CN108693210B - 冷却壁冷却速率与热震关系测试设备及测试方法 - Google Patents

冷却壁冷却速率与热震关系测试设备及测试方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种冷却壁冷却速率与热震关系测试设备，其包括冷却壁试件、冷却系统和熔融渣铁提供系统；冷却系统用于与冷却壁试件接触，对冷却壁试件进行冷却，使冷却壁试件的上表面形成冷却器的冷面；熔融渣铁提供系统用于为冷却壁试件提供熔融渣铁，使冷却壁试件的下表面与熔融渣铁接触，从而使冷却壁试件的下表面形成冷却器的热面。本发明还提供一种冷却壁冷却速率与热震关系测试方法。本发明能模拟高炉软融区域冷却壁的工作过程，从而准确测试出冷却壁的冷却速率与热震关系，以便掌握冷却器结渣过程和剧烈热震对冷却壁的影响，进而提高高炉冷却器的使用寿命。

Description

冷却壁冷却速率与热震关系测试设备及测试方法
技术领域
本发明属于炼铁领域，具体涉及一种冷却壁冷却速率与热震关系测试设备及测试方法。
背景技术
高炉在冶炼过程中将烧结矿、球团矿和块矿等固态的含铁料还原为熔融态的渣铁物，这些高温渣铁物会粘接在高炉炉墙内的铜冷却器上，铜冷却器的内循环水会快速冷却粘结在其上的熔融渣铁，使铜冷却器的表面形成渣皮。渣皮既防止了高炉内热量的大量散失，也保护了铜冷却器。然而，在实际使用过程中，由于高炉内的热气流和高温区的波动或炉料的猛烈下降，都会使渣皮脱落，导致铜冷却器直接与熔融渣铁接触，这时，水冷强度不足，会使铜冷却器部分烧坏或形成热应力裂纹，从而减少铜冷却器的使用寿命。因此，有必要设计一种专门的设备和方法来模拟高炉软融区域冷却壁工作，以便测试冷却器结渣过程和剧烈热震对冷却壁的影响，从而为高炉降低冷却壁(铜冷却器)损坏和优化操作提供适宜的数据。
发明内容
本发明的目的在于提供一种冷却壁冷却速率与热震关系测试设备及测试方法，该测试设备及测试方法能模拟高炉软融区域冷却壁的工作过程，从而准确测试出冷却壁的冷却速率与热震关系，以便掌握冷却器结渣过程和剧烈热震对冷却壁的影响，进而提高高炉冷却器的使用寿命。
本发明所采用的技术方案是：
一种冷却壁冷却速率与热震关系测试设备，其包括
冷却壁试件，用于真实模拟高炉冷却壁；其下表面用于模拟高炉铜冷却器与高炉内高温熔融渣铁接触的一侧；
冷却系统，用于与冷却壁试件接触，对冷却壁试件进行冷却，使冷却壁试件的上表面形成冷却器的冷面；
熔融渣铁提供系统，用于为冷却壁试件提供熔融渣铁，使冷却壁试件的下表面与熔融渣铁接触，从而使冷却壁试件的下表面形成冷却器的热面。
按上述方案，所述冷却壁试件的上表面中心设有凹槽，用于模拟高炉冷却器的冷面，空气循环筒的下端正对凹槽。
按上述方案，所述冷却系统包括水冷机构、风冷机构；
所述水冷机构包括冷却水管和位于冷却壁试件外侧的低导热耐火材料筒，冷却水管用于控制冷却壁试件在试验过程中的冷却速度，低导热耐火材料筒用于保证试验过程中的热量主要被冷却壁试件底部的热面吸收；所述冷却水管有多对，且呈U型，环设在冷却壁试件四周，位于冷却壁试件上；每对U型冷却水管均具有冷却水入口、冷却水出口；
所述风冷机构包括空气循环筒、上端封闭的热电偶套筒、热电偶；所述空气循环筒置于冷却壁试件上，其顶部设有密封盖，其上部设有热空气出口；所述热电偶套筒置于空气循环筒内，其上部具有冷空气入口，用于向冷却壁试件的上表面输送冷空气；所述热电偶置于热电偶套筒内，用于对冷却壁试件上表面进行温度测量；与热电偶连接的热电偶线从热电偶套筒顶部穿出，且热电偶套筒顶部密封的目的是防冷空气溢出；热电偶套筒底部热电偶探测点为敞开点，冷空气由此进入空气循环筒内来冷却凹槽，以此来达到模拟高炉冷却壁冷面的目的。
