CN116482167A - 一种含铁炉料软熔特性视频检测的装置及检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种含铁炉料软熔特性视频检测的装置，包括石英玻璃管反应器，石英玻璃管反应器的内部设有石墨支撑台，石墨支撑台的上方设有石英坩埚，石英玻璃管反应器的外侧设有加热装置，加热装置的上方设有升降机，升降机与高温热电偶相连，高温热电偶穿过密封盖延伸至石英坩埚内；加热装置外侧的底部设有滤波片，滤波片的外侧设有激光光源，加热装置相对的另一侧设有摄像机，摄像机与程序控制及数据处理系统连接。本发明通过滤波片、激光光源和摄像机集成的视频检测系统可以连续、高效的观察和记录含铁炉料的软熔还原过程，能更为准确地检测含铁炉料的软熔特性，得到的含铁炉料高温软熔特性可以作为高炉炉料结构调整和布料制度优化的依据。
Description
技术领域
本发明涉及冶金工程技术领域，具体涉及一种含铁炉料软熔特性视频检测的装置及检测方法。
背景技术
近年来受国外铁矿石价格持续波动的影响，高炉被迫频繁调整入炉铁矿石种类，由于各种铁矿石冶金性能存在明显差异，严重制约着高炉稳定顺行和冶炼强度提升，因此，研究高炉含铁炉料冶金性能对提高高炉操作技术具有十分重要的意义。
含铁炉料在高炉还原的过程中，当含铁炉料从上到下逐渐过渡到高温区后，在上升高温煤气流的作用下，炉料中的孔隙率不断减小，体积不断被压缩，由离散的块状带变为交融的软熔带，最终形成与炉型匹配的软熔带形状，此区域压差的损失占整个料柱的60-70％，直接影响高炉透气性好坏。软熔带的形成主要受含铁炉料软熔特性控制，软熔特性差的炉料不利于合理软熔带的形成和高炉透气性的改善，严重时影响高炉稳定顺行，缩短高炉的使用寿命。因此，高炉含铁炉料在高温下的软熔特性在高炉操作中起着关键作用，对高炉含铁炉料软熔特性的研究，能更加直观、准确的反应含铁炉料对高炉的影响，为高炉精准高效操作提供依据。
目前，国内外学者们对含铁炉料软熔还原试验的方法进行了深入研究。国外查阅到的文献和专利包括：外国学者Paulo F.Nogueira和Richard J.Fruehan采用X射线定期拍摄的方式，观察自熔性球团和酸性球团在荷重软熔过程中温度和收缩率的变化，探究不同球团在高温下的软熔过程以及它们之间的相互作用；日本东京大学利用氢气作为还原气体进行含铁炉料软熔性能的试验研究。
国内查阅到的文献和专利包括：中冶华天发表的期刊文献《提升高铝含铁炉料软熔性能的配矿技术研究》，该文献中提到，为了应对使用高Al2O3含量高炉含铁炉料带来的高炉料柱透气性变差的问题，使用高Al2O3含量的自熔性球团矿和结构疏松块矿替代低Al2O3含量的酸性球团和结构致密块矿，改善综合炉料软熔性能的试验研究；济钢期刊文献《济钢用高炉含铁炉料软熔滴落性能研究》介绍了关于济钢RDL-02装置对济钢高炉现用烧结矿、球团矿及拟用烧结矿软熔滴落性能的试验研究；东北大学发表的期刊文献《改善含MgO高炉含铁炉料软熔性能研究》中公开了减少MgO含量、采取合理的炉料结构等改善烧结矿的高温软熔性能的研究；《高炉含铁炉料高温软熔性能检测准确度影响因素探讨》介绍了宝武韶钢通过对中试场高炉含铁炉料高温软熔性能检测准确度的因素展开研究分析，详细阐述了影响因素的来源，总结相关因素对试验准确度产生的趋势性影响，为制定高炉含铁炉料高温软熔性能检测方法的国家标准提供参考；专利CN113791109A公开了一种含铁原料软熔滴落性能的测定装置，该装置通过在管式加热炉的炉膛上下部设置的上石墨坩埚和下石墨坩埚，实现了高炉滴落带渣铁穿过焦炭的动态连续过程的模拟，优化了软熔滴落性能的测定过程，测定过程更加符合高炉冶炼情况；专利CN107543777A公开了高炉含铁炉料软熔特性的测试装置及方法，通过2kg级大型熔滴炉的试验，辅之以加热还原气体，能更为准确地测试铁矿石的软熔滴落特性，为高炉生产实际的原料调整和技术研究等提供参考依据。可大幅度提高测试结果的准确性和可靠性。
