一种测试矿石还原性能的装置和方法与流程

本发明属于矿石性能测试技术领域，尤其涉及一种测试矿石还原性能的装置和方法。

背景技术：

直接还原铁(DRI)又称海绵铁，是铁矿石在低于熔化温度下直接还原得到的含铁产品。海绵铁是一种废钢的代用品，是电炉冶炼纯净钢、优质钢不可缺少的杂质稀释剂，是转炉炼钢优质的冷却剂，是发展钢铁冶金短流程不可或缺的原料。2014年，全世界直接还原铁的年产量达7450万吨，创历史新高。我国将直接还原工艺列为钢铁工业发展的主要方向之一。

生产直接还原铁的工艺称为直接还原法，属于非高炉炼铁工艺，分为气基法和煤基法两大类。目前世界范围内，76％的直接还原铁是通过气基法生产。每种不同的铁矿石在进行气基竖炉直接还原工业化前，均需要进行基础气基还原测试，以摸索确定气基还原的基本参数和考察还原性能等指标是否符合大型工业化要求。

CO是气基还原测试时还原气必需的气体之一，CO气体在500-700℃范围内易发生析碳反应。配有大量比例CO的还原气在进气管道预热过程中会较长时间经过该温度段，故易发生析碳现象，而使炉内反应固体物料(氧化球团/海绵铁)表面粘上不少碳粉，而影响还原反应的试验进行，进而影响试验数据的准确性；严重析碳情况下，还会造成还原气进气管道堵塞，损坏反应装置使得试验无法进行。

技术实现要素：

为了解决上述问题，本发明提出一种测试矿石还原性能的装置和方法，将进气管的一部分制作成螺旋状，增长加热段的长度，以便增加还原气的受热面积，使得还原气可被快速加热至800℃以上，从而抑制析碳现象的发生。

本发明的目的之一是提供一种测试矿石还原性能的装置，包括加热器、反应器、进气管、配气装置、称重装置和测温装置；

所述加热器设有空腔；所述反应器内部中空，底部设有进气口；

所述进气管包括进气段、加热段和出气段，所述加热段为螺旋型，所述进气段连通所述加热段，所述加热段连通所述出气段；

所述反应器设置在所述加热器内，所述配气装置出气口连通所述进气段进气口，所述出气段出气口连通所述反应器进气口，所述称重装置连接所述反应器，所述测温装置设置所述反应器的内部。

称重装置用于称量反应器的重量，以记录还原反应过程中试样的重量变化情况和还原度变化情况。测温装置用于测量反应器内试样的温度。

作为本发明的优选方案，所述进气管的加热段围绕在所述反应器的外侧，便于加热段还原气受热。

作为本发明优选的实施方案，所述反应器的顶部设有测温装置安装孔，所述测温装置通过所述测温装置安装孔固定。测温装置用于测量试样的温度，将试样放入反应器后，将测温装置通过测温装置安装孔插入反应器并固定，测温装置的一端延伸到试样中。

进一步的，本发明的装置还包括孔板，所述孔板上设有贯通的孔；所述孔板安装在所述反应器内，将所述反应器的内腔分隔为上腔和下腔。

作为优选的方案，所述称重装置包括电子天平和挂钩，所述反应器通过所述挂钩悬挂在所述电子天平的下方。另一种方案，称重装置也可以是电子秤，安装在反应器的下方，用于实时测量反应器的重量。

具体的，所述配气装置包括多个气瓶和混气装置，所述气瓶连通所述混气装置。

作为本发明优选的方案，所述反应器的顶部设有出气口。反应器的出气口用于排出气体，亦可设置在反应器侧壁的上部。根据实际使用的情况确定反应器出气口的位置。

本发明的另一目的是提供一种利用上述装置测试矿石还原性能的方法，包括如下步骤：

A、将试样送入所述反应器，对试样进行加热，所述称重装置实时测量所述反应器的重量，所述测温装置测量所述反应器内试样的温度；

B、所述配气装置将还原气送入所述进气管的进气段进行预热；

C、将预热后的还原气通入所述加热段，快速加热至800～850℃；

D、将所述加热后的还原气通过所述出气段通入所述反应器，与所述试样发生还原反应。

优选的，所述步骤B中，将所述还原气预热至350～450℃。

具体的，所述步骤A中，将所述试样放置在所述孔板上。

进一步的，在所述步骤B之前包括步骤：所述配气装置将多种不同的气体混合为还原气。

本发明提供的测试矿石还原性能的装置和方法，在还原气的进气管上设置加热段，加热段为螺旋形，便于对还原气的快速加热；加热段围绕在反应器的外侧，利于还原气的均匀受热；被快速加热的还原气基本避免了CO析碳现象的发生，有利于提高测试实验的准确性，避免了进气管的堵塞。

附图说明

图1是本发明实施测试矿石还原性能装置结构示意图；

图2是本发明实施测试矿石还原性能方法流程图。

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。

一方面，如图1所示，本发明实施例提供一种测试矿石还原性能的装置，包括加热器1、反应器2、进气管3、配气装置4、称重装置5和测温装置6。

加热器1为电阻加热器，设有空腔，用于试样和还原气的加热，为矿石的还原实验提供能量。

反应器2内部中空，底部设有进气口。反应器2设置在加热器1内。反应器2的顶部密封，顶部设有出气口和测温装置安装孔。出气口用于还原反应产生的气体的排出，测温装置安装孔用于安装测温装置。试样放入反应器2内，将还原气由进气口通入，与试样发生还原反应。

