CN114354676A

CN114354676A - 一种球团矿还原膨胀性能检测方法和装置

Info

Publication number: CN114354676A
Application number: CN202210026935.1A
Authority: CN
Inventors: 柴轶凡; 樊莹杰; 张云昊; 武佳毅; 王艺慈; 罗果萍; 王俊杰; 胡文贤; 梁延峰; 高兴; 朱建国
Original assignee: Inner Mongolia University of Science and Technology
Current assignee: Inner Mongolia University of Science and Technology
Priority date: 2022-01-11
Filing date: 2022-01-11
Publication date: 2022-04-15

Abstract

本发明公开了一种球团矿还原膨胀性能检测方法和装置，该方法包括以下步骤：基于待还原球团矿的材料制定还原策略；按所述还原策略进行还原实验，并在实验过程中实时获取待还原球团矿的图像信息；基于所述图像信息提取所述待还原球团矿在高温还原过程中待还原球团矿的形状、尺寸及物态变化数据，以得到所述待还原球团矿的还原膨胀数据。其提高了膨胀率的检测便利性，扩大了检测范围。

Description

一种球团矿还原膨胀性能检测方法和装置

技术领域

本发明涉及金属冶炼技术领域，具体涉及一种球团矿还原膨胀性能检测方法和装置。

背景技术

球团矿是高炉炼铁的主要原料之一，与烧结矿相比，球团矿具有粒度均匀、形状规则、含铁品位高、堆比重大、还原度高、热强度好，改善高炉料层透气性等优势，是一种较为理想的炼铁原料。球团矿在高炉内参与物理化学变化时会出现体积增大的现象，即球团矿发生还原膨胀现象。球团矿在还原过程中发生体积膨胀会导致其强度降低，若球团矿还原膨胀率高于20%，将导致高炉料柱透气性降低，煤气流分布不均匀，影响高炉顺行。因此，一种良好的检测球团矿还原膨胀的方法对于高炉的正常生产尤为重要。

目前，根据 GB/T13240-2018 高炉用铁球团矿自由膨胀指数的测定，测定球团矿还原前后体积的方法有油酸钠-煤油容量法和水浸法两种。

但是，现有的处理方法存在以下技术问题：

1、油酸钠-煤油容量法操作繁琐、污染环境且对实验人员的皮肤和黏膜有刺激性，不利于实验的进行；

2、水浸法测量的结果不准确，需要通过多次测量取平均值来提高测量的准确性，这种重复实验必然造成原料和人力的浪费并拖慢实验的进度；

3、现有的实验方法必须按照检测-还原-再检测的实验流程进行实验，无法实现一步检测，且现有的实验方法只能测量球团矿还原结束后的体积膨胀数据，对于还原过程中球团矿的体积膨胀情况无法测量。

4、当球团矿膨胀严重、强度几乎为零时，现有的实验方法无法检测其还原膨胀率。

发明内容

为此，本发明的实施例提供一种球团矿还原膨胀性能检测方法和装置，以至少部分解决现有技术中存在的问题。

为了实现上述目的，本发明的实施例提供如下技术方案：

一种球团矿还原膨胀性能检测方法，包括以下步骤：

基于待还原球团矿的材料制定还原策略；

按所述还原策略进行还原实验，并在实验过程中实时获取待还原球团矿的图像信息；

基于所述图像信息提取所述待还原球团矿在高温还原过程中待还原球团矿的形状、尺寸及物态变化数据，以得到所述待还原球团矿的还原膨胀数据。

进一步地，所述待还原球团矿的材料为铁氧化物。

进一步地，所述还原策略具体包括：

S1：升温0.5-1.5h并通入保护气体，当温度到达第一预设温度时停止保护气体通入，而后通入反应气体并保温第一预设时长；

S2：继续升温0.3-0.8h并通入保护气体，当温度到达第二预设温度时停止保护气体通入，而后通入反应气体并保温第二预设时长，所述第二预设温度高于所述第一预设温度；

S3：继续升温0.1-0.3h并通入保护气体当温度到达第三预设温度时停止保护气体通入，而后通入反应气体，并保温第三预设时长；所述第三预设温度高于所述第二预设温度；

