CN113267402A - 一种高温条件下测定压块力学性能的实验装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种高温条件下测定压块力学性能的实验装置及方法，涉及铁矿粉造块技术领域，能够真实、准确的测量团块在高温条件下强度，能够同时测定团块的抗压强度及团块界面间的连晶强度，通过两个参数能够更加准确地反应团块的力学性能；该装置包括：主控单元；焙烧设备，用于实现待测物的焙烧以及提供满足测试要求的温度环境；所述待测物是由若干压块组成的经轴向压制的压块串组；工压电机，用于与收缩压头连接，带动收缩压头上下移动；收缩压头，用于对所述待测物中的一部分压块进行同时下压，实现压块力学性能的测试；压力传感器，用于测量收缩压头的下压力。本发明提供的技术方案适用于压块力学性能测试的过程中。
Description
技术领域
本发明涉及铁矿粉造块技术领域，尤其涉及一种高温条件下测定压块力学性能的实验装置及方法。
背景技术
在高炉冶炼、直接还原、转底炉等炼铁领域工艺生产过程中，往往对含铁物料的强度有一定的要求，高强度的含铁物料有助于维持较高的料柱透气性，从而保证生产的稳定顺行。因此，研究团块在高温下的固结强度对于保证冶炼的高效顺行具有重要意义。通常，人们通过抗压强度来表征团块的固结强度，而现有测定团块固结强度的装置主要是通过常温条件下测定团块的抗压强度，而不能真实的反应高温条件下团块的抗压强度。同时，然而现有强度测试仪不能在室温和高温下测定团块界面间连晶的强度。
因此，有必要研究一种高温条件下测定压块力学性能的实验装置来应对现有技术的不足，以解决或减轻上述一个或多个问题。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种高温条件下测定压块力学性能的实验装置及方法，能够真实、准确的测量团块在高温条件下强度，能够同时测定团块的抗压强度及团块界面间的连晶强度，通过两个参数能够更加准确地反应团块的力学性能。
一方面，本发明提供一种高温条件下测定压块力学性能的实验装置，其特征在于，所述装置包括：
控制单元；该控制单元可以包括主控平台、控电柜以及气瓶中一种或多种，用于保证实验装置正常工作；
焙烧设备，用于实现待测物的焙烧以及提供满足测试要求的温度环境；所述待测物是由若干压块组成的经轴向压制的压块串组；
工压电机，用于与收缩压头连接，带动收缩压头上下移动；
收缩压头，用于对所述待测物中的一部分压块进行同时下压，实现压块力学性能的测试；
压力传感器，用于测量收缩压头的下压力。
如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述收缩压头对一部分压块进行同时下压的选择方式为：选择所述待测物中间隔设置的若干压块同时进行下压。
如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述收缩压头包括收缩结构、压头杆和压头；所述收缩结构的上端与所述工压电机连接，下端与所述压头杆的上端连接；所述压头杆的下端与所述压头连接。压头数量为一个，含有若干触头，每个触头分别与一个压块接触对其进行下压操作，从而实现多个压块同时下压。
如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述待测物中压块数量为3个；所述压头为“⌒”形、倒“U”形或“∧”形。
如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述待测物中压块数量为5个；所述压头为倒“Ψ”形或倒“Ш”形。
如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述待测物放置于顶部带有凹槽的固定支架上；所述凹槽与所述待测物底部的形状和大小匹配标准为起到固定的作用。
如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述凹槽的尺寸为非一致设计，对应待测物下压压块处的半径大于非下压压块处的半径。
如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述装置还包括：主控平台、带有混器塔的控电柜以及若干气瓶；
所述主控平台与所述控电柜控制连接，所述控电柜分别与所述焙烧设备、所述工压电机控制连接；所述压力传感器与所述主控平台通信连接；所述气瓶与所述混器塔以及所述焙烧设备依次管路连接。
另一方面，本发明提供一种高温条件下测定压块力学性能的实验方法，其特征在于，所述试验方法的步骤包括：
S1、取适量预处理过的金属矿粉，压制成若干压块坯体；
S2、将若干压块坯体串接并轴向压制得到待测物坯体；
S3、将待测物坯体置于焙烧设备中并设置焙烧参数进行焙烧；