进气管3包括进气段301、加热段302和出气段303。进气段301和出气段303为直管，加热段302为螺旋型，加热段302缠绕在反应器2的外侧。进气段301连通加热段302，加热段302连通出气段303。进气段301可对还原气进行预热，预热后的还原气进入加热段302进行加热。出气段303出气口连通反应器2的进气口，加热后的还原气通过出气段303进入反应器2。

进气管301可将还原气余热到400℃左右。加热段302为螺旋状，其还原气通过的长度增加，增大了还原气的受热面积，使得还原气快速升温至800℃以上，还原气快速通过发生析碳的温度区间，只有极小量的析碳现象发生。这样设计可保证还原实验结果的准确性，避免进气管的堵塞。

配气装置4用于生成还原气，其包括气体流量计控装置、混气装置和多个气瓶。各个气瓶中装有N₂、CO、CO₂和H₂等气体。各气瓶与混气装置连通，混气装置的出气口连通进气段301的进气口。本发明实施例中，气体流量计控装置用于气体流量的控制，优选为质量流量控制器。

称重装置5用于称量反应器的重量，以记录还原反应过程中试样的重量变化情况和还原度变化情况。本发明实施例的称重装置5包括电子天平501和挂钩502。反应器2通过挂钩502悬挂在电子天平501的下方。电子天平501可将试样和反应器的重量精确至1g。

测温装置6用于实时测量反应器内试样的温度。测温装置6为细长的热电偶。测温装置6的一端通过测温装置安装孔固定在反应器上，另一端插入试样中，实时监测试样的温度。

孔板7为饼状，孔板7上设有贯通的孔，上面铺有一层陶瓷球。孔板7安装在反应器2内，将反应器2的内腔分隔为上腔201和下腔202。使用时，将试样放置在孔板7上，还原气经反应器的进气口进入反应器的下腔202，通过孔板7上的贯通孔，进入上腔201。孔板7可使试样与还原气接触更充分，便于还原反应的进行。

如图2所示，另一方面，本发明实施例提供一种利用上述装置测试矿石还原性能的方法，包括如下步骤：

1、将试样放置在孔板上，对试样进行加热，称重装置实时测量反应器的重量，测温装置测量反应器内试样的温度。

2、配气装置将多种不同的气体混合为还原气。

3、配气装置将还原气送入进气管的进气段，预热至350～450℃。

4、将预热后的还原气通入加热段，快速加热至800～850℃。

5、将加热后的还原气通过出气段通入反应器，与试样发生还原反应。

6、反应器内的还原反应产生的气体通过反应器的出气口排出。

实施例1

1、在反应器内填装试样氧化球团500g，还原反应温度设定为850℃。

2、将H₂、CO、CO₂、CH₄、N₂等钢瓶气经质量流量控制器配气、混匀成所需的还原气，还原气的各气体成分体积百分比为H₂+CO＝94.4％、CO₂为2.5％、CH₄为1.1％、N₂为2.0％，气体流量为15L/min。

3、还原气经进气管的进气段从室温预热到420℃后，进入长度约80cm长的螺旋式加热段快速预热到840℃后从底部通入反应器。

4、热还原气流经反应器内孔板和陶瓷球后与试样接触进行还原反应，将氧化球团还原成海绵铁，产生的还原尾气从反应器出气口排出。

上述测试实验中，将热电偶插入到试样中，用于测量反应试样温度，加热电阻炉来给反应器提供能量。电子天平用于实时测量反应器的重量，以记录还原反应过程中试样的重量变化情况和还原度变化情况。1.5h后试样的还原度为92％。还原反应后取出并查看试样，发现试样表面只有少量的析碳，称重约4.6g。

实施例2

1、在反应器内填装试样氧化球团500g，还原反应温度设定为810℃。

2、将H₂、CO、CO₂、CH₄、N₂等钢瓶气经质量流量控制器配气、混匀成所需的还原气，还原气的各气体成分体积百分比为H₂+CO＝92.6％、CO₂为2.5％、CH₄为2.1％、N₂为2.8％，气体流量为15L/min。

3、还原气经进气管的进气段从室温预热到360℃后，进入长度约80cm长的螺旋式加热段快速预热到810℃后从底部通入反应器。

4、热还原气流经反应器内孔板和陶瓷球后与试样接触进行还原反应，将氧化球团还原成海绵铁，产生的还原尾气从反应器出气口排出。

上述测试实验中，将热电偶插入到试样中，用于测量反应试样温度，加热电阻炉来给反应器提供能量。电子天平用于实时测量反应器的重量，以记录还原反应过程中试样的重量变化情况和还原度变化情况。1.5h后试样的还原度为93％。还原反应后取出并查看试样，发现试样表面只有少量的析碳，称重约4.2g。

需要说明的是，以上参照附图所描述的各个实施例仅用以说明本发明而非限制本发明的范围，本领域的普通技术人员应当理解，在不脱离本发明的精神和范围的前提下对本发明进行的修改或者等同替换，均应涵盖在本发明的范围之内。此外，除上下文另有所指外，以单数形式出现的词包括复数形式，反之亦然。另外，除非特别说明，那么任何实施例的全部或一部分可结合任何其它实施例的全部或一部分来使用。