CN114741859A - 一种模拟高炉料柱透液性的装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种模拟高炉料柱透液性的装置及方法，包括以下步骤：1)原料布料；将焦炭、含铁矿物，依次由上部装入模拟高炉料柱透液性的装置的反应腔中，焦炭按粒度梯度由下至上布置，靠近反应腔下方多孔托座垫的焦炭粒度最小；或将焦炭、含铁矿物交错分层布料，最下层为焦炭层；2)高温反应；通过反应腔外围加热电偶加热反应腔，并向渣铁冷却与储存腔输送气体；3)液、气收集与反应分析；4)待冷却后，称取渣铁质量，计算高炉炉料料柱透液指数。优点是：能够模拟高炉内部以铁矿、焦炭为主要原料，同时有逆向气流存在条件下、模拟高炉内部压力条件下的高炉内部实际料柱透液性，进而为高炉焦炭的选取提供新的评价指标。
Description
技术领域
本发明属于炼铁原料领域，涉及一种模拟高炉料柱透液性的装置及方法。
背景技术
冶金焦炭质量对高炉的稳定顺行至关重要。以往对焦炭的质量评价主要集中在焦炭冷态、热态强度，并认为高强度焦炭有利于减少焦粉末的生成，进而保证高炉料柱具有良好的煤气流透气性和熔融渣铁的透液性。目前，对焦炭热态强度评价方法是在1100℃，100％CO2气氛反应条件下反应2h，然后利用I型转鼓进行旋转后，测定粒径大于10mm焦炭占高温反应后残余渣铁料的质量百分比，然而高炉内部尤其是下部料柱温度均高于1100℃，且料柱焦炭粒度逐渐缩小，在炉料下降过程中，煤气流逆流而上，与料柱发生还原反应，同时含铁矿物还会与料柱焦炭发生直接还原反应，这些反应均会影响高炉料柱的透液性，影响高炉的稳定顺行生产。
发明内容
为克服现有技术的不足，本发明的目的是提供一种模拟高炉料柱透液性的装置及方法，模拟高炉内部含铁矿物、焦炭为主要原料，同时有逆向气流存在条件下料柱的透液性，进而为高炉焦炭的选取提供新的评价指标。
为实现上述目的，本发明通过以下技术方案实现：
一种模拟高炉料柱透液性的方法，包括以下步骤：
1)原料布料
将焦炭、含铁矿物，依次由上部装入模拟高炉料柱透液性的装置的反应腔中，焦炭按粒度梯度由下至上布置，靠近反应腔下方多孔托座垫的焦炭粒度最小，含铁矿物布料在最大粒度的焦炭上方；或将焦炭、含铁矿物交错分层布料，最下层为焦炭层，焦炭按粒度梯度由下至上布置，靠近反应腔下方多孔托座垫的焦炭粒度最小；
2)高温反应
通过反应腔外围加热电偶将反应腔逐渐加热升温至1300～1500℃，并恒温0～5h；在升温或恒温过程中，开启进气瓶，当进气为多种气体时，利用混气室将进气瓶提供的不同气体混匀、预加后，再由气体输送泵通过进气口输送至渣铁冷却与储存腔；当进气为一种气体时，利用混气室将由进气瓶提供的气体预热后，由气体输送泵将气体通过进气口输送至渣铁冷却与储存腔；
3)液、气收集与反应分析
高温下熔融的含铁矿物在滴落过程中与焦炭发生界面反应，然后穿过焦炭层滴落至盛渣铁坩埚中，同时渣铁冷却与储存腔内的气体穿过多孔托座垫，携带含铁矿物与焦炭反应产生的气体经由排气口进入烟气检测装置，或者渣铁冷却与储存腔内的气体穿过多孔托座垫后直接与含铁矿物反应，反应后的尾气由排气口进入烟气检测装置；通过烟气检测装置测量气体成分变化曲线，最后进入尾气收集处理装置，CO气体排放量与排放速率能够反应含铁矿物的还原性和还原速率；
通过控制进气瓶进气流速和尾气排气口排气流速，实现装置内压力稳定可控，装置内炉顶压力控制在100kPa～500kPa，进而模拟高炉炉内压力条件下料柱的透气与透液性；
4)待渣铁冷却与储存腔冷却后，称取渣铁坩埚内渣铁质量，并计算高炉炉料料柱透液指数r：
所述的含铁矿物为烧结矿、球团矿、铁矿石中的一种或几种混合物。
