本发明属于钢铁冶炼系统水模型实验技术领域。具体涉及一种钢铁冶炼系统水模型实验用保护渣的制备方法。
背景技术：
保护渣是钢铁冶炼工艺过程中必备的材料，如铁水包、转炉、钢包、中间包和结晶器等高温容器，在铁水或钢液上面均覆盖有保护渣。保护渣通常可分为三层：最下层与钢液接触，温度高于保护渣的熔点，形成液态渣浮于钢液上表面；由下向上随着温度的降低，渣粘度增加，降温至保护渣的烧结温度时，形成烧结层硬壳浮于液态渣上表面；随着温度继续降低，低于保护渣的烧结温度，烧结层上方形成粉渣层。保护渣以三种不同形态浮于钢液表面，起着保温、防止空气中的氧气对钢液的氧化、吸附钢液中的夹杂物等作用，保护渣覆盖也是实现全程无氧化操作的必要手段之一。
为了解钢铁冶炼过程中高温钢液的流动特性，常采用水模型实验法进行研究。水模型实验是根据相似理论用水代替钢液或铁水在满足相似准则的条件下进行的物理实验。
为了在水模型实验中模拟铁水包扒渣过程、炉外精炼炉及连铸过程中卷渣现象及渣的运动情况，在水模型实验中需要配置保护渣。目前水模型实验用保护渣主要有两种，一是采用航空机油和植物油混合油（周俐，120t钢包汇流卷渣的物理模拟，炼钢，2012，28（2）:56~58）模拟卷渣或扒渣情况，但这种混合油为液态，实验时容易出现裸露和卷渣现象，缺少类似于实际保护渣的烧结层和粉渣层，模拟结果难以反应实际钢铁冶炼过程渣的运动；二是采用发泡塑料粒子模拟卷渣及渣的运动过程（齐新霞，板坯结晶器内卷渣现象研究，特殊钢，2004，25（3）:29~31），但这种发泡塑料粒子常温下为颗粒状，实验时容易出现液面裸露，不容易卷渣，且因无液态渣层而无法模拟结晶器内渣液的下流润滑作用，与实际物理过程亦存在较大差距。
技术实现要素：
本发明旨在克服现有技术缺陷，目的是提供一种成本低、工艺简单的钢铁冶炼系统水模型实验用保护渣的制备方法。用该方法制备的钢铁冶炼系统水模型实验用保护渣与实际钢铁冶炼过程中保护渣结构特点更加吻合，使水模型实验能更真实形象的模拟钢铁冶炼系统中保护渣的运动及卷渣情况。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案的具体步骤是：
第一步、所述水模型实验用保护渣从上向下依次由泡沫粒子层、高粘度混合油层和低粘度混合油层构成，所述水模型实验用保护渣的厚度为20~200mm，泡沫粒子层、高粘度混合油层和低粘度混合油层体积比为1∶（0.8~1.2）∶（1.7~2.3）；所述泡沫粒子层、高粘度混合油层和低粘度混合油层依次模拟钢铁冶炼系统保护渣的粉渣层、烧结层和液渣层。
所述泡沫粒子层采用的泡沫粒子：粒度为0.5~2mm，密度为0.3~0.6g/cm3，粘度为0.07~0.12Pa·s。
所述高粘度混合油层采用的高粘度混合油：密度为0.8~0.85g/cm3，粘度为0.05~0.09Pa·s；所述高粘度混合油为植物油和融化的废弃动物油的混合油，植物油和融化的废弃动物油的体积比为1∶0.3~1。
所述低粘度混合油层采用的低粘度混合油：密度为0.85~0.9g/cm3，粘度为0.03~0.08Pa·s；所述低粘度混合油为植物油与煤油的混合油，植物油与煤油的体积比为1∶1~5。
第二步、向钢铁冶炼系统水模型中加入30~50℃的水至水面高于出水口100~200mm。
