一种聚焦跟踪单个炉渣液丝破碎成滴装置及方法

摘要

本发明涉及高炉渣干法粒化装置，特别是一种聚焦跟踪单个炉渣液丝破碎成滴装置及方法。包括石墨坩埚、石墨毛细管喷嘴、控温加热炉、密封箱、保护气瓶、石墨塞棒、支架、高速摄像机、空气压缩机、竖排空气喷嘴、反衬板、接渣槽。保护气瓶、密封箱、石墨塞棒以及石墨毛细管喷嘴使液态炉渣通过石墨毛细管喷嘴流出形成液丝，并在所施加的压力和重力下破碎成液滴，空气压缩机和竖排空气喷嘴模拟随转杯旋转的炉渣液丝所经受的气动环境，整个破碎过程在反衬板的衬托下被所述高速摄像机所记录。本发明可用于研究单个炉渣液丝依照瑞利离散化机理粒化的现象，使高炉渣离心法干式粒化回收余热技术可靠地放大和推广到工业生产当中去。

权利要求

1.一种聚焦跟踪单个炉渣液丝破碎成滴装置，其特征在于：包括石墨坩埚、石墨毛细管喷嘴、控温加热炉、密封箱、保护气瓶、石墨塞棒、支架、高速摄像机、空气压缩机、竖排空气喷嘴、反衬板、接渣槽；

石墨毛细管喷嘴固接在石墨坩埚底部下端，石墨坩埚放置在控温加热炉内，控温加热炉放置在密封箱内，密封箱固定在支架上；石墨塞棒插入控温加热炉和石墨坩埚抵在石墨毛细管喷嘴上，反衬板安装在支架中部，位于石墨毛细管喷嘴两侧，高速摄像机与竖排空气喷嘴安装在支架侧面，接渣槽安装在支架底部，位于石墨毛细管喷嘴正下方；

控温加热炉加热融化高温炉渣使其融化成液体，保护气瓶提供保护和加压气体，石墨塞棒抵在石墨毛细管喷嘴上，控制熔融态高温炉渣的流动，保护气瓶、密封箱、石墨塞棒以及石墨毛细管喷嘴使液态炉渣通过石墨毛细管喷嘴流出形成液丝，并在所施加的压力和重力下破碎成液滴，空气压缩机和竖排空气喷嘴模拟随转杯旋转的炉渣液丝所经受的气动环境，整个破碎过程在反衬板的衬托下被所述高速摄像机所记录；

所述保护气瓶安装在密封箱一侧，提供保护气氛和加压气氛，保护气防止高温熔渣氧化；同时对熔融态高温熔渣施加压力和重力，使其破碎成液滴；

所述高速摄像机安装在支架一侧，聚焦单个炉渣液丝，精确地观察炉渣液丝的细微形变和断裂行为，便于找出获得直径小于2.5mm渣粒的最优条件；

所述竖排空气喷嘴安装在支架一侧，竖排空气喷嘴与空气压缩机相连，模拟实际上随转杯旋转的炉渣液丝所经受的气动环境，真实的还原实验条件。

2.根据权利要求1所述的一种聚焦跟踪单个炉渣液丝破碎成滴装置，其特征在于：所述密封箱为采用金属材料制作的密闭式箱体，保证高温炉渣在加热过程中不受外界条件影响。

3.一种基于权利要求1所述装置的聚焦跟踪单个炉渣液丝破碎成滴的方法，其特征在于，具体包括如下步骤：(1)首先将石墨塞棒放置于石墨毛细管喷嘴处，使喷嘴处于关闭状态，再把高炉渣放入石墨坩埚中，关上控温加热炉炉盖，关闭密封箱，使炉内空间处于密封状态；

(2)打开控温加热炉，以5～100℃/min的升温速度加热20～90分钟，待温度达到1000～

2500℃后停止升温并进行保温处理，此时炉渣达到熔点成熔融状态；

(3)开启石墨塞棒使石墨毛细管喷嘴处于开口状态，同时打开保护气瓶向密封箱内通入保护气体，石墨坩埚中的熔融炉渣在保护气体压力和自身重力的作用下，经过石墨毛细管喷嘴形成液丝流出；

(4)开启空气压缩机，压缩的空气通过竖排空气喷嘴喷出形成气幕吹向液丝以模拟实际上随转杯旋转的炉渣液丝所经受的气动环境；

(5)同时开启高速摄像机，流出的液丝通过反衬板映衬被高速摄像机摄录下来；

(6)根据高速摄像机所摄录下来的结果，截取张液丝拉断成液滴的照片，通过图像比对参照物的方法测出液滴直径，并求出该条件下的液滴平均直径；或通过改变气压及毛细管喷嘴口径进行多组实验，得到直径小于2.5mm渣粒的最优条件；最终粒化的渣粒通过接渣槽收集。

