[发明专利]研究高炉炉缸炉底炭砖环裂机理的实验装置及方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种研究高炉炉缸炉底炭砖环裂机理的实验装置及方法，属于冶金研究技术领域。

技术背景

炉缸炭砖环裂是指炉缸炭砖被一种环形侵蚀缝分割为内外两部分，形成侵蚀缝后阻碍炉缸热量传导，从而加速炭砖侵蚀，减少一代炉役寿命。因而对炉缸炭砖的环裂机理进行研究是十分必要的，有利于明确在炉缸内不同环缝的成因，为今后炉缸的技术改造提供必要的技术理论支持，丰富高炉长寿理论。

高炉炉缸炉底区域内是温度高达2000℃、压力高达3～4atm的环境，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。

长期以来，针对炭砖环裂缝的成因一直众说纷纭。高炉生产实践表明，碱金属和锌是破坏炭砖，使其形成环裂缝的主要原因，但对其侵蚀机理并不十分明确。国内外文献在碱金属对高炉的危害方面有过报导，一部分报导侧重于碱金属循环富集理论的研究，一部分报导侧重于碱金属对高炉原燃料性能的影响，一部分侧重于碱金属对硅铝质耐火材料的侵蚀，也有文献对高炉炉缸环裂缝内的成分进行检测和分析，但均没有相关的实验装置能精确地模拟炉缸内部环境，更没有通过对炭砖的实验对比揭示碱金属导致炭砖环裂的形成原因。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供一种简便易行的研究高炉炉缸炉底炭砖环裂机理的实验装置，本发明还提供一种利用上述实验装置进行实验的方法，以采集相关技术数据，并结合数据分析高炉炉缸炭砖的环缝成因。本发明不但能够模拟高炉炉缸炭砖的环裂过程，而且一套实验装置能够实现多种实验功能，便于分析多种技术问题。

发明概述：

实践证明：高炉炉缸的压力在3个大气压力左右；炉钢钢水温度约为1550℃左右，靠近炉壳400mm左右的位置出现的炭砖环裂缝内的温度为800～900℃；以炭砖环裂缝为界，环裂两侧的炭砖仍保持完好，而环裂缝内炭砖完全破坏；环裂两侧完好的炭砖分别表征了高于900℃和低于800℃温度区间；经对环裂缝内的物质进行化学组成分析，不难发现，存在许多的碱金属氧化物。基于实践数据，本发明的实验方法中引入碱金属钾，使其在实验过程中模拟高炉缸内的环境因素之一：碱金属因素。

基于克拉佩龙-克劳修斯方程的解析解，当环境压力为1.5atm～3.5atm时，钾的沸点约为800～900℃，比常压下的钾沸点(759℃)高出50～150℃。当环境温度高于900℃时，钾金属是气体状态，当环境温度低于800℃时，钾金属是固体状态。结合实践证明，气态钾和固态钾在高炉环境下均不能破坏炭砖，液态钾存在破坏炭砖的可能。因此能模拟炉缸内的环境，利用碱金属钾与炭砖进行实验便成了研究炉缸炭砖的环裂机理的主要途径。

热力学分析证实高炉炉缸内只有钾蒸气能稳定存在(钾的化合物不能稳定存在)，所以本发明先通过控制电阻炉内的温度，使钾金属挥发得钾蒸气，以模拟高炉炉缸内的环境；然后将电阻炉内的温度稳定在800～900℃，分散开的钾蒸汽再次变为液态，通过实验获取液态钾使炉缸炭砖形成环裂的有效证据。

电阻炉内发生的化学反应：

(a)K_(s)＝K_(g)(在存放钾的坩埚内发生)；K_(g)＝K_(l)(在钾蒸气扩散通道内发生)

(b)2K_(l)+CO＝K₂O+C；

(c)2K_(l)+3CO＝K₂CO₃+2C。

发明详述：

本发明的具体技术方案如下，

一种研究高炉炉缸炉底炭砖环裂机理的实验装置，其特征在于，它包括一氧化碳发生装置、电阻炉和尾气处理设备，一氧化碳发生装置与电阻炉的进气口相连，电阻炉的出气口和尾气处理设备相连，所述的电阻炉内有加热装置和试样炭砖；

所述的试样炭砖外形轮廓为长方体，其外形尺寸为(350～400)mm×(100～200)mm×(150～200)mm(长×宽×高)；试样炭砖顶部有一个长方体空腔，其外形尺寸为(250～350)mm×(50～80)mm×(40～60)mm，在该空腔内设置一块与其外形尺寸相适应的密封盖。在所述的密封盖上预留3个的通孔，在试样炭砖侧壁预留一个的通孔，通孔内分别安装有热电偶。在以上几个位置安装热电偶，作用是为了实时监测试样炭砖的温度，并与电阻炉和加热装置联合调温，确保模拟高炉炉缸内的温度环境。