第三步、按步骤一所述体积比，向钢铁冶炼系统水模型中加入所述泡沫粒子，泡沫粒子在水面铺展均匀后形成泡沫粒子层；再通过水口加入所述高粘度混合油，所述高粘度混合油在泡沫粒子层下均匀铺展后形成高粘度混合油层；当水温降至25℃以下时，通过水口加入低粘度混合油，低粘度混合油在高粘度混合油层下均匀铺展，形成低粘度混合油层。
待所述钢铁冶炼系统水模型实验用保护渣形成后，通过水口加水至钢铁冶炼系统水模型实验所需的高度即可进行实验。
所述泡沫粒子为聚苯乙烯球、橡塑、泡沫塑料、氧化铝空心球中的一种以上。
所述植物油为色拉油、豆油、松节油、棕榈油中的一种以上。
所述煤油为普通煤油、航空煤油、炼渣油中的一种以上。
由于采用上述技术方案，本发明与现有技术相比具有如下积极效果：
本发明的钢铁冶炼系统水模型实验保护渣由上到下依次为泡沫粒子层、高粘度混合油层和低粘度混合油层，以模拟实际钢铁冶炼系统保护渣中对应的粉渣层、烧结层和液渣层。本发明采用废弃动物油、植物油、煤油制备高粘度混合油层和低粘度混合油层。废弃动物油熔点通常在35~55℃，常温下为固态，而植物油、煤油的熔点较低，常温下为液态。利用动物油粘度随温度的变化及各种油类的相容性，按照一定的比例将不同种类的油加热熔融混匀，分别制得常温下不同粘度、不同密度的混合油，以模拟钢铁冶炼系统保护渣中的烧结层与液渣层，利用泡沫粒子模拟粉渣层。
本发明制备的钢铁冶炼水模型实验用保护渣，由密度和粘度均不同的三层结构组成，与实际钢铁冶炼过程中保护渣的三层结构特点更加符合，能更好地模拟出保护渣的卷渣情况以及结晶器中渣液的流动情况。所述保护渣采用废弃动物油、植物油、煤油，来源广，易获取，成本低，可回收，且制备工艺简单。
因此，本发明具有成本低、工艺简单的特点，所制备的钢铁冶炼系统水模型实验用保护渣与实际钢铁冶炼过程中保护渣结构特点更加符合，使水模型实验能更真实形象的模拟钢铁冶炼系统中保护渣的运动及卷渣情况。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明作进一步的描述，并非对其保护范围的限制。
本具体实施方式中：所述泡沫粒子为聚苯乙烯球、橡塑、泡沫塑料、氧化铝空心球中的一种以上；所述植物油为色拉油、豆油、松节油、棕榈油中的一种以上；所述煤油为普通煤油、航空煤油、炼渣油中的一种以上。实施例中不再赘述。
实施例1
一种连铸系统结晶器水模型实验用保护渣的制备方法。本实施例所述制备方法是：
第一步、所述水模型实验用保护渣从上向下依次由泡沫粒子层、高粘度混合油层和低粘度混合油层构成，所述水模型实验用保护渣的厚度为20~60mm，泡沫粒子层、高粘度混合油层和低粘度混合油层体积比为1∶（0.8~0.9）∶（1.7~2.0）；所述泡沫粒子层、高粘度混合油层和低粘度混合油层依次模拟连铸系统结晶器保护渣的粉渣层、烧结层和液渣层。
所述泡沫粒子层采用的泡沫粒子：粒度为0.5~1.1mm，密度为0.3~0.6g/cm3，粘度为0.07~0.12Pa·s。
所述高粘度混合油层采用的高粘度混合油：密度为0.8~0.85g/cm3，粘度为0.05~0.06Pa·s；所述高粘度混合油为植物油和融化的废弃动物油的混合油，植物油和融化的废弃动物油的体积比为1∶0.3~0.7。
所述低粘度混合油层采用的低粘度混合油：密度为0.85~0.9g/cm3，粘度为0.03~0.05Pa·s；所述低粘度混合油为植物油与煤油的混合油，植物油与煤油的体积比为1∶1~2。
第二步、向连铸系统结晶器水模型中加入30~50℃的水至水面高于出水口100~200mm。
