本发明总的涉及还原竖炉领域，具体涉及一种竖炉炉料透气性测试装置及测试方法。
背景技术：
经过近几十年的发展，直接还原炼铁工艺已经成为一种重要的炼铁新方法。直接还原法分为气基法和煤基法，其中采用气基竖炉工艺生产的海绵铁占全球总产量的76％左右，成为直接还原铁生产的主要工艺。直接还原铁可作电炉炼钢炉料和转炉炼钢用冷却剂，也可用于高炉，降低焦比。直接还原铁作转炉炼钢冷却剂时，与废钢相比，其冷却效果是废钢的1.5-2.0倍，而且没有铜、铝、铅、锌、锡等有色金属杂质。
竖炉内的铁矿石还原过程是在炉料与煤气逆流运动的过程中发生的多种化学反应和物理变化。随着冶炼技术的进步，开发了竖炉冶炼钒钛矿、红土镍矿、高磷矿等复杂矿工艺。气基竖炉还原过程中的炉料粉化与粘结是该工艺中的一个重要问题，炉料粉化及粘结成块不仅会影响到正常排料，还会影响竖炉内炉料的透气性。而炉料的透气性情况能够反映出竖炉冶炼过程中，煤气流经炉料层的难易程度、气体在炉料层内的波动状况及其变化规律，体现了炉内状况的好坏，影响到竖炉海绵铁的金属化率，进一步影响还原气的消耗量。
现有一些模拟高炉不同位置块状带透气性的测量技术，但还没有适用于不同操作参数下的竖炉炉料透气性的测量。同时，现有测量技术没有考虑炉内炉料在下降过程中由于上部炉料压力使得炉料荷重软化变形及粘结使得料柱阻损增加这一影响因素。
因此，针对现有技术存在的不足，有必要提供一种实验室模拟竖炉内不同位置炉料透气性的测试装置及相应的测试方法，以提供模拟炉料在炉内不同位置温度、不同还原气组分和料柱压力下的透气性测试。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种竖炉炉料透气性测试装置及测试方法，以考虑铁矿石在低温还原粉化、还原气析碳和料柱压力这三个影响因素，建立模拟在竖炉内料柱的透气性测试装置与方法，并且能够通过在线气体分析对还原过程进行评价。
本发明提供了一种竖炉炉料透气性测试装置，所述装置包括试样固定单元、荷重砝码、传感器单元、计算机系统和电热炉，其中所述试样固定单元包括竖炉反应管、格栅孔板、氧化铝球、多孔石墨板，所述格栅孔板设置于所述竖炉反应管内被测试样的底部，所述氧化铝球设于所述格栅孔板与所述被测试样之间；所述多孔石墨板设置于所述竖炉反应管内被测试样的上部；所述电热炉设置于所述竖炉反应管的外侧面；所述荷重砝码包括相连接的伸入压杆和加码部分，所述伸入压杆伸入所述竖炉反应管内并与所述多孔石墨板连接；所述加码部分设于所述竖炉反应管外；所述传感器单元包括热电偶、还原气体分析仪、差压变送器，所述热电偶从所述荷重砝码的伸入压杆穿过并插入被测试样的中心位置；所述传感器单元包括热电偶和差压变送器，所述热电偶从所述荷重砝码的伸入压杆穿过并插入被测试样的中心位置；所述差压变送器的信号输入端分别连接所述竖炉反应管的进气口与出气口；所述计算机系统连接所述差压变送器的信号输出端。
上述的测试装置，所述差压变送器的信号输入端通过胶管分别连接至所述竖炉反应管的进气口与出气口的连通反应管接头。
上述的测试装置，所述装置还包括气瓶和配气箱，所述配气箱的气体入口端连接所述气瓶，所述配气箱的气体出口端连接所述竖炉反应管的进气口。
上述的测试装置，所述电热炉为一组电阻炉，对称设置于所述竖炉反应管的两侧边；所述传感器单元还包括还原气体分析仪，所述还原气体分析仪的信号输入端连接所述竖炉反应管的出气口；所述还原气体分析仪的信号输出端连接所述计算机系统。
本发明还提供一种利用上述测试装置的测试方法，所述方法包括以下步骤：
使所述电热炉将所述竖炉反应管内被测试样的温度加热到400℃-700℃，向所述竖炉反应管内通入还原气h2、co、ch4、n2和co2，使所述荷重砝码加载砝码，提供被测试样处于炉内中部位置时所受压力；
