CN110726662A - 一种评价耐火材料抗熔融渣铁和侵蚀性能的实验装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种评价耐火材料抗熔融渣铁和侵蚀性能的实验装置，包括实验炉本体和其内的砌筑结构，砌筑结构包括炉底耐火结构、透气砖层、侧壁耐火结构和炉膛，还包括冷却机构、加热机构、测温机构、气体搅拌机构和倾动机构。本发明可用于研究渣铁环流速度对耐火材料的动态侵蚀，准确的评价耐火材料的抗渣铁侵蚀性能；能够准确的反映耐火材料的性能；开槽加入化学药品模拟对耐火材料的影响；热电偶温度探头用于研究耐火材料的温度分布；通过渣铁对耐火材料的溶蚀和有害元素侵蚀研究高炉耐火材料热面形成保护层的机理；还可测量与熔融渣铁接触耐火材料的质量变化率；并能够对实验后的耐火材料微观形貌、成分和物相的变化进行分析。

Description

一种评价耐火材料抗熔融渣铁和侵蚀性能的实验装置

技术领域

本发明属于耐火材料技术领域，具体涉及一种评价耐火材料抗熔融渣铁和侵蚀性能的实验装置。

背景技术

高炉炉缸长寿是限制高炉寿命主要原因之一。随着原燃料质量的下降、碱金属及锌负荷增加，使高炉炉缸环境更加恶劣。高炉炉缸内填充中熔融渣铁、焦炭和煤气，砌筑在炉缸的内衬材料长时间承受着熔融渣铁的冲刷、溶蚀、渗透、热应力、剪切应力和化学反应等的破坏。近几年来，多座大高炉因炉缸烧穿，不仅带来了安全隐患，而且还给企业带了巨大的经济损失。因此，在更贴近高炉实际环境下，对砌筑在炉缸的耐火材料性能评价的方法至关重要。

目前关于高炉耐火材料抗渣铁侵蚀、碱金属和锌的侵蚀指标实验方法存在如下缺点：（1）在无冷却的条件下进行的，与高炉炉缸实际环境存在一定的差异，不能表征高炉生产中耐火材料热面是否能够形成凝固的保护层；（2）每个指标都是单独进行的检验的，且实验方法样品比较小，取样位置不同结果可能不同；（3）未对炭砖的铁水、碱金属和锌渗透深度及微观形貌等进行表征；（4）抗渣铁侵蚀实验分开进行，不能够表征渣铁界面处耐火材料的侵蚀程度；（5）目前还没有对耐火材料的温度分布进行评价。

发明内容

本发明的目的是提供一种评价耐火材料抗熔融渣铁和侵蚀性能的实验装置，以解决上述问题。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种评价耐火材料抗熔融渣铁和侵蚀性能的实验装置，包括实验炉本体和设置于实验炉本体内的砌筑结构，所述砌筑结构包括设置于实验炉本体底部的炉底耐火结构，炉底耐火结构的中部穿设透气砖层，炉底耐火结构的上方设置侧壁耐火结构，侧壁耐火结构呈环形，环形内设置炉膛，所述实验炉本体上设置冷却机构，炉膛内设置加热机构，炉膛和砌筑结构内分别穿设测温机构，透气砖层的底部设置气体搅拌机构，实验炉本体的外部设置倾动机构。

所述炉底耐火结构由若干层炉底耐火材料层组成，每层由若干炉底耐火砖沿圆周方向依次拼接组成；所述侧壁耐火结构由若干层侧壁耐火材料层组成，每层由若干侧壁耐火砖沿圆周方向依次拼接组成，侧壁耐火砖内穿设有铁口通道，用于贯通炉膛和设置于实验炉本体外部的出铁口。

所述侧壁耐火砖包括外环耐火砖和内环耐火砖，炉底耐火砖和外环耐火砖的上表面分别设置热电偶槽，热电偶槽以实验炉本体的轴心为圆心放射状设置，热电偶槽靠近实验炉本体炉壁的一侧开放；所述内环耐火砖中至少一块的上表面上设置侵蚀物槽。

