一種模擬高爐爐缸爐底鐵水流動的實驗裝置及方法
2023-09-10 17:44:35
專利名稱：一種模擬高爐爐缸爐底鐵水流動的實驗裝置及方法
技術領域：
本發明涉及一種模擬高爐爐缸爐底鐵水流動的實驗裝置及方法，屬於冶金煉鐵研究技術領域。
背景技術：
爐缸爐底是高爐長壽高效的限制性部位之一，研究爐缸爐底的鐵水流動狀態是分析爐缸爐底侵蝕規律的關鍵，研究爐缸爐底的鐵水流動狀態對高爐長壽具有重要意義。實際工作中，高爐爐缸內鐵水的溫度高達1500°C，風口的理論燃燒溫度高達 20000C。爐缸內的壓力高達3 4個大氣壓，且整個生產過程為全封閉形式，外界幾乎不能直接觀測其內部的生產情況，在高爐爐缸爐底出現異常情況時難以分析其原因，給冶金工作者分析問題、解決問題造成困難。國內，在高爐爐缸爐底多參數條件下的實驗研究的報導較少，且沒有提出統一的實驗方案和實驗標準，主要是因為高爐爐缸爐底鐵水流動狀態涉及的因素較多，需要多套實驗裝置或多種實驗方法才能進行研究，工作量和實驗成本較大，不利於科研工作者全面展開研究工作。國外在高爐爐缸爐底鐵水流動狀態方面的物理模型研究方面眾說紛紜，針對各自關心的領域和問題自行設計物理模型，在設計物理模型的過程中提出了不同的假設並忽略了不同的影響因素，至今沒有形成統一的實驗方法和規範，對於不同的實驗得到的結果不能相互引用、相互印證，造成大量的重複研究和資源浪費。
發明內容
針對以上的技術問題，本發明公開一種模擬高爐爐缸爐底鐵水流動的實驗裝置， 同時公開了一種利用上述實驗裝置模擬高爐爐缸爐底鐵水流動的實驗方法。名詞解釋1、雷射都卜勒測速儀利用雷射的都卜勒效應來測量流速的一種儀器。它是通過測量散射體內散射質點產生的都卜勒頻移來求得流速的。2、無焦空間在高爐爐缸爐底沒有焦炭或孔隙度非常大的區域，其可能存在於爐缸側壁和爐底的臨近區域。本發明的具體技術方案如下一種模擬高爐爐缸爐底鐵水流動的實驗裝置，包括圓筒形透明容器、密封蓋、空氣散放孔、冷風圍管和放水口，所述的密封蓋蓋在圓筒形透明容器的上端，密封蓋的直徑與圓筒形透明容器的內徑相適應；所述的空氣散放孔設置在密封蓋上；在密封蓋的下表面有冷風圍管，所述的冷風圍管的環繞直徑與圓筒形透明容器的內徑相適應；在密封蓋的上表面設有冷風入口，冷風入口與冷風圍管相連通；所述的冷風圍管上均勻設置有多個出風口，出風口朝向圓筒形透明容器內；在圓筒形透明容器上有2個放水口 ；在圓筒形透明容器的底部設置有4個直角三角形隔板，三角形隔板的兩個直角邊分別與圓筒形透明容器側壁和底部相連，所述三角形隔板上有孔，孔的數量為5 6個，直徑為 8-10mm ；所述的圓筒形透明容器內設置有模擬死料柱，包括網兜、空心塑料球和玻璃球， 空心塑料球和玻璃球共同盛裝在塑料網兜中，所述的空心塑料球的直徑分別為6mm、10mm、 25mm和38mm。各種直徑的空心塑料球和玻璃球的作用為調節死料柱重量，通過改變裝入空心塑料球和玻璃球的數量，調節模擬死料柱的體積和重量。所述的圓筒形透明容器外殼的尺寸為高500-600mm，內徑為515_520mm，冷風圍管的環繞直徑為500-510mm，所述出風口的數量為8個，所述出風口與水平面的夾角為 20-70度。冷風圍管的環繞直徑略小於圓筒形容器外殼內徑，便於安裝調試。所述的2個放水口分別為上放水口和下放水口，所述的下放水口距離圓筒形容器底部距離為120mm-130mm，下放水口直徑為5mm-10mm，下放水口與水平的夾角為20-30 度；所述的上放水口距離圓筒形容器底部距離為M0mm-260mm，上放水口與水平的夾角為 20-30度，上放水口的直徑為5mm-10mm。