所述的混气室内的气体为N2、CO2、CO、H2、H2O中的一种或多种，气体流速控制在0.5～5L/min。
一种模拟高炉料柱透液性的装置，包括反应腔、多孔托座垫、渣铁冷却与储存腔、盛渣铁坩埚、支撑底座、进气口、气体输送泵、混气室、进气瓶、烟气检测装置、尾气收集处理装置、排气口；
反应腔通过外围加热电偶将反应腔加热，反应腔底部与渣铁冷却与储存腔相连通，反应腔下部固定连接有多孔托座垫，反应腔由上至下装有含铁矿物、焦炭；渣铁冷却与储存腔内设置有盛渣铁坩埚，渣铁冷却与储存腔底部固定连接有支撑底座，支撑底座上固定连接有盛渣铁坩埚；盛渣铁坩埚用于盛高温条件下熔融渣铁穿过焦炭层后的滴落物；
混气室与进气瓶连接，混气室内的气体通过气体输送泵由进气口输送到渣铁冷却与储存腔内，由反应腔顶部的排气口排出，烟气检测装置与排气口连接，烟气检测装置与尾气收集处理装置连接。
所述的反应腔与渣铁冷却与储存腔连接处为嵌套结构或螺旋结构。
所述的反应腔的内侧壁由保温耐火材料制作。
所述的渣铁冷却与储存腔底部设有对称分布的进气口，进气口为一对或多对。
所述的混气室内设有热电阻，混气室的加热温度在25～300℃。
所述的烟气检测装置用于检测反应腔顶部的排气口排出烟气成分与炉顶气压。
所述的多孔托座垫为耐高温的石墨或刚玉材质。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明能够模拟高炉内部以铁矿、焦炭为主要原料，同时有逆向气流存在条件下、模拟高炉内部压力条件下的高炉内部实际料柱透液性，进而为高炉焦炭的选取提供新的评价指标，为指导高炉原料的选取与生产操作提供技术参数依据，保障高炉的料柱的透液性和还原特性。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
图2是实施例1的CO浓度排放曲线图。
图3是实施例2的CO浓度排放曲线图。
图4是实施例3的CO浓度排放曲线图。
图中：1-反应腔 2-含铁矿物 3-焦炭 4-保温耐火材料 5-多孔托座垫 6-渣铁冷却与储存腔 7-盛渣铁坩埚 8-支撑底座 9-进气口 10-气体输送泵 11-混气室 12-进气瓶13-烟气检测装置 14-尾气收集处理装置 15-排气口。
具体实施方式
下面结合说明书附图对本发明进行详细地描述，但是应该指出本发明的实施不限于以下的实施方式。
见图1，一种模拟高炉料柱透液性的装置，包括反应腔1、多孔托座垫5、渣铁冷却储存腔6、盛渣铁坩埚7、支撑底座8、进气口9、气体输送泵10、混气室11、进气瓶12、烟气检测装置13、尾气收集处理装置14、排气口15；
反应腔1通过外围加热电偶将反应腔1加热至高温，反应腔1底部与渣铁冷却储存腔6相连通，反应腔1与渣铁冷却储存腔6可拆卸，反应腔1下部固定安装有多孔托座垫5，反应腔1由上至下装有含铁矿物2、焦炭3；盛渣铁坩埚7设置渣铁冷却储存腔6内，渣铁冷却储存腔6底部固定连接有支撑底座8，盛渣铁坩埚7固定在支撑底座8上；盛渣铁坩埚7用于盛高温条件下熔融渣铁穿过焦炭层后的渣铁滴落物；
混气室11与进气瓶12连接，混气室11内的气体通过气体输送泵10由进气口输送到渣铁冷却储存腔6内，由反应腔1顶部的排气口15排出，烟气检测装置13与排气口15连接，烟气检测装置13与尾气收集处理装置14连接，烟气检测装置14还可以测量炉顶排气口压力，进而通过控制稳定的炉顶压力实现模拟高炉的高压反应条件。
