CN106706837A - 高温多功能焦炭反应性测试设备及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种高温多功能焦炭反应性测试设备，用于测试入炉冶金焦炭的高温反应性能，其特征在于，具有：电热炉，具有炉顶盖以及设置在电热炉内的加热室，炉顶盖中间设有尾气引出孔，加热室下端设有开口；炉体升降装置，包括驱动机构、底座以及竖直安装在底座上的升降立柱；反应器，用于盛放焦炭试样；反应器移动轨道，用于移动反应器；以及尾气燃烧装置，安装在所述升降立柱中部，用于燃烧尾气。本发明还提供了一种高温焦炭反应性试验方法，用于模拟高炉不同喷煤比工况焦炭的碳溶反应，由于反应温度高、反应气量少以及反应时间短，更能接近高炉实际的反应情况,实验得出的结果能更合理的评定焦炭质量。
Description
技术领域
本发明属于焦炭化工技术领域，涉及一种高温多功能焦炭反应性测试设备及方法，具体涉及一种模拟高炉不同喷煤比工况焦炭反应性的测试设备及方法。
背景技术
焦炭在高炉冶炼过程中除了提供热量、碳源、还原剂外，最重要的作用是担当骨料支撑。目前为了降低焦比节约成本，在高炉冶炼过程中采用燃烧喷吹煤粉作为热源已成为一种普遍的技术。
在高喷煤比的操作条件下，焦炭所处的反应环境更加恶劣，主要体现为焦炭在高炉中停留时间延长，单位质量焦炭反应气体负荷增大，承受的压力、热应力与化学侵蚀更严重，导致焦炭的碳溶反应加剧，产生更多裂纹，焦炭易开裂使粒度变小。如果焦炭块度下降、高炉透气性变差会影响高炉顺行，所以要提高喷煤比必须优先确保焦炭有较高的热强度性质。
传统装置的反应炉不具有升降功能，主要靠人工提起或放入反应器于反应炉中，这种方法具有一定的高温操作危险；另外，传统装置的反应炉仅限于1100℃的金属反应器操作，当需要做更高温试验时，金属反应器因会熔融而不适合，刚玉反应器因不能急冷而不适合，而且高温反应时，人工提放反应器更加危险。
传统反应炉的尾气处理方式为液体吸收后直接排放到空气中，这样的设计会造成环境的污染。
传统反应器的进气管道是U型弯曲的，实验操作中这一弯曲段容易积攒焦油、焦粉等堵塞管道，也会发生熔断、砂眼等现象，是影响反应器寿命的主要原因，常规反应器在1100℃仅可使用80炉左右。
目前普遍采取的焦炭热强度试验标准是GB/T400-1983《焦炭反应性及反应后强度试验方法》，这个方法为了便于操作简化了试验条件，与实际高炉内的反应条件相差较大，随着高炉大型化的发展及高喷煤技术的应用，差异更加明显。已有人发现，高炉焦炭实际热强度与标准CRI/CSR测试结果没有关联性，甚至会在模拟高炉内发生CRI/CSR测试结果序列逆转，主要原因在于现有测试标准有以下几个方面与高炉实际不符：(1)试验温度固定为1100℃，而高炉内焦炭进入风口回旋区前实际反应温度在800～1400℃间；(2)用纯CO2作为反应气，与高炉内实际反应气氛不符；(3)反应时间2h与高炉内焦炭实际反应时间不符合。
上述问题的存在，现行的焦炭反应性试验方法和试验结果有可能会对焦炭高温性质优劣的评价形成误导。
发明内容
为解决上述问题，本发明采用了如下技术方案：
本发明提供了一种高温多功能焦炭反应性测试设备，用于测试入炉冶金焦炭的高温反应性能，其特征在于，具有：电热炉，具有炉顶盖以及设置在电热炉内的加热室，炉顶盖中间设有尾气引出孔，加热室下端设有开口；炉体升降装置，包括驱动机构、底座以及竖直安装在底座上的升降立柱；反应器，用于盛放焦碳试样；反应器移动轨道，用于移动反应器；以及尾气燃烧装置，安装在所述升降立柱中部，用于燃烧尾气，其中，驱动机构具有安装在升降立柱上的链条传动单元、安装在底座内并且用于驱动链条传动单元的电机以及用于对电机进行调速控制的调速单元，电热炉与链条传动单元固定连接，在驱动机构的驱动下上升或下降，调速单元通过调节电机的转速来调节电热炉的升降速度。