相鄰兩個直角三角形隔板之間的夾角為90度；所述的三角形隔板為直角邊為 SO-IOOmm的等腰直角三角形，厚度為10_12mm ；所述的圓筒形透明容器的材質為有機玻璃， 所述的三角形隔板為有機玻璃板。本發明採用有機玻璃材質製作，使實驗更加直觀，提高實驗數據的可靠性。如需容器內達到實驗壓力時，先在空氣放散孔處安裝壓力表，鼓風機通過冷風入口、出風口向圓筒形透明容器內鼓入空氣，從而產生實驗所需的壓力，當壓力達到3Kpa時關閉鼓風機。本發明的實驗裝置模擬高爐爐缸的實際工作情況的原理如下所述的圓筒形透明容器模擬爐缸爐底，所述的密封蓋用來密封，在實驗時能夠模擬出高爐爐缸的密封高壓狀態；所述出風口模擬爐缸的風口，通過出風口為圓筒形容器內部增壓，模擬爐缸的高壓狀態；所述的三角形有機玻璃隔板模擬爐缸內的無焦空間，將無焦空間的幹擾因素考慮在實驗內，使得實驗論證更加準確；所述的放水口模擬爐缸的鐵口 ； 所述的模擬死料柱模擬爐缸內長期沉積的死料柱，通過改變裝入空心塑料球和玻璃球的數量，調節模擬死料柱的體積和重量。實驗準備工作1、在圓筒形透明容器的壁上垂直方向有刻度，精度為毫米。圓筒形透明容器的壁上設置有刻度的目的是為了模擬渣鐵排放過程中液面高度的變化，以研究液面高度的變化規律；2、將模擬死料柱放入圓筒形容器內，使其最大直徑處控制在400 450mm之間；3、向圓筒形透明容器內注水，當達液面高度達300mm時，停止注水；4、待液面穩定後，打開下放水口，測量圓筒形容器內液面高度和下放水口的流量的變化規律。利用所述的實驗裝置模擬高爐爐缸爐底鐵水流動狀態的方法，步驟如下1)將模擬死料柱放入圓筒形透明容器內，調節模擬死料柱的最大直徑；2)通過空氣放散孔向圓筒形透明容器中注水，當注水高度達300mm時，打開下放水口，調整注水流量，使液面高度恆定在300mm，調節模擬死料柱的漂浮高度；3)打開雷射都卜勒測速儀，調整測量位置，使雷射都卜勒測速儀的鏡頭位於上放
5水孔的水平高度，並使鏡頭平面與圓筒形透明容器的縱截面平行；4)雷射都卜勒測速儀開始測液體流速，測速區域是靠近圓筒形透明容器內壁 50mm左右的平均流速；5)將圓筒形透明容器的橫截面的直徑用分割點平分為8段，所述直徑與上放水口和上放水口的連線對齊，從距離放水口近到遠的方向順序對分割點編號，分割點分別為1、 2、3、4、5、6、7 ；將與所述直徑相垂直的半徑用分割點平分4段，從靠近圓心位置向遠離圓心方向順序編號，分割點分別為8、9、10 ；6)在分割點7處加入示蹤劑，在除分割點7之外的其它分割點處測量示蹤劑的平均停留時間；添加示蹤劑的方式如下打開空氣放散孔，向分割點7處直接倒入質量分數為 5%，溫度為100攝氏度的高錳酸鉀溶液100ml，關閉空氣放散孔，重新向圓筒形透明容器內加壓至3Kpa ；7)觀察並記錄圓筒形透明容器內的水流動情況。在步驟1)調節模擬死料柱的最大直徑為300 350mm。在步驟1)調節模擬死料柱的最大直徑為400 450mm。在步驟幻中調節模擬死料柱的漂浮高度，使其底部距離圓筒形透明容器底部至 230mm，打開上放水口，關閉下放水口 ；在步驟2、中調節模擬死料柱的漂浮高度，使其底部距離圓筒形透明容器底部至 IOOmm ；在步驟2~)中調節模擬死料柱的漂浮高度後，保持模擬死料柱的漂浮高度不變，在模擬死料柱中增加直徑較小的空心塑料球的比例。