反应腔1下沿与渣铁冷却储存腔6连接处为嵌套结构或螺旋结构，进而保证反应腔1与渣铁冷却储存腔6的可拆卸与连接后的密封。反应腔1的内侧壁由保温耐火材料4构成。确保反应腔1内滴落的液态渣铁不黏在反应腔1内壁上，渣铁冷却储存腔底6部设有对称分布的进气口9，进气口9可以为一对或多对，确保反应腔1内的上升气流的稳定与均匀。混气室11还具有对气体的预加热功能，主要通过混气室内电阻加热，加热温度在25～300℃，一方面可以保证多种气体混合的均匀性，另一方面保证进入气体均为气态，与高炉内部状态一致。当通入气体中含有CO2时，多孔托座垫利用耐高温的刚玉材质，当通入气体中不含有CO2时，多孔托座垫利用耐高温的石墨材质。防止高温条件下CO2与石墨垫发生碳化反应。
一种模拟高炉料柱透液性的方法，包括以下步骤：
1)原料布料
将焦炭3、含铁矿物2，依次由上部装入模拟高炉料柱透液性的装置的反应腔1中，焦炭3按粒度梯度由下至上布置，靠近反应腔1下方多孔托座垫5的焦炭3粒度最小，含铁矿物2布料在最大粒度的焦炭3上方；或将焦炭3、含铁矿物2分层布料，最下层为焦炭层，焦炭3按粒度梯度由下至上布置，靠近反应腔1下方多孔托座垫5的焦炭粒度最小。含铁矿物2为烧结矿、球团矿、含铁块矿中的一种或几种混合物。
2)高温反应
通过反应腔1外围加热电偶将反应腔1逐渐升温加热至1300～1500℃，并恒温0～5h；在升温或恒温过程中，开启进气瓶12，当进气为多种气体时，利用混气室11将进气瓶12提供的不同气体混匀、预热至25～300℃，再气体输送泵10将混匀气体通过进气口9输送至由渣铁冷却储存腔6；当进气为一种气体时，利用混气室11将由进气瓶12提供的气体预热至25～300℃，然后由气体输送泵10将气体通过进气口9输送至由渣铁冷却储存腔6；混气室11内的气体为N2、CO2、CO、H2、H2O中的一种或多种，气体流速控制在0.5～5L/min。
3)液、气收集与反应分析
高温下熔融的含铁矿物2在滴落过程中与焦炭3发生界面反应，然后穿过焦炭层滴落至盛渣铁坩埚7中，同时渣铁冷却与储存腔6内的气体穿过多孔托座垫5，携带含铁矿物2与焦炭3反应产生的气体经由排气口15进入烟气检测装置13，或者渣铁冷却与储存腔6内的气体穿过多孔托座垫5后直接与含铁矿物2反应，反应后的尾气由排气口15进入烟气检测装置13；通过烟气检测装置13测量气体成分变化曲线，最后进入尾气收集处理装置14，CO气体排放量与排放速率能够反应含铁矿物2的还原性和还原速率；通过控制进气瓶12进气流速和尾气排气口15排气流速，实现装置内压力稳定可控，装置内炉顶压力可控制在100KPa～500KPa，进而模拟高炉炉内压力条件下料柱的透气与透液性；
4)透液指数计算
待渣铁冷却与储存腔冷却后，称取渣铁坩埚内渣铁质量，并计算高炉炉料料柱透液指数r：
实施例1：
见图1，一种模拟高炉料柱透液性的装置及方法，模拟含铁矿物2在焦炭3料柱内还原与液相流动特性的检测，具体包括以下步骤：
1)原料装入
将粒度分别为10-15mm的焦炭350g、15-20mm的焦炭350g、10～15mm球团矿20g、10～15mm烧结矿20g，依次由上部装入反应腔1中，10-15mm焦炭置于多孔刚玉垫5上，15-20mm焦炭置于10-15mm焦炭上方，10-15mm焦炭上方为球团矿、烧结矿。
2)高温反应
反应腔1逐渐升温至1350℃，并恒温5h。在升温过程中，开启进气瓶12，在升温时输送的气体为N2，在混气室11预热至200℃，并通过气体输送泵10将混匀气体由进气口9输送至渣铁冷却储存腔6，当温度升高至1350℃时，输送气体为N2和CO的混合气体，在混气室11混匀并预热至200℃，N2与CO混合体积比为9：1，炉顶压力控制在200KPa，整个加热过程气体流速为0.5L/min。
3)液、气收集与反应分析
