一种模拟高炉炉缸炉底铁水流动的实验装置及方法

摘要

本发明涉及一种模拟高炉炉缸炉底铁水流动的实验装置及方法，包括圆筒形透明容器、密封盖、空气散放孔、冷风围管和放水口，所述的密封盖盖在圆筒形容器的上端，密封盖的直径与圆筒形透明容器的内径相适应；所述的空气散放孔设置在密封盖上；在密封盖的下表面有冷风围管，所述的冷风围管的环绕直径与圆筒形透明容器的内径相适应；在密封盖的上表面设有冷风入口，冷风入口与冷风围管相连通；所述的冷风围管上均匀设置有多个出风口，出风口朝向圆筒形透明容器内；在圆筒形透明容器上有2个放水口。本发明能够直观地反映出高炉在正常生产条件下无法观测的炉缸炉底流动状态，便于综合研究炉缸炉底的流动状态，降低了材料消耗和劳动强度，节约实验成本。

说明书

技术领域

本发明涉及一种模拟高炉炉缸炉底铁水流动的实验装置及方法，属于冶金炼铁研究技术领域。

背景技术

炉缸炉底是高炉长寿高效的限制性部位之一，研究炉缸炉底的铁水流动状态是分析炉缸炉底侵蚀规律的关键，研究炉缸炉底的铁水流动状态对高炉长寿具有重要意义。

实际工作中，高炉炉缸内铁水的温度高达1500℃，风口的理论燃烧温度高达2000℃。炉缸内的压力高达3～4个大气压，且整个生产过程为全封闭形式，外界几乎不能直接观测其内部的生产情况，在高炉炉缸炉底出现异常情况时难以分析其原因，给冶金工作者分析问题、解决问题造成困难。

国内，在高炉炉缸炉底多参数条件下的实验研究的报导较少，且没有提出统一的实验方案和实验标准，主要是因为高炉炉缸炉底铁水流动状态涉及的因素较多，需要多套实验装置或多种实验方法才能进行研究，工作量和实验成本较大，不利于科研工作者全面展开研究工作。国外在高炉炉缸炉底铁水流动状态方面的物理模型研究方面众说纷纭，针对各自关心的领域和问题自行设计物理模型，在设计物理模型的过程中提出了不同的假设并忽略了不同的影响因素，至今没有形成统一的实验方法和规范，对于不同的实验得到的结果不能相互引用、相互印证，造成大量的重复研究和资源浪费。

发明内容

针对以上的技术问题，本发明公开一种模拟高炉炉缸炉底铁水流动的实验装置，同时公开了一种利用上述实验装置模拟高炉炉缸炉底铁水流动的实验方法。

名词解释：

1、激光多普勒测速仪：利用激光的多普勒效应来测量流速的一种仪器。它是通过测量散射体内散射质点产生的多普勒频移来求得流速的。

2、无焦空间：在高炉炉缸炉底没有焦炭或孔隙度非常大的区域，其可能存在于炉缸侧壁和炉底的临近区域。

本发明的具体技术方案如下：

一种模拟高炉炉缸炉底铁水流动的实验装置，包括圆筒形透明容器、密封盖、空气散放孔、冷风围管和放水口，所述的密封盖盖在圆筒形透明容器的上端，密封盖的直径与圆筒形透明容器的内径相适应；所述的空气散放孔设置在密封盖上；在密封盖的下表面有冷风围管，所述的冷风围管的环绕直径与圆筒形透明容器的内径相适应；在密封盖的上表面设有冷风入口，冷风入口与冷风围管相连通；所述的冷风围管上均匀设置有多个出风口，出风口朝向圆筒形透明容器内；在圆筒形透明容器上有2个放水口；

在圆筒形透明容器的底部设置有4个直角三角形隔板，三角形隔板的两个直角边分别与圆筒形透明容器侧壁和底部相连，所述三角形隔板上有孔，孔的数量为5～6个，直径为8-10mm；

所述的圆筒形透明容器内设置有模拟死料柱，包括网兜、空心塑料球和玻璃球，空心塑料球和玻璃球共同盛装在塑料网兜中，所述的空心塑料球的直径分别为6mm、10mm、25mm和38mm。各种直径的空心塑料球和玻璃球的作用为调节死料柱重量，通过改变装入空心塑料球和玻璃球的数量，调节模拟死料柱的体积和重量。

所述的圆筒形透明容器外壳的尺寸为：高500-600mm，内径为515-520mm，冷风围管的环绕直径为500-510mm，所述出风口的数量为8个，所述出风口与水平面的夹角为20-70度。冷风围管的环绕直径略小于圆筒形容器外壳内径，便于安装调试。

所述的2个放水口分别为上放水口和下放水口，所述的下放水口距离圆筒形容器底部距离为120mm-130mm，下放水口直径为5mm-10mm，下放水口与水平的夹角为20-30度；所述的上放水口距离圆筒形容器底部距离为240mm-260mm，上放水口与水平的夹角为20-30度，上放水口的直径为5mm-10mm。

