CN110793880A - 一种冶金还原矿料过程模拟装置及方法 - Google Patents

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刘杰
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Abstract

本发明公开一种用于冶金还原矿料过程模拟装置及方法，能尽最大可能性的模拟生产实践中的工况条件从而获得更为有效的试验数据。可给出还原炉料的冶金性能的变化规律，实现高度模拟实际生产条件，从气氛配置到加载力及炉温度场的加热状态等条件均可开放式设置，根据对高炉内炉料不同层面的条件分别批次性的模拟和定性分析，然后形成一个系统性数据整合从而获得更真实有效的数据结果。

Description

一种冶金还原矿料过程模拟装置及方法
技术领域
本发明属于炼铁生产技术领域，特别涉及一种冶金还原矿料过程模拟装置及方法。
背景技术
原料是高炉冶炼的基础，高炉冶炼指标的好坏与原料的质量密不可分。高炉冶炼的过程涉及化学、机械、冶金性能等众多因素。而原料的冶金性能将直接影响高炉的稳定和顺行。在实际生产中，对高炉主要原料的冶金性能的系统性分析和研究就成为重中之重。
冶金过程中主要原料是矿石、焦炭，实验室通常是单元式测定试验，一般包括，铁矿石还原性，焦炭热反应性及热强度这两大试验性能。铁矿石的还原性是在固定床下通入还原气体在定温条件下进行对矿石的被还原能力进行测定。焦炭热反应性及热强度是在一定温度条件下以固定流量的CO2进行还原的过程。这些常规实验均基于一种固定条件下，与实际生产所需要的性能测定有相当大的距离。需要反复的分析找出与实际生产之间的关联性和代表性，但这反而成了实践应用的阻碍也导致各方实践中应用增加了曲折性。
随后根据实践需求，行业内也相继开展了铁矿石熔滴性能实验，其主要针对铁矿石高温熔滴性能的测定，由于目前实验设备构造和机理尚不完善，装样量小，导致实验数据偏离较大，重复性、重现性、试样量都很难满获得真实数据与生产之间的有效关联性。
基于目前针对铁矿还原性实验到应用存在的这些从点到面的不完善性和不确定性，需要更为贴近生产需求的试验模拟装置，要求具有一定的代表性，能模拟真实生产中的大部分工况条件从而获得更为真实的有效的试验数据，并索求可直接指导生产实践的原始基准性数据。
发明内容
为了克服现有技术的缺陷，本发明所要解决的技术问题是提供了一种用于冶金还原矿料过程性模拟装置及方法，能尽最大可能性的模拟生产实践中的工况条件从而获得更为有效的试验数据。
为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案实现：
一种冶金还原矿料过程模拟装置，其特征在于：包括炉体，所述炉体设有上盖和下盖，上盖设有排气管，所述炉体的炉膛内设有石墨坩埚，所述石墨坩埚外部设有加热元件，所述加热元件与炉体的外壳之间设有保温层；所述石墨坩埚内部设有倒T形可上下移动的加载压力杆，所述加载压力杆连接加载机构并由其驱动，所述石墨坩埚底部设有带孔的承载板；所述石墨坩埚下方连接桶状支架，所述支架内设有渣铁分离器位于所述承载板的正下方，所述支架穿过炉体内的炉膛；支架下方设有接料装置，所述接料装置置于底台上；底台上设有密封罩将接料装置和渣铁分离器的下部形成下封室，所述下封室设有进气管；所述炉体外连接升降系统；所述下封室与炉体之间的支架外部设有冷却系统；所述石墨坩埚中插入中心热电偶，侧壁热电偶从炉体外侧穿过保温层；设置差压传感器，采集点设置在下封室与排气管。
所述接料装置包括接料器、位于接料器下方的天平及传感器。
所述升降系统包括与炉体外壁连接的连板、丝母，丝杆轴承和丝杆，丝杆底部连接底台并由底台上的电机驱动，电机通过齿轮与丝杆连接。
所述冷却系统包括冷却水套，与冷却水套连接的回水管和出水管，回水管和出水管另一端连接水箱，回水管上设有表冷器，出水管设有水泵。
所述中心热电偶、侧壁热电偶、差压传感器的数据信息经由通讯线路传递给计算机，计算机分析并通过控制系统处理，所述加载机构、升降系统、冷却系统由控制系统处理。
所述加载机构为现有技术，参见CN201810817487.0。
一种冶金还原矿料过程模拟方法，其特征在于：将铁矿石矿料及焦炭分层的装入到石墨坩埚中，启动加热元件，初始升温阶段通入保护气体N2，当温度升温至设定温度后切换为还原气，还原气是CO、CO2、H2、N2其中任意两种气体以上混合，混合器通过进气管进入到下封室，然后经过渣铁分离器再经承载板进入到铁矿石矿料和焦炭组成的料层区；炉子的温区特征情况由侧壁热电偶来获得监测；料层区在受热过程中持续受加载机构的加载力，加载力通过加载压力杆将压力传导到料层顶部；料层在石墨坩埚中受热并持续受到物理压强的过程中在温度和还原气氛的条件下产生液态的渣铁，溶液经过焦炭层和层间料层最终流入到渣铁分离器中，经过渣铁分离后，铁和渣的液态体流入到接料器中；流入量的多少由天平称量获得。
所述加热元件加热温度可达1800℃。
所述还原气流量20-30L/min。
所述的铁矿石为烧结矿、天然块矿、球团矿的一种及以上。
本发明可实现的功能：
试样在还原过程中将产生体积变化，同时受压强载荷的过程中在一定范围内产生位移量(体积变化)，有加载系统增加位移测量功能直接获得位移变化曲线。
在定温或变温过程中产生的渣铁量由单位时间内天平获得的质量有关联性，渣铁流入接料器的过程中，计算机同时绘制天平称量值的变化速率，从而获得在对应的条件下，产生液态的还原过程性变化特征。
炉温可采用持续升温直到还原发生矿料成为液态，并收集产生多少液态物质为目标；
模拟高炉不同温区带的温度条件和气氛条件进行定性的分析模拟试验；
分层布料层数由试验工艺要求随意调整；
加入助剂及造渣剂等考察渣液流动性；
加入化学成分，入CaCL2，增加或减小碱度，酸度等化学配方从而考查性能特性的变化.