使所述电热炉将所述竖炉反应管内被测试样的温度加热到700℃-900℃，向所述竖炉反应管内通入还原气h2、co、ch4、和n2，使所述荷重砝码加载砝码，提供被测试样处于炉内下部位置时所受压力；
900℃后，使所述竖炉反应管内保持恒温、恒定荷重压力；
通过所述差压变送器实时检测所述竖炉反应管进气口与出气口的压差，通过计算机系统实时记录所述差压变送器采集的数据，获得开始通气与试验结束时压力差值p＝p终-p始，得到所述竖炉反应管内被测试样的透气性变化情况。
上述的测试方法，所述竖炉反应管内被测试样的温度被加热到400℃-700℃时，通入还原气h2、co、ch4、n2和co2的体积比例为40％：24％：2％：23％：11％。
上述的测试方法，所述竖炉反应管内被测试样的温度被加热到700℃-900℃时，通入还原气h2、co、ch4、和n2的体积比例为52％：33％：3％：12％。
上述的测试方法，所述被测试样处于炉内中部位置时，加载砝码时使得所述竖炉反应管上方荷重质量为0.5kg/cm2。
上述的测试方法，所述被测试样处于炉内下部位置时，加载砝码时使得所述竖炉反应管上方荷重质量为1kg/cm2。
上述的测试方法，所述被测试样为500g粒度为10-12.5mm的铁矿石；所述方法还包括：采用所述还原气体分析仪对还原过程产生尾气进行实时分析，通过计算机系统实时记录所述还原气体分析仪采集的数据。
本发明综合考虑了铁矿石在低温还原粉化、还原气析碳和料柱压力这三个因素对透气性的影响。本装置能够定量地反应在不同温度、通入不同还原气成分、施加不同的料柱压力下炉料的透气性状况，对科研技术人员了解竖炉中下部炉料透气性有积极的指导意义。
本发明不仅可以检测炉料的透气性，同时通过气体分析仪可以对炉料还原过程进行分析。本发明装置简单，试验过程参数易于调节，是一种实时有效测量竖炉炉料透气性的技术。采用本方法可预先对竖炉使用不同矿石在炉内的透气性变化进行判断，对实际生产具有积极的指导作用。
附图说明
图1为本发明实施例提供的实验室测试竖炉炉料透气性的装置结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式进行更加详细的说明，以便能够更好地理解本发明的方案以及其各个方面的优点。然而，以下描述的具体实施方式和实施例仅是说明的目的，而不是对本发明的限制。
本发明的目的在于提供一种实验室模拟竖炉内不同位置炉料透气性的测试装置及相应的测试方法，可以提供模拟炉料在炉内不同位置温度、还原气组分和料柱压力下的透气性测试装置与测试方法。
铁矿石入炉后，在竖炉上部进行低温还原会发生粉化，同时存在还原气析碳行为。在还原段下部，在高温及较大料柱压力下，铁矿石会软化变形、粘结在一起，使得炉料空隙度变小，透气性降低。因而本发明考虑铁矿石在低温还原粉化、还原气析碳和料柱压力这三个影响因素，建立模拟在竖炉内料柱的透气性检测方法，并且能够通过在线气体分析对还原过程进行评价。
如图1所示为本发明的具体实施结构图。实验室模拟竖炉内不同位置炉料透气性的测试装置主要包括试样固定单元、荷重砝码、传感器单元、计算机系统和电热炉。
其中，试样固定单元包括竖炉反应管3、格栅孔板4、氧化铝球5、多孔石墨板7。
格栅孔板4设置于竖炉反应管3内被测试样的底部，是为了用于支撑上部试样。
所述氧化铝球5设于所述格栅孔板4与所述被测试样6之间，是为了防止试样还原后与金属格栅孔板4粘接。
所述多孔石墨板7设置于所述竖炉反应管3内被测试样6的上部，是为了保证荷重通过压杆、多孔石墨板7均匀作用在试样表面上。
为了对竖炉反应管3内的被测试样6进行加热，以模拟竖炉内铁矿的还原反应，在竖炉反应管的外侧面设置有电热炉8，电热炉8为采用电阻丝加热。
荷重砝码10包括相连接的伸入压杆和加码部分，伸入压杆伸入竖炉反应管3内并与多孔石墨板7连接；加码部分设于竖炉反应管3外，以方便加载砝码，以便对被测试样产生不同的压力。