相邻两个直角三角形隔板之间的夹角为90度；所述的三角形隔板为直角边为80-100mm的等腰直角三角形，厚度为10-12mm；所述的圆筒形透明容器的材质为有机玻璃，所述的三角形隔板为有机玻璃板。本发明采用有机玻璃材质制作，使实验更加直观，提高实验数据的可靠性。

如需容器内达到实验压力时，先在空气放散孔处安装压力表，鼓风机通过冷风入口、出风口向圆筒形透明容器内鼓入空气，从而产生实验所需的压力，当压力达到3Kpa时关闭鼓风机。

本发明的实验装置模拟高炉炉缸的实际工作情况的原理如下：

所述的圆筒形透明容器模拟炉缸炉底，所述的密封盖用来密封，在实验时能够模拟出高炉炉缸的密封高压状态；所述出风口模拟炉缸的风口，通过出风口为圆筒形容器内部增压，模拟炉缸的高压状态；所述的三角形有机玻璃隔板模拟炉缸内的无焦空间，将无焦空间的干扰因素考虑在实验内，使得实验论证更加准确；所述的放水口模拟炉缸的铁口；所述的模拟死料柱模拟炉缸内长期沉积的死料柱，通过改变装入空心塑料球和玻璃球的数量，调节模拟死料柱的体积和重量。

实验准备工作：

1、在圆筒形透明容器的壁上垂直方向有刻度，精度为毫米。圆筒形透明容器的壁上设置有刻度的目的是：为了模拟渣铁排放过程中液面高度的变化，以研究液面高度的变化规律；

2、将模拟死料柱放入圆筒形容器内，使其最大直径处控制在400～450mm之间；

3、向圆筒形透明容器内注水，当达液面高度达300mm时，停止注水；

4、待液面稳定后，打开下放水口，测量圆筒形容器内液面高度和下放水口的流量的变化规律。

利用所述的实验装置模拟高炉炉缸炉底铁水流动状态的方法，步骤如下：

1)将模拟死料柱放入圆筒形透明容器内，调节模拟死料柱的最大直径；

2)通过空气放散孔向圆筒形透明容器中注水，当注水高度达300mm时，打开下放水口，调整注水流量，使液面高度恒定在300mm，调节模拟死料柱的漂浮高度；

3)打开激光多普勒测速仪，调整测量位置，使激光多普勒测速仪的镜头位于上放水孔的水平高度，并使镜头平面与圆筒形透明容器的纵截面平行；

4)激光多普勒测速仪开始测液体流速，测速区域是靠近圆筒形透明容器内壁50mm左右的平均流速；

5)将圆筒形透明容器的横截面的直径用分割点平分为8段，所述直径与上放水口和上放水口的连线对齐，从距离放水口近到远的方向顺序对分割点编号，分割点分别为：1、2、3、4、5、6、7；将与所述直径相垂直的半径用分割点平分4段，从靠近圆心位置向远离圆心方向顺序编号，分割点分别为8、9、10；

6)在分割点7处加入示踪剂，在除分割点7之外的其它分割点处测量示踪剂的平均停留时间；添加示踪剂的方式如下：打开空气放散孔，向分割点7处直接倒入质量分数为5％，温度为100摄氏度的高锰酸钾溶液100ml，关闭空气放散孔，重新向圆筒形透明容器内加压至3Kpa；

7)观察并记录圆筒形透明容器内的水流动情况。

在步骤1)调节模拟死料柱的最大直径为300～350mm。

在步骤1)调节模拟死料柱的最大直径为400～450mm。

在步骤2)中调节模拟死料柱的漂浮高度，使其底部距离圆筒形透明容器底部至230mm，打开上放水口，关闭下放水口；

在步骤2)中调节模拟死料柱的漂浮高度，使其底部距离圆筒形透明容器底部至100mm；

在步骤2)中调节模拟死料柱的漂浮高度后，保持模拟死料柱的漂浮高度不变，在模拟死料柱中增加直径较小的空心塑料球的比例。

本发明的有益效果是：

1、本发明通过简单易行的实验方案直观地分析高炉炉缸炉底铁水的流动状态；

2、本发明可以在同一套实验装置下实现多项研究内容，能够比较全面地帮助炼铁科研人员分析高炉炉缸炉底的工作状态，及各个客观因素对炉缸炉底工作状态的影响，既能节约科研成本，又能提高工作效率。

3、本发明能够直观地反映出高炉在正常生产条件下无法观测的炉缸炉底流动状态，能够测试炉缸炉底的速度分布及环流运动，能够模拟实际高炉的高压及鼓风状态，能够模拟高炉炉缸内死料柱的“沉坐”、“浮起”状态，能够快速地改变铁口长度和风口长度，有利于了解高炉密闭体系的生产规律。

4、本发明模拟实现了铁口长度、风口的长度、死料柱形状、风压和风量的变化，便于综合研究炉缸炉底的流动状态，降低了材料消耗和劳动强度，节约了实验成本。

附图说明

图1是本发明的实验装置的结构示意图；

图2是三角形有机玻璃隔板的结构示意图；

图3是三角有机玻璃隔板在圆筒形透明容器底部的布置图；

图4是平均停留时间测量点及示踪剂加入点示意图；

其中，1、空气放散孔；2、密封盖；3、放水口；4.、圆筒形透明容器；5、冷风围管；6、冷风入口；7、出风口；8、三角形有机玻璃隔板；20、圆孔。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明，但不限于此。