第三步、按步骤一所述体积比，向连铸系统结晶器水模型中加入所述泡沫粒子，泡沫粒子在水面铺展均匀后形成泡沫粒子层；再通过水口加入所述高粘度混合油，所述高粘度混合油在泡沫粒子层下均匀铺展后形成高粘度混合油层；当水温降至25℃以下时，通过水口加入低粘度混合油，低粘度混合油在高粘度混合油层下均匀铺展，形成低粘度混合油层。
待所述连铸系统结晶器水模型实验用保护渣形成后，通过水口加水至连铸系统结晶器水模型实验所需的高度即可进行实验。
实施例2
一种连铸系统中间包水模型实验用保护渣的制备方法。本实施例所述制备方法是：
第一步、所述水模型实验用保护渣从上向下依次由泡沫粒子层、高粘度混合油层和低粘度混合油层构成，所述水模型实验用保护渣的厚度为30~120mm，泡沫粒子层、高粘度混合油层和低粘度混合油层体积比为1∶（0.9~1.0）∶（1.8~2.1）；所述泡沫粒子层、高粘度混合油层和低粘度混合油层依次模拟连铸系统中间包保护渣的粉渣层、烧结层和液渣层。
所述泡沫粒子层采用的泡沫粒子：粒度为0.8~1.4mm，密度为0.3~0.6g/cm3，粘度为0.07~0.12Pa·s。
所述高粘度混合油层采用的高粘度混合油：密度为0.8~0.85g/cm3，粘度为0.06~0.07Pa·s；所述高粘度混合油为植物油和融化的废弃动物油的混合油，植物油和融化的废弃动物油的体积比为1∶0.4~0.8。
所述低粘度混合油层采用的低粘度混合油：密度为0.85~0.9g/cm3，粘度为0.04~0.06Pa·s；所述低粘度混合油为植物油与煤油的混合油，植物油与煤油的体积比为1∶2~3。
第二步、向连铸系统中间包水模型中加入30~50℃的水至水面高于出水口100~200mm。
第三步、按步骤一所述体积比，向连铸系统中间包水模型中加入所述泡沫粒子，泡沫粒子在水面铺展均匀后形成泡沫粒子层；再通过水口加入所述高粘度混合油，所述高粘度混合油在泡沫粒子层下均匀铺展后形成高粘度混合油层；当水温降至25℃以下时，通过水口加入低粘度混合油，低粘度混合油在高粘度混合油层下均匀铺展，形成低粘度混合油层。
待所述连铸系统中间包水模型实验用保护渣形成后，通过水口加水至连铸系统中间包水模型实验所需的高度即可进行实验。
实施例3
一种钢包水模型实验用保护渣的制备方法。本实施例所述制备方法是：
第一步、所述水模型实验用保护渣从上向下依次由泡沫粒子层、高粘度混合油层和低粘度混合油层构成，所述水模型实验用保护渣的厚度为50~130mm，泡沫粒子层、高粘度混合油层和低粘度混合油层体积比为1∶（1.0~1.1）∶（1.9~2.2）；所述泡沫粒子层、高粘度混合油层和低粘度混合油层依次模拟钢包保护渣的粉渣层、烧结层和液渣层。
所述泡沫粒子层采用的泡沫粒子：粒度为1.1~1.7mm，密度为0.3~0.6g/cm3，粘度为0.07~0.12Pa·s。
所述高粘度混合油层采用的高粘度混合油：密度为0.8~0.85g/cm3，粘度为0.07~0.08Pa·s；所述高粘度混合油为植物油和融化的废弃动物油的混合油，植物油和融化的废弃动物油的体积比为1∶0.5~0.9。
所述低粘度混合油层采用的低粘度混合油：密度为0.85~0.9g/cm3，粘度为0.05~0.07Pa·s；所述低粘度混合油为植物油与煤油的混合油，植物油与煤油的体积比为1∶3~4。
第二步、向钢包水模型中加入30~50℃的水至水面高于出水口100~200mm。