按上述方案，在冷却壁试件上，低导热耐火材料筒内侧设有纤维隔热筒，用于隔绝加热炉对冷却水管温度的干扰。
按上述方案，所述熔融渣铁提供系统包括加热炉、石墨坩锅，所述石墨坩埚置于加热炉内，且所述石墨坩埚内设有熔融渣铁；所述冷却壁试件插入熔融渣铁内，使冷却壁试件的下表面与该熔融渣铁接触。
按上述方案，所述石墨坩埚下设有旋转托台，旋转托台带动石墨坩埚旋转，从而使熔融渣铁流动，以模拟高炉内熔融渣铁在冷却器传热面附近的流动。
按上述方案，所述旋转托台上设有控温热电偶，以便测量石墨坩埚的温度。
本发明还提供一种冷却壁冷却速率与热震关系测试方法，所述方法采用上述冷却壁冷却速率与热震关系测试设备；
其包括以下步骤：
步骤一、制备冷却壁试件；
步骤二、使冷却壁试件与冷却系统连接；
步骤三、通过加热炉加热，当石墨坩埚的温度达到试验温度时，恒温一定时间后，开动旋转托台，使旋转托台旋转；然后分别在不同温度下进行测试，该温度为热电偶采集的冷却壁试件冷面温度；
测试时，先通过冷却水入口向冷却水管中通入冷却水，并通过冷空气入口向空气循环筒内通入冷空气，然后将步骤二中的冷却壁试件插入到熔融渣铁液面下，保持一定时间后迅速取出；待冷却壁试件冷却后，测量冷却壁试件结渣面的多个测试点的结渣厚度，并计算出多个测试点的平均结渣厚度；最后将冷却壁试件切割开来，通过显微镜分析冷却壁试件的晶粒组织变化情况；由结渣厚度和晶粒组织变化来分析合适的水冷制度，为高炉降低冷却器破损提供依据。
按上述方案，变化冷却水管中的冷却水的流量来重复步骤三的测试，以得到不同冷却水流量对应的结渣厚度和晶粒组织变化。
按上述方案，当石墨坩埚的温度达到试验温度时，恒温20-50min；
使旋转托台旋转后，分别在1300℃、1400℃、1500℃温度下进行测试；
将步骤二中的冷却壁试件插入到熔融渣铁液面下1.5-2.5mm处保持20-40min后迅速取出。
按上述方案，通过显微镜分析冷却壁试件试验后冷面(凹槽)到热面的锥形区域内组织的变化情况，来指导高炉合理使用高炉冷却壁并延长其服役期。
按上述方案，所述冷却壁试件采用铜质材料制成，并呈圆饼形状。
按上述方案，试验过程中要观测出冷却水管中的水温度和铜块上表面凹槽的温度变化。
本发明的有益效果在于：
通过设置冷却系统、熔融渣铁提供系统以真实模拟冷却壁的工作环境，以便准确掌握冷却器结渣过程和剧烈热震对冷却壁的影响，使测量更准确，为后续研究提供数据保障，从而提高高炉冷却器的使用寿命；
通过在冷却壁试件外侧设置低导热耐火材料筒，并将冷却壁试件插入熔融渣铁中，用于模拟高炉冷却壁(高炉铜冷却器)的热面；通过在冷却壁试件四周设置冷却水管、在冷却壁试件上设置空气循环筒、凹槽等，用于模拟高炉冷却壁(高炉铜冷却器)的冷面，使模拟更接近真实的冶炼环境，从而使测试数据更准确，为后续的研究提供保障，以指导高炉合理使用高炉冷却壁(高炉铜冷却器)并延长其服役期；
通过旋转托台的旋转带动石墨坩埚旋转，使熔融渣铁流动，从而模拟高炉内熔融渣铁在高炉冷却壁(高炉铜冷却器)热面附近的流动状态；
通过测量不同冷却强度下冷却壁试件的结渣厚度和分析对应冷却壁试件晶粒组织的变化，以此来指导高炉可调整操作和控制冷却强度，降低热震对铜质冷却器组织的破坏，延长高炉服役期，增加投资效益。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1是冷却壁试件、冷却系统的连接结构示意图；
图2是图1的A-A剖视图；
图3是冷却壁冷却速率与热震关系测试设备的结构示意图；
其中：1.热电偶套筒；2.冷空气入口；3.热空气出口；4.热电偶；5.密封盖；6.空气循环筒；7.冷却水出口；8.冷却水入口；9.纤维隔热筒；10.低导热耐火材料筒；11.冷却壁试件；12.热面；13.凹槽；14.石墨坩埚；15.熔融渣铁；16.旋转托台；17.控温热电偶；18.加热炉。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