S4、达到测试条件时，收缩压头在工压电机的控制下向下移动在特定位置对所述待测物进行下压操作直至界面分离，同时由压力传感器采集实时压力值；
S5、由主控平台根据所述压力值和所述待测物的特性分析和计算连晶能力。
如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，步骤S4中的测试条件包括焙烧完成后的900～1400℃温度条件或常温条件。
如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，步骤S1中和步骤S2中的压制力度均为5～15MPa。
如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，焙烧气氛是氧化性气氛(如空气)或保护惰性气氛。
如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，步骤S1中预处理包括烘干和研磨。
与现有技术相比，上述技术方案中的一个技术方案具有如下优点或有益效果：该实验装置能够在高温原位条件下测定团块焙烧过程中抗压强度及焙烧过程团块界面间连晶的强度，即能够测定团块间的剪应力强度；
上述技术方案中的另一个技术方案具有如下优点或有益效果：该实验装置相比传统测量装置，可自动测定团块间剪应力强度；
上述技术方案中的另一个技术方案具有如下优点或有益效果：该实验装置自动化程度高、测定方法简单便捷、可操作性强；
上述技术方案中的另一个技术方案具有如下优点或有益效果：对于择优选择炼铁过程团块焙烧工艺、解析含铁原料的连晶性能，特别是高温条件下的团块及连晶的剪应力强度提供了基础。
当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有技术效果。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1是本发明一个实施例提供的高温条件下测定压块力学性能的实验装置结构图；
图2是本发明一个实施例提供的测定团块间剪应力时的固定支架结构图；
图3是本发明一个实施例提供的测定团块间剪应力收缩压头结构图。
其中，图中：
1、气瓶；2、主控平台；3、控电柜；4、压力传感器及工压电机；5、箱式加热炉；6、团块。
具体实施方式
为了更好的理解本发明的技术方案，下面结合附图对本发明实施例进行详细描述。
应当明确，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明实施例中使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本发明。在本发明实施例和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。
本发明根据压块界面间连晶的强度来评价铁矿粉的连晶能力，即测定压块间的剪应力为铁矿粉的连晶强度，要求不对焙烧试验进行粉碎性破坏，测完强度后的试样可进一步进行其他检测，且不受矿粉颗粒及制样过程压力的影响，所测量的强度能够更加精确的反应铁矿粉的连晶能力。针对该铁矿粉连晶能力的评价方式，本发明提供一种用于测量压块界面剪连晶强度的装置。
若用剪应力测定仪测定团块间的固结强度为τ，压制试样的底面积为A。定义连晶强度和单位面积的连晶强度的计算公式如下：
连晶强度FL： FL＝τ/2
单位面积连晶强度FA： FA＝τ/(2A)
本发明的高温条件下测定压块力学性能的实验装置，能够在室温及高温(900～1300℃)条件下自动测量团块的抗压强度以及团块的连晶的剪应力强度，该测量方法对于择优选择炼铁过程团块焙烧工艺、解析含铁原料的连晶性能，特别是高温条件下的团块及连晶的剪应力强度提供了检测方法，对进一步系统细致地研究铁矿粉在高温焙烧过程的高温行为、团块的抗压强度及团块间及各项反应提供了必要的实践手段。
如图1所示，本发明实验装置包括：主控平台2、带有混器塔的控电柜3和箱式加热炉5。主控平台2、控电柜3和箱式加热炉5依次连接。控电柜3的混器塔与气瓶1通过气体管道连接。气瓶1的数量为若干，用于盛放不同的气氛，满足焙烧过程中的气氛需求。箱式加热炉5一方面用于对团块进行焙烧，另一方面用于测定团块的连晶固结强度。箱式加热炉5中设置有压力传感器及工压电机4，其中工压电机的底端与收缩压头的顶端固连，带动收缩压头上下移动。收缩压头的正下方放置待测定的团块6，团块6放置于固定支架上。
团块6为三个压块坯体经轴向压制后再焙烧得到，整体呈圆柱体；三个压块相邻处存在界面。如图2所示，固定支架为立方体结构，立方体的上表面设有内凹槽，该内凹槽与团块6的结构匹配，使得团块6能够正好放置于其中，且不会产生移动。凹槽的内表面优选不完全平整设计，具体为：中间压块段与中间压块的形状完全匹配，两端压块段的内表面略低于中间压块段，这样使得进行界面固结强度测量时两端的压块在压力作用下能够有下移空间，不至于因为固定支架的存在阻碍其界面分离，造成固结强度测量误差。
