证冷却元件对凝壳基体9的降温作用。

综上，高温炉11升温使坩埚10中的铁水原料熔化形成铁水，凝壳采集器伸入到坩埚10中的铁水中后，凝壳基体9外侧接触坩埚10中的铁水且内侧紧密贴靠冷却元件，进而可在凝壳基体9的内外形成外热内冷的大温差环境，在此环境下，坩埚10中的靠近凝壳基体9的铁水会冷却形成附着在凝壳基体9外部的铁水凝壳。由此，上述实验装置中，采用凝壳基体9模拟炼铁反应器的内衬，采用冷却元件模拟炼铁反应器的冷却设备，加之在凝壳基体9内外侧形成外热内冷的大温差环境，高度还原了炼铁反应器炉缸内铁水凝壳的形成过程，填补了目前用于炼铁反应器内凝壳现象研究的实验装置的空白，从而可为基于数学模型的相关研究结论提供数据验证，进而可为制定炉缸长寿设计和操作措施提供科学指导。

进一步，在本实施例中，高温炉11的选择以及制冷系统的性能能够满足：高温炉11的炉膛恒温区与冷却剂的温差能够位于1220-1500℃的范围内。

进一步，在本实施例中，高温炉11的工作温度介于1250-1500℃之间。高温炉11的炉膛顶部具有敞口，可以是局部敞开，也可以是全部敞开，凝壳采集器通过该敞口可上下移动地伸入高温炉11中。

进一步，在本实施例中，坩埚10为石墨坩埚或刚玉坩埚。石墨坩埚具有良好的热导性和耐高温性，在高温使用过程中，热膨胀系数小，对急热、急冷具有一定抗应变性能，并且具有优良的化学稳定性。刚玉坩埚耐化学腐蚀性好、耐温性好、耐急冷急热性好，不易炸裂。

进一步，凝壳基体9具有凹腔，该凹腔的形状与冷却元件的底部形状相配合，以使凝壳基体9与冷却元件之间的热交换更加充分。具体地，本实施例中，凝壳基体9的形状相当于一带有凹腔的圆柱体。凝壳基体9的材料为高纯石墨或刚玉，高纯石墨是指石墨的含碳量>99.99％。凝壳基体9的壁厚位于5-20mm的范围内，高度位于100-200mm的范围内。其中，在凝壳基体9的凹腔对应形成等厚的侧壁时，凝壳基体9的壁厚指的该侧壁的厚度，在凝壳基体9的凹腔对应形成非等厚的侧壁时(例如图2中U形凹腔形成了上薄下厚的侧壁时)，凝壳基体9的壁厚指的该侧壁的最小厚度值。当然，凝壳基体9的壁厚不宜过大，因过大的侧壁降温效果不好。所以，一般凝壳基体9的中部和上部的壁厚较小，以便于在此处形成铁水凝壳，而凝壳基体9的下部包裹冷却元件的最底端，相对不利于铁水凝壳的形成，本实验装置主要让铁水凝壳附着在凝壳基体9的上部和中部。

进一步，在本实施例中，隔热套8的材料为耐火材料，优选为刚玉。隔热套8为套筒状，优选为圆筒状，其壁厚位于5-20mm的范围内，高度位于200-600mm的范围内。

进一步，在本实施例中，冷却元件的材料为钢或铜合金，在两次实验中可采用不同导热性能材料，以获得不同的凝壳基体冷面温度。

具体而言，冷却元件包括冷却元件主体7、冷却剂供给管14和冷却剂导出管6。冷却元件主体7是冷却元件的主体部分，凝壳基体9包裹在冷却元件主体7的底部，隔热套8套设在冷却元件主体7外部并叠置在凝壳基体9上，冷却元件主体7主要起到与凝壳基体9换热的作用；冷却剂供给管14的出口与冷却元件主体7的内部连通，以向冷却元件主体7中注入冷却剂对凝壳基体9降温；冷却剂导出管6的入口与冷却元件主体7的内部连通以将较热的冷却剂导出。

进一步，在本实施例中，冷却元件为圆柱形冷却元件，圆柱形冷却元件指冷却元件主体7的形状为圆柱形，当然，此处是指冷却元件主体7的整体形状呈圆柱形、即其主体部分为圆柱形即可，在本实施例中，冷却元件主体7的底部呈圆头。冷却元件主体7的内部有空腔用于容纳冷却剂。该冷却元件主体7的外径(即其主体部分的外径)位于10-30mm的范围内，内径(即其主体部分的内径)位于5-20mm的范围内，高度位于300-1000mm的范围内。