为了冷却耐火材料，所述冷却机构包括设置于实验炉本体内壁上的若干组冷水管，冷水管的进水端和出水端分别通过设置于实验炉本体外壁上的进水围管和出水围管与进水管路和出水管路相连通，进水管路上设有流量控制阀。其中冷水管采用多组蛇形冷水管均匀分布于实验炉本体的内壁上，冷却水由进水管路进入进水围管后进入冷水管的进水口，从冷水管的出水口进入出水围管后由出水管路排出即完成冷却循环。

为了熔化炉膛内加入的实验原料，所述加热机构包括三个石墨电极，石墨电极的顶端设置升降装置，石墨电极和升降装置通过短网系统、供电装置和变压器与PLC连通。

为了监测耐火材料的温度和性能，所述测温机构包括炉膛测温装置和耐火材料测温装置，炉膛测温装置和耐火材料测温装置均包括热电偶温度探头和与热电偶温度探头通过导线连接的温度监测装置，炉膛测温装置的热电偶温度探头与石墨电极平行穿设入炉膛内，耐火材料测温装置的热电偶温度探头分别设置于热电偶槽内。耐火材料测温装置的热电偶测温探头放在槽里，然后进入捣打料，最后穿过实验炉本体的侧壁上开的孔，与补偿导线连接，在与信号处理装置连接显示温度。

所述气体搅拌机构包括设置于透气砖层底部的进气管，进气管通过管路与气瓶连通，管路上设有转子流量计和减压阀。气瓶内的高纯氮气通过进气管穿过透气砖层进入炉膛即可向盛有熔融渣铁的炉膛内供应气体搅拌熔融的渣铁，从而模拟实际高炉炉缸铁水环流速度对耐火材料侵蚀的影响，其中转子流量计用于控制进入透气砖层的气体流量，而减压阀用于控制进入透气砖层的气体压力。

所述砌筑结构和实验炉本体的内壁之间设置捣打料层，冷水管设置于捣打料层内。捣打料层用于严密密封砌筑结构和实验炉本体之间的缝隙。

为了对炉膛保温及防止渣铁的飞溅，所述炉膛的顶部设置炉盖，炉盖上穿设有三个电极孔、加料孔和测温孔。炉盖可以防止熔融渣铁的飞溅及空气中氧气对实验结果的影响，加料孔可用于向炉膛加入实验原料。

本发明相较于现有技术的有益效果为：

本发明的装置配备底吹氮气装置来搅拌炉膛内熔融渣铁，通过调节通入氮气的体积流量，研究渣铁环流速度对耐火材料的动态侵蚀；向炉膛内加入适量的铁块和高炉渣，采用电极加热装置来熔化渣铁形成熔融渣铁层，能够模拟熔融渣铁同时存在时对不同耐火材料的动态侵蚀，更加准确的评价耐火材料的抗渣铁侵蚀性能，特别是渣铁交界面处耐火材料的侵蚀性能，同时耐火材料尺寸大，与熔融渣铁接触面积较传统的测试方式大大增加，更加准确的反映耐火材料的性能；通过在耐火材料上开槽加入碱金属和锌等化学药品模拟实际高炉炉缸碱金属和锌对耐火材料的影响；通过布置在耐火材料中的热电偶温度探头可以对耐火材料的温度分布进行评价，研究耐火材料的温度分布；通过渣铁对耐火材料的溶蚀和有害元素侵蚀研究高炉耐火材料热面形成保护层的机理，以研发更适合高炉长寿的耐火材料；实验结束后，分别测量与熔融渣铁接触耐火材料的质量变化率；然后在分别对实验后的耐火材料微观形貌（SEM-EDS）、成分（XRF）和物相（XRD）的变化进行分析。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明中砌筑结构的部分结构示意图（示侵蚀物槽和热电偶槽）；

