一种COREX熔融气化炉内料柱透液性指数的测定方法与流程

本发明涉及一种非高炉炼铁技术领域，尤其涉及一种COREX熔融气化炉内料柱透液性指数的测定方法。

背景技术：

高炉炼铁工艺有许多其它炼铁设备无法比拟的优点，如生产规模大、生产效率高、能耗低、使用寿命长、脱硫性能好以及适合于生产炼钢铁水等，因此到目前为止一直作为炼铁的主要生产工艺。但是高炉炼铁也存在很多不利因素，如投资规模大、环境污染严重、生产不灵活等，特别是其对焦炭生产严重依赖；随着国家对环境保护要求的提高和焦煤资源的日益短缺，以不用或少用焦炭且低CO₂排放的非高炉炼铁工艺日益得到重视，但是目前只有奥钢联开发的COREX工艺是熔融还原炼铁工艺中唯一成功实现工业化生产的新技术。

COREX熔融气化炉实际生产时发现，入炉块煤裂解生成的半焦强度不高，风口焦的平均粒度较小，制约了炉内料柱的透气性；由于COREX熔融气化炉风口采用纯氧鼓风，风量较小，因此炉缸活性较差。

目前衡量COREX熔融气化炉炉缸活跃性的方法鲜有报道，而关于高炉炉缸活跃性的评价大多依赖于对高炉炉缸温度的监控，对其他影响炉缸工作状态的因素如炉缸内渣铁的流动情况、炉缸内焦炭特性等并未考虑。

技术实现要素：

本发明提供了一种COREX熔融气化炉内料柱透液性指数的测定方法，综合了COREX熔融气化炉炉缸内渣铁流动及半焦/焦炭特性等多种因素，设计出操作性强、简单有效的试验方法，所测定的料柱透液性指数可以用来有效评价COREX熔融气化炉炉缸的活跃性。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案实现：

一种COREX熔融气化炉内料柱透液性指数的测定方法，包括如下步骤：

1)取样，在COREX熔融气化炉风口中心平面上，沿COREX熔融气化炉的径向，自风口至COREX熔融气化炉中心不同位置通过风口取样器分别取风口试样，并将所取得的风口试样进行编号；

2)对风口试样进行筛选分离出焦炭/半焦、炉渣及铁，将其中的焦炭/半焦组成风口焦炭试样，将其中的炉渣组成风口炉渣试样；

3)通过对应试验分别测定风口焦炭试样的空隙度ε与压差度P，风口炉渣试样的温度强度Q；

4)由公式计算得到不同位置风口试样的透液性指数L。

所述风口焦炭试样空隙度ε的测定方法如下：

1)在测定风口焦炭试样空隙度前，先将其进行筛分，选择其中粒度≥2.5mm的焦炭颗粒组成焦炭试样Ⅰ，焦炭试样Ⅰ在水中浸泡24h以上，使焦炭试样Ⅰ中焦炭的气孔中完全充满水；具体步骤如下：

(1)测定量器体积；

将托盘放在天平上，清零；首先称得量器的重量；然后将量器加满水后，称得量器和水的重量；两次重量之差除以水的密度，即得量器的体积；

根据量器重量m_量、加满水的量器重量m_满和水的比重ρ_水，计算量器体积：

(2)测定焦炭体积、空隙体积；

将浸泡后的焦炭试样Ⅰ沥干后，装入量器中并压实，记录装有焦炭试样Ⅰ的量器重量m_a；向装有焦炭试样Ⅰ的量器中加水至刚好淹没全部焦炭试样Ⅰ，记录此时的量器重量m_b；根据V_量、m_a、m_b，计算焦炭试样Ⅰ颗粒间隙所占体积：

向量器中继续加水直至加满，记录此时的量器重量m_c；根据V_量、m_a和m_c，计算焦炭试样Ⅰ体积：

根据V_空和V_焦，计算焦炭试样Ⅰ即粒度≥2.5mm的风口焦炭颗粒的空隙度ε_测定：

(3)计算风口焦炭试样全部粒度的空隙度；

计算风口焦炭试样全部粒度的空隙度时，需要考虑粒度＜2.5mm焦炭颗粒的影响，因此，风口焦炭试样全部粒度的空隙度ε计算如下：

ε_{计算的全部颗粒}＝(1-χ％)×ε_测定--公式5

式中，ε_{计算的全部颗粒}表示风口焦炭试样全部粒度的空隙度；χ％表示粒度＜2.5mm焦炭颗粒的百分含量。

所述风口焦炭试样的压差度P的测定方法如下：

1)利用压差测试装置测定风口焦炭试样压差度P，该压差测试装置由原料管、气体流量计、压力表和U型管水压计组成；原料管用于盛装风口焦炭试样，其顶部开口，底部通过进气管连接外部压力气体容器，通过出气管连接U型管水压计；进气管上设有气体流量计和压力表；