说明书

一种聚焦跟踪单个炉渣液丝破碎成滴装置及方法

技术领域

[0001] 本发明涉及高炉渣干法粒化装置，特别是一种聚焦跟踪单个炉渣液丝破碎成滴装置及方法。

背景技术

[0002] 高炉炼铁生产过程所排出的熔融炉渣温度在1450℃-1550℃，含有丰富显热资源而且属于高品位热源，具有极高的回收价值。炉渣干法粒化技术可以实现炉渣余热回收将有效地帮助我国钢铁企业实现大幅度节能，减排和降低冶炼成本。

[0003] 由于高炉渣的内在性质是粘度高且导热系数低，内部传热缓慢，在与外界介质(如空气)换热时，在短时间内和有限空间内，炉渣仅能得到表层的冷却；一旦外界冷却强度局部减弱，炉渣表层回温极易造成已经粒化的渣粒粘结在一起和粘结在容器内壁上；并且因粒化操作的连续性而恶性循环，累积粘结，使得炉渣粒化操作被迫中断而进行清理。所以，目前高炉渣离心式干法粒化技术未达到优化和可推广化，其实现渣液瑞利离散化的条件尚未得到充分的研究，没有一种炉渣干式粒化技术得到工业化应用。

[0004] 因此，为了强化渣粒与换热介质之间的热交换，只有将炉渣粒化成足够细小的颗粒，获得足够大的传热比表面积，才能有效地解决上述的问题。文献Prediction  of Granulated Slag Properties Produced from Spinning Disk Atomizer  by Mathematical Mode报道了通过数值模拟研究结果可以推断出当熔融炉渣颗粒直径大于2.5mm时渣粒的冷却速度有可能低于玻璃化所要求的冷却速度，致使渣粒在粒化器内有限的停留时间内冷却不足而容易发生粘结现象。而且，据文献1：Dry Granulation and Solidification of Molten Blast Furnace Slag、文献2：METEC&2nd ESTAD Conference、文献3：Dry Granulation of Molten Slag using a Rotating Multi-Nozzle Cup Atomizer and Characterization of Slag Particles等报道了目前这些技术所生产的渣粒粒径，范围都不够理想，直径大于2.5mm的渣粒仍占约30％以上，因而使得这些技术面临进一步放大的困难。为了充分研究渣液瑞利离散化的条件实现渣粒的均细化，需要一种聚焦跟踪单个炉渣液丝破碎成滴装置找出获得直径小于2.5mm渣粒的最优条件。

发明内容

[0005] 为了克服现有技术的不足，本发明提供一种聚焦跟踪单个炉渣液丝破碎成滴装置及方法。可以进行研究单根炉渣液丝依瑞利离散化原理破碎成渣滴的过程和机理，找出获得直径小于2.5mm渣粒的最优条件。

[0006] 为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案实现：

[0007] 一种聚焦跟踪单个炉渣液丝破碎成滴装置，包括石墨坩埚、石墨毛细管喷嘴、控温加热炉、密封箱、保护气瓶、石墨塞棒、支架、高速摄像机、空气压缩机、竖排空气喷嘴、反衬板、接渣槽。

[0008] 石墨毛细管喷嘴固接在石墨坩埚底部下端，石墨坩埚放置在控温加热炉内，控温加热炉放置在密封箱内，密封箱固定在支架上；石墨塞棒插入控温加热炉和石墨坩埚抵在石墨毛细管喷嘴上，反衬板安装在支架中部，位于石墨毛细管喷嘴两侧，高速摄像机与竖排空气喷嘴安装在支架侧面，接渣槽安装在支架底部，位于石墨毛细管喷嘴正下方。

[0009] 控温加热炉加热融化高温炉渣使其融化成液体，保护气瓶提供保护和加压气体，石墨塞棒抵在石墨毛细管喷嘴上，控制熔融态高温炉渣的流动，保护气瓶、密封箱、石墨塞棒以及石墨毛细管喷嘴使液态炉渣通过石墨毛细管喷嘴流出形成液丝，并在所施加的压力和重力下破碎成液滴，空气压缩机和竖排空气喷嘴模拟随转杯旋转的炉渣液丝所经受的气动环境，整个破碎过程在反衬板的衬托下被所述高速摄像机所记录。

[0010] 所述保护气瓶安装在密封箱一侧，提供保护气氛和加压气氛，保护气防止高温熔渣氧化；同时对熔融态高温熔渣施加压力和重力，使其破碎成液滴。

[0011] 所述高速摄像机安装在支架一侧，聚焦单个炉渣液丝，精确地观察炉渣液丝的细微形变和断裂行为，便于找出获得直径小于2.5mm渣粒的最优条件。

[0012] 所述竖排空气喷嘴安装在支架一侧，竖排空气喷嘴与空气压缩机相连，模拟实际上随转杯旋转的炉渣液丝所经受的气动环境，真实的还原实验条件。

[0013] 所述密封箱为采用金属材料制作的密闭式箱体，保证高温炉渣在加热过程中不受外界条件影响。

[0014] 一种聚焦跟踪单个炉渣液丝破碎成滴的方法，具体包括如下步骤：

[0015] (1)首先将石墨塞棒放置于石墨毛细管喷嘴处，使喷嘴处于关闭状态，再把高炉渣放入石墨坩埚中，关上控温加热炉炉盖，关闭密封箱，使炉内空间处于密封状态；

[0016] (2)打开控温加热炉，以5～100℃/min的升温速度加热20～90分钟，待温度达到1000～2500℃后停止升温并进行保温处理，此时炉渣达到熔点成熔融状态；

