CN213121688U - 一种评价高炉炉缸热面黏滞层性状的试验系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型属于钢铁冶金领域，涉及一种评价高炉炉缸热面黏滞层性状的试验系统，所述试验系统包括：供气装置、管式炉、复合坩埚、加热装置、冷却装置、热电偶和数据采集处理装置；该系统通过将冷却装置插入耐火材料试样中进行试验，再将耐火材料试样置于渣铁中用以模拟耐火材料试样的实际服役状况，利用冷却水的冷却控制黏滞层的形成过程，试验后，测定黏滞层厚度、物相组成、气孔率、导热性能，热膨胀系数等多种性状，分别研究炉渣、铁水、温度、接触时间、耐火材料试样种类对黏滞层的影响，综合评价黏滞层的性状。该装置填补了目前关于黏滞层试验研究方法的空缺，能够较好的模拟高炉内部实际情况，可以对炉缸热面黏滞层的状态做出更准确的评价。

Description

一种评价高炉炉缸热面黏滞层性状的试验系统

技术领域

本实用新型属于钢铁冶金领域，涉及一种评价高炉炉缸热面黏滞层性状的试验系统。

技术背景

高炉作为冶炼行业最大的单体设备，其内部涉及复杂的气固液多相交互反应，为保证矿石中金属铁的有效分离，高炉为物料提供了高温高压的反应环境，因此对高炉用耐火材料试样的质量提出很高的要求。耐火材料试样在高炉内不可避免的受到熔融的高温熔体的冲刷、有害元素的入侵、热应力的侵蚀等极为苛刻的环境影响，导致耐火材料试样发生不可逆转的破坏，从而大大影响了高炉的稳定顺行。国内外利用数座高炉解剖结果对耐火材料试样损毁机制进行研究后发现，在炉缸砖衬热面形成较为稳定的“黏滞层”，能够隔绝耐火材料试样与高温熔体的直接接触，有效的保护运行过程中的耐火材料试样。因此黏滞层的形成是延长耐火材料试样使用寿命的关键性因素之一。

前人通过高炉解剖或破损调查，获得黏滞层的实际试样，通过对实际试样的解析开展黏滞层性状的研究。黏滞层的物相组成较为复杂，主要成分有石墨碳、金属铁、渣相及钛化物等，不同的黏滞层类别具有不同的形成特点和赋存条件。

但是此种方法存在主要问题在于：(1)无法控制单一变量开展研究，研究结果限制性较高，获得的实验结果较为单一，无法开展相关基础性、连续性研究，尤其缺乏对于黏滞层在时空性演变过程的研究方法；(2)对于黏滞层性状的表征不够全面，黏滞层矿相组成、气孔率，导热性能，热膨胀系数等性状的相关评价仍有空缺；(3)获取实际高炉中黏滞层的试样难度较大，需要耗费大量资源财力。相较之下，设计实验能够有效的控制实验规模和参数，针对性的开展研究，同时可以广泛的选择实验原料，获得大量的实验研究对象进行全面的解析。因此急需一种通过实验模拟高炉内部黏滞层的形成过程，从而对黏滞层的性状进行评价的试验方法。

发明内容

为了解决上述技术问题，本实用新型针对目前研究黏滞层性状方法的空缺上，提出了一种评价高炉炉缸热面黏滞层性状的试验系统。

本实用新型的技术方案是：一种评价高炉炉缸热面黏滞层性状的试验系统，其特征在于，所述试验系统包括：供气装置、管式炉、复合坩埚、加热装置、冷却装置、热电偶和数据采集处理装置；

其中，所述供气装置与所述管式炉的进气口连接，所述复合坩埚、加热装置和冷却装置均设置在所述管式炉的内部，且所述加热装置设置在所述复合坩埚的外侧壁的四周，所述冷却装置的下部置于所述复合坩埚的内部，上端伸出所述管式炉与冷却水系统连接，所述热电偶设置在所述复合坩埚内部的底部；

