一种焦炭热态性能检测实验装置及实验方法与流程

本发明涉及焦炭热态性能检测技术领域，尤其涉及一种焦炭热态性能检测实验装置及实验方法。

背景技术：

以往用于研究焦炭热态性能的实验装置，普遍采用国标反应性及反应后强度实验装置，采用gb/t4000-2008规定的方法进行检测，实验得到的焦炭反应性cri及反应后强度csr数据基本上可以体现出焦炭的热态性能。

但是，随着炼焦技术和高炉操作技术的不断发展，研究焦炭在高炉内部条件下的真实状态十分必要。焦炭反应性是指焦炭与二氧化碳、氧和水蒸气等进行化学反应的能力，焦炭反应后强度是指反应后的焦炭在机械力和热应力作用下抵抗碎裂和磨损的能力，焦炭在高炉炼铁、铸造化铁和固定床气化过程中，都要与二氧化碳、氧和水蒸气发生化学反应。gb/t4000-2008规定的焦炭反应性及反应后强度试验方法，是使焦炭在1100±5℃高温下与二氧化碳发生反应，然后测定反应后焦炭失重率及其机械强度；这种实验方法无法准确模拟焦炭在实际高炉生产条件下的状态，因此，其检测结果存在一定的偏差。

技术实现要素：

本发明提供了一种焦炭热态性能检测实验装置及实验方法，在模拟焦炭在加热炉中升温的过程中，还能够通过调节不同气体的配比，对高炉内部气氛环境进行模拟，同时对焦炭施加一定压力，以准确检测焦炭在模拟高炉条件下同时经受热应力及机械力时抵抗破碎及磨损的能力，检测结果对指导配煤炼焦具有重要意义。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案实现：

一种焦炭热态性能检测实验装置，包括加热炉、加热炉升降装置、支撑杆、加压杆和加压杆升降装置；所述加热炉由炉体及竖直设置在炉体中部的炉管组成，加热炉能够由加热炉升降装置带动上、下移动，炉管的两端延伸于炉体之外；沿加热炉移动方向，炉管的下方设进气法兰，进气法兰的顶部设支撑杆用于支撑焦炭试样，炉管下移后套设在支撑杆外侧，并与进气法兰密封连接；进气法兰设进气管与外部气体输送装置可拆卸地连接，进气管的另一端与炉管内部空间连通；炉管的顶部设止逆气体密封法兰，加压杆穿设在止逆气体密封法兰中并能够由加压杆升降装置带动上、下移动，加压杆与止逆气体密封法兰之间为移动密封连接，加压杆与下方的支撑杆同轴设置，加压杆与加压杆升降装置之间设测力传感器；测力传感器、加热炉的加热系统、加热炉升降装置及加压杆升降装置分别连接控制系统。

所述加热炉为管式加热炉。

还包括支撑框架，所述支撑框架是由底板、立柱和上横梁组成的框架式结构；进气法兰固定在底板上；加热炉升降装置为升降杆，升降杆为2个分别设于加热炉两侧，升降杆的固定端固定在底板上，移动端与炉体固定连接。

所述加压杆升降装置由升降横梁和设于升降横梁两侧的2个丝杆升降器组成，丝杆升降器的升降电机固定在上横梁的顶部，丝杆穿过上横梁后向底板方向延伸，升降电机带动丝杆转动的同时升降横梁沿丝杆上、下移动，升降横梁通过测力传感器连接加压杆。

所述进气法兰由法兰座、进气管和密封圈组成，法兰座的中部开设阶梯盲孔，阶梯盲孔的内孔用于固定支撑杆，进气管固定在法兰座的一侧；进气管上方、阶梯盲孔的外孔底部设有密封圈，炉管下移后通过自重压紧在密封圈上实现进气法兰与炉管间的密封；进气管通过法兰座侧壁上的通孔及阶梯盲孔与支撑杆之间的间隙连通炉管内部空间。

所述气体止逆密封法兰由壳体、锥形出气嘴、顶部密封圈、顶部压盖、底部密封圈及底部压盖组成；壳体套装在炉管顶部，壳体顶部开孔供加压杆穿过，壳体与加压杆之间设顶部密封圈，通过顶部压盖固定；壳体底部与炉管之间设底部密封圈，通过底部压盖固定；壳体顶部一侧设锥形出气嘴，锥形出气嘴内设浮球，锥形出气嘴顶部设出气嘴盖。

基于所述装置的一种焦炭热态性能检测实验方法，包括如下步骤：

1)制备焦炭试样；焦炭试样为柱状体，柱状体的两端面均垂直于轴线，且沿高向任意位置的断面形状形同、面积相等，同一批焦炭试样的高度相同；

2)启动加热炉升降装置及加压杆升降装置，将加热炉与升降横梁均升到顶部极限位置，此时炉管和加压杆均移动到支撑杆的上方；将焦炭试样置于支撑杆上，且焦炭试样与支撑杆同轴设置；再将加热炉下降到底部极限位置，使炉管底部与进气法兰密封连接；将升降横梁下降，使加压杆底部距离焦炭试样顶部5～8mm；