球团矿在高温条件下与焦炭3反应后，形成熔融的液态渣铁并穿过焦炭3层滴落至盛渣铁坩埚7中，反应后的尾气通过排气口15输送到烟气检测装置13，然后通过烟气检测装置13测量气体成分变化曲线，见图2，利用曲线积分求得尾气中的CO总量，去除进气口进入的CO量，剩余为高温直接还原过程中产生的CO，进而得出球团矿还原率，从图中还可得知不同反应物料对应反应最为剧烈反应时间，进而得出相应的反应温度，最后尾气进入尾气收集处理装置14。
4)透液指数计算
冷却后，称取渣铁坩埚内渣铁质量，并计算液态渣铁占原料含铁矿物比例为50％，此时高炉炉料料柱透液指数为50％。
实施例2
一种模拟高炉料柱透液性的方法，包括以下步骤：
1)原料装入
将粒度分别为10-15mm焦炭350g、15-20mm焦炭350g与10-12mm烧结矿40g，分层布料在上部装入反应腔1中，由下至上依次为350g、10-15mm焦炭上，20g、10-12mm烧结矿，350g、15-20mm焦炭，20g、10-12mm烧结矿。
2)高温反应
逐渐升温至1500℃，并恒温2h。升温和恒温过程中，输送气体均为N2，开启进气瓶12，在混气室11预热至300℃，并通过气体输送泵10将混匀气体由进气口9输送至由渣铁冷却储存腔6，整个升温加热和恒温过程炉顶压力控制在200KPa，气体流速1.0L/min。
3)液、气收集与反应分析
烧结矿在高温条件下与焦炭3反应后，形成熔融的液态渣铁并穿过焦炭3层滴落至盛渣铁坩埚7中，反应后的尾气通过排气口15进入烟气检测装置13，由烟气检测装置13测量气体成分变化曲线，见图3，利用曲线积分求得尾气中的CO总量既是含铁矿物与焦炭高温还原反应产生的CO量，从图中还可得知不同反应物料对应反应最为剧烈反应时间，进而得出相应的反应温度，最后尾气进入尾气收集处理装置14。
4)透液指数计算
冷却后，称取渣铁坩埚内渣铁质量，并计算液态渣铁占原料烧结矿比例为30％，此时高炉炉料料柱透液指数为30％。
实施例3
一种模拟高炉料柱透液性的方法，包括以下步骤：
1)原料装入
将粒度分别为5-10mm焦炭200g、10-20mm焦炭200g、20-22mm焦炭200g、10-12mm烧结矿40g，依次由上部装入反应腔1中，5-10mm焦炭置于多孔刚玉垫5上，10-20mm焦炭置于5-10mm焦炭上方，20-22mm焦炭置于10-20mm焦炭上方，最上方为烧结矿。
2)高温反应
逐渐升温至1300℃，并恒温2h。升温过程中，开启进气瓶12，在混气室预热100℃后，通过气体输送泵10将混匀气体由进气口9输送至由渣铁冷却储存腔6，在升温0～1300℃过程中输送1.0L/min的N2，当温度升高至1300℃恒温段，输送气体为0.5L/min CO2+4.5L/min N2，在混气室混匀并预热至300℃后，由进气口9输送至由渣铁冷却储存腔6，整个恒温过程炉顶压力控制在500KPa，气体流速5L/min。
3)液、气收集与反应分析
烧结矿在高温条件下与焦炭3反应后，形成熔融的液态渣铁并穿过焦炭3层滴落至盛渣铁坩埚7中，反应后的尾气通过排气口15进入烟气检测装置13，由烟气检测装置13测量气体成分变化曲线，见图4，利用曲线积分求得尾气中的CO总量既是含铁矿物与焦炭高温还原反应、焦炭的气化反应产生的CO量，再利用不含烧结矿，其他反应条件相同情况的对比试验得出CO产生量，进而计算出含铁矿物与焦炭高温还原反应产生的CO的量，进而计算烧结矿的还原率，从图4还可得知不同反应物料对应反应最为剧烈反应时间，进而得出相应的反应温度，最后尾气进入尾气收集处理装置14。
4)透液指数计算
冷却后，称取渣铁坩埚内渣铁质量，并计算液态渣铁占原料烧结矿比例为30％，此时高炉炉料料柱透液指数为30％。
Claims (10)
1.一种模拟高炉料柱透液性的方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)原料布料