实施例1、

一种模拟高炉炉缸炉底铁水流动的实验装置，包括圆筒形透明容器、密封盖、空气散放孔、冷风围管和放水口，所述的密封盖盖在圆筒形透明容器的上端，密封盖的直径与圆筒形透明容器的内径相适应；所述的空气散放孔设置在密封盖上；在密封盖的下表面有冷风围管，所述的冷风围管的环绕直径与圆筒形透明容器的内径相适应；在密封盖的上表面设有冷风入口，冷风入口与冷风围管相连通；所述的冷风围管上均匀设置有多个出风口，出风口朝向圆筒形透明容器内；在圆筒形透明容器上有2个放水口；

在圆筒形透明容器的底部设置有4个直角三角形隔板，三角形隔板的两个直角边分别与容器侧壁和底部相连，所述三角形隔板上有孔，孔的数量为6个，直径为8mm；

所述的圆筒形透明容器内设置有模拟死料柱，包括网兜、空心塑料球和玻璃球，空心塑料球和玻璃球共同盛装在塑料网兜中，所述的空心塑料球的直径分别为6mm、10mm、25mm和38mm：直径为6mm的空心塑料球31500个，直径为10mm的空心塑料球2250个，直径为25mm的空心塑料球2750个，直径为38mm的空心塑料球500个。各种直径的空心塑料球和玻璃球的作用为调节死料柱重量，通过改变装入空心塑料球和玻璃球的数量，调节模拟死料柱的体积和重量。

所述的圆筒形透明容器外壳的尺寸为：高550mm，内径为512mm，冷风围管的环绕直径为510mm，所述出风口的数量为8个，所述出风口与水平面的夹角为20度，冷风围管的环绕直径略小于圆筒形容器外壳内径，便于安装调试。

所述的2个放水口分别为上放水口和下放水口，所述的下放水口距离圆筒形容器底部距离为120mm，下放水口直径为8mm，下放水口与水平的夹角为20-30度；所述的上放水口距离圆筒形容器底部距离为240mm，上放水口与水平的夹角为20-30度，上放水口的直径为8mm。

相邻两个直角三角形隔板之间的夹角为90度；所述的三角形隔板为直角边为80-100mm的等腰直角三角形，厚度为10mm；所述的圆筒形透明容器的材质为有机玻璃，所述的三角形隔板为有机玻璃板。本发明采用有机玻璃材质制作，使实验更加直观，提高实验数据的可靠性。

实施例2、

利用实施例1所述的实验装置模拟高炉炉缸炉底铁水流动状态的方法，步骤如下：

1)将模拟死料柱放入圆筒形透明容器内，调节模拟死料柱的最大直径为400～450mm；

2)通过空气放散孔向圆筒形透明容器中注水，当注水高度达300mm时，打开下放水口，调整注水流量，使液面高度恒定在300mm，调节模拟死料柱的漂浮高度，使模拟死料柱的底部距离容器底部100mm；

3)打开激光多普勒测速仪，调整测量位置，使激光多普勒测速仪的镜头位于上放水孔的水平高度，并使镜头平面与圆筒形透明容器的纵截面平行；

4)激光多普勒测速仪开始测液体流速，测速区域是靠近圆筒形透明容器内壁50mm左右的平均流速；在此处测速的目的在于：在实验结束后，根据激光多普勒测速仪所测得的速度数据，画出流场图；

5)将圆筒形透明容器的横截面的直径用分割点平分为8段，所述直径与上放水口和上放水口的连线对齐，从距离放水口近到远的方向顺序对分割点编号，分割点分别为：1、2、3、4、5、6、7；将与所述直径相垂直的半径用分割点平分4段，从靠近圆心位置向远离圆心方向顺序编号，分割点分别为8、9、10；

6)在分割点7处加入示踪剂，在除分割点7之外的其它分割点处测量示踪剂的平均停留时间；添加示踪剂的方式如下：打开空气放散孔，向分割点7处直接倒入质量分数为5％，温度为100摄氏度的高锰酸钾溶液100ml，关闭空气放散孔，重新向圆筒形透明容器内加压至3Kpa；

7)观察并记录圆筒形透明容器内的水流动情况。

实施例3、

如实施例2所述的方法，其区别在于，所述步骤1)调节模拟死料柱的最大直径为300～350mm。

实施例4、

如实施例2所述的方法，其区别在于，在步骤2)中调节模拟死料柱的漂浮高度，使其底部距离圆筒形透明容器底部至230mm，打开上放水口，关闭下放水口。

实施例5、

如实施例2所述的方法，其区别在于，在步骤2)中调节模拟死料柱的漂浮高度，使其底部距离圆筒形透明容器底部至100mm。

实施例6、

如实施例2所述的方法，其区别在于，在步骤2)中调节模拟死料柱的漂浮高度后，保持模拟死料柱的漂浮高度不变，在模拟死料柱中增加直径较小的空心塑料球的比例。