本发明提供的高温多功能焦炭反应性测试设备，还可以具有这样的特征：升降立柱的上端和下端分别安装有第一限位开关和第二限位开关，电热炉的上端和下端分别设置有与第一限位开关和第二限位开关相对应的第一限位块和第二限位块，当电热炉上升时，第一限位块碰到并触发第一限位开关，调速单元接受第一限位开关的激发信号后控制电机停止转动，当电热炉下降时，第二限位块碰到并触发第二限位开关，调速单元接受第二限位开关的激发信号后控制电机停止转动。
本发明提供的高温多功能焦炭反应性测试设备，还可以具有这样的特征：电热炉还具有加热机构，包括竖直安装在电热炉内的加热电阻丝、用于测量加热室内部温度的第一热电偶、用于测量反应器内部温度的第二热电偶以及与加热电阻丝、第一热电偶和第二热电偶连接并接受第一热电偶和第二热电偶温度信号后通过对加热电阻丝通断电进行控制的控温单元。
本发明提供的高温多功能焦炭反应性测试设备，还可以具有这样的特征：反应器的底部设置有直形的进气管。
本发明提供的高温多功能焦炭反应性测试设备，还可以具有这样的特征：配气装置，通过送气管与进气管连接。
本发明提供的高温多功能焦炭反应性测试设备，还可以具有这样的特征：反应器的下部外侧设置有缓冲弹簧。
本发明还提供了一种高温焦炭反应性试验方法，用于模拟高炉不同喷煤比工况焦炭的碳溶反应，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1，常温下，采用调速单元控制电机转动，驱动链条传动单元，从而带动固定连接在该链条传动单元上的电热炉快速上升；
步骤2，制样并称取样品，放入反应器内，采用反应器移动轨道将反应器移动到电热炉的正下方；
步骤3，采用调速单元控制电机转动，使电热炉快速下降，并接通尾气引出孔与尾气燃烧装置；
步骤4，将所述反应器的进气管与配气装置的送气管接通，采用配气装置上设置混合气总量区间为900～996L，CO2通气量区间为125～225L；
步骤5，采用控温单元设定反应温度区间为800-1350℃的升温程序，通电升温；
步骤6，反应器内温度升至预定温度200℃时，采用配气装置向反应器内通N2进行升温保护；
步骤7，反应器内温度升至反应温度800℃时，采用配气装置向反应器内按预定量通CO2进行反应，混合气总量区间为900～996L，CO2通气量区间为125～225L；
步骤8，按照预定的反应时间反应结束时，采用配气装置向反应器内通纯N2进行降温保护，并关闭尾气燃烧装置；
步骤9，采用调速单元控制电机转动使电热炉慢速上升；
步骤10，电热炉上升停止时，采用反应器移动轨道将反应器移出；
步骤11，反应器内温度下降至100℃时，采用配气装置切断N2；
步骤12，测量焦炭反应失重率和反应鼓后强度并记录。
发明作用与效果
根据本发明提供的高温多功能焦炭反应性测试设备，由于电热炉在驱动机构驱动下可以上下升降，在常温下，采用快速升降模式，利用反应器移动轨道方便装取反应器，又可防止人工直接接触高温而烫伤；在高温反应后，采用慢速升降模式，既可防止反应器急冷开裂，又可使反应器较快冷却结束试验。
由于尾气燃烧装置可以使反应尾气完全燃烧，避免实验室有害气体排放，保证安全。
由于反应器的进气管是直形，避免了积攒焦油、焦粉等堵塞管道的情况，同时防止发生熔断、砂眼等现象，增长了反应器的使用寿命，在1300℃高温下可使用上百炉。
根据本发明提供的高温多功能焦炭反应性测试方法，由于反应温度高、反应气量少以及反应时间短，更能接近高炉实际的反应情况，试验结果更能被合理参考，正确评价焦炭高温性质的优劣。
附图说明
图1是本发明的高温多功能焦炭反应性测试设备整体示意图；
图2是本发明的高温多功能焦炭反应性测试设备电热炉全剖图；
图3是本发明的高温多功能焦炭反应性测试设备反应器全剖图。
具体实施方式
以下结合附图及实施例来说明本发明的具体实施方式。
<实施例1>
一、高温多功能焦炭反应性测试设备
图1是本发明的高温多功能焦炭反应性测试设备整体示意图。