图3为本发明中炉底耐火材料层的结构示意图；

图4为本发明中实验炉本体的纵向剖视图；

图5为本发明中炉盖的结构示意图；

图6为本发明中炉膛测温装置的结构示意图；

图7为本发明中耐火材料测温装置的工作示意图；

附图标记含义如下：1、实验炉本体；2、炉底耐火结构；3、透气砖层；4、侧壁耐火结构；5、炉膛；6、倾动机构；7、炉底耐火材料层；8、炉底耐火砖；9、侧壁耐火材料层；10、侧壁耐火砖；11、铁口通道；14、外环耐火砖；15、内环耐火砖；16、热电偶槽；17、侵蚀物槽；18、冷水管；19、进水围管；20、出水围管；21、进水管路；22、出水管路；23、流量控制阀；24、石墨电极；25、升降装置；26、短网系统；27、供电装置；28、变压器；29、PLC；30、炉膛测温装置；31、耐火材料测温装置；32、热电偶温度探头；33、温度监测装置；34、进气管；35、气瓶；36、转子流量计；37、减压阀；38、捣打料层；39、炉盖；40、电极孔；41、加料孔；42、测温孔；43、出铁口；44、渣铁池。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。

如图1-7所示，一种评价耐火材料抗熔融渣铁和侵蚀性能的实验装置，包括实验炉本体1和设置于实验炉本体1内的砌筑结构，所述砌筑结构包括设置于实验炉本体1底部的炉底耐火结构2，炉底耐火结构2的中部穿设透气砖层3，炉底耐火结构2的上方设置侧壁耐火结构4，侧壁耐火结构4呈环形，环形内设置炉膛5，所述实验炉本体1上设置冷却机构，炉膛5内设置加热机构，炉膛5和砌筑结构内分别穿设测温机构，透气砖层3的底部设置气体搅拌机构，实验炉本体1的外部设置倾动机构6。

所述炉底耐火结构2由若干层炉底耐火材料层7组成，每层由若干炉底耐火砖8沿圆周方向依次拼接组成；所述侧壁耐火结构4由若干层侧壁耐火材料层9组成，每层由若干侧壁耐火砖10沿圆周方向依次拼接组成，侧壁耐火结构4内穿设有铁口通道11，用于贯通炉膛5和设置于实验炉本体1外部的出铁口43。

所述侧壁耐火砖10包括外环耐火砖14和内环耐火砖15，炉底耐火砖8和外环耐火砖14的上表面分别设置热电偶槽16，热电偶槽16以实验炉本体1的轴心为圆心放射状设置，热电偶槽16靠近实验炉本体1炉壁的一侧开放；所述内环耐火砖14中至少一块的上表面上设置侵蚀物槽17。

所述冷却机构包括设置于实验炉本体1内壁上的若干组冷水管18，冷水管18的进水端和出水端分别通过设置于实验炉本体1外壁上的进水围管19和出水围管20于进水管路21和出水管路22相连通，进水管路21上设有流量控制阀23。

所述加热机构包括三个石墨电极24，石墨电极24的顶端设置升降装置25，石墨电极24和升降装置25通过短网系统26、供电装置27和变压器28与PLC29连通。

所述测温机构包括炉膛测温装置30和耐火材料测温装置31，炉膛测温装置30和耐火材料测温装置31均包括热电偶温度探头32和与热电偶温度探头32通过导线连接的温度监测装置33，炉膛测温装置30的热电偶温度探头32与石墨电极24平行穿设入炉膛5内，耐火材料测温装置31的热电偶温度探头32分别设置于热电偶槽16内。