进一步，在本实施例中，配合圆柱形的冷却元件主体7，冷却剂供给管14与冷却元件主体7的内部的上部连通，冷却剂导出管6伸入冷却元件主体7的底部，由此通过制冷系统降温后的冷却剂先到达冷却元件主体7的上部，位于冷却元件主体7下部的冷却剂较热，能够被及时导出，有利于对凝壳基体9的降温。冷却剂供给管14和冷却剂导出管6可与冷却元件主体7固定连接(例如焊接连接)，是一体件，优选地，冷却剂供给管14和冷却剂导出管6与冷却元件主体7为同种材料制成的。

当然，本发明不局限于此，冷却元件不局限于圆柱形冷却元件，相应于不同形状的冷却元件主体，冷却剂供给管14和冷却剂导出管6的连接位置也有所不同。

例如，参照图3，冷却元件可为U形冷却元件，U形冷却元件中，冷却元件主体7为U形管，冷却剂供给管14和冷却剂导出管6与U形的冷却元件主体7的上部两个开口分别连接。此时，U形的冷却元件主体7与冷却剂供给管14和冷却剂导出管6为一体成型件。并且此时，凝壳基体9的凹腔能够包裹住U形冷却元件的底部即可，因U形形状，凝壳基体9的凹腔无法完全与其外表面贴合。

又例如，参照图4，冷却元件可为螺旋形冷却元件，螺旋形冷却元件中，冷却元件主体7是螺旋管，冷却剂供给管14和冷却剂导出管6与螺旋形的冷却元件主体7的两端分别连接。此时，螺旋形的冷却元件主体7与冷却剂供给管14和冷却剂导出管6为一体成型件。并且此时，凝壳基体9的凹腔能够包裹住螺旋形的冷却元件主体7的底部即可，因螺旋形形状，凝壳基体9的凹腔无法完全与其外表面贴合。

又例如，参照图5，冷却元件可为翅片形冷却元件，翅片形冷却元件中，冷却元件主体7包括管状主体部分和连接于管状主体部分的多个间隔的圆环翅片。冷却剂供给管14和冷却剂导出管6与冷却元件主体7的连接方式可参照其与圆柱形冷却元件中的冷却元件主体7的连接方式。并且此时，凝壳基体9的凹腔能够包裹住冷却元件主体7的底部即可，因翅片形形状，凝壳基体9的凹腔无法完全与其外表面贴合。

又例如，参照图6，冷却元件可为肋板形冷却元件，肋板形冷却元件中，冷却元件主体7包括管状主体部分和连接于管状主体部分的多个间隔的纵向肋板，“纵向”平行于管状主体部分的轴向。冷却剂供给管14和冷却剂导出管6与冷却元件主体7的连接方式可参照其与圆柱形冷却元件中的冷却元件主体7的连接方式。并且此时，凝壳基体9的凹腔能够包裹住肋板形冷却元件的冷却元件主体7的底部即可，因肋板形形状，凝壳基体9的凹腔无法完全与其外表面贴合。

圆柱形冷却元件和U形冷却元件结构相对简单，制造成本低，但换热效果相对较差；螺旋形冷却元件、翅片形冷却元件和肋板形冷却元件结构相对复杂，制造成本高，但相对圆柱形冷却元件和U形冷却元件换热效率高，冷却效果好。

当然，本发明不局限于此，冷却元件可以是上述5种类型中的一种，也可以是其中任意几种的组合。

进一步，在本实施例中，在冷却元件和凝壳基体9之间(即冷却元件主体7与凝壳基体9之间)填满石墨胶，这样可以消除凝壳基体9与冷却元件之间的气隙，提高传热效率，尤其是在凝壳基体9的凹腔无法完全贴合在冷却元件的外表面上时，提高传热效率的效果特别明显。具体地，在制作凝壳采集器时，将石墨胶填充于凝壳基体9与冷却元件之间，之后进行烘烤，使得石墨胶安全凝固膨胀。当然，本发明不局限于此，在其他实施例中，也可填充其他具有良好导热效果的粘结剂。

进一步，凝壳基体9和隔热套8均通过螺钉固定在冷却元件的外表面，在本实施例中即为固定在冷却元件主体7表面，这样可防止凝壳基体9和隔热套8在实验时滑落。当然，本发明不局限于此，在其他实施例中，凝壳基体9和隔热套8与冷却元件的固定方式还可以为其他方式，例如粘接等，也可以是多种固定方式相结合。