如图1所示，本发明提供的高温多功能焦炭测试设备(以下简称测试设备)300包括电热炉1、炉体升降装置2、反应器3、反应器移动轨道4、尾气燃烧装置5。
图2是本发明的高温多功能焦炭反应性测试设备电热炉全剖图。
如图1、图2所示，电热炉1上部设有炉顶盖11，炉顶盖11内设置有尾气引出孔13。电热炉1周围外部由铁件14包覆，铁件14向内设置有耐高温材料的炉墙，依次由外层炉墙15、中层炉墙16、内层炉墙17组成。内层炉墙17向内设置有塞砖18，该塞砖18与内层炉墙17包围成一个中空结构具有竖直向下开口的加热室12，用于盛放反应器3。
加热电阻丝19穿过塞砖18垂直悬挂在加热室12周围，加热电阻丝19的上端与控温单元连接，用于加热加热室12；第一热电偶10一端穿过炉墙和塞砖18，另一端与控温单元连接，该控温单元通过接受第一热点偶10测得的加热室12内温度信号与安装在反应器3内的第二热电偶32测得的反应器3内的温度信号，对加热电阻丝19控制通断电加热，从而控制加热室12内的温度，进而控制反应器3内的反应温度。
如图1所示，炉体升降装置2包括驱动机构(图中未示)、底座21以及竖直安装在底座21上的升降立柱22。
其中，驱动机构具有安装在升降立柱22上的链条传动单元(图中未示)、安装在底座21内并且用于驱动所述链条传动单元的电机(图中未示)以及用于对所述电机进行调速控制的调速单元(图中未示)，电热炉1与链条传动单元固定连接，在驱动机构的驱动下上升或下降，调速单元通过调节电机的转速来调节所述电热炉1的升降速度。
升降立柱22的中部还安装有升降控制盒23，升降控制盒23上具有电源开关231、上升速控制表盘232、上升速控制表盘233、升降停止按钮234、快/慢选择开关235、上升按钮236、下降按钮237，升降控制盒23上的操作指令传输给调速单元。
电热炉1一侧的上端还安装有第一限位块101，下端安装有第二限位块102。
升降立柱22的上端和下端，分别安装有与电热炉1上的第一限位块101和第二限位102相对应的第一限位开关201和第二限位开关202。
当电热炉1上升时，第一限位块101碰到并触发第一限位开关201，调速单元接受第一限位开关201的激发信号后控制电机停止转动；当电热炉1下降时，第二限位块102碰到并触发第二限位开关202，调速单元接受第二限位开关202的激发信号后控制电机停止转动。
如图1所示，尾气燃烧装置5通过旋转连接件安装在升降立柱22中部，尾气燃烧装置5可以以升降立柱22为中心手动旋转至尾气引出孔13上方。
图3是本发明的高温多功能焦炭反应性测试设备反应器全剖图。
如图1、图3所示，反应器3为刚玉质，其底部贯穿地设置有进气管31以及第二热电偶32。第二热电偶32的下端与控温单元连接，反应器3内部的电偶保护套33套在第二热电偶32上，在反应器3内部的上端设置有多孔筛板34，反应器3外侧的下端设有缓冲弹簧35。
反应器移动轨道4上设有滑轮，一端与底座21固定连接。当试验反应时，反应器3放置在反应器移动轨道4上，手动移动到电热炉1下方，反应结束后，手动拉出。
二、高温焦炭反应性测试方法
<实施例1>
本实施例高温焦炭反应性试验方法，包括如下步骤：
步骤1，常温下，转拨升降控制盒23上的快/慢选择开关235，至快速档，按下上升按钮236，调速单元接收到升降控制盒23上的指令信号，控制电机转动，驱动链条传动单元，从而带动固定连接在该链条传动单元上的电热炉1快速上升。
步骤2，按GB/T 4000-2008的试验标准进行焦炭制样，称取200±0.5g样品放入所述反应器3内，再将反应器3沿反应器移动轨道4手动推到所述电热炉1下方。
步骤3，按下升降控制盒23上的下降按钮237，电热炉1快速下降到整体套住反应器3，将尾气燃烧装置5旋转到电热炉1的尾气引出孔13上方，并与之接通，用于燃烧尾气。
步骤4，将反应器3的进气管31与配气装置的送气管接通，在配气装置上设置混合气总量为900L和CO2通气量为125L；
步骤5，在控温单元上设定反应温度区间为800-1350℃的升温程序，给电热炉1内的加热电阻丝19通电加热，使加热室12升温。
