[发明专利]一种测定高温冶金熔渣流变特性的装置及方法

说明书

技术领域

本发明属于冶金技术领域，特别涉及一种测定高温冶金熔渣流变特性的装置及方法。

背景技术

高温冶金熔渣主要由冶金原料中的氧化物或冶金过程中生成的氧化物组成的熔体；高温冶金熔渣在冶炼工艺上起重要作用；高温冶金熔渣主要是由氧化物构成，其成分与耐火材料液相十分相似，可以认为耐火材料液相有可能起到与熔渣相似的作用。实际上，在高温下一旦有一定数量的液相存在，耐火氧化物颗粒被液相所包裹，与熔融钢铁直接接触的是液相而不是耐火氧化物。高温冶金熔渣是一种高温溶液，其结构很复杂，至今仍未完全研究清楚。

火法冶金过程按冶炼方法和产品等的不同可产生各种冶金炉渣，而且炉渣性质的差异可以直接影响到冶金过程及各类冶金产品的质量；由于炉渣的组成、结构和质点间相互作用形式复杂，所以高温冶金熔渣的理论研究进展缓慢。

一般认为熔渣在较高温度下是牛顿流体，但在熔渣中存在气、固相质点或产生硅酸盐的网状结构时会表现出非牛顿流体的特性，尤其我国矿产资源多金属共生的特点，使高温冶金熔渣的组元及结构更加复杂而远远偏离了牛顿流体，如我国钒钛磁铁矿高炉冶炼产生的含钛高炉渣。长期研究和工业实践证实，若含钛高炉渣中钛仅以TiO₂或CaO·TiO₂等形式存在，不会给高炉冶炼造成很大困难。但在高温和强还原条件下，熔渣中的部分TiO₂被还原成高熔点的TiC、TiN及其固溶体Ti(C,N)，这些钛化合物通常以高度分散的微小固体颗粒形态弥散于液态炉渣中，形成气-固-液三相复杂体系，从而引起炉渣急剧变稠、流动性变差、渣中带铁以及形成泡沫渣等一系列特殊问题，给钒钛磁铁矿高炉冶炼带来困难。目前关于含钛高炉渣的生成、演变规律开展了较多的理论研究，但对其流变特性及其转变规律等问题的认识仍显得模糊和不足，相关研究落后于工业化生产实践。另外，现有高温冶金熔渣理论体系基本都是建立在均相、牛顿流体基础之上，故有很大的局限性；而实际高温冶金熔渣多为非均相非牛顿熔体，因此亟待引入新的理论和研究思路，选择正确的研究和测试方法，系统开展这类熔体的流变特性及其转变规律研究。

90年代初，Flemings首次将流变学的理论应用于液态金属半固态加工过程中出现的固液两相非牛顿熔体，很好地解释了液态金属的凝固过程，从而开拓了人们应用流变学原理解决非均相非牛顿熔体的诸多物理化学问题的新途径。采用流变学方法深入研究均相牛顿熔渣向非均相非牛顿熔渣的转变过程与规律，对全面认识高温冶金熔渣的流变特性十分有利，但遗憾的是，这方面的研究十分有限。

目前，对于高温熔体的流变特性多采用拟牛顿流体测量方法，这是一种相对的测量方法，即将未知流体特性的熔体先按牛顿流体处理，高温旋转粘度计在选定某一固定转速时，可测得该转速下熔体的粘度η，在用旋转法测量粘度时，由于坩埚、测头的尺寸确定，所以旋转运动产生的剪切速率D只是转速的函数；根据不同的转速求出相应的剪切速率，再根据该转速下测得的粘度η，由公式τ=ηD可求得剪切应力τ；根据不同D值时的τ值，作出流体的τ-D曲线，即流体的流变特性曲线，进而求出流体的本构方程；根据本构方程的形式和D的指数n（n是流动指数）大于1、等于1或小于1，进而判断流体属于牛顿流体还是非牛顿流体；但是，这种方法步骤繁琐，而且实验误差不好控制，计算出的结果准确度不高。

发明内容

针对现有高温冶金熔渣流变特性的测定技术存在的上述不足，本发明提供一种测定高温冶金熔渣流变特性的装置及方法，在降温过程中对渣样分别进行测试，根据不同剪切速率对应的剪切应力，建立本构方程，根据实际测量结果直接得到熔渣的本构方程，方便分析判断熔渣的流体类型。

本发明的测定高温冶金熔渣流变特性的装置包括电加热炉、坩埚、流变仪和温度控制系统；电加热炉固定在升降装置上，坩埚固定在电加热炉的炉管内部，流变仪的吊钩通过转杆与转子连接，转子位于坩埚内部；炉管底部设有气体通道，炉管内的热电偶与温度控制系统装配在一起，电加热炉内的发热体与温度控制系统装配在一起，流变仪与计算机装配在一起，温度控制系统与计算机连接。

上述的电加热炉的炉体内部设有保温材料，保温材料内部设有一个空腔，发热体下部位于空腔内。

上述的电加热炉的炉管顶部设有转杆通孔，转杆通孔与转杆之间有间隙；炉管底部设有坩埚座，坩埚位于炉管内的坩埚座上，且坩埚位于保温材料内部的空腔中。

上述的热电偶插入炉管底部。