在上述含铁炉料软熔性能检测的方法及相关的研究中，均采用封闭的熔滴炉或加热炉作为试验装置，含铁炉料的软熔过程不可见，因此只能根据经验通过人为定义的炉料收缩率所对应的温度作为检测及评价含铁炉料软熔特性的标准，从而导致检测结果与实际存在一定的偏差。
发明内容
针对上述现有技术，本发明的目的是提供一种含铁炉料软熔特性视频检测的装置及检测方法。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
本发明第一方面提供一种含铁炉料软熔特性视频检测的装置，包括石英玻璃管反应器，石英玻璃管反应器的内部设有石墨支撑台，石墨支撑台的上方设有石英坩埚，石墨支撑台的下方与进气口相连通；石英玻璃管反应器的顶部设有密封盖；石英玻璃管反应器的外侧设有加热装置，加热装置的上方设有升降机，升降机与高温热电偶相连，高温热电偶穿过密封盖延伸至石英坩埚内；加热装置外侧的底部设有滤波片，滤波片的外侧设有激光光源，加热装置相对的另一侧设有摄像机，激光光源、石英坩埚与摄像机在同一水平位置，摄像机与程序控制及数据处理系统连接。高温热电偶与待测样品相接触，用于检测高炉含铁炉料的温度；激光光源、石英坩埚与摄像机在同一水平位置，用于拍摄记录高炉含铁炉料软熔还原过程。
作为优选，所述程序控制及数据处理系统包括温度控制模块和图像数据处理模块，所述程序控制及数据处理系统分别与高温热电偶、加热装置和摄像机相连接。程序控制及数据处理系统分别与高温热电偶、加热装置和摄像机电性连接，用于升温速率的控制和信息的处理及存储。温度控制模块收取高温热电偶传输的温度数据，根据石英坩埚内待测样品的温度来改变加热装置的升温速率，如步骤(2)所示；图像数据处理模块用于对摄像机传输的图像数据进行处理，识别出试验前含铁炉料料面的最大高度、试验过程中膨胀极限时料面的最大高度、试验结束后含铁炉料料面的最大高度，将这三个高度进行处理，代入公式进行计算，得出软熔行为参数；
作为优选，所述密封盖设有废气排出口。废气排出口用于排出还原高炉含铁炉料产生的废气。
作为优选，所述石英坩埚的底部设有若干小孔。用于通过高炉含铁炉料还原的气体。
作为优选，所述升降机通过支撑框架与加热装置连接。
本发明第二方面提供利用上述装置对含铁炉料软熔特性进行视频检测的方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将待测样品置于石英坩埚内并压平，将密封盖打开，将石英坩埚置于石墨支撑台上，调整激光光源、石英坩埚、摄像机的位置，使三者保持在同一水平线上，将密封盖关上；
(2)利用加热装置给待测样品加热，通过程序控制及数据处理系统控制升温速度，从室温升到900℃时，升温速度为8-12℃/min；900-1100℃时，升温速度为2-4℃/min；1100-1300℃时，升温速度为4-6℃/min；
(3)通过调节气体的流量和浓度来调控反应过程中的气氛状态，当石英坩埚的中心温度达到200℃时，通入N2，流量1-3L/min；当石英坩埚的中心温度到500℃时，N2流量为5-6L/min，同时通入CO，流量为2-3L/min；测试结束后，停止通入CO，只通入N2，流量1-3L/min；当石英坩埚的中心温度到200℃以下时，停止通入N2；
(4)在石英坩埚的温度为850℃时，打开摄像机，实时记录试验过程的照片，试验结束后，对照片进行处理。
作为优选，步骤(1)所述待测样品为高炉炼铁所用的天然块矿、球团矿、烧结矿中的一种或多种。
作为优选，步骤(1)所述待测样品的粒度为10-12mm。
作为优选，步骤(4)所述摄像机为自带10格标尺的CMOS高速摄像机。
本发明的有益效果：
本发明通过滤波片、激光光源和摄像机集成的视频检测系统可以连续、高效观察和记录含铁炉料的软熔还原过程，成像更加清晰，能更为准确地检测含铁炉料的软熔特性，得到的含铁炉料高温软熔特性可以作为高炉炉料结构调整和布料制度优化的依据。
附图说明
图1：本发明含铁炉料软熔特性视频检测的装置的结构示意图；
图2：本发明含铁炉料软熔特性视频检测结果；