在不同的炉温条件下可进行定量的模拟性试验。通过天平、差压传感器、还原气体组成条件及加载力的大小可进行多参数条件下定型模拟。
焦炭热强度的模拟：
通过在不同的温度条件下，主要是针对高炉中焦炭骨架作用的真实评估，设定炉温与高炉某个温带一致，在此条件下，施加一定的物理压强(有加载机构完成)，通过还原过程，考查焦炭在过程中的变化情况，试验完成后收集焦炭，测定其粒度分布变化情况。从而获得焦炭真实的热强度变化情况，为真实生产提供有效的更真实的数据。
对排出的气体组分进行分析，这个已经有很成熟的技术，这里不再赘述。
分析压差特性，对高炉内炉料在不同的温区所呈现的气流状态进行测定和模拟；
对球团矿还原膨胀指数性能的测定；
针对铁矿石中温还原、低温粉化特性的测定；
全部装入矿料进行大容量矿料熔滴性能的测定，一般常规熔滴性能试样量约500g左右，本发明是常规容量至少4倍以上；
本发明有益的效果：可给出还原炉料的冶金性能的变化规律，实现高度模拟实际生产条件，从气氛配置到加载力及炉温度场的加热状态等条件均可开放式设置，根据对高炉内炉料不同层面的条件分别批次性的模拟和定性分析，然后形成一个系统性数据整合从而获得更真实有效的数据结果，这是当下实验室内无法完成的实验的一个空白区。
附图说明
图1是本发明原理示意图；
其中，1.加载机构；2.加载压力杆；3.上盖；4.外壳；5.保温层；6.连板；7.丝杆轴承；8.丝杆；9.加热元件；10.焦炭；11：矿石；12：石墨坩埚；13.承载板；14.渣铁分离器；15.支架；16.丝母；17.下盖；18.电机：19.冷却系统:19.1.表冷器、19.2回水管、19.3.水箱、19.4.出水管、19.5.水泵、19.6.冷却水套；20.下封室；21.天平；22.接料器；23.底台；24.进气管；25.差压传感器；26.侧壁热电偶；27.排气管；28.中心热电偶；29.控制系统；30.通讯线路；31.计算机。
具体实施方式
下面结合具体实施例进行说明：
本发明包括加载机构1，加载压力杆2；上盖3；外壳4；保温层5；连板6；丝杆轴承7；丝杆8；加热元件9；焦炭10；矿石11；石墨坩埚12；承载板13；渣铁分离器14；支架15；丝母16；下盖17；电机18，冷却系统19，表冷器19.1、回水管19.2、水箱19.3、出水管19.4、.水泵19.5、冷却水套19.6；下封室20；天平21；接料器22；底台23；进气管24；差压传感器25；侧壁热电偶26；排气管27；中心热电偶28；控制系统29；通讯线路30；计算机31。
差压测定：0～50kPa；装样量：烧结矿≥2kg，球团矿≥3kg；坩埚有效直径：80-90mm；电偶测温范围：0～1800℃；天平称量：0～3kg，感量：0.1g；料层位移：0-300mm，精度0.5mm。
炉体部分是由上盖3、炉壳4及下盖17组成，采用不锈钢制成。炉膛部分保温材料5采用陶瓷纤维成型，加热元件9采用硅钼棒(专用的高温型)。炉膛管采用高纯刚玉管12材质。炉膛中心放入石墨坩埚12，在石墨坩埚12底部放置承载板13承载板是由高纯石墨制成，在其上开多孔。通过加载机构1，及加载压力杆2的中心插入中心电偶28，中心电偶用于测量试样中心温度。在承载板13的下部直接连接一个桶状支架15，该支架15直接承载试样及加载负荷所有的重力。在支架15的中部，设置渣铁分离器14，当产生液态物质流下时，由渣铁分离器14进行渣铁分离。分离后的渣和铁，有渣铁分离下部的隔板分流，分别落入接料器22中，同时接料器22的底部设置了称量天平21，用于称量掉落的物质质量。
在炉子底部设置一个下封室20，该装置具有气密性，将外部的还原气体接入，然后经支架15的底部送到石墨坩埚12内的试样区.