参见图1-图3，一种冷却壁冷却速率与热震关系测试设备，其包括冷却壁试件11、冷却系统和熔融渣铁提供系统。冷却壁试件11用于真实模拟高炉冷却壁；冷却壁试件11的下表面用于模拟高炉冷却壁与高炉内高温熔融渣铁接触的一侧，冷却壁试件11的上表面中心设有凹槽13，凹槽13用于模拟高炉冷却器的冷面。冷却系统包括水冷机构、风冷机构，水冷机构包括呈U型冷却水管、嵌套在冷却壁试件11外侧的低导热耐火材料筒10和紧贴低导热耐火材料筒10内侧的纤维隔热筒9，冷却水管用于控制冷却壁试件11在试验过程中的冷却速度，低导热耐火材料筒10用于保证试验过程中的热量主要被冷却壁试件11底部的热面12吸收，纤维隔热筒9置于冷却壁试件11上，用于隔绝加热炉对冷却水管温度的干扰。在较佳实施例中，冷却水管有4对，位于冷却壁试件11上，且均匀分布在冷却壁试件11圆周方向上；每对冷却水管均具有冷却水入口8、冷却水出口7。风冷机构包括空气循环筒6、上端封闭的热电偶套筒1、热电偶4；空气循环筒6置于冷却壁试件11上，正对冷却壁试件11的凹槽13，其顶部设有密封盖5，其上部设有热空气出口3；热电偶套筒1置于空气循环筒6内，其上部具有冷空气入口2，用于向冷却壁试件11的上表面输送冷空气(冷空气由热电偶套管1送入空气循环筒6底部，再由空气循环筒6上部的热空气出口3排出)；热电偶4置于热电偶套筒1内，用于对冷却壁试件11上表面进行温度测量；与热电偶4连接的热电偶线从热电偶套筒1顶部穿出；热电偶套筒1底部热电偶探测点为敞开点，冷空气由此进入空气循环筒6内来冷却凹槽13，以此来达到模拟高炉冷却壁冷面的目的。熔融渣铁提供系统，用于为冷却壁提供熔融渣铁，使冷却壁试件11的下表面与熔融渣铁接触，从而使冷却壁试件11的下表面形成冷却器的热面。熔融渣铁提供系统包括加热炉18、石墨坩锅14、旋转托台16，石墨坩埚14置于加热炉18内，且石墨坩埚14内设有熔融渣铁15；旋转托台16置于石墨坩埚14下，旋转托台16带动石墨坩埚14旋转，从而使熔融渣铁15流动，以模拟高炉内熔融渣铁在冷却器传热面附近的流动；实验时，冷却壁试件11插入熔融渣铁15内，使冷却壁试件11的下表面与该熔融渣铁15接触。旋转托台15上设有控温热电偶17，以便测量石墨坩埚14的温度，根据该温度控制加热炉的加热温度。
本发明中，冷却壁试件11采用铜质材料制成，且呈圆饼形状。
采用上述冷却壁冷却速率与热震关系测试设备进行冷却壁冷却速率与热震关系测试的方法，其包括以下步骤：
步骤一、制备冷却壁试件，使冷却壁试件接近高炉冷却器；
取二元CaO/SiO2碱度为1.2的烧结+球团混合铁矿在900℃下用CO：N2＝3:7的气体还原3h，还原结束后，将冷却的冷却壁试件取出；
步骤二、使冷却壁试件与冷却系统连接；
步骤三、通过加热炉加热，当石墨坩埚的温度达到试验温度时，恒温30min，开动旋转托台，使旋转托台旋转；然后分别在1300℃、1400℃、1500℃温度下进行测试，该温度为热电偶采集的冷却壁试件冷面温度；
测试时，先通过冷却水入口向冷却水管中通入冷却水，同时，通过冷空气入口向空气循环筒内通入冷空气，然后将步骤二中的冷却壁试件插入到熔融渣铁液面下2mm处保持30min后迅速取出；待冷却壁试件冷却后，测量冷却壁试件结渣面的10个测试点的结渣厚度，并计算出10个测试点的平均结渣厚度；最后将冷却壁试件切割开来，通过显微镜分析冷却壁试件的晶粒组织变化情况；由结渣厚度和晶粒组织变化来分析合适的水冷制度，为高炉降低冷却器破损提供依据。
变化冷却水管中的冷却水的流量来重复步骤三的测试，以得到不同冷却水流量对应的结渣厚度和晶粒组织变化。
