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一种研究碳的固液竞争还原熔融铁氧化物的装置及方法
申请号	CN202311547386.3	申请日	2023-11-20	公开(公告)号	CN117660714A	公开(公告)日	2024-03-08
申请人	北京科技大学;			发明人	姜春鹤; 李克江; 张建良; 廖昊添; 熊梓鑫; 周峰;
摘要	本发明提供一种研究碳的固液竞争还原熔融铁氧化物的装置及方法，所述装置包括卧式炉、铁块、渣块、坩埚、碳材料基底、摄像机和激光加热器，其中，所述卧式炉内部设有加热管道，所述管道两侧均设有可视玻璃，其中位于激光加热器一侧的玻璃可透过激光光源；位于摄像机一侧的玻璃耐高温，供摄像机拍摄炉内状态；所述坩埚位于卧式炉内部加热管道的恒温区域，且坩埚两侧具有镂空结构，供激光加热器加热和摄像；所述铁块、渣块和碳材料基底均位于坩埚内部。通过本发明的方法可以直接判断炼铁过程中使用的碳质材料在直接还原过程中发挥作用的主要方式，即某种碳质资源的溶解性及还原性，进而有效判断其是否适合于熔融还原反应过程。
权利要求	1.一种研究碳的固液竞争还原熔融铁氧化物的装置，其特征在于，包括卧式炉、铁块、渣块、坩埚、碳材料基底、摄像机和激光加热器，其中，所述卧式炉内部设有加热管道，所述管道两侧均设有可视玻璃，其中位于激光加热器一侧的玻璃可透过激光光源；位于摄像机一侧的玻璃耐高温，供摄像机拍摄炉内状态；所述坩埚位于卧式炉内部加热管道的恒温区域，且坩埚两侧具有镂空结构，供激光加热器加热和摄像；所述铁块、渣块和碳材料基底均位于坩埚内部；所述摄像机位于所述卧式炉的一侧，所述摄像机对准坩埚镂空区域，拍摄反应过程的变化；所述激光加热器位于所述卧式炉的另一侧，所述激光加热器的光源对铁块进行加热，控制其熔化进程。 2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述碳材料基底放置在坩埚底部，渣块放置在碳材料基底上方，且所述渣块与碳材料基底接触。 3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述铁块悬挂于坩埚上部，所述铁块位于渣块上方，与渣块不接触，且所述铁块与渣块在竖直方向上的投影部分重合。 4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述铁块和渣块均为正方体，碳材料基底为长方体。 5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述铁块和渣块的尺寸相同，均为边长为 5mm的正方体，铁块与渣块的中心在水平方向上的距离为5mm，铁块与渣块的中心在竖直方向上的距离为3‑5cm。 6.一种用于研究固液竞争还原熔融铁氧化物的方法，其特征在于，所述方法在权利要求1至5任一项所述的装置中进行，所述方法包括以下步骤: S1、制备铁块、渣块和碳材料基底； S2、将碳材料基底放置在坩埚底部，渣块放置在碳材料基底上部，铁块悬挂于坩埚顶部并位于渣块上方； S3、将所述坩埚放置在卧式炉加热管道内的恒温区域，坩埚两侧的镂空结构分别对准激光加热器和摄像机，卧式炉进行加热； S4、加热至渣块熔化的目标温度后，开启激光加热器将铁块加热至其熔点温度，铁块熔融滴落并与熔渣接触； S5、利用摄像机拍摄熔渣体积变化过程； S6、待坩埚冷却后，通过SEM观察铁块与碳材料基底以及渣块与碳材料基底的反应界面，分别测量碳材料基底的侵蚀深度。 7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，S1中制备的铁块为碳含量饱和状态，且碳来源与碳材料基底一致。 