图中所示：1、激光光源；2、滤波片；3、进气口；4、升降机；5、高温热电偶；6、密封盖；7、废气排气口；8、石墨支撑台；9、石英玻璃管反应器；10、加热装置；11、支撑框架；12、石英坩埚；13、待测样品；14、摄像机；15、程序控制及数据处理系统。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
正如背景技术所述，基于此，本发明提供一种含铁炉料软熔特性视频检测的装置，包括石英玻璃管反应器9，石英玻璃管反应器9的内部设有石墨支撑台8，石墨支撑台8的上方设有石英坩埚12，石英坩埚12的底部设有若干小孔，用于通过高炉含铁炉料还原的气体。石墨支撑台8的下方与进气口3相连通，石英玻璃管反应器9的顶部设有密封盖6，密封盖6设有废气排出口，废气排出口用于排出还原高炉含铁炉料产生的废气。
石英玻璃管反应器9的外侧设有加热装置10，升降机4通过支撑框架11与加热装置10连接。升降机4与高温热电偶5相连，高温热电偶5穿过密封盖6延伸至石英坩埚12内，高温热电偶5与待测样品13相接触，用于检测高炉含铁炉料的温度；加热装置10外侧的底部设有滤波片2，滤波片2的外侧设有激光光源1，加热装置10相对的另一侧设有摄像机14，激光光源1、石英坩埚12与摄像机14在同一水平位置，用于拍摄记录高炉含铁炉料软熔还原过程。摄像机14与程序控制及数据处理系统15连接。程序控制及数据处理系统15包括温度控制模块和图像数据处理模块，所述程序控制及数据处理系统15分别与高温热电偶5、加热装置10和摄像机14相连接。程序控制及数据处理系统15分别与高温热电偶5、加热装置10和摄像机14电性连接，用于升温速率的控制和信息的处理及存储。
利用上述装置对含铁炉料软熔特性进行视频检测的方法，包括以下步骤：
(1)量取粒度为10-12mm的待测样品置于石英坩埚内并压平，待测样品为高炉炼铁所用的天然块矿、球团矿、烧结矿中的一种或多种。将密封盖打开，将石英坩埚置于石墨支撑台上，调整激光光源、石英坩埚、摄像机的位置，使三者保持在同一水平线上，将密封盖关上；
(2)利用加热装置给待测样品加热，通过程序控制及数据处理系统控制升温速率，从室温升到900℃时，升温速度为8-12℃/min；900-1100℃时，升温速度为2-4℃/min；1100-1300℃时，升温速度为4-6℃/min；
(3)通过调节气体的流量和浓度来调控反应过程中的气氛状态，当石英坩埚的中心温度达到200℃时，通入N2，流量1-3L/min；当石英坩埚的中心温度到500℃时，N2流量为5-6L/min，同时通入CO，流量为2-3L/min；测试结束后，停止通入CO，只通入N2，流量1-3L/min；当石英坩埚的中心温度为200℃以下时，停止通入N2；
(4)在石英坩埚的温度为850℃时，打开自带10格标尺的CMOS高速摄像机，实时记录试验过程的照片，试验结束后，对照片进行处理。
为了使得本领域技术人员能够更加清楚地了解本申请的技术方案，以下将结合具体的实施例详细说明本申请的技术方案。
本发明实施例中所用的试验材料均为本领域常规的试验材料，均可通过商业渠道购买得到。
实施例
一种含铁炉料软熔特性视频检测的装置，如图1所示，包括石英玻璃管反应器9，石英玻璃管反应器9的内部设有石墨支撑台8，石墨支撑台8的上方设有石英坩埚12，石英坩埚12的底部设有若干小孔，用于通过高炉含铁炉料还原的气体。石墨支撑台8的下方与进气口3相连通，石英玻璃管反应器9的顶部设有密封盖6，密封盖6设有废气排出口，废气排出口用于排出还原高炉含铁炉料产生的废气。