试验过程中要测出冷却水管中的水温度和冷却壁试件上表面凹槽的温度变化。
本发明测试冷却壁试件对高温铁渣的导热能力，并据此来研究热震对高炉冷却壁损伤、高效结渣皮和稳定高炉炉型的技术，对高炉降低铜质冷却器损坏、稳定高炉运行和指导高炉操作具有重要意义。
应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (7)

1.一种冷却壁冷却速率与热震关系测试设备，其特征在于：包括
冷却壁试件，
冷却系统，用于与冷却壁试件接触，对冷却壁试件进行冷却，使冷却壁试件的上表面形成冷却器的冷面；所述冷却系统包括水冷机构、风冷机构；所述水冷机构包括冷却水管和位于冷却壁试件外侧的低导热耐火材料筒；所述冷却水管有多对，且呈U型，环设在冷却壁试件四周，位于冷却壁试件上；每对U型冷却水管均具有冷却水入口、冷却水出口；所述风冷机构包括空气循环筒、上端封闭的热电偶套筒、热电偶；所述空气循环筒置于冷却壁试件上，其顶部设有密封盖，其上部设有热空气出口；所述热电偶套筒置于空气循环筒内，其上部具有冷空气入口，用于向冷却壁试件的上表面输送冷空气；所述热电偶置于热电偶套筒内，用于对冷却壁试件上表面进行温度测量；
熔融渣铁提供系统，用于为冷却壁试件提供熔融渣铁，使冷却壁试件的下表面与熔融渣铁接触，从而使冷却壁试件的下表面形成冷却器的热面；所述熔融渣铁提供系统包括加热炉、石墨坩埚 ，所述石墨坩埚置于加热炉内，且所述石墨坩埚内设有熔融渣铁；所述冷却壁试件插入熔融渣铁内，使冷却壁试件的下表面与该熔融渣铁接触；所述石墨坩埚下设有旋转托台，旋转托台带动石墨坩埚旋转，从而使熔融渣铁流动，以模拟高炉内熔融渣铁在冷却器传热面附近的流动。
2.根据权利要求1所述的冷却壁冷却速率与热震关系测试设备，其特征在于：在冷却壁试件上，低导热耐火材料筒内侧设有纤维隔热筒。
3.根据权利要求2所述的冷却壁冷却速率与热震关系测试设备，其特征在于：所述冷却壁试件的上表面中心设有凹槽，空气循环筒的下端正对凹槽。
4.根据权利要求1所述的冷却壁冷却速率与热震关系测试设备，其特征在于：所述旋转托台上设有控温热电偶，以便测量石墨坩埚的温度。
5.一种冷却壁冷却速率与热震关系的测试方法，其特征在于：所述测试方法采用权利要求1-4中任一所述的冷却壁冷却速率与热震关系测试设备；
其包括以下步骤：
步骤一、制备冷却壁试件；
步骤二、使冷却壁试件与冷却系统连接；
步骤三、通过加热炉加热，当石墨坩埚的温度达到试验温度时，恒温一定时间后，开动旋转托台，使旋转托台旋转；然后分别在不同温度下进行测试，该温度为热电偶采集的冷却壁试件冷面温度；
测试时，先通过冷却水入口向冷却水管中通入冷却水，并通过冷空气入口向空气循环筒内通入冷空气，然后将步骤二中的冷却壁试件插入到熔融渣铁液面下，保持一定时间后迅速取出；待冷却壁试件冷却后，测量冷却壁试件结渣面的多个测试点的结渣厚度，并计算出多个测试点的平均结渣厚度；最后将冷却壁试件切割开来，通过显微镜分析冷却壁试件的晶粒组织变化情况；由结渣厚度和晶粒组织变化来分析合适的水冷制度，为高炉降低冷却器破损提供依据。
6.根据权利要求5所述的测试方法，其特征在于：变化冷却水管中的冷却水的流量来重复步骤三的测试，以得到不同冷却水流量对应的结渣厚度和晶粒组织变化。
7.根据权利要求5或6所述的测试方法，其特征在于：
当石墨坩埚的温度达到试验温度时，恒温20-50min；
使旋转托台旋转后，分别在1300℃、1400℃、1500℃温度下进行测试；
将步骤二中的冷却壁试件插入到熔融渣铁液面下1.5-2.5mm处保持20-40min后迅速取出。
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