步骤6，控温单元接受第二热电偶32测得的反应器3内的温度信号升至预定温度200℃时，显示并提醒，使用配气装置向反应器3内通N2进行升温保护。
步骤7，控温单元接受第二热电偶32测得的反应器3内的温度信号升至反应温度800℃时，显示并提醒，使用配气装置向反应器3内按预定量通CO2进行反应。
步骤8，按照预定的反应时间225分钟反应结束时，使用配气装置向反应器3内通N2进行降温保护，关闭尾气燃烧装置5并将其旋转远离电热炉1。
步骤9，转拨升降控制盒23上的快/慢选择开关235，至慢速档，按下升降控制盒23上的上升按钮236，使电热炉1慢速上升，防止刚玉质的反应器3因急冷二开裂，又可使反应器3较快冷却结束实验。
步骤10，电热炉1上升停止时，采用反应器移动轨道4将反应器3移出。
步骤11，控温单元接受第二热电偶32测得的反应器3内温度信号下降至100℃时，显示并提醒，使用配气装置切断N2。
步骤12，测量焦炭反应失重率和反应鼓后强度并记录。
本实施例中的焦炭样品在经过上述高温焦炭反应性试验后，测得焦炭反应失重率为12.6％，反应鼓后强度为76.4％。
<实施例2>
在本实施例2中，对于和实施例1中相同的结构及步骤，给予相同的符号并省略相同的说明。
本实施例中的试样与实施例1完全相同。步骤4的混合气总量为940L和CO2通气量为155L；与实施例1相比，同等的试样增加了反应气量，所以反应时间相应的也需增加，故步骤8的预定反应时间为235分钟。
实验结果测量出焦炭反应失重率为17.4％，反应鼓后强度为71.4％。
<实施例3>
在本实施例3中，对于和实施例1中相同的结构及步骤，给予相同的符号并省略相同的说明。
本实施例中的试样与实施例1完全相同。步骤4的混合气总量为996L和CO2通气量为197L；步骤8的，预定反应时间249分钟。
实验结果测量出焦炭反应失重率为22.3％，反应鼓后强度为68.1％。
<实施例4>
在本实施例2中，对于和实施例1中相同的结构及步骤，给予相同的符号并省略相同的说明。
本实施例中的试样与实施例1完全相同。步骤4的混合气总量为1032L和CO2通气量为224L；步骤8的，预定反应时间258分钟。
实验结果测量出焦炭反应失重率为21.8％，反应鼓后强度为70.5％。
<实施例5>
在本实施例5中，对于和实施例1中相同的结构及步骤，给予相同的符号并省略相同的说明。
在步骤1中分别骤选取弱粘煤A、B，强粘煤C、D，进口强粘煤E、F共六种典型焦样，进行两种高温焦炭反应性测试。得到的结果与同样六种弱粘煤A、B，强粘煤C、D，进口强粘煤E、F焦炭试样在标准反应性测试方法得到的结果如下表，表中，模拟高炉方法1的具体步骤和条件与实施例1相同，模拟高炉方法2的具体步骤和条件与实施例3相同。
表1典型焦样在不同反应条件下的反应失重率及鼓后强度(RI/I10600,％)
实施例作用与效果
根据本发明提供的高温多功能焦炭反应性测试设备及方法，由于电热炉在驱动机构驱动下可以上下升降，在常温下，采用快速升降模式，利用反应器移动轨道方便装取反应器，又可防止人工直接接触高温而烫伤；在高温反应后，采用慢速升降模式，既可防止反应器急冷开裂，又可使反应器较快冷却结束试验。
由于尾气燃烧装置可以使反应尾气完全燃烧，避免实验室有害气体排放，保证安全。
由于反应器的进气管是直形，避免了积攒焦油、焦粉等堵塞管道的情况，同时防止发生熔断、砂眼等现象，增长了反应器的使用寿命，在1300℃高温下可使用上百炉。
由表1可见，由于现有国家标准方法测试出的不同焦样强度差距较大，当采用接近高炉实际的模拟高温配气反应方法时，这种差距变小。在标准方法下，弱粘煤反应后强度较差，而在模拟高炉方法1中几乎处于同一水平，在模拟高炉方法2中相对质量提高、与强粘煤相比强度差距明显缩小。因此在生产配煤中可以多用相对低价的弱粘煤，达到降低配煤成本的目的。