本發明的有益效果是1、本發明通過簡單易行的實驗方案直觀地分析高爐爐缸爐底鐵水的流動狀態；2、本發明可以在同一套實驗裝置下實現多項研究內容，能夠比較全面地幫助煉鐵科研人員分析高爐爐缸爐底的工作狀態，及各個客觀因素對爐缸爐底工作狀態的影響，既能節約科研成本，又能提高工作效率。3、本發明能夠直觀地反映出高爐在正常生產條件下無法觀測的爐缸爐底流動狀態，能夠測試爐缸爐底的速度分布及環流運動，能夠模擬實際高爐的高壓及鼓風狀態，能夠模擬高爐爐缸內死料柱的「沉坐」、「浮起」狀態，能夠快速地改變鐵口長度和風口長度，有利於了解高爐密閉體系的生產規律。4、本發明模擬實現了鐵口長度、風口的長度、死料柱形狀、風壓和風量的變化，便於綜合研究爐缸爐底的流動狀態，降低了材料消耗和勞動強度，節約了實驗成本。
圖1是本發明的實驗裝置的結構示意圖；圖2是三角形有機玻璃隔板的結構示意圖；圖3是三角有機玻璃隔板在圓筒形透明容器底部的布置圖；圖4是平均停留時間測量點及示蹤劑加入點示意圖；其中，1、空氣放散孔；2、密封蓋；3、放水口 ；4.、圓筒形透明容器；5、冷風圍管；6、 冷風入口 ；7、出風口 ；8、三角形有機玻璃隔板；20、圓孔。
具體實施例方式下面結合附圖與實施例對本發明作進一步說明，但不限於此。實施例1、一種模擬高爐爐缸爐底鐵水流動的實驗裝置，包括圓筒形透明容器、密封蓋、空氣散放孔、冷風圍管和放水口，所述的密封蓋蓋在圓筒形透明容器的上端，密封蓋的直徑與圓筒形透明容器的內徑相適應；所述的空氣散放孔設置在密封蓋上；在密封蓋的下表面有冷風圍管，所述的冷風圍管的環繞直徑與圓筒形透明容器的內徑相適應；在密封蓋的上表面設有冷風入口，冷風入口與冷風圍管相連通；所述的冷風圍管上均勻設置有多個出風口，出風口朝向圓筒形透明容器內；在圓筒形透明容器上有2個放水口 ；在圓筒形透明容器的底部設置有4個直角三角形隔板，三角形隔板的兩個直角邊分別與容器側壁和底部相連，所述三角形隔板上有孔，孔的數量為6個，直徑為8mm ；所述的圓筒形透明容器內設置有模擬死料柱，包括網兜、空心塑料球和玻璃球， 空心塑料球和玻璃球共同盛裝在塑料網兜中，所述的空心塑料球的直徑分別為6mm、10mm、 25mm和38mm 直徑為6mm的空心塑料球31500個，直徑為IOmm的空心塑料球2250個，直徑為25mm的空心塑料球2750個，直徑為38mm的空心塑料球500個。各種直徑的空心塑料球和玻璃球的作用為調節死料柱重量，通過改變裝入空心塑料球和玻璃球的數量，調節模擬死料柱的體積和重量。所述的圓筒形透明容器外殼的尺寸為高550mm，內徑為512mm，冷風圍管的環繞直徑為510mm，所述出風口的數量為8個，所述出風口與水平面的夾角為20度，冷風圍管的環繞直徑略小於圓筒形容器外殼內徑，便於安裝調試。所述的2個放水口分別為上放水口和下放水口，所述的下放水口距離圓筒形容器底部距離為120mm，下放水口直徑為8mm，下放水口與水平的夾角為20-30度；所述的上放水口距離圓筒形容器底部距離為MOmm，上放水口與水平的夾角為20-30度，上放水口的直徑為 8mm。相鄰兩個直角三角形隔板之間的夾角為90度；所述的三角形隔板為直角邊為 SO-IOOmm的等腰直角三角形，厚度為IOmm ；所述的圓筒形透明容器的材質為有機玻璃，所述的三角形隔板為有機玻璃板。本發明採用有機玻璃材質製作，使實驗更加直觀，提高實驗數據的可靠性。實施例2、利用實施例1所述的實驗裝置模擬高爐爐缸爐底鐵水流動狀態的方法，步驟如下1)將模擬死料柱放入圓筒形透明容器內，調節模擬死料柱的最大直徑為400 450mm ；2)通過空氣放散孔向圓筒形透明容器中注水，當注水高度達300mm時，打開下放水口，調整注水流量，使液面高度恆定在300mm，調節模擬死料柱的漂浮高度，使模擬死料柱的底部距離容器底部IOOmm ；3)打開雷射都卜勒測速儀，調整測量位置，使雷射都卜勒測速儀的鏡頭位於上放水孔的水平高度，並使鏡頭平面與圓筒形透明容器的縱截面平行；