更进一步，实验装置还包括升降驱动器15，升降驱动器15与凝壳采集器连接以驱动凝壳采集器升降。在本实施例中，隔热套8顶端具有凸缘，升降驱动器15为机械升降台，机械升降台的机械臂与隔热套8的凸缘固定连接，机械升降台自身的升降可带动隔热套8升降，进而带动凝壳采集器升降。机械升降台上设有驱动手柄，通过转动手柄驱动机械升降台升降，进而带动凝壳采集器升降。由此，凝壳采集器的升降便实现了其可选择的伸入坩埚10中，并且操作简便。当然，本发明不局限于此，升降驱动器15不局限于机械升降台，可以采用滑轮组的形式等。

进一步，在本实施例中，制冷系统包括冷却剂存储罐1、制冷器(图中未示出)、第一管路12、第二管路5、泄压阀3、泵4、流量计13和可移动支架2。其中，冷却剂存储罐1用于储存冷却剂；制冷器用于对冷却剂存储罐1内的冷却剂降温，保证从冷却剂存储罐1流出的冷却剂是低温恒温的，在本实施例中，冷却剂的温度恒定在0-30℃中的某一数值；第一管路12连接冷却剂存储罐1的出口与冷却剂供给管14的入口；第二管路5连接冷却剂存储罐1的入口与冷却剂导出管6的出口，流量计13设置在第一管路12上；流量计13可测量第一管路12中的冷却剂流量以及调节第一管路12中的流量大小；泄压阀3和泵4设置在第二管路5上，泄压阀3能够将第二管路5内的高压蒸汽及时排出，用于防止第二管路5内产生高压；冷却剂存储罐1和泵4安装在可移动支架2上，可移动支架12为底部带有滚轮的支架。优选地，冷却剂为水，泵4为变频水泵。当制冷器开启，泄压阀3开启，泵4开启，流量计13开启(即流量计13的状态是允许第一管路12中冷却剂流通的状态)，制冷系统便启动。

更进一步，保证第一管路12与冷却剂供给管14的接口和第二管路5与冷却剂导出管6的接口远离坩埚10，以避免冷却剂滴入坩埚10中，第一管路12和第二管路5可为橡胶管。

进一步，在本实施例中，实验装置还包括氮气瓶16，高温炉11的炉膛下方设有氮气入口，氮气瓶16与氮气入口连通。在实验过程中通入氮气，可将炉膛中的氧气从敞口挤出，防止铁水氧化。

实施例二

在本实施例中提供一种采用上述实施例一的实验装置进行的实验方法，包括如下步骤：

S1、装有铁水原料的坩埚10放置在高温炉11的炉膛恒温区中，其中，可先将坩埚10中装入铁水原料再将坩埚10放入高温炉11的炉膛恒温区中；

S2、将高温炉11的炉膛恒温区升温至第一设定温度，待坩埚10中形成铁水，搅拌均匀铁水；

S3、启动制冷系统，冷却剂在制冷系统和冷却元件之间循环流动，冷却剂的温度为第二设定温度；

S4、将凝壳采集器伸入坩埚10中并且使凝壳基体9与坩埚10内铁水接触，形成附着在凝壳基体9外的铁水凝壳；

S5、一定时间后，将凝壳采集器提升至高温炉11外降温；

S6、剥离铁水凝壳制样；

其中，第一设定温度和第二设定温度的温差位于1220-1500℃的范围内。

本实施例的实验方法采用上述实验装置，填补了目前用于炼铁反应器内凝壳现象研究的实验方法的空白，可以采集到所形成的铁水凝壳，进而可对该铁水凝壳进行进一步的研究，例如运用相关检测仪器对凝壳样本进行厚度、显微结构、矿相组成、化学成分等方面的检测分析。由此可为基于数学模型的相关研究结论提供数据验证，并且可为制定炉缸长寿设计和操作措施提供科学指导。

具体地，在本实施例中，在步骤S1中，可先按照一定配比向工业纯铁中添加硅铁、锰铁、硫铁、磷铁等，磨碎混匀形成铁水原料装入坩埚10中，然后将坩埚10放置在高温炉11的炉膛恒温区中。

进一步，在本实施例中，在步骤S1执行完毕后，打开氮气瓶16，使氮气以一定的流量持续从高温炉11的炉膛底部注入炉膛中，氮气可将炉膛中的氧气从敞口挤出，防止铁水氧化，保持氮气的注入同时开始执行步骤S2以及后续步骤。