由上可知，单纯使用传统的设备和方法在判断焦炭质量方面存在一定缺陷，而本发明提供的装置与方法可以更合理的评定焦炭质量。
Claims (7)
1.一种高温多功能焦炭反应性测试设备，用于测试入炉冶金焦炭的高温反应性能，其特征在于，具有：
电热炉，具有炉顶盖以及设置在所述电热炉内的加热室，所述炉顶盖中间设有尾气引出孔，所述加热室下端设有开口；
炉体升降装置，包括驱动机构、底座以及竖直安装在所述底座上的升降立柱；
反应器，用于盛放焦炭试样；
反应器移动轨道，用于移动所述反应器；以及
尾气燃烧装置，安装在所述升降立柱中部，用于燃烧尾气，
其中，所述驱动机构具有安装在所述升降立柱上的链条传动单元、安装在所述底座内并且用于驱动所述链条传动单元的电机以及用于对所述电机进行调速控制的调速单元，
所述电热炉与所述链条传动单元固定连接，在所述驱动机构的驱动下上升或下降，所述调速单元通过调节所述电机的转速来调节所述电热炉的升降速度。
2.根据权利要求1所述的高温多功能焦炭反应性测试设备，其特征在于：
其中，所述升降立柱的上端和下端分别安装有第一限位开关和第二限位开关，
所述电热炉的上端和下端分别设置有与所述第一限位开关和第二限位开关相对应的第一限位块和第二限位块，
当所述电热炉上升时，所述第一限位块碰到并触发所述第一限位开关，所述调速单元接受所述第一限位开关的激发信号后控制所述电机停止转动，
当所述电热炉下降时，所述第二限位块碰到并触发所述第二限位开关，所述调速单元接受所述第二限位开关的激发信号后控制所述电机停止转动。
3.根据权利要求1所述的高温多功能焦炭反应性测试设备，其特征在于：
所述电热炉还具有加热机构，包括竖直安装在所述电热炉内的加热电阻丝、用于测量所述加热室内部温度的第一热电偶、用于测量所述反应器内部温度的第二热电偶以及与所述加热电阻丝、所述第一热电偶和第二热电偶连接并接受所述第一热电偶和第二热电偶温度信号后通过对所述加热电阻丝通断电进行控制的控温单元。
4.根据权利要求1所述的高温多功能焦炭反应性测试设备，其特征在于：
所述反应器的底部设置有直形的进气管。
5.根据权利要求4所述的高温多功能焦炭反应性测试设备，其特征在于，还包括：
配气装置，通过送气管与所述进气管连接。
6.根据权利要求1所述的高温多功能焦炭反应性测试设备，其特征在于：
所述反应器的下部外侧设置有缓冲弹簧。
7.一种高温焦炭反应性试验方法，用于模拟高炉不同喷煤比工况焦炭的碳溶反应，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1，常温下，采用调速单元控制电机转动，驱动链条传动单元，从而带动固定连接在该链条传动单元上的电热炉快速上升；
步骤2，制样并称取样品，放入反应器内，采用反应器移动轨道将所述反应器移动到所述电热炉的正下方；
步骤3，采用所述调速单元控制所述电机转动，使所述电热炉快速下降，并接通尾气引出孔与尾气燃烧装置；
步骤4，将所述反应器的进气管与配气装置的送气管接通，采用配气装置上设置混合气总量区间为900～996L，CO2通气量区间为125～225L；
步骤5，采用控温单元设定反应温度区间为800-1350℃的升温程序，通电升温；
步骤5，所述反应器内温度升至预定温度200℃时，采用所述配气装置向所述反应器内通N2进行升温保护；
步骤6，所述反应器内温度升至反应温度800℃时，采用所述配气装置向所述反应器内按预定量通CO2进行反应；
步骤7，按照预定的反应时间反应结束时，采用所述配气装置向所述反应器内通N2进行降温保护，并关闭所述尾气燃烧装置；
步骤8，采用所述调速单元控制所述电机转动使所述电热炉慢速上升；
步骤9，所述电热炉上升停止时，采用所述反应器移动轨道将所述反应器移出；
步骤10，所述反应器内温度下降至100℃时，采用所述配气装置切断N2；
步骤11，测量焦炭反应失重率和反应鼓后强度并记录。
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