在炉子侧壁上设置3只或多只侧壁热电偶26用于检测炉膛垂直温区变化特性。
整个炉子固定在连板6上，连板6是与底台23一体的结构，连板承载炉子的所有重量，在连板6两侧分别连接固定了丝杆轴承7，丝杆8的顶端与丝杆轴承7配套连接。电机18通过齿轮与丝杆8连接，当电机18旋转后带动丝杆8旋转，丝母16与炉子外壳4固定连接，当丝杆8旋转时对丝母16产生上升或下降的力从而带动炉体实现上升下降。当需要装出试样时，启动电机使炉子上升，炉内的石墨坩埚12、支架15等组件就会露出，方便取装。
在炉子排气管27设置气压取样点P1，在下封室20上设置P2压力检测点，P1-P2的压力差就获得了差压值，由差压传感器25获得数据上传到计算机.
循环冷却系统，本系统是本发明装置的辅助系统，水箱19.3内的水经水泵19.5的输送下经过出水管19.4分别送到冷却水套19.6，冷却水套分别设置在支架15底部区域，对支架15进行高温防护性冷却.水泵19.5打出的冷水经过冷却水套19.6换热后回流到表冷器19.1散热，再经回水管19.2回流到水箱中.
加载机构1已有申请专利技术，不在这里赘述，其主要作用根据需要可设置负荷加载力的大小，全数字化调节.
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种冶金还原矿料过程模拟装置，其特征在于：包括炉体，所述炉体设有上盖和下盖，上盖设有排气管，所述炉体的炉膛内设有石墨坩埚，所述石墨坩埚外部设有加热元件，所述加热元件与炉体的外壳之间设有保温层；所述石墨坩埚内部设有倒T形可上下移动的加载压力杆，所述加载压力杆连接加载机构并由其驱动，所述石墨坩埚底部设有带孔的承载板；所述石墨坩埚下方连接桶状支架，所述支架内设有渣铁分离器位于所述承载板的正下方，所述支架穿过炉体内的炉膛；支架下方设有接料装置，所述接料装置置于底台上；底台上设有密封罩将接料装置和渣铁分离器的下部形成下封室，所述下封室设有进气管；所述炉体外连接升降系统；所述下封室与炉体之间的支架外部设有冷却系统；所述石墨坩埚中插入中心热电偶，侧壁热电偶从炉体外侧穿过保温层；设置差压传感器，采集点设置在下封室与排气管。
2.根据权利要求1所述的冶金还原矿料过程模拟装置，其特征在于：所述接料装置包括接料器、位于接料器下方的天平及传感器。
3.根据权利要求1所述的冶金还原矿料过程模拟装置，其特征在于：所述升降系统包括与炉体外壁连接的连板、丝母，丝杆轴承和丝杆，丝杆底部连接底台并由底台上的电机驱动，电机通过齿轮与丝杆连接。
4.根据权利要求1所述的冶金还原矿料过程模拟装置，其特征在于：所述冷却系统包括冷却水套，与冷却水套连接的回水管和出水管，回水管和出水管另一端连接水箱，回水管上设有表冷器，出水管设有水泵。
5.根据权利要求1所述的冶金还原矿料过程模拟装置，其特征在于：所述中心热电偶、侧壁热电偶、差压传感器的数据信息经由通讯线路传递给计算机，计算机分析并通过控制系统处理，所述加载机构、升降系统、冷却系统由控制系统处理。
6.一种根据权利要求1-5任意一项所述的冶金还原矿料过程模拟装置的模拟方法，其特征在于：将铁矿石矿料及焦炭分层的装入到石墨坩埚中，启动加热元件，初始升温阶段通入保护气体N2，当温度升温至设定温度后切换为还原气，还原气是CO、CO2、H2、N2其中任意两种气体以上混合，混合器通过进气管进入到下封室，然后经过渣铁分离器再经承载板进入到铁矿石矿料和焦炭组成的料层区；炉子的温区特征情况由侧壁热电偶来获得监测；料层区在受热过程中持续受加载机构的加载力，加载力通过加载压力杆将压力传导到料层顶部；料层在石墨坩埚中受热并持续受到物理压强的过程中在温度和还原气氛的条件下产生液态的渣铁，溶液经过焦炭层和层间料层最终流入到渣铁分离器中，经过渣铁分离后，铁和渣的液态体流入到接料器中；流入量的多少由天平称量获得。
7.根据权利要求6所述的冶金还原矿料过程模拟装置的模拟方法，其特征在于：所述还原气流量20-30L/min。
8.根据权利要求6所述的冶金还原矿料过程模拟装置的模拟方法，其特征在于：所述的铁矿石为烧结矿、天然块矿、球团矿的一种及以上。
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