4)雷射都卜勒測速儀開始測液體流速，測速區域是靠近圓筒形透明容器內壁 50mm左右的平均流速；在此處測速的目的在於在實驗結束後，根據雷射都卜勒測速儀所測得的速度數據，畫出流場圖；5)將圓筒形透明容器的橫截面的直徑用分割點平分為8段，所述直徑與上放水口和上放水口的連線對齊，從距離放水口近到遠的方向順序對分割點編號，分割點分別為1、 2、3、4、5、6、7 ；將與所述直徑相垂直的半徑用分割點平分4段，從靠近圓心位置向遠離圓心方向順序編號，分割點分別為8、9、10 ；6)在分割點7處加入示蹤劑，在除分割點7之外的其它分割點處測量示蹤劑的平均停留時間；添加示蹤劑的方式如下打開空氣放散孔，向分割點7處直接倒入質量分數為 5%，溫度為100攝氏度的高錳酸鉀溶液100ml，關閉空氣放散孔，重新向圓筒形透明容器內加壓至3Kpa ；7)觀察並記錄圓筒形透明容器內的水流動情況。實施例3、如實施例2所述的方法，其區別在於，所述步驟1)調節模擬死料柱的最大直徑為 300 350mmo實施例4、如實施例2所述的方法，其區別在於，在步驟2)中調節模擬死料柱的漂浮高度，使其底部距離圓筒形透明容器底部至230mm，打開上放水口，關閉下放水口。實施例5、如實施例2所述的方法，其區別在於，在步驟2)中調節模擬死料柱的漂浮高度，使其底部距離圓筒形透明容器底部至100mm。實施例6、 如實施例2所述的方法，其區別在於，在步驟2)中調節模擬死料柱的漂浮高度後， 保持模擬死料柱的漂浮高度不變，在模擬死料柱中增加直徑較小的空心塑料球的比例。
權利要求
1.一種模擬高爐爐缸爐底鐵水流動的實驗裝置，包括圓筒形透明容器、密封蓋、空氣散放孔、冷風圍管和放水口，所述的密封蓋蓋在圓筒形透明容器的上端，密封蓋的直徑與圓筒形透明容器的內徑相適應；所述的空氣散放孔設置在密封蓋上；在密封蓋的下表面有冷風圍管，所述的冷風圍管的環繞直徑與圓筒形透明容器的內徑相適應；在密封蓋的上表面設有冷風入口，冷風入口與冷風圍管相連通；所述的冷風圍管上均勻設置有多個出風口，出風口朝向圓筒形透明容器內；在圓筒形透明容器上有2個放水口 ；在圓筒形透明容器的底部設置有4個直角三角形隔板，三角形隔板的兩個直角邊分別與容器側壁和底部相連，所述三角形隔板上有孔，孔的數量為5 6個，直徑為8-lOmm ；所述的圓筒形透明容器內設置有模擬死料柱，包括網兜、空心塑料球和玻璃球，空心塑料球和玻璃球共同盛裝在塑料網兜中，所述的空心塑料球的直徑分別為6mm、10mm,25mm和 38mm。
2.如權利要求1所述的實驗裝置，其特徵在於，所述的圓筒形透明容器外殼的尺寸為 高500-600mm，內徑為515_520mm，冷風圍管的環繞直徑為500_510mm，所述出風口的數量為 8個，所述出風口與水平面的夾角為20-70度。
3.如權利要求1所述的實驗裝置，其特徵在於，所述的2個放水口分別為上放水口和下放水口，所述的下放水口距離圓筒形容器底部距離為120mm-130mm，下放水口直徑為 5mm-10mm，下放水口與水平的夾角為20-30度；所述的上放水口距離圓筒形容器底部距離為M0mm-260mm，上放水口與水平的夾角為20-30度，上放水口的直徑為5mm-10mm。