S4：随炉冷却并继续通入保护气体，待铁氧化物试样冷却至第四预设温度以下时取出，所述第四预设温度低于所述第一预设温度。

进一步地，在步骤S1-S3中，升温速度均为10℃/min。

进一步地，在步骤S1-S4中，所述保护气体均为氩气。

进一步地，在保护气体充入过程中，所述氩气的标态流量为490±5ml/min。

进一步地，所述第一预设温度为600℃，所述第二预设温度为900℃，所述第三预设温度为1000℃。

本发明还提供一种球团矿还原膨胀性能检测装置，用于实施如上所述的方法，所述装置包括：

反应舱，所述反应舱内设置有管式电炉、光源系统和摄像系统，所述管式电炉的炉筒内设置有用于放置待还原球团矿的载物台；

配气装置，所述配气装置的出气口与所述管式电炉的进气口通过管道连通；

冷却装置，所述冷却装置与所述反应舱底部相连通。

进一步地，所述装置还包括：

显示器，所述显示器外接于所述反应舱内，并与所述摄像系统信号连接。

进一步地，所述光源系统包括LED灯以及设置于所述LED灯上的扩束镜。

本发明的实施例具有如下优点：

1、本发明所提供的方法，模拟实际生产过程中球团矿的还原膨胀过程，并根据用面积的变化来表征球团矿还原膨胀大小的思想，通过可视化高温形变分析仪的在线图像识别技术准确的计算球团的还原膨胀率。既满足了实时观测球团矿的形状、尺寸、物态变化的实验要求，也解决了当球团矿膨胀严重、强度几乎为零时其还原膨胀率无法检测的难题；

2、本发明所提供的方法，通过图像采集技术对球团矿的还原过程以及体积膨胀率进行检测过程获取，避免了实验人员亲自动手去反复的实验和计算，既实现了机器高效作业，大大降低实验检测时间，提高实验效率；此外，无人操作自主测量，不额外使用其他溶液的工作模式，在避免了对实验人员产生伤害的同时，也避免了对实验环境造成污染。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式或现有技术描述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示例性的，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，还可以根据提供的附图引伸获得其它的实施附图。

本说明书所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。

图1为本发明所提供的球团矿还原膨胀性能检测方法一种具体实施方式的流程图；

图2为 CO还原铁氧化物气相平衡图；

图3为本发明所提供的可视化高温形变分析仪的结构示意图；

图4为实验结果图；

图5为本发明所提供的球团矿还原膨胀性能检测装置一种具体实施方式的结构示意图。

具体实施方式

以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效，显然，所描述的实施例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他实施例，都属于本发明保护的范围。本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。

本发明所提供的球团矿还原膨胀性能检测方法，检测原理为根据球团矿在还原过程中面积的变化来表征其还原膨胀的大小。通过在机器上设定好还原制度，可视化高温形变分析仪的在线图像识别技术就可以在高温还原过程中在线实时观测球团矿的形状、尺寸及物态变化，并同步进行智能化数据采集与图像处理，最终得到球团矿的还原膨胀数据。

在一种具体实施方式中，该球团矿还原膨胀性能检测方法，如图1所示，包括以下步骤：

S100：基于待还原球团矿的材料制定还原策略；

S200：按所述还原策略进行还原实验，并在实验过程中实时获取待还原球团矿的图像信息。

S300：基于所述图像信息提取所述待还原球团矿在高温还原过程中待还原球团矿的形状、尺寸及物态变化数据，以得到所述待还原球团矿的还原膨胀数据。

其中，在图像信息提取时，工业相机按照预设的拍照频率（可以设定间隔时间，也可以实时获取）拍摄球团矿的图像，并储存在电脑内；利用NI Vision Assistant软件对球团矿图像进行处理，将灰度图像转换成二值化图像（图像黑色部分的值为255，白色部分的值为0）；利用Labview软件将二值化图像转换成矩阵，每一个像素对应矩阵中的一个元素，所有值为255的像素个数相加就是球团矿的面积；最后用折线图将球团矿在不同温度下的面积大小表示出来。