如图3所示，收缩压头的顶部设有收缩结构，收缩结构的下端设有压头杆和压头，压头杆的上端与收缩结构连接，下端与压头连接。压头为对称的弧形结构。进行试验时，弧形结构的两端分别与团块6两端的压块接触，将两端的压块下压，从而测定两端压块与中间压块形成的界面处的固结强度，该固结强度的值由压力传感器读取。压头除了弧形也可以是其他形状，如“U”形或类“U”形或其他存在两个对称作用点的形状。
用本发明实验装置进行测量的步骤包括：
第一、根据实验配比的需要将含铁原料进行混匀，并通过压块或造球的方法制备团块；
步骤一中含铁原料可以是铁矿粉、钢铁企业粉尘及含铁污泥等；团块可以是在5～15MPa条件下压制的柱状团块，也可以是通过圆盘造球的方法制备的球团矿；
第二、强度测试仪即可常温条件下测定团块的强度，并根据实验的需求设定升温制度、保温制度、焙烧气氛及力学性能测定模式；
步骤二中升温制度指团块在焙烧过程的焙烧制度和恒温制度；力学性能测定模式可以是高温条件下测定团块的力学性能，也可以是常温条件下测定团块的力学性能；
步骤二中力学性能的测定模式包括连晶性能测试和抗压强度测试；
第三、当测定团块界面间连晶强度时，每三个圆柱团块摞起来形成两个接触面，并通过压样机对这三个团块进行加压，使界面紧密接触；
步骤三中焙烧气氛可以是氧化性气氛或保护惰性气氛；测定连晶强度是指团块在高温焙烧过程中通过测定团块界面间连晶的剪应力来表征团块的连晶强度；
第四、当测定团块抗压强度时，可将团块侧放置于强度测试仪中；团块的抗压强度指测定团块径向的抗压强度；
第五、当团块完成焙烧后，仪器可自动进行抗压强度或界面连晶性能的测试；
第六、测试完成的数据将自动记录至电脑中，并开始冷却降温。
实施例1：铁矿粉连晶强度的测定
取一定量的铁矿粉在105℃的烘箱中烘干3小时，去除矿粉中的体相水；然后，将烘干后的铁矿粉置于研钵中轻轻研磨5分钟，使矿粉充分混合均匀，消除干燥过程产生板结，同时使矿粉颗粒粒度分布更加均匀；称取5g混匀后铁矿粉9份，在10MPa的压力下通过压样机将铁矿粉压制成直径为20mm，高度为10mm的圆柱形团块9个；将9个团块分成3份，每三个圆柱团块摞起来形成两个接触面，并通过压样机在5MPa的压力下对这三个团块进行加压，使界面紧密接触。将压制成的团块置于力学测试装置中，设定模式为连晶强度测试、升温制度为5℃/min，1200℃保温120min，待焙烧结束后，自动进行连晶强度测试。用剪应力测定仪测定压块间界面的固结强度为τ(此时的固结强度τ为两个界面的固结强度之和)，压制试样的底面积为A。定义连晶强度和单位面积的连晶强度的计算公式如下：
连晶强度FL： FL＝τ/2；(2为界面数量)
单位面积连晶强度FA： FA＝τ/(2A)。
表1为对四个测试试样进行测试的结果。
表1连晶强度测定结果，N
| 实验序号 | 1 | 2 | 3 | 4 | 平均值 |
| 连晶强度F<sub>L</sub> | 1805 | 1801 | 1809 | 1807 | 1805.5 |
| 单位面积连晶强度F<sub>A</sub> | 574.8 | 573.6 | 576.1 | 575.5 | 575 |
对比例1：铁矿粉抗压强度的测定
取一定量的铁矿粉在105℃的烘箱中烘干3小时，去除矿粉中的体相水；然后，将烘干后的铁矿粉置于研钵中轻轻研磨5分钟，使矿粉充分混合均匀，消除干燥过程产生板结，同时使矿粉颗粒粒度分布更加均匀；称取5g混匀后铁矿粉，在10MPa的压力下通过压样机将铁矿粉压制成直径为20mm，高度为10mm的圆柱形团块。将压制成的团块置于力学测试装置中，设定模式为抗压强度测试、升温制度为5℃/min，1200℃保温120min，待焙烧结束后，自动进行抗压强度测试。表2为对四个试样进行抗压强度测试的结果。将表2的结果和表1进行对比可知，抗压强度明显大于用固结强度测出的连晶能力，这是因为试块的抗压强度是粉碎性测试，其包含了铁矿的结晶能力也包含了铁矿本身的抗压能力，用两者之和的抗压强度表征铁矿粉的连晶能力是不准确的。而本申请用界面固结能力表征铁矿粉的连晶能力，其基本就是铁矿粉焙烧条件下真实的连晶性能，因此，用界面固结强度表征铁矿粉的连晶能力更加精准、真实。
表2抗压强度测定结果，N
| 实验序号 | 1 | 2 | 3 | 4 | 平均值 |
| 抗压强度 | 2313 | 2312 | 2315 | 2310 | 2312.5 |
以上对本申请实施例所提供的一种高温条件下测定压块力学性能的实验装置，进行了详细介绍。以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本申请的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本申请的限制。