所述数据采集处理装置设置在所述管式炉的外侧，并与所述热电偶、加热装置和冷却装置控制连接。

进一步，所述供气装置包括气瓶、进气管和流量计；

其中，所述气瓶通过进气管与所述管式炉的进气口连接，且所述管路上设有用于调节气体流量的流量计。

进一步，所述复合坩埚包括第一坩埚和第二坩埚，

其中，所述第二坩埚设置在所述第一坩埚内部，所述第二坩埚内设有炉渣和熔融铁水放置区。

进一步，所述第一坩埚为石墨坩埚；所述第二坩埚为MgO坩埚。

进一步，所述加热装置包括若干U型加热单元，若干所述U型加热单元沿着所述管式炉的内壁的圆周方向均匀分布；

进一步，所述U型加热单元的材质为钼。

进一步，所述冷却装置为U型冷却管，U型冷却管的外径为9-10mm，内径为5-8mm。

进一步，所述U型冷却管的材质为铜。

进一步，所述数据采集处理装置为SRS13A精密温度控制仪。

进一步，所述管式炉为BLMT-1700℃管式炉，且管式炉的炉膛材质为刚玉，所述管式炉的顶部设有排气口。

本实用新型的有益效果是：由于采用上述技术方案，本实用新型具有结构简单，试样方便，采集数据精度高，对高炉操作管理制度及耐火材料试样的选取提供有效的指导性意见。此种方法填补了目前关于黏滞层试验研究方法的空缺，能够较好的模拟高炉内部实际情况，可以对炉缸热面黏滞层的状态做出更准确的评价。

附图说明

图1为本实用新型的一种评价高炉炉缸热面黏滞层性状的试验系统的结构示意图。

图2为本实用新型的一种评价高炉炉缸热面黏滞层性状的试验系统的复合坩埚的结构示意图。

图中：

1.气瓶；2.流量计；3.进气管；4.进出水管；5.排气口；6.管式炉；7.加热装置；8.冷却装置；9.复合坩埚；91.耐火材料试样；92.炉渣；93.第二坩埚；94.导热层(高导热石墨粉)；95.第一坩埚；96.熔融铁水；10.热电偶；11.导线；12.FP93表；13.电压表；14电流表；15.指示灯。

具体实施方案

以下结合附图对本实用新型的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本实用新型，并非用于限定本实用新型的范围。

如图1-图2所示，本实用新型一种评价高炉炉缸热面黏滞层性状的试验系统，所述试验系统包括：供气装置、管式炉6、复合坩埚9、加热装置7、冷却装置8、热电偶10和数据采集处理装置；

其中，所述供气装置与所述管式炉6的进气口连接，所述复合坩埚9、加热装置7和冷却装置8均设置在所述管式炉6的内部，且所述加热装置7设置在所述复合坩埚9的外侧壁的四周，所述冷却装置8的下部置于所述复合坩埚9的内部，上端伸出所述管式炉6与冷却水系统连接，所述热电偶10设置在所述复合坩埚9内部的底部；