石英玻璃管反应器9的外侧设有加热装置10，升降机4通过支撑框架11与加热装置10连接。升降机4与高温热电偶5相连，高温热电偶5穿过密封盖6延伸至石英坩埚12内，高温热电偶5与待测样品13相接触，用于检测高炉含铁炉料的温度；加热装置10外侧的底部设有滤波片2，滤波片2的外侧设有激光光源1，加热装置10相对的另一侧设有摄像机14，激光光源1、石英坩埚12与摄像机14在同一水平位置，用于拍摄记录高炉含铁炉料软熔还原过程。摄像机14与程序控制及数据处理系统15连接。程序控制及数据处理系统15包括温度控制模块和图像数据处理模块，温度控制模块收取高温热电偶5传输的温度数据，根据石英坩埚内待测样品的温度来改变加热装置10的升温速率，如步骤(2)所示；图像数据处理模块用于对摄像机14传输的图像数据进行处理，识别出试验前含铁炉料料面的最大高度、试验过程中膨胀极限时料面的最大高度、试验结束后含铁炉料料面的最大高度，将这三个高度进行处理，代入公式(1)、(2)进行计算，得出软熔行为参数；所述程序控制及数据处理系统15分别与高温热电偶5、加热装置10和摄像机14相连接。程序控制及数据处理系统15分别与高温热电偶5、加热装置10和摄像机14电性连接，用于升温速率的控制和信息的处理及存储。
利用上述装置对含铁炉料软熔特性进行视频检测的方法，包括以下步骤：
(1)量取粒度为10-12mm的待测样品150g置于石英坩埚内并压平，待测样品为高炉炼铁所用的球团矿。将密封盖打开，将石英坩埚置于石墨支撑台上，调整激光光源、石英坩埚、摄像机的位置，使三者保持在同一水平线上，将密封盖关上；
(2)利用加热装置给石英坩埚内的待测样品加热，通过程序控制及数据处理系统控制升温速率，从室温升到900℃时，升温速度为10℃/min；加热炉温度为900-1100℃时，升温速度为3℃/min；加热炉温度为1100-1300℃时，升温速度为5℃/min；
(3)通过调节气体的流量和浓度来调控反应过程中的气氛状态，当石英坩埚的中心温度达到200℃时，通入N2，流量2L/min；当石英坩埚的中心温度到500℃时，N2流量为5.6L/min，同时通入CO，流量为2.4L/min；测试结束后，停止通入CO，只通入N2，流量2L/min；当石英坩埚的中心温度为200℃以下时，停止通入N2；
(4)在石英坩埚的温度为850℃时，打开CMOS高速摄像机，实时记录试验过程的照片，试验结束后，对照片进行处理，照片如图2所示。
用高炉含铁炉料的位移收缩率与温度增长率的来评价高炉含铁炉料的软熔行为，当试样开始收缩时的温度(图2(b)所对应的温度)为收缩开始温度(Tb)；当温度升至1300℃或坩埚表面出现铁滴时结束实验，此时的温度(图2(c)所对应的温度)定义为收缩结束温度(Te)；收缩温度区间ΔT1＝Te-Tb；Hb为试验前含铁炉料料面的最大高度(图2(a)所对应的炉料高度)，Hm为试验过程中膨胀极限时料面的最大高度，He为试验结束后含铁炉料料面的最大高度(图2(d)所对应含铁炉料的高度)，收缩率ΔH1的计算公式和软熔行为参数(RFP)计算公式如下：
现有技术中软熔行为参数的计算公式为RHF＝ΔT/T1×ΔH×100，ΔH＝H2/H1。其中：H1为软熔过程第一次达到最大收缩量时试样料柱收缩的收缩高度，H2为熔化后从第一次最大收缩到最大膨胀的膨胀高度；现有技术中利用产生最大膨胀时的位移变化率ΔH计算软熔参数，测试ΔH采用的是卧式高温炉，不能真实的模拟高炉内气流运动状态和还原气氛以及炉料分布状态和软熔还原过程，实验数据会存在偏差。而本发明采用熔融收缩/原始收缩表征含铁炉料的位移收缩率，能准确反映软熔还原进程，计算结果更加符合现场生产实际。
含铁炉料软融还原可视化试验结果见下表1。
表1高炉含铁炉料软融特性视频检测参数
| 方案 | Tb，℃ | Te，℃ | ΔT1，℃ | ΔH1，％ | RFP |
| 1 | 1172 | 1267 | 95 | 25.2 | 204.2 |
本发明的装置和检测方法能有效模拟、观察高炉内圆周和径向分布的高炉含铁炉料在850℃以上区域的软熔还原过程，更加直观、准确的检测含铁炉料的高温软熔特性，为高炉炉料结构调整和布料制度优化提供指导。
以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种含铁炉料软熔特性视频检测的装置，其特征在于，包括石英玻璃管反应器，石英玻璃管反应器的内部设有石墨支撑台，石墨支撑台的上方设有石英坩埚，石墨支撑台的下方与进气口相连通；石英玻璃管反应器的顶部设有密封盖；石英玻璃管反应器的外侧设有加热装置，加热装置的上方设有升降机，升降机与高温热电偶相连，高温热电偶穿过密封盖延伸至石英坩埚内；加热装置外侧的底部设有滤波片，滤波片的外侧设有激光光源，加热装置相对的另一侧设有摄像机，激光光源、石英坩埚与摄像机在同一水平位置，摄像机与程序控制及数据处理系统连接。