将焦炭、含铁矿物，依次由上部装入模拟高炉料柱透液性的装置的反应腔中，焦炭按粒度梯度由下至上布置，靠近反应腔下方多孔托座垫的焦炭粒度最小，含铁矿物布料在最大粒度的焦炭上方；或将焦炭、含铁矿物交错分层布料，最下层为焦炭层，焦炭按粒度梯度由下至上布置，靠近反应腔下方多孔托座垫的焦炭粒度最小；
2)高温反应
通过反应腔外围加热电偶将反应腔逐渐加热升温至1300～1500℃，并恒温0～5h；在升温或恒温过程中，开启进气瓶，当进气为多种气体时，利用混气室将进气瓶提供的不同气体混匀、预加后，再由气体输送泵通过进气口输送至渣铁冷却与储存腔；当进气为一种气体时，利用混气室将由进气瓶提供的气体预热后，由气体输送泵将气体通过进气口输送至渣铁冷却与储存腔；
3)液、气收集与反应分析
高温下熔融的含铁矿物在滴落过程中与焦炭发生界面反应，然后穿过焦炭层滴落至盛渣铁坩埚中，同时渣铁冷却与储存腔内的气体穿过多孔托座垫，携带含铁矿物与焦炭反应产生的气体经由排气口进入烟气检测装置，或者渣铁冷却与储存腔内的气体穿过多孔托座垫后直接与含铁矿物反应，反应后的尾气由排气口进入烟气检测装置；通过烟气检测装置测量气体成分变化曲线，最后进入尾气收集处理装置，CO气体排放量与排放速率能够反应含铁矿物的还原性和还原速率；
通过控制进气瓶进气流速和尾气排气口排气流速，实现装置内压力稳定可控，装置内炉顶压力控制在100kPa～500kPa，进而模拟高炉炉内压力条件下料柱的透气与透液性；
4)待渣铁冷却与储存腔冷却后，称取渣铁坩埚内渣铁质量，并计算高炉炉料料柱透液指数r：
2.根据权利要求1所述的一种模拟高炉料柱透液性的方法，其特征在于，所述的含铁矿物为烧结矿、球团矿、铁矿石中的一种或几种混合物。
3.根据权利要求1所述的一种模拟高炉料柱透液性的方法，其特征在于，所述的混气室内的气体为N2、CO2、CO、H2、H2O中的一种或多种，气体流速控制在0.5～5L/min。
4.实现权利要求1所述的方法的一种模拟高炉料柱透液性的装置，其特征在于，包括反应腔、多孔托座垫、渣铁冷却与储存腔、盛渣铁坩埚、支撑底座、进气口、气体输送泵、混气室、进气瓶、烟气检测装置、尾气收集处理装置、排气口；
反应腔通过外围加热电偶将反应腔加热，反应腔底部与渣铁冷却与储存腔相连通，反应腔下部固定连接有多孔托座垫，反应腔由上至下装有含铁矿物、焦炭；渣铁冷却与储存腔内设置有盛渣铁坩埚，渣铁冷却与储存腔底部固定连接有支撑底座，支撑底座上固定连接有盛渣铁坩埚；盛渣铁坩埚用于盛高温条件下熔融渣铁穿过焦炭层后的滴落物；
混气室与进气瓶连接，混气室内的气体通过气体输送泵由进气口输送到渣铁冷却与储存腔内，由反应腔顶部的排气口排出，烟气检测装置与排气口连接，烟气检测装置与尾气收集处理装置连接。
5.根据权利要求4所述的一种模拟高炉料柱透液性的装置，其特征在于，所述的反应腔与渣铁冷却与储存腔连接处为嵌套结构或螺旋结构。
6.根据权利要求4所述的一种模拟高炉料柱透液性的装置，其特征在于，所述的反应腔的内侧壁由保温耐火材料制作。
7.根据权利要求4所述的一种模拟高炉料柱透液性的装置，其特征在于，所述的渣铁冷却与储存腔底部设有对称分布的进气口，进气口为一对或多对。
8.根据权利要求4所述的一种模拟高炉料柱透液性的装置，其特征在于，所述的混气室内设有热电阻，混气室的加热温度在25～300℃。
9.根据权利要求4所述的一种模拟高炉料柱透液性的装置，其特征在于，所述的烟气检测装置用于检测反应腔顶部的排气口排出烟气成分与炉顶气压。
10.根据权利要求4所述的一种模拟高炉料柱透液性的装置，其特征在于，所述的多孔托座垫为耐高温的石墨或刚玉材质。
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