所述数据采集处理装置设置在所述管式炉6的外侧，并与所述热电偶10、加热装置7和冷却装置8控制连接。

所述供气装置包括气瓶1、进气管3和流量计2；

其中，所述气瓶1通过进气管3与所述管式炉6的进气口连接，且所述进气管3上设有用于调节气体流量的流量计2。

所述复合坩埚9包括第一坩埚95和第二坩埚93，

其中，所述第二坩埚93设置在所述第一坩埚95内部，所述第二坩埚93内设有用于放置炉渣92和熔融铁水96的放置区。

所述第一坩埚95为石墨坩埚；所述第二坩埚93为MgO坩埚。

所述加热装置7包括若干U型加热单元，若干所述U型加热单元沿着所述管式炉的内壁的圆周方向均匀分布；

所述U型加热单元的材质为钼棒。

所述冷却装置8为U型冷却管，U型冷却管的外径为9-10mm，内径为5-8mm。

所述U型冷却管的材质为铜。

所述数据采集处理装置为SRS13A精密温度控制仪。

所述管式炉6为BLMT-1700℃管式炉，且管式炉的炉膛材质为刚玉，所述管式炉的顶部设有排气口5。

本实用新型的工作原理是：试样制备：耐火材料试样91制备成柱状，选取铜管作为冷却装置8，将冷却装置8插入柱状的耐火材料试样91内部，使冷却装置8的中轴与柱状的耐火材料试样91中轴重合，同时冷却装置8底部部距离柱状的耐火材料试样91底部至少15mm，并用高导热石墨粉94填充柱状的耐火材料试样91与冷却装置8的空隙并压实，用粘结剂粘合固定，干燥，得到试样，对试样的直径进行测定，备用；对试样进行SEM-EDS、导热系数检测、气孔率分析；参照高炉铁水和炉渣的实际成分，依据试验要求，按照0.25～0.50的渣铁比合成渣样和铁样，干燥备用；制备的铁样铺平在复合坩埚中，渣样铺于铁样上方，然后将复合坩埚置于所述管式炉内；设定加热装置的温度程序，向管式炉内以流量为2.5L/min通入惰性气体，进行排空，启动加热装置对管式炉6进行加热，同时冷却装置8内通入冷却水。加热装置7的将管式炉6加热至1500℃，且SRS13A精密温度控制仪仪表示数稳定时，对复合坩埚9内渣样和铁样进行分别取样，进行水淬，进行成分分析；根据实验要求设定提起-浸没时间间隔及次数，将制备得到耐火材料试样插入到复合坩埚9中浸没入渣铁中，控制时间间隔缓慢将耐火材料试样91提起至完全脱离熔融渣铁，提起后静置一段时间又重新将耐火材料试样91，浸入时间不小于10s,实验过程控制每次提起高度与浸没深度相同；反应结束后，将所述试样取出，进行冷却，对复合坩埚9内剩余渣铁试样取样，进行水淬，进行成分分析，停止通气，对管式炉6进行降温；对处理的后的试样直径进行初步测量，并与实验前耐火材料试样直径进行对比，然后将试样沿高度方向纵切，一半用砂纸打磨抛光，制成电镜样，进行SEM-EDS分析，分析黏滞层气孔分布，测量不同位置处黏滞层的厚度，利用EDS分析黏滞层的组成，利用线扫描观察不同元素线性的分布，利用面扫描观察不同元素整体分布，得到评价所需数据。温度控制设置为：第一步，从0升温至300℃，升温速率设定为5℃/min，PID值为为1；第二步，从300℃升温至1000℃，升温速率设定为6℃/min，PID值为1；第三步，从1000℃升温至1500℃，升温速率设定为8℃/min，PID值为4；第四步，在1500℃保温，设定保温时间为8h，PID值为3；第五步，从1500℃降温到300℃，降温速率设定为5℃/min，PID值为1；第八步，从300℃降温到0℃，降温速率设定为5℃/min，PID值为1，然后将剩下的步骤温度设为0℃，时间为0min(管式炉的温度设置一共是四十个步骤)。

如图1所示，一种评价高炉炉缸热面黏滞层性状的试验系统，试验系统包括气瓶1；流量计2；进气管3；进出水管4；出气管5；刚玉炉膛6；U型加热硅钼棒7；U型铜制冷却管8；复合坩埚9；热电偶10；导线11；FP93表12；电压表13；电流表14。所述的气瓶1存储高纯氩气，通过进气管3与管式炉相连，中间通过流量计2控制气体流量，所述的管式炉顶部配置出气管5，将实验过程中废气排出炉外，同时预留孔洞，方便铜冷却管8，所述的铜冷却管8上部连接进出水管4，所述刚玉炉膛6置于高温炉中部，周围被四根U型加热硅钼棒7环绕，炉膛恒温区中心部位放置复合坩埚9，坩埚底部用热电偶10测量温度，所示管式炉通过导线11与SRS13A精密温度控制仪和热电偶10相连，热电偶10测量温度显示在SRS13A精密温度控制仪的FP93表12上，FP93表12右侧为电压表13和电流表14，用以显示实验过程中的电流电压。实验所用精密SRS13A精密温度控制仪包括导线11、FP93表12、电压表13、电流表14、指示灯、控制键。