4.如權利要求1所述的實驗裝置，其特徵在於，相鄰兩個直角三角形隔板之間的夾角為90度；所述的三角形隔板為直角邊為SO-IOOmm的等腰直角三角形，厚度為10_12mm ；所述的圓筒形透明容器的材質為有機玻璃，所述的三角形隔板為有機玻璃板。
5.利用權利要求1所述的實驗裝置模擬高爐爐缸爐底鐵水流動狀態的方法，步驟如下1)將模擬死料柱放入圓筒形透明容器內，調節模擬死料柱的最大直徑；2)通過空氣放散孔向圓筒形透明容器中注水，當注水高度達300mm時，打開下放水口， 調整注水流量，使液面高度恆定在300mm，調節模擬死料柱的漂浮高度；3)打開雷射都卜勒測速儀，調整測量位置，使雷射都卜勒測速儀的鏡頭位於上放水孔的水平高度，並使鏡頭平面與圓筒形透明容器的縱截面平行；4)雷射都卜勒測速儀開始測液體流速，測速區域是靠近圓筒形透明容器內壁50mm左右的平均流速；5)將圓筒形透明容器的橫截面的直徑用分割點平分為8段，所述直徑與上放水口和上放水口的連線對齊，從距離放水口近到遠的方向順序對分割點編號，分割點分別為1、2、3、 4、5、6、7;將與所述直徑相垂直的半徑用分割點平分4段，從靠近圓心位置向遠離圓心方向順序編號，分割點分別為8、9、10 ；6)在分割點7處加入示蹤劑，在除分割點7之外的其它分割點處測量示蹤劑的平均停留時間；添加示蹤劑的方式如下打開空氣放散孔，向分割點7處直接倒入質量分數為5%， 溫度為100攝氏度的高錳酸鉀溶液100ml，關閉空氣放散孔，重新向圓筒形透明容器內加壓至 3Kpa ；7)觀察並記錄圓筒形透明容器內的水流動情況。
6.如權利要求5所述的方法，其特徵在於，在步驟1)調節模擬死料柱的最大直徑為 300 350mmo
7.如權利要求5所述的方法，其特徵在於，在步驟1)調節模擬死料柱的最大直徑為 400 450mm。
8.如權利要求5所述的方法，其特徵在於，在步驟2)中調節模擬死料柱的漂浮高度，使其底部距離圓筒形透明容器底部至230mm，打開上放水口，關閉下放水口。
9.如權利要求5所述的方法，其特徵在於，在步驟2)中調節模擬死料柱的漂浮高度，使其底部距離圓筒形透明容器底部至100mm。
10.如權利要求5所述的方法，其特徵在於，在步驟幻中調節模擬死料柱的漂浮高度後，保持模擬死料柱的漂浮高度不變，在模擬死料柱中增加直徑較小的空心塑料球的比例。
全文摘要
本發明涉及一種模擬高爐爐缸爐底鐵水流動的實驗裝置及方法，包括圓筒形透明容器、密封蓋、空氣散放孔、冷風圍管和放水口，所述的密封蓋蓋在圓筒形容器的上端，密封蓋的直徑與圓筒形透明容器的內徑相適應；所述的空氣散放孔設置在密封蓋上；在密封蓋的下表面有冷風圍管，所述的冷風圍管的環繞直徑與圓筒形透明容器的內徑相適應；在密封蓋的上表面設有冷風入口，冷風入口與冷風圍管相連通；所述的冷風圍管上均勻設置有多個出風口，出風口朝向圓筒形透明容器內；在圓筒形透明容器上有2個放水口。本發明能夠直觀地反映出高爐在正常生產條件下無法觀測的爐缸爐底流動狀態，便於綜合研究爐缸爐底的流動狀態，降低了材料消耗和勞動強度，節約實驗成本。
文檔編號C21B7/00GK102279091SQ20111013706
公開日2011年12月14日 申請日期2011年5月24日 優先權日2011年5月24日
發明者周小輝, 張英, 曾暉, 潘宏偉, 王延平, 程樹森, 羅霞光, 郭懷功 申請人:萊蕪鋼鐵集團有限公司