所述传感器单元包括热电偶9、还原气体分析仪11、差压变送器13，用于对竖炉反应管内被测试样的压差参数及反应完的尾气测量，通过开始通气与试验结束时压力差值p＝p终-p始，得到竖炉反应管内被测试样的透气性指标。
热电偶9从荷重砝码10的伸入压杆穿过并插入被测试样的中心位置，用于实时测量被测试样的温度。
差压变送器13的信号输入端分别连接所述竖炉反应管的进气口与出气口，用于测量试验过程中进气口和出气口之间的压差值。
还原气体分析仪11的信号输入端连接竖炉反应管3的出气口。
具体可在竖炉反应管3的进气口与出气口附近设置连通反应管接头，通过胶管连接至差压变送器13，并使出气口排出气体通入还原气体分析仪11。试验过程中，可通过计算机系统12实时记录差压变送器13与还原气体分析仪11采集的数据。计算机系统分别连接差压变送器的信号输出端和还原气体分析仪的信号输出端。
为了考虑被测试样处于不同竖炉位置及温度时，还原反应气体成分不同，还须在被测试样处于不同竖炉位置时向竖炉反应管内通入不同的还原气。因而测试装置还包括气瓶1和配气箱2，配气箱2的气体入口端连接气瓶1，配气箱2的气体出口端连接竖炉反应管3的进气口。气瓶为一组成分不同的还原气瓶，经过配气箱2后将不同还原气配比的气体集中为一路输入气体，输送至竖炉反应管3的进气口。
本发明的具体工艺步骤如下所述。
测试前首先将格栅孔板4装入竖炉反应管3内，再装入氧化铝球5。
将试验用500g粒度为10-12.5mm的铁矿石试样6装入反应管3内。在铁矿石试样上部放入多孔石墨板7，将处于伸入压杆中心的热电偶9插入试样中心位置，然后将反应管3上部盖好密封。
试验前模拟竖炉不同位置荷重，确定荷重砝码10的加载规律，以提供炉料在不同位置区域时所受压力符合真实竖炉内铁矿石在不同还原阶段的压力情况。
将反应管3进气口与出气口附近设置的连通反应管接头，通过胶管连接至差压变送器13，出气口排出气体连通至还原气体分析仪11。并使差压变送器13与还原气体分析仪11接通计算机系统12，以便在试验过程中，通过计算机系统12实时记录差压变送器13与还原气体分析仪11数据。
由于铁矿石经历低温还原区(400℃-600℃)发生还原粉化，产生粉末以及析碳，最终会影响炉料透气性。本发明提出的研究方法主要为研究在考虑高温、粉化、炉料挤压的影响因素下，竖炉中下部的透气性变化情况。竖炉还原段下部温度最高，一般为900℃左右，因此本方法设定是从400℃至900℃温度区间进行试验，升温速率为5℃/min。
在400℃-700℃温度区间内，铁矿石在竖炉内处于中部位置，因此通入还原气成分为：40％h2+24％co+2％ch4+23％n2+11％co2，气体流量为15l/min。反应管上方荷重质量为0.5kg/cm2。为每单位平方厘米上的荷重质量，总面积应为反应管截面积。
在700℃-900℃温度区间，铁矿石基本上位于竖炉还原段下部，此时通入还原气成分为：52％h2+33％co+3％ch4+12％n2，气体流量为15l/min。反应管上方荷重质量为1kg/cm2。
矿石温度升至900℃后，进行恒温、恒定荷重压力继续对反应管内数据进行记录采集，2h后停止试验。
通还原气过程中，采用还原气体分析仪11对还原过程产生尾气进行实时分析，检测矿石还原过程。
实施例1