8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，S1中的渣块的FeO质量分数为1％‑15％。 9.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，S3中的加热速度为20‑25℃/min，且目标温度与渣块的熔点一致，在1300‑1500℃之间。 10.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，S6中通过SEM观察得到的铁块对碳材料基底的侵蚀深度为H1，渣块对碳材料基底的侵蚀深度为H2；通过公式H＝H1/H2，进一步判断溶解碳和固体碳发挥作用的相对强弱，进而指导熔融还原炼铁工艺中的碳质材料选择； H>1时，判断溶解碳还原在熔融还原炼铁工艺中起主要作用，H<1时，判断固体碳还原起主要作用。
说明书全文	一种研究碳的固液竞争还原熔融铁氧化物的装置及方法技术领域 [0001] 本发明涉及一种研究碳的固液竞争还原熔融铁氧化物的装置及方法，属于钢铁冶炼技术领域。背景技术 [0002] 钢铁工业素有“工业粮食”之称，钢铁工业的发展严重影响社会的进程。高炉炼铁以及熔融还原炼铁过程均存在固体碳和溶解碳协同还原熔融铁氧化物的过程。在碳中和背景下，减少碳排放、提高碳的使用效率对钢铁行业的发展至关重要。随着优质碳资源的短缺，复杂含碳资源逐渐被钢铁工业采纳，因此明晰不同种类碳质资源在冶炼过程中的发挥机制和效果至关重要。 [0003] 目前，可用于研究固液两相还原熔融铁氧化物的装置和方法极其有限，无法达到直观判断碳在两种不同条件下还原熔融铁氧化物的作用异同，并且无法将反应变量控制统一，将熔融还原试验以及固液还原试验分开进行，再综合对比分析对解析固液两相竞争还原机制不具有代表性。发明内容 [0004] 本发明要解决的技术问题是提供一种用于研究碳在固液两种状态下竞争还原熔融铁氧化物过程的试验装置，解决了传统试验装置无法准确研究碳在固液两相的竞争还原机制，无法准确控制试验完成进度的问题。本发明还提供了使用该装置研究固液两相还原熔融铁氧化物的方法，该方法能模拟熔融还原工艺炉内的生产工作状态，并实时监测反应进程。 [0005] 为解决以上技术问题，本发明提供以下技术方案： [0006] 第一方面，本发明提供一种研究碳的固液竞争还原熔融铁氧化物的装置，包括卧式炉、铁块、渣块、坩埚、碳材料基底、摄像机和激光加热器，其中， [0007] 所述卧式炉内部设有加热管道，所述管道两侧均设有可视玻璃，其中位于激光加热器一侧的玻璃可透过激光光源；位于摄像机一侧的玻璃耐高温，供摄像机拍摄炉内状态； [0008] 所述坩埚位于卧式炉内部加热管道的恒温区域，且坩埚两侧具有镂空结构，供激光加热器加热和摄像；所述铁块、渣块和碳材料基底均位于坩埚内部； [0009] 所述摄像机位于所述卧式炉的一侧，所述摄像机对准坩埚镂空区域，拍摄反应过程的变化； [0010] 所述激光加热器位于所述卧式炉的另一侧，所述激光加热器的光源对铁块进行加热，控制其熔化进程。 [0011] 其中优选地，所述碳材料基底放置在坩埚底部，渣块放置在碳材料基底上方，且所述渣块与碳材料基底接触。所述铁块悬挂于坩埚上部，所述铁块位于渣块上方，与渣块不接触，且所述铁块与渣块在竖直方向上的投影部分重合。 [0012] 其中优选地，所述铁块和渣块均为正方体，碳材料基底为长方体。优选铁块和渣块的尺寸相同，均为边长为5mm的正方体，铁块与渣块的中心在水平方向上的距离为5mm，铁块与渣块的中心在竖直方向上的距离为3‑5cm。 [0013] 第二方面，本发明还提供了一种用于研究固液竞争还原熔融铁氧化物的方法，其在第一方面所述的装置中进行，所述方法包括以下步骤: [0014] S1、制备铁块、渣块和碳材料基底； [0015] S2、将碳材料基底放置在坩埚底部，渣块放置在碳材料基底上部，铁块悬挂于坩埚顶部并位于渣块上方； [0016] S3、将所述坩埚放置在卧式炉加热管道内的恒温区域，坩埚两侧的镂空结构分别对准激光加热器和摄像机，卧式炉进行加热； [0017] S4、加热至渣块熔化的目标温度后，开启激光加热器将铁块加热至其熔点温度，铁块熔融滴落并与熔渣接触； [0018] S5、利用摄像机拍摄熔渣体积变化过程； [0019] S6、待坩埚冷却后，通过SEM观察铁块与碳材料基底以及渣块与碳材料基底的反应界面，分别测量碳材料基底的侵蚀深度。 [0020] 其中优选地，S1中制备的铁块为碳含量饱和状态，且碳来源与碳材料基底一致。 [0021] 其中优选地，S1中的渣块的FeO质量分数为1％‑15％。 [0022] 其中优选地，S3中的加热速度为20‑25℃/min，且目标温度与渣块的熔点一致，在1300‑1500℃之间。 [0023] 其中优选地，S6中通过SEM观察得到的铁块对碳材料基底的侵蚀深度为H1，渣块对碳材料基底的侵蚀深度为H2；通过公式H＝H1/H2，进一步判断溶解碳和固体碳发挥作用的相对强弱，进而指导熔融还原炼铁工艺中的碳质材料选择； [0024] H>1时，判断溶解碳还原在熔融还原炼铁工艺中起主要作用，H<1时，判断固体碳还原起主要作用。 [0025] 本发明具有以下有益效果： [0026] 通过本发明可以直接判断炼铁过程中使用的碳质材料在直接还原过程中发挥作用的主要方式。以熔融还原炼铁为例，一般需要选择溶解性更好且还原效果更加的碳质材料资源。通过本发明的试验方法就可以判断某种碳质资源的溶解性以及还原性，进而有效判断其是否适合于熔融还原反应过程。附图说明 [0027] 为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。 [0028] 图1是本发明提供的研究碳的固液竞争还原熔融铁氧化物的装置示意图； [0029] 其中，1‑卧式炉； [0030] 11‑加热管道；12‑可视玻璃； [0031] 2‑坩埚； [0032] 21‑铁块、22‑渣块、23‑碳材料基底； [0033] 3‑摄像机；4‑激光加热器。 [0034] 图2(a)为实验前铁块、渣块和碳材料基底的示意图，图2(b)为实验后铁块、渣块和碳材料基底的示意图，图2(c)为图2(b)的俯视图； [0035] 图3(a)是实施例1实验前期铁水和熔渣体积照片，图3(b)为实验后期铁水和熔渣体积照片； [0036] 图4是实施例1实验后的铁水与熔渣界面微观电镜图； [0037] 图5是实施例1实验后的铁水与碳材料基底的界面微观电镜图； [0038] 图6是实施例1实验后的熔渣与碳材料基底的界面微观电镜图。具体实施方式 [0039] 为了使本发明的发明目的、技术方案和有益技术效果更加清晰，以下结合具体实施例对本发明进行详细说明。应当理解的是，本说明书中描述的实施例仅仅是为了解释本发明，并非为了限定本发明。 [0040] 第一方面，本发明提供一种研究碳的固液竞争还原熔融铁氧化物的装置，如图1所示，包括卧式炉1、铁块21、渣块22、碳材料基底23、坩埚2、摄像机3和激光加热器4，其中，[0041] 所述卧式炉1内部设有加热管道11，所述管道11两侧均设有可视玻璃12，其中位于激光加热器4一侧的玻璃12可透过激光光源；位于摄像机3一侧的玻璃耐高温，可供摄像机3拍摄炉内状态； [0042] 所述坩埚2位于卧式炉1内部加热管道11的恒温区域，且坩埚2两侧具有镂空结构(可将普通坩埚切割或定制得到)，可供激光加热器4加热和摄像机3摄像；所述铁块21、渣块22和碳材料基底23均位于坩埚2内部； [0043] 所述摄像机3位于所述卧式炉1的一侧，图1中为右侧，所述摄像机3对准坩埚2镂空区域，可供拍摄反应过程的变化； [0044] 所述激光加热器4位于所述卧式炉1的另一侧，图1中为左侧，所述激光加热器4的光源对准铁块21，以便于对铁块21进行加热，控制其熔化进程。 [0045] 在本发明的一个实施例中，所述碳材料基底23放置在坩埚2底部，渣块22放置在碳材料基底23上方，且所述渣块22与碳材料基底23接触。所述铁块21由铁丝或其他耐高温材料悬挂于坩埚2上部，所述铁块21位于渣块22上方，与渣块22不接触，且所述铁块21与渣块22在竖直方向上的投影部分重合。这样当铁块21被激光加热熔融后，会滴落至碳材料基底 23表面并同时与熔渣相接触，铁水中的碳作为溶解碳，碳材料基底23作为固体碳，可以模拟熔融还原炼铁过程中固体碳和溶解碳协同还原熔融铁氧化物的过程。 [0046] 在本发明的一个实施例中，所述铁块21和渣块22均为正方体，碳材料基底23为长方体，这样加工和测量尺寸比较容易。优选铁块21和渣块22的尺寸相同，均为边长为5mm的正方体，铁块21与渣块22的中心在水平方向上的距离为5mm，铁块21与渣块22的中心在竖直方向上的距离为3～5cm。碳材料基底23的尺寸大于渣块22，可实现上述材料的稳定放置。 [0047] 进一步地，所述卧式炉11具有加热功能，恒温区位于炉体中部。同时可对卧式炉11内部的气氛进行选择，通入气体种类包括但不限于H2、CO、CO2、N2以及Ar。 [0048] 进一步地，所述激光加热器4具有单独加热某一独立金属物体的能力，可使目标物体快速升温至设定温度，致使其熔化。 [0049] 第二方面，本发明还提供了一种用于研究固液竞争还原熔融铁氧化物的方法，其在第一方面所述的装置中进行，所述方法包括以下步骤: [0050] S1、制备铁块21、渣块22和碳材料基底23； [0051] S2、将碳材料基底23放置在坩埚3底部，渣块22放置在碳材料基底23上部，铁块21悬挂于坩埚2顶部并位于渣块22上方； [0052] S3、将所述坩埚2放置在卧式炉1加热管道11内的恒温区域，坩埚2两侧的镂空结构分别对准激光加热器4和摄像机3，卧式炉1进行加热； [0053] S4、加热至渣块22熔化的目标温度后，开启激光加热器4将铁块21加热至其熔点温度，铁块21熔融滴落并与熔渣接触； [0054] S5、利用摄像机3拍摄熔渣体积变化过程； [0055] S6、待坩埚2冷却后，通过SEM观察铁块21与碳材料基底23以及渣块22与碳材料基底23的反应界面，分别测量其侵蚀深度； [0056] 在本发明的一个实施例中，S1中制备的铁块为碳含量饱和状态，且碳来源与碳材料基底一致。由于铁水中的碳含量存在极限，本发明使用碳含量饱和的铁块，其熔化得到的铁水也是碳饱和的。可以消除当铁水中的碳不饱和时，碳溶解的时间对试验结果造成的影响。另外，碳在微观上的种类也比较多，如石墨碳、无定型碳等。碳溶解到铁液中后形态变化不会很大，因此可以控制该变量降低误差。 [0057] 在本发明的一个实施例中，S1中的渣块的FeO质量分数为1％‑15％。渣块为炼铁过程产生的炉渣，含FeO、SiO2、Al2O3、CaO、MgO等氧化物。通常渣块中的FeO含量满足该范围。 [0058] 在本发明的一个实施例中，S3中的加热速度为20‑25℃/min，且目标温度与渣块的熔点相一致，在1300‑1500℃之间。 [0059] 在本发明的一个实施例中，S4中铁块熔融滴落并与熔渣接触，熔融的铁水和熔渣均会对碳材料基底进行侵蚀。