具体地，在本实施例中，在步骤S2中，将高温炉11的炉膛恒温区的温度升高至1250-1500℃的范围内的某一温度(即第一设定温度介于1250-1500℃之间)，待坩埚10中形成铁水后，使用石英棒穿过炉膛敞口搅拌坩埚10内的铁水，以使铁水成分均匀。

具体地，在本实施例中，在步骤S3中，开启制冷器，开启泵4，开启泄压阀3，开启流量计13，使冷却剂存储罐1内的冷却剂经由第一管路12、冷却剂供给管14、冷却元件主体7、冷却剂导出管6、第二管路5构成回路循环流动，制冷器使得进入冷却剂供给管14的冷却剂的温度恒定在0-30℃的范围内的某一温度(即第二设定温度介于0-30℃之间)，并且调整流量计13开度，调节冷却剂的流量至实验所需流量，冷却剂的流量位于0.1-1.5m³/s的范围内的某一值，当然，冷却剂的流量可能有一些波动，这里所指冷却剂的流量为其平均流量。

进一步，在本实施例中，在步骤S4中，采用升降驱动器15驱动凝壳采集器下降伸入到坩埚10中的铁水中，使得凝壳采集器的凝壳基体9与铁水充分接触，形成附着在凝壳基体9外的铁水凝壳。

进一步，在本实施例中，在步骤S5中，维持一定时间后，使用升降驱动器15提升凝壳采集器至高温炉11外，随后使用氮气喷枪吹扫铁水凝壳，使其迅速冷却降温。其中，维持多长时间，视后续研究需要而定。

进一步，在本实施例中，在步骤S6中，待凝壳采集器冷却至室温，使用切削设备将铁水凝壳从凝壳基体9上剥离，然后制成后续检测所用样品。

然后，可运用相关检测仪器对凝壳样本进行厚度、显微结构、矿相组成以及化学成分等方面的检测分析。

综上，实施例一和实施二所提供的实验装置和实验方法可用于高炉、HISMELT熔融还原炉、HISARNA旋风炉、COREX以及FINEX熔融气化炉等炼铁反应器。当然，也可用于与炼铁反应器形成凝壳类似的其他金属炼制反应器。

如下，以两组实验进一步说明实施例一和实施二所提供的实验装置和实验方法：

实验一

以石墨制成的凝壳基体9为例，高温炉11的炉膛恒温区温度为1500℃(视为铁水温度为1500℃)，铁水潜热为247kJ·kg^-1，冷却剂(水)温度为20℃，平均流速为1.5m/s，石墨导热系数为15W·m^-1·℃^-1，密度为1700kg·m^-3，热容为2.5kJ·kg^-1·K^-1，凝壳导热系数为4W·m^-1·℃^-1，密度为2300kg·m^-3，热容为0.8kJ·kg^-1·K^-1。计算可得，使用上述实验装置和实验方法，当凝壳采集器置于铁水中1分钟时，其表面生成铁水凝壳的平均厚度为14mm；2分钟时，铁水凝壳平均厚度为18mm；3分钟时，铁水凝壳平均厚度为21mm；4分钟时，铁水凝壳平均厚度为23mm；5分钟时，铁水凝壳平均厚度为25mm。

实验二

与实验一基本相同，不同之处在于：由刚玉制成的凝壳基体9。取刚玉导热系数为0.9W·m^-1·℃^-1，密度为2500kg·m^-3，热容为1.1kJ·kg^-1·K^-1，其它参数与实验二完全一致。计算可得，使用上述实验装置和实验方法，当凝壳采集器置于铁水中1分钟时，其表面生成铁水凝壳的平均厚度为8mm；2分钟时，铁水凝壳平均厚度为10mm；3分钟时，铁水凝壳平均厚度为12mm；4分钟时，铁水凝壳平均厚度为14mm；5分钟时，铁水凝壳平均厚度为15mm。

以上内容仅为本发明的较佳实施例，对于本领域的普通技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种用于炼铁反应器内凝壳现象研究的实验装置，其特征在于，包括：

高温炉(11)；

用于容纳铁水原料的坩埚(10)，所述坩埚(10)放置在所述高温炉(11)的炉膛恒温区内；

能够可选择地伸入所述坩埚(10)中的凝壳采集器，所述凝壳采集器包括冷却元件、包裹在所述冷却元件底部的凝壳基体(9)、以及套设在所述冷却元件外部并叠置在所述凝壳基体(9)上的隔热套(8)；