所述气体搅拌机构包括设置于透气砖层3底部的进气管34，进气管34通过管路与气瓶35连通，管路上设有转子流量计36和减压阀37。

所述砌筑结构和实验炉本体1的内壁之间设置捣打料层38，冷水管18设置于捣打料层38内。

所述炉膛5的顶部设置炉盖39，炉盖39上穿设有三个电极孔40、加料孔41和测温孔42。

实验前，先在实验炉本体1的底部砌筑透气砖层3，并将进气管34卡设于实验炉本体1的底面预留孔内，使进气管34与透气砖层3连通，然后在用捣打料填充覆盖实验炉本体1的底面即透气砖层3周围，再根据实验设计选择耐火材料围绕透气砖层3铺设砌筑结构，先将4块炉底耐火砖8相互拼接组成炉底耐火材料层7，根据设计的层数依次向上叠加铺设，铺设完成炉底耐火结构2后，透气砖层3的顶面与炉底耐火材料层7的顶面平齐，然后在炉底耐火结构2上铺设侧壁耐火结构4，先将4块侧壁耐火砖10相互拼接组成环形的侧壁耐火材料层9，即逐层铺设内环耐火砖15和外环耐火砖14，每砌筑一层就用捣打料填充相应高度的蛇形冷水管18周围的空隙，再根据设计选择中间的一层铺设一块设置有侵蚀物槽17的内环耐火砖14，并将设计中选择的碱金属、锌等化学试剂预先放入侵蚀物槽17内后再用无侵蚀物槽17的内环耐火砖15进行覆盖铺设，开出铁口通道11贯通炉膛5和出铁口43，铁口通道11与炉膛5相通一端的高度低于与出铁口43相通一端的高度，即斜向上开至设置在实验炉本体1外部的出铁口43相通的位置，铺设每层炉底耐火结构2和侧壁耐火结构4时将热电偶槽与实验炉本体1侧壁上预留的开孔对齐后，将热电偶温度探头32从实验炉本体1的侧壁上的开孔穿入后卡入热电偶槽16内，至砌筑结构完成铺设时，捣打料层38即形成，此时即可将将炉盖39覆盖在炉膛5顶面并固定。

进行实验时：

1、启动短网系统26、供电装置27、变压器28、PLC29和温度检测装置33等电子装置，并开启气瓶35通过减压阀37和转子流量计36调整气体流量和压力将氮气通入透气砖层3，按实验设计方案调节冷却水量，打开循环水系统，调整流量控制阀13使水在设计压力和流量下依次通过进水管路21、进水围管19、冷水管18、出水围管20和出水管路22，最终进入水箱完成循环冷却。

2、通过PLC29启动升降装置25将石墨电极24提升至离开实验炉本体1，由加料孔41加入铁块，PLC29将供电装置27的电流调整至设计值，将变压器28的电压调整至设计值，确认电极平台无人操作后，打开合闸允许钥匙开关并按合闸旋扭，变压器28一次合闸灯亮且3相电极电压表指示。再通过PLC29启动升降装置25使石墨电极24沿竖直方向下降，3个石墨电极24分别穿过电极孔40并接触到炉料时停止下降，此时电弧产生，电炉开始冶炼。

3、当加入的铁块完全融化，通过PLC29启动升降装置25使石墨电极24提升，当弧流减小为0时，分闸断开变压器28，然后将石墨电极24提升离开实验炉本体1，将炉膛测温装置30的热电偶温度探头32由测温孔42插入测量铁水温度，温度达到实验所需的温度后，由加料孔41加入高炉渣，在按照初次加料时的运行方式重新开始冶炼。

4、当高炉渣完全融化后，即可根据实验设计将加热功率通过供电装置27和变压器28调整至适当数值，达到实验所需的温度及时间即完成冶炼过程。

5、冶炼结束后，打开出铁口43并通过倾动机构6使实验炉本体1倾斜出铁至渣铁池44内，出铁完毕将实验炉本体1快速回至水平位置，待炉体冷却后，停止冷却水，停止通入氮气，进行拆炉取样。

6、根据实验设计方案对采集到的数据进行分析，分析耐火材料成分、物相、微观形貌及宏观形貌，明确耐火材料的破损机理。

Claims (9)