具体地，以待还原球团矿的材料为铁氧化物为例，上述还原策略具体包括：

S1：升温0.5-1.5h并通入保护气体，当温度到达第一预设温度时停止保护气体通入，而后通入反应气体并保温第一预设时长，该第一预设温度为600℃。

S2：继续升温0.3-0.8h并通入保护气体，当温度到达第二预设温度时停止保护气体通入，而后通入反应气体并保温第二预设时长，所述第二预设温度高于所述第一预设温度，该第二预设温度为900℃。

S3：继续升温0.1-0.3h并通入保护气体当温度到达第三预设温度时停止保护气体通入，而后通入反应气体，并保温第三预设时长；所述第三预设温度高于所述第二预设温度，第三预设温度为1000℃。

进一步地，在步骤S1-S3中，升温速度均为10℃/min，所述保护气体均为氩气，在保护气体充入过程中，所述氩气的标态流量为490±5ml/min。

基于上述还原策略，具体实验过程如下：

1、根据 CO还原铁氧化物气相平衡图（如图2所示）来制定还原策略；

第一阶段：升温1h并通入Ar保护，当温度到达 600℃时关闭Ar，改通入CO与CO2的混合气体并保温1h。

第二阶段：保温结束后，继续升温30min并通入Ar保护, 当温度到达 900℃时关闭Ar，改通入CO与CO2的混合气体并保温1h。

第三阶段：保温结束后，继续升温10min并通入Ar保护, 当温度到达 1000℃时关闭Ar，改通入纯CO气体并保温1h。保温结束后随炉冷却并继续通Ar保护，待试样冷却至 100℃以下时取出。

仪器升温速度：在整个试验期间，仪器的升温速度保持10℃/min。

Ar流量：在整个试验期间，Ar的标态流量保持在 490±5ml/min 之间。

得到的还原实验参数如表1所示。

表1还原实验参数

2、使用可视化高温形变分析仪进行还原实验

结合图3和图5所示的可视化高温形变分析仪结构示意图来阐述具体的实验过程。

其中，在图3中，分析仪分为三部分，从左向右依次是光源系统、加热系统和摄像系统。加热系统为卧式管式电炉，管为刚玉管，长约90cm,直径约15cm,刚玉管外包裹一层莫来石纤维的保温材料，并配备有温度控制调节器和温度监测调节器用于调节管式电炉的温度。光源系统包括一个LED灯以及LED灯上的扩束镜。成像系统包括一个工业相机以及工业相机上的远心工业镜头。该设备利用LED灯发出的红色可见光经扩束镜，产生一道平行的光源，照射在试样上，使其产生投影，并由双远心工业镜头接收，通过工业相机转换成一个放大的BMP图像，最后将记录的图像保存在电脑内。

具体结构包括温度控制调节器1、温度监测调节器2、载物托盘3、载物台4、操作台5、电脑6、第一机壳7、LED灯8、扩束镜9、玻璃片10、第二机壳11、热电偶12、刚玉管13、耐火材料14、支座15、玻璃片16、双远心工业镜头17、工业相机18和第二机壳19。

打开第一机壳7、第二机壳11和第三机壳19，将球团矿放在载物托盘3中间位置，再将载物托盘3放入载物台4上并调整位置，使球团矿正处于管式电炉的刚玉管13中间位置（即热电偶12正下方）；

打开装置自带的电脑、LED灯和工业相机，利用LED灯发出的光源照射在试样上使其产生投影，并由双远心工业镜头接收，通过工业相机转换成一个图像。分别调整试样与LED灯和双远心工业镜头的距离，直到在电脑上能清晰的看到球团矿的图片。

在温度控制调节器1中输入球团矿的还原策略，最后启动开关开始还原。在还原过程中，工业相机按照一定的拍照频率拍摄球团矿的图像，并储存在电脑内。最后利用图像处理软件准确的给出球团矿的还原膨胀数据并生成不同温度下球团矿面积变化的折线图。

实验结果如图4所示，从图4可以看出球团矿的还原膨胀率为17.23%。

通过水浸法测定的球团矿还原膨胀过程中的实验数据如表2所示。从表2可以看出，由水浸法测定的球团矿还原膨胀率为17.10%，与可视化高温形变分析仪测定的结果近似，满足实验要求。