3)通过控制系统控制炉体升温，升温速度为3～10℃/min，终点温度为1100～1400℃，恒温时间为10～120min；升温过程中，当温度达到400～800℃时，通过进气管开始向炉管内通入反应气体，通入的反应气体沿炉管向上移动过程中与焦炭试样发生反应，然后通过止逆气体密封法兰上的锥形出气嘴排出；

4)启动升降电机，使升降横梁带动加压杆以3mm～50mm/min的速度下降，直到焦炭试样被压碎加压杆无法继续下降时升降电机停止；炉体停止加热，停止通入反应气体，换为通入惰性保护气体；当炉体温度下降到200℃以下时，停止通入惰性保护气体；在升降横梁带动加压杆下降过程中，当加压杆底部接触到焦炭试样时，开始记录时间、加压杆的位移、焦炭试样受力的大小，并最终计算出焦炭试样的抗压强度及弹性模量，绘制抗压强度、弹性模量与时间的关系曲线；据此分析焦炭在模拟高炉条件下同时经受热应力及机械力时抵抗破碎和磨损的能力；

5)以上实验步骤重复进行。

所述柱状体焦炭试样的断面面积为50～100mm2，柱状体的高度为10～20mm。

所述反应气体为co、co2、水蒸气中的任意一种或几种气体任意混合，所述惰性保护气体为n2。

所述步骤3)中，不向炉管内通入反应气体，直接通入惰性保护气体，直至步骤4)中，当炉体温度下降到200℃以下时，停止通入惰性保护气体。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1)能够全面模拟高炉的操作温度及气氛，可以研究焦炭在模拟高炉内部条件下同时经受热应力及机械力时抵抗破碎及磨损的能力；

2.)所得的实验结果能够直接反应焦炭在高炉内部遭受外力及气体侵蚀时的实际状态，这个结果比现有测量焦炭热态性能的方法更直观反映焦炭质量，因此对指导配煤炼焦具有重要意义。

附图说明

图1是本发明所述焦炭热态性能检测实验装置的结构示意图一(加热炉及升降横梁均位于顶部极限位置)。

图2是本发明所述焦炭热态性能检测实验装置的结构示意图二(加热炉位于底部极限位置，升降横梁处于下移过程中)。

图3是本发明所述焦炭热态性能检测实验装置的结构示意图三(加热炉位于底部极限位置，加压杆停止向下移动)。

图4是本发明所述进气法兰的结构示意图。

图5是本发明所述止逆气体密封法兰的结构示意图。

图中：1.立柱2.底板3.炉体4.进气法兰5.炉管6.支撑杆7.焦炭试样8.加压杆9.升降杆10.升降横梁11.丝杆12.上横梁13.测力传感器14.升降电机15.止逆气体密封法兰16.壳体17.浮球18.锥形出气嘴19.出气嘴盖20.顶部压盖21.底部压盖22.底部密封圈23.顶部密封圈24.法兰座25.进气管26.密封圈

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：

如图1-图3所示，本发明所述一种焦炭热态性能检测实验装置，包括加热炉、加热炉升降装置、支撑杆6、加压杆8和加压杆升降装置；所述加热炉由炉体3及竖直设置在炉体3中部的炉管5组成，加热炉能够由加热炉升降装置带动上、下移动，炉管5的两端延伸于炉体3之外；沿加热炉移动方向，炉管5的下方设进气法兰4，进气法兰4的顶部设支撑杆6用于支撑焦炭试样7，炉管5下移后套设在支撑杆6外侧，并与进气法兰4密封连接；进气法兰4设进气管16与外部气体输送装置可拆卸地连接，进气管16的另一端与炉管5内部空间连通；炉管5的顶部设止逆气体密封法兰15，加压杆8穿设在止逆气体密封法兰15中并能够由加压杆升降装置带动上、下移动，加压杆8与止逆气体密封法兰15之间为移动密封连接，加压杆8与下方的支撑杆6同轴设置，加压杆8与加压杆升降装置之间设测力传感器13；测力传感器13、加热炉的加热系统、加热炉升降装置及加压杆升降装置分别连接控制系统。

所述加热炉为管式加热炉。

还包括支撑框架，所述支撑框架是由底板2、立柱1和上横梁12组成的框架式结构；进气法兰4固定在底板2上；加热炉升降装置为升降杆9，升降杆9为2个分别设于加热炉两侧，升降杆9的固定端固定在底板2上，移动端与炉体3固定连接。

所述加压杆升降装置由升降横梁10和设于升降横梁10两侧的2个丝杆升降器组成，丝杆升降器的升降电机14固定在上横梁12的顶部，丝杆11穿过上横梁12后向底板2方向延伸，升降电机14带动丝杆11转动的同时升降横梁10沿丝杆11上、下移动，升降横梁10通过测力传感器13连接加压杆8。