1.一种评价耐火材料抗熔融渣铁和侵蚀性能的实验装置，其特征在于：包括实验炉本体（1）和设置于实验炉本体（1）内的砌筑结构，所述砌筑结构包括设置于实验炉本体（1）底部的炉底耐火结构（2），炉底耐火结构（2）的中部穿设透气砖层（3），炉底耐火结构（2）的上方设置侧壁耐火结构（4），侧壁耐火结构（4）呈环形，环形内设置炉膛（5），所述实验炉本体（1）上设置冷却机构，炉膛（5）内设置加热机构，炉膛（5）和砌筑结构内分别穿设测温机构，透气砖层（3）的底部设置气体搅拌机构，实验炉本体（1）的外部设置倾动机构（6）。

2.如权利要求1所述的评价耐火材料抗熔融渣铁和侵蚀性能的实验装置，其特征在于：所述炉底耐火结构（2）由若干层炉底耐火材料层（7）组成，每层由若干炉底耐火砖（8）沿圆周方向依次拼接组成；所述侧壁耐火结构（4）由若干层侧壁耐火材料层（9）组成，每层由若干侧壁耐火砖（10）沿圆周方向依次拼接组成，侧壁耐火结构（4）内穿设有铁口通道（11），用于贯通炉膛（5）和设置于实验炉本体（1）外部的出铁口（43）。

3.如权利要求2所述的评价耐火材料抗熔融渣铁和侵蚀性能的实验装置，其特征在于：所述侧壁耐火砖（10）包括外环耐火砖（14）和内环耐火砖（15），炉底耐火砖（8）和外环耐火砖（14）的上表面分别设置热电偶槽（16），热电偶槽（16）以实验炉本体（1）的轴心为圆心放射状设置，热电偶槽（16）靠近实验炉本体（1）炉壁的一端开放；所述内环耐火砖（15）中至少一块的上表面上设置侵蚀物槽（17）。

4.如权利要求3所述的评价耐火材料抗熔融渣铁和侵蚀性能的实验装置，其特征在于：所述冷却机构包括设置于实验炉本体（1）内壁上的若干组冷水管（18），冷水管（18）的进水端和出水端分别通过设置与实验炉本体（1）外壁上的进水围管（19）和出水围管（20）与进水管路（21）和出水管路（22）相连通，进水管路（21）上设有流量控制阀（23）。

5.如权利要求4所述的评价耐火材料抗熔融渣铁和侵蚀性能的实验装置，其特征在于：所述加热机构包括三个石墨电极（24），石墨电极（24）的顶端设置升降装置（25），石墨电极（24）和升降装置（25）通过短网系统（26）、供电装置（27）和变压器（28）与PLC（29）连通。

6.如权利要求5所述的评价耐火材料抗熔融渣铁和侵蚀性能的实验装置，其特征在于：所述测温机构包括炉膛测温装置（30）和耐火材料测温装置（31），炉膛测温装置（30）和耐火材料测温装置（31）均包括热电偶温度探头（32）和与热电偶温度探头（32）通过导线连接的温度监测装置（33），炉膛测温装置（30）的热电偶温度探头（32）与石墨电极（24）平行穿设入炉膛（5）内，耐火材料测温装置（31）的热电偶温度探头（32）分别设置于热电偶槽（16）内。

7.如权利要求6所述的评价耐火材料抗熔融渣铁和侵蚀性能的实验装置，其特征在于：所述气体搅拌机构包括设置于透气砖层（3）底部的进气管（34），进气管（34）通过管路与气瓶（35）连通，管路上设有转子流量计（36）和减压阀（37）。

8.如权利要求7所述的评价耐火材料抗熔融渣铁和侵蚀性能的实验装置，其特征在于：所述砌筑结构和实验炉本体（1）的内壁之间设置捣打料层（38），冷水管（18）设置于捣打料层（38）内。

9.如权利要求8所述的评价耐火材料抗熔融渣铁和侵蚀性能的实验装置，其特征在于：所述炉膛（5）的顶部设置炉盖（39），炉盖（39）上穿设有三个电极孔（40）、加料孔（41）和测温孔（42）。

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