制冷系统，所述制冷系统与所述冷却元件连通形成冷却剂循环流路。

2.根据权利要求1所述的用于炼铁反应器内凝壳现象研究的实验装置，其特征在于，

所述凝壳基体(9)的材料为高纯石墨或刚玉，所述隔热套(8)的材料为耐火材料，所述冷却元件的材料为钢或铜合金，在所述冷却元件和所述凝壳基体(9)之间填满石墨胶。

3.根据权利要求1所述的用于炼铁反应器内凝壳现象研究的实验装置，其特征在于，

所述凝壳基体(9)和所述隔热套(8)均通过螺钉固定在所述冷却元件的外表面。

4.根据权利要求1所述的用于炼铁反应器内凝壳现象研究的实验装置，其特征在于，还包括：

氮气瓶(16)，所述高温炉(11)的炉膛下方设有氮气入口，所述氮气瓶(16)与所述氮气入口连通。

5.根据权利要求1所述的用于炼铁反应器内凝壳现象研究的实验装置，其特征在于，

所述坩埚(10)为石墨坩埚或刚玉坩埚；

所述凝壳基体(9)的壁厚位于5-20mm的范围内，高度位于100-200mm的范围内；

所述隔热套(8)为套筒状，其壁厚位于5-20mm的范围内，高度位于200-600mm的范围内；

所述冷却元件包括冷却元件主体(7)、冷却剂供给管(14)和冷却剂导出管(6)，所述凝壳基体(9)包裹在所述冷却元件主体(7)的底部，所述隔热套(8)套设在所述冷却元件主体(7)外部，所述冷却剂供给管(14)的出口与所述冷却元件主体(7)的内部连通，所述冷却剂导出管(6)的入口与所述冷却元件主体(7)的内部连通，所述冷却元件主体(7)为圆柱形，所述冷却元件主体(7)的外径位于10-30mm的范围内，内径位于5-20mm的范围内，高度位于300-1000mm的范围内。

6.根据权利要求1所述的用于炼铁反应器内凝壳现象研究的实验装置，其特征在于，

所述冷却元件为圆柱形冷却元件、U形冷却元件、螺旋形冷却元件、翅片形冷却元件或肋板形冷却元件。

7.根据权利要求1所述的用于炼铁反应器内凝壳现象研究的实验装置，其特征在于，

所述制冷系统包括冷却剂存储罐(1)、用于对冷却剂存储罐(1)内的冷却剂降温的制冷器、连接所述冷却剂存储罐(1)的出口与所述冷却剂供给管(14)的入口的第一管路(12)、连接所述冷却剂存储罐(1)的入口与所述冷却剂导出管(6)的出口的第二管路(5)、设置在所述第一管路(12)上的流量计(13)、设置在所述第二管路(5)上的泄压阀(3)和泵(4)、以及可移动支架(2)，所述冷却剂存储罐(1)和所述泵(4)安装在所述可移动支架(2)上；

所述实验装置还包括升降驱动器(15)，所述升降驱动器(15)与所述凝壳采集器连接。

8.一种采用上述权利要求1-7中任一项所述的用于炼铁反应器内凝壳现象研究的实验装置的实验方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、装有铁水原料的坩埚(10)放置在高温炉(11)的炉膛恒温区中；

S2、将高温炉(11)的炉膛恒温区升温至第一设定温度，待坩埚(10)中形成铁水后，搅拌均匀铁水；

S3、启动制冷系统，冷却剂在制冷系统和冷却元件之间循环流动，冷却剂的温度为第二设定温度；

S4、将凝壳采集器伸入坩埚(10)中并且使凝壳基体(9)与坩埚(10)内的铁水接触，形成附着在凝壳基体(9)外的铁水凝壳；

S5、一定时间后，将凝壳采集器提升至高温炉(11)外降温；

S6、剥离铁水凝壳制样；

其中，所述第一设定温度和所述第二设定温度的温差位于1220-1500℃的范围内。

9.根据权利要求8所述的实验方法，其特征在于，

在步骤S1执行完毕后，打开氮气瓶(16)，使氮气持续从高温炉(11)的炉膛底部注入炉膛中，保持氮气的注入同时开始执行步骤S2；

在步骤S5中，将凝壳采集器提升至高温炉(11)外后使用氮气喷枪吹扫铁水凝壳。

10.根据权利要求8所述的实验方法，其特征在于，

在步骤S2中，所述第一设定温度位于1250-1500℃的范围内；

在步骤S3中，所述第二设定温度位于0-30℃的范围内，冷却剂的流量位于0.1-1.5m³/s的范围内。