如图4所示，所述进气法兰4由法兰座24、进气管25和密封圈26组成，法兰座24的中部开设阶梯盲孔，阶梯盲孔的内孔用于固定支撑杆6，进气管25固定在法兰座24的一侧；进气管25上方、阶梯盲孔的外孔底部设有密封圈26，炉管5下移后通过自重压紧在密封圈26上实现进气法兰4与炉管5间的密封；进气管25通过法兰座24侧壁上的通孔及阶梯盲孔与支撑杆6之间的间隙连通炉管5内部空间。

如图5所示，所述气体止逆密封法兰15由壳体16、锥形出气嘴18、顶部密封圈23、顶部压盖20、底部密封圈22及底部压盖21组成；壳体16套装在炉管5顶部，壳体16顶部开孔供加压杆8穿过，壳体16与加压杆8之间设顶部密封圈23，通过顶部压盖20固定；壳体16底部与炉管5之间设底部密封圈22，通过底部压盖21固定；壳体16顶部一侧设锥形出气嘴18，锥形出气嘴18内设浮球17，锥形出气嘴18顶部设出气嘴盖19。

基于所述装置的一种焦炭热态性能检测实验方法，包括如下步骤：

1)制备焦炭试样7；焦炭试样7为柱状体，柱状体的两端面均垂直于轴线，且沿高向任意位置的断面形状形同、面积相等，同一批焦炭试样7的高度相同；

2)如图1所示，启动加热炉升降装置及加压杆升降装置，将加热炉与升降横梁10均升到顶部极限位置，此时炉管5和加压杆8均移动到支撑杆6的上方；将焦炭试样7置于支撑杆6上，且焦炭试样7与支撑杆6同轴设置；再将加热炉下降到底部极限位置(如图2所示)，使炉管5底部与进气法兰4密封连接；将升降横梁10下降，使加压杆8底部距离焦炭试样7顶部5～8mm；

3)通过控制系统控制炉体3升温，升温速度为3～10℃/min，终点温度为1100～1400℃，恒温时间为10～120min；升温过程中，当温度达到400～800℃时，通过进气管16开始向炉管5内通入反应气体，通入的反应气体沿炉管5向上移动过程中与焦炭试样7发生反应，然后通过止逆气体密封法兰15上的锥形出气嘴18排出；

4)启动升降电机14，使升降横梁10带动加压杆8以3mm～50mm/min的速度下降，直到焦炭试样7被压碎加压杆8无法继续下降时升降电机14停止(如图3所示)；炉体3停止加热，停止通入反应气体，换为通入惰性保护气体；当炉体温度下降到200℃以下时，停止通入惰性保护气体；在升降横梁10带动加压杆8下降过程中，当加压杆8底部接触到焦炭试样7时，开始记录时间、加压杆8的位移、焦炭试样7受力的大小，并最终计算出焦炭试样7的抗压强度及弹性模量，绘制抗压强度、弹性模量与时间的关系曲线；据此分析焦炭在模拟高炉条件下同时经受热应力及机械力时抵抗破碎和磨损的能力；

5)以上实验步骤重复进行。

所述柱状体焦炭试样的断面面积为50～100mm2，柱状体的高度为10～20mm。

所述反应气体为co、co2、水蒸气中的任意一种或几种气体任意混合，所述惰性保护气体为n2。

所述步骤3)中，不向炉管内通入反应气体，直接通入惰性保护气体，直至步骤4)中，当炉体温度下降到200℃以下时，停止通入惰性保护气体。

在实验过程中，通过控制系统进行总体协调控制，控制系统同时用于控制测试实验过程的加热温度、时间、加热炉及加压杆升降动作等，控制系统可以是plc或单片机。

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】

本实施例中，所制备的焦炭试样7为圆柱体焦炭试样，其断面面积为60mm²，高度为15mm。

先将焦炭试样7放置到支撑杆6顶部，然后加热炉下移到位，加压杆8底部距离焦炭试样7顶部的初始距离为5mm；

通过控制系统控制炉体3升温，升温速度为5℃/min，终点温度为1400℃，恒温时间为100min；升温过程中，当温度达到600℃时，通过进气管16开始向炉管5内通入co、co2及水蒸气的混合气体(反应气体)，上述混合气体的混合质量比为1：3：1；

启动升降电机14，使升降横梁10带动加压杆8以20mm/min的速度下降，直到焦炭试样7被压碎加压杆8无法继续下降时升降电机14停止；炉体3停止加热，停止通入反应气体，通入n2；当炉体3温度下降到200℃以下时，停止通入n2。

在升降横梁10带动加压杆8下降过程中，当加压杆8底部接触到焦炭试样7时，开始记录时间、加压杆的位移、焦炭试样受力的大小，并最终计算出焦炭试样的抗压强度及弹性模量，绘制抗压强度、弹性模量与时间的关系曲线；据此分析焦炭在模拟高炉条件下同时经受热应力及机械力时抵抗破碎和磨损的能力。

本实施例中，焦炭试样的抗压强度及弹性模量值如表1所示。

表1高炉焦炭热态性能检测结果

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。