2.实验具体操作步骤。

(1)从一块完整的耐火材料试样中，随机切取试样，将耐火材料试样91制备成外径为40mm，内径为30mm，高度为50mm的坩埚状，将外径为10mm，内径为5～8mm的铜冷却管8插入坩埚状耐火材料试样91，保证铜冷却管8中轴与柱状耐火材料试样91中轴重合，铜冷却管8底部距离柱状耐火材料试样91底部15mm，并用高导热石墨粉填充耐火材料试样91与铜冷却管8的空隙并压实，用粘结剂粘合固定，保证利用铜冷却管8能顺利多次将耐火材料试样91提起。将柱状耐火材料试样91表面打磨抛光，要求柱体表面平整，无明显的破损和孔洞。然后将柱体耐火材料试样91连同铜制冷却管8一同放入干燥箱，在65℃保温12h。干燥完成后取出柱体试样，用游标卡尺对试样的直径进行测定。对反应前的试样进行SEM-EDS、导热系数检测、气孔率分析。参照高炉铁水和炉渣的实际成分，依据试验要求，按照0.25～0.50的渣铁比合成渣样和铁样。分别混合45min后，置于烘箱中，在110℃干燥4h。实验开始前，先进行一组空白实验，用于排除实验其他干扰因素相。打开气瓶1开关，将流量计2调至2.5L/min，在高温管式炉6升温前利用高纯氩气排除炉内其他气氛。将石墨坩埚套至MgO外部，保证两层坩埚之间无明显的滑动。将铁样铺平在MgO坩埚中，渣样铺于铁样上方。利用长钳将复合坩埚送至刚玉炉膛中央部位，并与侧壁明显分离。开启SRS13A精密温度控制仪，控制温度程序。第一步，从0升温至300℃，升温速率设定为5℃/min，PID值为为1；第二步，从300℃升温至1000℃，升温速率设定为6℃/min，PID值为1；第三步，从1000℃升温至1500℃，升温速率设定为8℃/min，PID值为4；第四步，在1500℃保温，设定保温时间为8h，PID值为3；第五步，从1500℃降温到300℃，降温速率设定为5℃/min，PID值为1；第八步，从300℃降温到0℃，降温速率设定为5℃/min，PID值为1，然后将剩下步骤温度均设为0℃，时间均为0min。程序设置完成后，对设定的程序进行检查。启动加热键，将流量计设定为2.0L/min，5min后，长按SRS13A精密温度控制仪的RUN键3～5s开启高温管式炉。当SRS13A精密温度控制仪的FP93表显示温度达到1500℃，且SRS13A精密温度控制仪表示数稳定时，用石英管抽取足量铁样，用钼丝蘸取足量渣样分别水淬，留作后续成分检测。然后将烧结好的耐火材料试样伸入MgO坩埚中，调整位置使耐火材料试样位于坩埚中心部位，距离坩埚底部5mm左右。控制时间间隔缓慢将耐火材料试样提起至完全脱离熔融渣铁，提起后静置一段时间又重新将耐火材料试样浸没入渣铁中，实验过程控制每次提起高度与浸没深度相同，根据研究要求改变提起-浸没时间间隔及次数。反应结束后，将烧结在铜制冷却管的耐火材料试样取出，利用氩气进行冷却，再对对坩埚内剩余渣铁试样取样，以留作后续检测。停止通气，设置程序直接跳至降温步骤，然后让管式炉依据程序设定进行降温。利用游标卡尺对柱状耐火材料试样直径进行初步测量，并与实验前耐火材料试样直径进行对比。将耐火材料试样沿高度方向纵切，一半用砂纸打磨抛光，直接制成电镜样，进行SEM-EDS分析，分析黏滞层气孔分布，测量不同位置处黏滞层的厚度，利用EDS分析黏滞层的组成，利用线扫描观察不同元素线性的分布，利用面扫描观察不同元素整体分布。将结果与在步骤10和步骤12获得渣铁试样成分进行综合分析，明确黏滞层的形成机理及影响黏滞层形成的关键因素在另一半试样直接提取黏滞层物质测量其导热系数，热膨胀系数，分析不同影响因素对黏滞层性能的影响机制，判断不同黏滞层类别在高炉内的作用机制。

以上对本申请实施例所提供的一种评价高炉炉缸热面黏滞层性状的试验系统，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，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)

1.一种评价高炉炉缸热面黏滞层性状的试验系统，其特征在于，所述试验系统包括：供气装置、管式炉、复合坩埚、加热装置、冷却装置、热电偶和数据采集处理装置；

其中，所述供气装置与所述管式炉的进气口连接，所述复合坩埚、加热装置和冷却装置均设置在所述管式炉的内部，且所述加热装置设置在所述复合坩埚的外侧壁的四周，所述冷却装置的下部置于所述复合坩埚的内部，上端伸出所述管式炉与冷却水系统连接，所述热电偶设置在所述复合坩埚内部的底部；

所述数据采集处理装置设置在所述管式炉的外侧，并与所述热电偶、加热装置和冷却装置控制连接。

2.根据权利要求1所述的试验系统，其特征在于，所述供气装置包括气瓶、进气管和流量计；

其中，所述气瓶通过进气管与所述管式炉的进气口连接，且所述进气管上设有用于调节气体流量的流量计，所述气瓶内存储惰性气体。

3.根据权利要求1所述的试验系统，其特征在于，所述复合坩埚包括第一坩埚和第二坩埚，

其中，所述第二坩埚设置在所述第一坩埚内部，所述第二坩埚内设有炉渣和熔融铁水放置区。

4.根据权利要求3所述的试验系统，其特征在于，所述第一坩埚为石墨坩埚；所述第二坩埚为MgO坩埚。

5.根据权利要求1所述的试验系统，其特征在于，所述加热装置包括若干U型加热单元，若干所述U型加热单元沿着所述管式炉的内壁的圆周方向均匀分布。

6.根据权利要求5所述的试验系统，其特征在于，所述U型加热单元的材质为钼。

7.根据权利要求1所述的试验系统，其特征在于，所述冷却装置为U型冷却管，U型冷却管的外径为9-10mm，内径为5-8mm。

8.根据权利要求7所述的试验系统，其特征在于，所述U型冷却管的材质为铜。

9.根据权利要求1所述的试验系统，其特征在于，所述数据采集处理装置为SRS13A精密温度控制仪。

10.根据权利要求1所述的试验系统，其特征在于，所述管式炉为BLMT-1700℃管式炉，且管式炉的炉膛材质为刚玉，所述管式炉的顶部设有排气口。

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