S6中通过SEM观察得到的铁块对碳材料基底的侵蚀深度为H1，渣块对碳材料基底的侵蚀深度为H2；通过公式H＝H1/H2，进一步判断溶解碳和固体碳发挥作用的相对强弱，进而指导熔融还原炼铁工艺中的碳质材料选择； [0060] H>1时，判断溶解碳还原在熔融还原炼铁工艺中起主要作用，H<1时，判断固体碳还原起主要作用。 [0061] 实施例1 [0062] 一种研究碳的固液竞争还原熔融铁氧化物的方法，该方法可以直观研究固体碳和溶解碳在还原熔融铁氧化物的竞争机制，包括以下步骤： [0063] (1)选取目标碳质材料后，将目标碳质材料磨制成粉，按照饱和碳含量与定量铁粉混合，随后高温溶解，形成具有饱和碳含量的铁样，随后将其切割成边长为5mm正方体铁块；配置FeO质量百分含量为9％的渣样，利用纯试剂(含有SiO2、Al2O3、CaO、MgO、FeO的混合物)进行混匀，高温熔化后形成均匀渣样，随后将之切割成为边长5mm的正方体渣块；将目标碳质材料切割成长方体形状，得到碳材料基底； [0064] (2)将碳材料基底放置在坩埚底部，渣块放置在碳材料基底上方；将铁块悬挂至石墨坩埚顶部，垂直方向与渣块分开；铁块与渣块的中心在水平方向上的距离为5mm，铁块与渣块的中心在竖直方向上的距离为4cm；图2(a)为实验前铁块、渣块和碳材料基底位置的示意图； [0065] (3)待所有样品放置在卧式炉中后，为保证炉内气氛为惰性气氛，向炉内以5ml/min的流量通入氩气；并以20℃/min的升温速度将卧式炉加热管道内的温度升至1400℃； [0066] (4)待卧式炉升高至目标温度后，立刻开启激光加热器对铁块进行加热，使其快速熔化并滴落，与熔渣以及碳材料基底相接触；图2(b)为实验后铁块、渣块和碳材料基底的示意图，此时铁块熔化为铁水，渣块熔化为熔渣，铁水与熔渣部分重合，且两者均会侵蚀部分碳材料基底； [0067] (5)因熔渣中含有FeO，其被还原过程中会放出CO，因此可以观察到熔渣的体积会呈现出扩大‑收缩的交替过程，如图3(a)和图3(b)所示。利用摄像头记录熔渣体积变化过程，并监测反应结束时间； [0068] (6)待反应结束后，将样品进行冷却；随后将样品沿三相中线切开，(即图2(c)的虚线部分，该切面同时可观察铁液、熔渣和碳材料基底)，以便于观察不同相界面之间的微观结构，如图4‑图6所示。 [0069] 图4是实验后的铁水与熔渣界面的微观电镜图，可以充分证明铁水中溶解碳还原熔渣中熔融铁氧化物的发生情况。 [0070] 图5是实验后的铁水与碳材料基底的界面微观电镜图，表征铁液与碳基底材料的界面接触情况。因铁水中溶解碳在还原熔融铁氧化物过程中被消耗，故铁液会进一步溶解碳质材料基底，以保证其碳饱和状态，测量侵蚀深度H1为52.1μm。 [0071] 图6是实施例1实验后的熔渣与碳材料基底的界面微观电镜图，表征熔渣与碳材料基底的界面接触情况。固体碳具有还原熔融铁氧化物的可能性，因此发现熔渣对碳质材料基底具有一定的溶解性，测量侵蚀深度H2为54.6μm。 [0072] 利用公式H＝H1/H2可以判断溶解碳和固体碳还原熔融铁氧化物的竞争关系，当H>1时，溶解碳还原占据主导；当H<1时，固体碳还原占据主导；本次实验中固体碳还原占主导作用。因而根据竞争关系可以准确指导熔融还原工艺中的碳质材料的选择，进而使碳质材料在熔融还原过程中发挥更大的作用。 [0073] 以上所述，仅为本发明的具体实施方式，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，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求确定的保护范围为准。

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