第三步、按步骤一所述体积比，向钢包水模型中加入所述泡沫粒子，泡沫粒子在水面铺展均匀后形成泡沫粒子层；再通过水口加入所述高粘度混合油，所述高粘度混合油在泡沫粒子层下均匀铺展后形成高粘度混合油层；当水温降至25℃以下时，通过水口加入低粘度混合油，低粘度混合油在高粘度混合油层下均匀铺展，形成低粘度混合油层。
待所述钢包水模型实验用保护渣形成后，通过水口加水至钢包水模型实验所需的高度即可进行实验。
实施例4
一种铁水包水模型实验用保护渣的制备方法。本实施例所述制备方法是：
第一步、所述水模型实验用保护渣从上向下依次由泡沫粒子层、高粘度混合油层和低粘度混合油层构成，所述水模型实验用保护渣的厚度为80~200mm，泡沫粒子层、高粘度混合油层和低粘度混合油层体积比为1∶（1.1~1.2）∶（2.0~2.3）；所述泡沫粒子层、高粘度混合油层和低粘度混合油层依次模拟转炉保护渣的粉渣层、烧结层和液渣层。
所述泡沫粒子层采用的泡沫粒子：粒度为1.4~2mm，密度为0.3~0.6g/cm3，粘度为0.07~0.12Pa·s。
所述高粘度混合油层采用的高粘度混合油：密度为0.8~0.85g/cm3，粘度为0.08~0.09Pa·s；所述高粘度混合油为植物油和融化的废弃动物油的混合油，植物油和融化的废弃动物油的体积比为1∶0.6~1。
所述低粘度混合油层采用的低粘度混合油：密度为0.85~0.9g/cm3，粘度为0.06~0.08Pa·s；所述低粘度混合油为植物油与煤油的混合油，植物油与煤油的体积比为1∶4~5。
第二步、向铁水包水模型中加入30~50℃的水至水面高于出水口100~200mm。
第三步、按步骤一所述体积比，向铁水包水模型中加入所述泡沫粒子，泡沫粒子在水面铺展均匀后形成泡沫粒子层；再通过水口加入所述高粘度混合油，所述高粘度混合油在泡沫粒子层下均匀铺展后形成高粘度混合油层；当水温降至25℃以下时，通过水口加入低粘度混合油，低粘度混合油在高粘度混合油层下均匀铺展，形成低粘度混合油层。
待所述铁水包水模型实验用保护渣形成后，通过水口加水至铁水包水模型实验所需的高度即可进行实验。
本具体实施方式与现有技术相比具有如下积极效果：
本具体实施方式的钢铁冶炼系统水模型实验保护渣由上到下依次为泡沫粒子层、高粘度混合油层和低粘度混合油层，以模拟实际钢铁冶炼系统保护渣中对应的粉渣层、烧结层和液渣层。本具体实施方式采用废弃动物油、植物油、煤油制备高粘度混合油层和低粘度混合油层。废弃动物油熔点通常在35~55℃，常温下为固态，而植物油、煤油的熔点较低，常温下为液态。利用动物油粘度随温度的变化及各种油类的相容性，按照一定的比例将不同种类的油加热熔融混匀，分别制得常温下不同粘度、不同密度的混合油，以模拟钢铁冶炼系统保护渣中的烧结层与液渣层，利用泡沫粒子模拟粉渣层。
本具体实施方式制备的钢铁冶炼水模型实验用保护渣，由密度和粘度均不同的三层结构组成，与实际钢铁冶炼过程中保护渣的三层结构特点更加符合，能更好地模拟出保护渣的卷渣情况以及结晶器中渣液的流动情况。所述保护渣采用废弃动物油、植物油、煤油，来源广，易获取，成本低，可回收，且制备工艺简单。
因此，本具体实施方式具有成本低、工艺简单的特点，所制备的钢铁冶炼系统水模型实验用保护渣与实际钢铁冶炼过程中保护渣结构特点更加符合，使水模型实验能更真实形象的模拟钢铁冶炼系统中保护渣的运动及卷渣情况。