试验用500g粒度为10-12.5mm的高品位铁精矿氧化球团，竖炉反应管直径为6cm，在竖炉反应管内预先装好格栅孔板以及氧化铝球后再装入铁精矿球团。在球团试样上部放入多孔石墨板，将热电偶插入球团试样中心位置，然后将反应管上部盖好密封，再将反应管放入高温炉炉膛内。按照图1所示，分别连接好进气设备、差压变送器、还原气分析仪以及计算机采集系统。完成各项准备工作后，打开各气瓶阀门，打开计算机各系统软件开始进行试验。首先通过电热炉以10℃/min的速率加热炉料至400℃，期间通入5l/min的n2进行保护；400℃-700℃温度区间内，铁矿石在竖炉内处于中部位置，改通还原气成分为：40％h2+24％co+2％ch4+23％n2+11％co2，气体流量为15l/min，反应管上方荷重砝码质量为14kg，时间为2小时；温度升至700℃后，气体改通为52％h2+33％co+3％ch4+12％n2，气体流量为
15l/min。反应管上方荷重砝码质量为28kg；2小时温度由700℃升至900℃，进行恒温、恒定荷重继续对反应管内数据进行记录采集，再进行2小时后停止试验。
经过测试，测得400℃刚开始通还原气时，测得压差值p始为714pa，当900℃恒温两小时后得到p终为1231pa，可知试验反应前后p为517pa，可以作为判断该矿石在竖炉内还原过程炉料透气性的指标。
实施例2
试验用500g粒度为10-12.5mm的红土镍矿氧化球团，竖炉反应管直径为6cm，在竖炉反应管内预先装好格栅孔板以及氧化铝球后再装入该氧化球团。在球团试样上部放入多孔石墨板，将热电偶插入球团试样中心位置，然后将反应管上部盖好密封，再将反应管放入高温炉炉膛内。按照图1所示，分别连接好进气设备、差压变送器、还原气分析仪以及计算机采集系统。完成各项准备工作后，打开各气瓶阀门，打开计算机各系统软件开始进行试验。首先通过电热炉以10℃/min的速率加热炉料至400℃，期间通入5l/min的n2进行保护；400℃-700℃温度区间内，铁矿石在竖炉内处于中部位置，改通还原气成分为：40％h2+24％co+2％ch4+23％n2+11％co2，气体流量为15l/min，反应管上方荷重砝码质量为14kg，时间为2小时；温度升至700℃后，气体改通为52％h2+33％co+3％ch4+12％n2，气体流量为15l/min。反应管上方荷重砝码质量为28kg；2小时温度由700℃升至900℃，进行恒温、恒定荷重继续对反应管内数据进行记录采集，再进行2小时后停止试验。
经过测试，测得400℃刚开始通还原气时，测得压差值p始为802pa，当900℃恒温两小时后得到p终为1524pa，可知试验反应前后p为722pa，可以作为判断该矿石在竖炉内还原过程炉料透气性的指标。
实施例3
试验用500g粒度为10-12.5mm的钒钛铁精矿氧化球团，竖炉反应管直径为6cm，在竖炉反应管内预先装好格栅孔板以及氧化铝球后再装入该氧化球团。在球团试样上部放入多孔石墨板，将热电偶插入球团试样中心位置，然后将反应管上部盖好密封，再将反应管放入高温炉炉膛内。按照图1所示，分别连接好进气设备、差压变送器、还原气分析仪以及计算机采集系统。完成各项准备工作后，打开各气瓶阀门，打开计算机各系统软件开始进行试验。首先通过电热炉以10℃/min的速率加热炉料至400℃，期间通入5l/min的n2进行保护；400℃-700℃温度区间内，铁矿石在竖炉内处于中部位置，改通还原气成分为：40％h2+24％co+2％ch4+23％n2+11％co2，气体流量为15l/min，反应管上方荷重砝码质量为14kg，时间为2小时；温度升至700℃后，气体改通为52％h2+33％co+3％ch4+12％n2，气体流量为15l/min。反应管上方荷重砝码质量为28kg；2小时温度由700℃升至900℃，进行恒温、恒定荷重继续对反应管内数据进行记录采集，再进行2小时后停止试验。
经过测试，测得400℃刚开始通还原气时，测得压差值p始为723pa，当900℃恒温两小时后得到p终为1106pa，可知试验反应前后p为383pa，可以作为判断该矿石在竖炉内还原过程炉料透气性的指标。
最后应说明的是：显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。