表2水浸法所测球团矿还原膨胀实验数据表

可见，在上述具体实施方式中，本发明所提供的方法通过模拟实际生产过程中球团矿的还原膨胀过程，并根据用面积的变化来表征球团矿还原膨胀大小的思想，通过可视化高温形变分析仪的在线图像识别技术准确的计算球团的还原膨胀率，应当理解的是，图4的纵轴表示还原膨胀率，该图是机器自动输出，自动化程度较高。此外该仪器的使用既满足了实时观测球团矿的形状、尺寸、物态变化的实验要求，也解决了当球团矿膨胀严重、强度几乎为零时其还原膨胀率无法检测的难题。

除了上述方法，本发明还提供一种球团矿还原膨胀性能检测装置，用于实施如上所述的方法，如图5所示，所述装置包括反应舱100、配气装置、显示器300和冷却装置400，所述反应舱内设置有管式电炉、光源系统和摄像系统，所述管式电炉的炉筒内设置有用于放置待还原球团矿的载物台；配气装置包括配气柜200和气瓶500所述配气装置的出气口与所述管式电炉的进气口通过管道连通；所述冷却装置与所述反应舱底部相连通，所述显示器外接于所述反应舱内，并与所述摄像系统信号连接。

其中，所述光源系统包括LED灯以及设置于所述LED灯上的扩束镜。

具体地，该检测装置分为三部分，如图5中，从左向右依次是光源系统、加热系统和摄像系统。其中，加热系统为操作台上设置的卧式管式电炉，并配备有温度控制调节器和温度监测调节器用于调节管式电炉的温度。光源系统包括一个LED灯以及LED灯上的扩束镜。摄像系统包括一个工业相机以及工业相机上的远心工业镜头。该设备利用LED灯发出的红色可见光经扩束镜，产生一道平行的光源，照射在试样上，使其产生投影，并由双远心工业镜头接收，通过工业相机转换成一个放大的BMP图像，最后将记录的图像保存在电脑内。

在该具体实施方式中，本发明所提供的装置通过图像采集技术对球团矿的还原过程以及体积膨胀率进行检测过程获取，避免了实验人员亲自动手去反复的实验和计算，既实现了机器高效作业，大大降低实验检测时间，提高实验效率；此外，无人操作自主测量，不额外使用其他溶液的工作模式，在避免了对实验人员产生伤害的同时，也避免了对实验环境造成污染。

虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

Claims

1.一种球团矿还原膨胀性能检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

基于待还原球团矿的材料制定还原策略，所述还原策略分时段逐步升温并通入保护气体，且在各时段中保护气体通入后保温预设时长；

2.根据权利要求1所述的球团矿还原膨胀性能检测方法，其特征在于，所述待还原球团矿的材料为铁氧化物。

3.根据权利要求2所述的球团矿还原膨胀性能检测方法，其特征在于，所述还原策略具体包括：

S3：继续升温0.1-0.3h并通入保护气体，当温度到达第三预设温度时停止保护气体通入，而后通入反应气体，并保温第三预设时长；所述第三预设温度高于所述第二预设温度；

4.根据权利要求3所述的球团矿还原膨胀性能检测方法，其特征在于，在步骤S1-S3中，升温速度均为10℃/min。

5.根据权利要求3所述的球团矿还原膨胀性能检测方法，其特征在于，在步骤S1-S4中，所述保护气体均为氩气。

6.根据权利要求5所述的球团矿还原膨胀性能检测方法，其特征在于，在保护气体充入过程中，所述氩气的标态流量为490±5ml/min。

7.根据权利要求5所述的球团矿还原膨胀性能检测方法，其特征在于，所述第一预设温度为600℃，所述第二预设温度为900℃，所述第三预设温度为1000℃。

8.一种球团矿还原膨胀性能检测装置，用于实施如权利要求1-7任一项所述的方法，其特征在于，所述装置包括：

冷却装置，所述冷却装置与所述反应舱底部相连通。

9.根据权利要求8所述的球团矿还原膨胀性能检测装置，其特征在于，所述装置还包括：

10.根据权利要求8所述的球团矿还原膨胀性能检测装置，其特征在于，所述光源系统包括LED灯以及设置于所述LED灯上的扩束镜。