2)将风口焦炭试样按粒度范围分组组成焦炭试样Ⅱ，各组焦炭试样Ⅱ的粒度分别为2.5mm≤D＜6mm、6mm≤D＜10mm、10mm≤D＜15mm；将各组焦炭试样Ⅱ分别放入原料管中进行测定；

3)首先测定原料管中焦炭颗粒的高度H₂，H₂为三次高度测定值的平均值；

4)通过进气管向原料管底部鼓入气体，读取U型管水压计两侧的液面高度差H₁，同时记录压力表数值Δp₁；

5)将以上数值带入下列公式：

公式6中：

ε₁表示各组焦炭试样Ⅱ的空隙度平均值；

ε₂表示焦炭试样Ⅱ全部粒度的空隙度；

de₁表示各组焦炭试样Ⅱ的颗粒平均直径；

d_e2表示焦炭试样Ⅱ全部粒度的颗粒平均直径；

表示各组焦炭试样Ⅱ的形状系数平均值；

表示焦炭试样Ⅱ全部粒度的形状系数；

形状系数是指同体积球形颗粒的表面积与非球形颗粒的表面积之比，又称球形度；

通过公式6计算得出Δp₂，将Δp₂除以10mmH₂O，使之成为无量纲数，即为风口焦炭试样的压差度P。

所述风口炉渣试样的温度强度Q的测定方法如下：

1)利用电阻加热炉进行风口炉渣试样温度强度的测定；电阻加热炉中设有热电偶用于测量炉内温度，电阻加热炉外一侧设有摄像仪用于连续拍摄风口炉渣试样熔化状态；热电偶及摄像仪分别与计算机相连接；

2)将风口炉渣试样放在模具内做成直径5mm×5mm的柱状体，然后放于电阻加执炉中加热；随着炉膛温度的升高，风口炉渣试样受热熔化，柱状体高度降低；将柱状体高度降低1/5时的温度定义为软化温度，将柱状体高度下降到原高度4/5时的温度定义为流动温度；

3)电阻加热炉炉内温度超过1300℃后，摄像仪启动，间隔2-3秒对风口炉渣试样柱状体变化情况进行连续拍摄，并将结果保存到计算机中；

4)将COREX熔融气化炉实际工况时炉渣的成渣温度与风口炉渣试样软化温度的比值定义为温度强度Ⅰ；将COREX熔融气化炉实际工况时炉渣的成渣温度与风口炉渣试样流动温度的比值定义为温度强度Ⅱ；则温度强度Ⅰ与温度强度Ⅱ的平均值即为炉渣试样的温度强度Q。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1)测定方法简单，操作方便，易于实施；

2)测定结果准确可靠，可作为判定COREX熔融气化炉炉缸活跃性的依据。

附图说明

图1是本发明所述取样过程的示意图。

图2是本发明所述压差测试装置的结构示意图。

图3是本发明所述电阻加热炉的结构示意图。

图4是本发明实施例中各组风口试样透液性指数及对应滞留铁比的关系图。

图中：1.COREX熔融气化炉 2.风口 3.风口取样槽 4.原料管 5.气体流量计 6.压力表 7.U型管水压计 8.电阻加热炉 9.焦炭试样Ⅱ 10.热电偶 11.摄像仪 12.计算机

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明：

本发明所述一种COREX熔融气化炉内料柱透液性指数的测定方法，包括如下步骤：

1)取样，如图1所示，在COREX熔融气化炉风口2中心平面上，沿COREX熔融气化炉1的径向，自风口2至COREX熔融气化炉1中心不同位置通过风口取样器3分别取风口试样，并将所取得的风口试样进行编号；