2.根据权利要求1所述的含铁炉料软熔特性视频检测的装置，其特征在于，所述程序控制及数据处理系统包括温度控制模块和图像数据处理模块，所述程序控制及数据处理系统分别与高温热电偶、加热装置和摄像机相连接。
3.根据权利要求1所述的含铁炉料软熔特性视频检测的装置，其特征在于，所述密封盖设有废气排出口。
4.根据权利要求1所述的含铁炉料软熔特性视频检测的装置，其特征在于，所述石英坩埚的底部设有若干小孔。
5.根据权利要求1所述的含铁炉料软熔特性视频检测的装置，其特征在于，所述升降机通过支撑框架与加热装置连接。
6.利用权利要求1-5任一项所述装置对含铁炉料软熔特性进行视频检测的方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将待测样品置于石英坩埚内并压平，将密封盖打开，将石英坩埚置于石墨支撑台上，调整激光光源、石英坩埚、摄像机的位置，使三者保持在同一水平线上，将密封盖关上；
(2)利用加热装置给待测样品加热，通过程序控制及数据处理系统控制升温速度，从室温升到900℃时，升温速度为8-12℃/min；900-1100℃时，升温速度为2-4℃/min；1100-1300℃时，升温速度为4-6℃/min；
(3)通过调节气体的流量和浓度来调控反应过程中的气氛状态，当石英坩埚的中心温度达到200℃时，通入N2，流量1-3L/min；当石英坩埚的中心温度到500℃时，N2流量为5-6L/min，同时通入CO，流量为2-3L/min；测试结束后，停止通入CO，只通入N2，流量1-3L/min；当石英坩埚的中心温度到200℃以下时，停止通入N2；
(4)在石英坩埚的温度为850℃时，打开摄像机，实时记录试验过程的照片，试验结束后，对照片进行处理。
7.根据权利要求6所述对含铁炉料软熔特性进行视频检测的方法，其特征在于，步骤(1)所述待测样品为高炉炼铁所用的天然块矿、球团矿、烧结矿中的一种或多种。
8.根据权利要求6所述对含铁炉料软熔特性进行视频检测的方法，其特征在于，步骤(1)所述待测样品的粒度为10-12mm。
9.根据权利要求6所述对含铁炉料软熔特性进行视频检测的方法，其特征在于，步骤(4)所述摄像机为自带10格标尺的CMOS高速摄像机。
Priority Applications (1)
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|---|---|---|---|
| CN202310023686.5A CN116482167A (zh) | 2023-01-09 | 2023-01-09 | 一种含铁炉料软熔特性视频检测的装置及检测方法 |
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|---|---|---|---|---|
| CN117030545A (zh) * | 2023-10-10 | 2023-11-10 | 北京科技大学 | 一种用于研究铁碳反应润湿过程的试验装置和试验方法 |
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2023
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| CN117030545A (zh) * | 2023-10-10 | 2023-11-10 | 北京科技大学 | 一种用于研究铁碳反应润湿过程的试验装置和试验方法 |
| CN117030545B (zh) * | 2023-10-10 | 2024-02-09 | 北京科技大学 | 一种用于研究铁碳反应润湿过程的试验装置和试验方法 |
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