如在说明书及权利要求书当中使用了某些词汇来指称特定组件。本领域技术人员应可理解，硬件制造商可能会用不同名词来称呼同一个组件。本说明书及权利要求书并不以名称的差异来作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异来作为区分的准则。如在通篇说明书及权利要求书当中所提及的“包含”、“包括”为一开放式用语，故应解释成“包含/包括但不限定于”。“大致”是指在可接收的误差范围内，本领域技术人员能够在一定误差范围内解决所述技术问题，基本达到所述技术效果。说明书后续描述为实施本申请的较佳实施方式，然所述描述乃以说明本申请的一般原则为目的，并非用以限定本申请的范围。本申请的保护范围当视所附权利要求书所界定者为准。
还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的商品或者系统不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种商品或者系统所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的商品或者系统中还存在另外的相同要素。
应当理解，本文中使用的术语“和/或”仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。
上述说明示出并描述了本申请的若干优选实施例，但如前所述，应当理解本申请并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述申请构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本申请的精神和范围，则都应在本申请所附权利要求书的保护范围内。
Claims (10)
1.一种高温条件下测定压块力学性能的实验装置，其特征在于，所述装置包括：
控制单元；
焙烧设备，用于实现待测物的焙烧以及提供满足测试要求的温度环境；所述待测物是由若干压块组成的经轴向压制的压块串组；
工压电机，用于与收缩压头连接，带动收缩压头上下移动；
收缩压头，用于对所述待测物中的一部分压块进行同时下压，实现压块力学性能的测试；
压力传感器，用于测量收缩压头的下压力。
2.根据权利要求1所述的高温条件下测定压块力学性能的实验装置，其特征在于，所述收缩压头对一部分压块进行同时下压的选择方式为：选择所述待测物中间隔设置的若干压块同时进行下压。
3.根据权利要求1所述的高温条件下测定压块力学性能的实验装置，其特征在于，所述收缩压头包括收缩结构、压头杆和压头；所述收缩结构的上端与所述工压电机连接，下端与所述压头杆的上端连接；所述压头杆的下端与所述压头连接。
4.根据权利要求3所述的高温条件下测定压块力学性能的实验装置，其特征在于，所述待测物中压块数量为3个；所述压头为“⌒”形、倒“U”形或“∧”形。
5.根据权利要求1所述的高温条件下测定压块力学性能的实验装置，其特征在于，所述待测物放置于顶部带有凹槽的固定支架上，对所述待测物进行固定。
6.根据权利要求5所述的高温条件下测定压块力学性能的实验装置，其特征在于，所述凹槽的尺寸为非一致设计，对应待测物下压压块处的半径大于非下压压块处的半径。
7.根据权利要求1所述的高温条件下测定压块力学性能的实验装置，其特征在于，所述装置还包括：主控平台、带有混器塔的控电柜以及若干气瓶；
所述主控平台与所述控电柜控制连接，所述控电柜分别与所述焙烧设备、所述工压电机控制连接；所述压力传感器与所述主控平台通信连接；所述气瓶与所述混器塔以及所述焙烧设备依次管路连接。
8.一种高温条件下测定压块力学性能的实验方法，其特征在于，所述试验方法的步骤包括：
S1、取适量预处理过的金属矿粉，压制成若干压块坯体；
S2、将若干压块坯体串接并轴向压制得到待测物坯体；
S3、将待测物坯体置于焙烧设备中并设置焙烧参数进行焙烧；
S4、达到测试条件时，收缩压头在工压电机的控制下向下移动在特定位置对所述待测物进行下压操作直至界面分离，同时由压力传感器采集实时压力值；
S5、由主控平台根据所述压力值和所述待测物的特性分析和计算连晶能力。
9.根据权利要求8所述的高温条件下测定压块力学性能的实验方法，其特征在于，步骤S4中的测试条件包括焙烧完成后的900～1400℃温度条件或常温条件。
10.根据权利要求8所述的高温条件下测定压块力学性能的实验方法，其特征在于，步骤S1中和步骤S2中的压制力度均为5～15MPa。
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