2)对风口试样进行筛选分离出焦炭/半焦、炉渣及铁，将其中的焦炭/半焦组成风口焦炭试样，将其中的炉渣组成风口炉渣试样；

3)通过对应试验分别测定风口焦炭试样的空隙度ε与压差度P，风口炉渣试样的温度强度Q；

4)由公式计算得到不同位置风口试样的透液性指数L。

所述风口焦炭试样空隙度ε的测定方法如下：

1)在测定风口焦炭试样空隙度前，先将其进行筛分，选择其中粒度≥2.5mm的焦炭颗粒组成焦炭试样Ⅰ，焦炭试样Ⅰ在水中浸泡24h以上，使焦炭试样Ⅰ中焦炭的气孔中完全充满水；具体步骤如下：

(1)测定量器体积；

将托盘放在天平上，清零；首先称得量器的重量；然后将量器加满水后，称得量器和水的重量；两次重量之差除以水的密度，即得量器的体积；

根据量器重量m_量、加满水的量器重量m_满和水的比重ρ_水，计算量器体积：

(2)测定焦炭体积、空隙体积；

将浸泡后的焦炭试样Ⅰ沥干后，装入量器中并压实，记录装有焦炭试样Ⅰ的量器重量m_a；向装有焦炭试样Ⅰ的量器中加水至刚好淹没全部焦炭试样Ⅰ，记录此时的量器重量m_b；根据V_量、m_a、m_b，计算焦炭试样Ⅰ颗粒间隙所占体积：

向量器中继续加水直至加满，记录此时的量器重量m_c；根据V_量、m_a和m_c，计算焦炭试样Ⅰ体积：

根据V_空和V_焦，计算焦炭试样Ⅰ即粒度≥2.5mm的风口焦炭颗粒的空隙度ε_测定：

(3)计算风口焦炭试样全部粒度的空隙度；

计算风口焦炭试样全部粒度的空隙度时，需要考虑粒度＜2.5mm焦炭颗粒的影响，因此，风口焦炭试样全部粒度的空隙度ε计算如下：

ε_{计算的全部颗粒}＝(1-χ％)×ε_测定--公式5

式中，ε_{计算的全部颗粒}表示风口焦炭试样全部粒度的空隙度；χ％表示粒度＜2.5mm焦炭颗粒的百分含量。

所述风口焦炭试样的压差度P的测定方法如下：

1)利用压差测试装置测定风口焦炭试样压差度P，如图2所示，该压差测试装置由原料管4、气体流量计5、压力表6和U型管水压计7组成；原料管4用于盛装风口焦炭试样，其顶部开口，底部通过进气管连接外部压力气体容器，通过出气管连接U型管水压计7；进气管上设有气体流量计5和压力表6；

2)将风口焦炭试样按粒度范围分组组成焦炭试样Ⅱ，各组焦炭试样Ⅱ的粒度分别为2.5mm≤D＜6mm、6mm≤D＜10mm、10mm≤D＜15mm；将各组焦炭试样Ⅱ分别放入原料管4中进行测定；

3)首先测定原料管4中焦炭颗粒的高度H₂，H₂为三次高度测定值的平均值；

4)通过进气管向原料管4底部鼓入气体，读取U型管水压计7两侧的液面高度差H₁，同时记录压力表6数值Δp₁；

5)将以上数值带入下列公式：

公式6中：

ε₁表示各组焦炭试样Ⅱ的空隙度平均值；

ε₂表示焦炭试样Ⅱ全部粒度的空隙度；

de₁表示各组焦炭试样Ⅱ的颗粒平均直径；

d_e2表示焦炭试样Ⅱ全部粒度的颗粒平均直径；

表示各组焦炭试样Ⅱ的形状系数平均值；

表示焦炭试样Ⅱ全部粒度的形状系数；

形状系数是指同体积球形颗粒的表面积与非球形颗粒的表面积之比，又称球形度；

通过公式6计算得出Δp₂，将Δp₂除以10mmH₂O，使之成为无量纲数，即为风口焦炭试样的压差度P。

所述风口炉渣试样的温度强度Q的测定方法如下：

1)利用电阻加热炉8进行风口炉渣试样9温度强度的测定；如图3所示，电阻加热炉8中设有热电偶10用于测量炉内温度，电阻加热炉8外一侧设有摄像仪11用于连续拍摄风口炉渣试样熔化状态；热电偶10及摄像仪11分别与计算机12相连接；

2)将风口炉渣试样9放在模具内做成直径5mm×5mm的柱状体，然后放于电阻加执炉8中加热；随着炉膛温度的升高，风口炉渣试样9受热熔化，柱状体高度降低；将柱状体高度降低1/5时的温度定义为软化温度，将柱状体高度下降到原高度4/5时的温度定义为流动温度；

3)电阻加热炉8炉内温度超过1300℃后，摄像仪启动，间隔2-3秒对风口炉渣试样9柱状体变化情况进行连续拍摄，并将结果保存到计算机中；

4)将COREX熔融气化炉实际工况时炉渣的成渣温度与风口炉渣试样9软化温度的比值定义为温度强度Ⅰ；将COREX熔融气化炉实际工况时炉渣的成渣温度与风口炉渣试样9流动温度的比值定义为温度强度Ⅱ；则温度强度Ⅰ与温度强度Ⅱ的平均值即为风口炉渣试样的温度强度Q。

本发明中，风口焦炭试样的空隙度ε测定是依据阿基米德原理，在已知容器体积中，由所加入风口焦炭试样排除同体积水确定其比重和空隙度。

焦炭颗粒表面有一定的孔隙，从炉顶加入后到达风口前的过程中，焦炭表面孔隙度变小。由于空隙度测定过程中粒度＜2.5mm焦炭颗粒会飘在水面上随水一同流失掉，另外可能发生“和泥”现象，因此在测定过程中只选择最小粒度为2.5mm的焦炭颗粒组成焦炭试样。但是由于粒度＜2.5mm的焦炭颗粒中含有较多的细粉末，可以将焦炭颗粒之间的空隙几乎完全填满，使得粒度＜2.5mm的焦炭颗粒中几乎没有空隙，从而对炉况造成较大影响。因此，风口焦炭试样空隙度的测定仍然要考虑粒度＜2.5mm的焦炭颗粒的影响，这也是规定风口焦炭试样空隙度为全部粒度空隙度的原因。

本发明中，风口焦炭试样的压差度P的测定是通过试验和欧根(Ergun)公式的原理来计算风口试样中不同位置气体流过焦炭的压差。其推导过程为：

考虑到在COREX熔融气化炉内气体的流速较大，运动状态类似于高炉，属于紊流，因此以每组焦炭试样Ⅱ的紊流压差作为对应位置的压差。

描述气体通过固体散料层的Ergun公式如下：

式中：Δp—-压差，g/(cm·s²)；

H—高度，cm；

η—气体粘度；

ω—气体流速，cm/s；

ε—散料体(焦炭颗粒)的空隙度；

de—散料体(焦炭颗粒)的当量直径，cm；

—散料体(焦炭颗粒)的形状系数(或球形度)。

在紊流条件下，公式(6-1)可以简化为公式(6-2)：

公式(6-3)给出了某一限定粒度范围内风口焦炭试样的压差在紊流条件下的表达式，式中下标1均表示在某一限定粒度范围内风口焦炭试样的对应参数。

在试验条件不变的情况下，气体流速中空塔速度和气体的粘度都保持不变。全部粒度风口焦炭试样在紊流条件下的压差如式(6-4)，式中下标2均表示全部粒度的风口焦炭试样的对应参数。

联立公式(6-3)和公式(6-4)，可以得到已知紊流条件下全部粒度风口焦炭试样压差与某一限定粒度范围内风口焦炭试样压差之间的关系，如公式6所示。

本发明中，风口试样中风口炉渣试样温度强度Q的测定，是根据炉渣开始软化就具有一定的流动性，达到流动温度时可以视作是完全自由流动，而透液性指数与炉渣的流动程度有关，软化温度和流动温度的数值相差不大，可以取两者的平均值作为温度强度Q值。

以下实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。下述实施例中所用方法如无特别说明均为常规方法。

【实施例】

对某厂COREX-3000熔融气化炉在休风后取样，按照本发明所述步骤先后测定5组在不同位置所取的风口焦炭试样的空隙度ε与压差度P，以及风口炉渣试样的温度强度Q；经计算得到不同位置风口试样的透液性指数；其与对应的滞留铁比的关系如图4所示。滞留铁比是从风口试样中筛分出的铁与风口试样总重量的比值。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。