[0017] (3)开启石墨塞棒使石墨毛细管喷嘴处于开口状态，同时打开保护气瓶向密封箱内通入保护气体，石墨坩埚中的熔融炉渣在保护气体压力和自身重力的作用下，经过石墨毛细管喷嘴形成液丝流出；

[0018] (4)开启空气压缩机，压缩的空气通过竖排空气喷嘴喷出形成气幕吹向液丝以模拟实际上随转杯旋转的炉渣液丝所经受的气动环境；

[0019] (5)同时开启高速摄像机，流出的液丝通过反衬板映衬被高速摄像机摄录下来；

[0020] (6)根据高速摄像机所摄录下来的结果，截取张液丝拉断成液滴的照片，通过图像比对参照物的方法测出液滴直径，并求出该条件下的液滴平均直径；也可通过改变气压及毛细管喷嘴口径等实验条件进行多组实验，得到直径小于2.5mm渣粒的最优条件；最终粒化的渣粒通过接渣槽收集。

[0021] 与现有方法相比，本发明的有益效果是：

[0022] 本发明不仅可用于研究单个炉渣液丝依照瑞利离散化机理粒化的现象，而且还可用于研究其它高温熔体(如液态金属等)的类似现象；此外，该实验装置还具备潜力用来测定高温熔体的表面张力。本发明聚焦单个炉渣液丝，能够更精确地观察炉渣液丝的细微形变和断裂行为，可以为深入探查炉渣液丝粒化机理奠定基础；并在此基础上建立起高温瑞利离散化破碎条件范围，使高炉渣离心法干式粒化回收余热技术可靠地放大和推广到工业生产当中去。

附图说明

[0023] 图1是本发明结构示意主视图；

[0024] 图2是本发明结构示意侧视图。

[0025] 图中：1-石墨坩埚 2-石墨毛细管喷嘴 3-控温加热炉 4-密闭金属箱 5-保护气瓶6-石墨塞棒 7-支架 8-高速摄像机 9-空气压缩机 10-竖排空气喷嘴 11-反衬板12-接渣槽

具体实施方式

[0026] 下面对本发明的具体实施方式作进一步说明，但不用来限制本发明的范围：

[0027] 如图1、图2所示，一种聚焦跟踪单个炉渣液丝破碎成滴装置，包括石墨坩埚1、石墨毛细管喷嘴2、控温加热炉3、密闭金属箱4、保护气瓶5、石墨塞棒6、支架7、高速摄像机8、空气压缩机9、竖排空气喷嘴10、反衬板11、接渣槽12。

[0028] 石墨毛细管喷嘴2固接在石墨坩埚1底部下端；石墨坩埚1放置在控温加热炉3内；控温加热炉3放置在密闭金属箱4内；保护气瓶5安装在密闭金属箱4一侧；密闭金属箱4固定在支架7上；石墨塞棒6插入控温加热炉3和石墨坩埚1抵在石墨毛细管喷嘴2上；反衬板11安装在支架7中部，位于石墨毛细管喷嘴2两侧；高速摄像机8与竖排空气喷嘴10安装在支架7侧面，靠近高速摄像机8一侧的反衬板11采用透明石英玻璃制作，起到保护摄像头的目的；
竖排空气喷嘴10与空气压缩机9相连；接渣槽12安装在支架7底部，位于石墨毛细管喷嘴2正下方。

[0029] 控温加热炉3加热融化高炉渣使其融化成液体。保护气瓶5安装在密闭金属箱4一侧，提供保护气氛和加压气氛，保护气防止高温熔渣氧化；同时对熔融态高温熔渣施加压力和重力，使其破碎成液滴。高速摄像机8安装在支架一侧，聚焦单个炉渣液丝，精确地观察炉渣液丝的细微形变和断裂行为，便于找出获得直径小于2.5mm渣粒的最优条件。竖排空气喷嘴10安装在支架一侧，竖排空气喷嘴10与空气压缩机9相连，模拟实际上随转杯旋转的炉渣液丝所经受的气动环境，真实的还原实验条件。密闭金属箱4为采用金属材料制作的密闭式箱体，保证高温炉渣在加热过程中不受外界条件影响。

[0030] 本发明可用于研究单个炉渣液丝依照瑞利离散化机理粒化的现象，还可用于研究其它高温熔体(如液态金属等)的类似现象。具体步骤如下：

[0031] (1)首先将石墨塞棒6放置于石墨毛细管喷嘴2处，使喷嘴处于关闭状态，再把5kg高炉渣放入石墨坩埚1中，关上控温加热炉3炉盖，关闭密封金属箱4，使炉内空间处于密封状态。

[0032] (2)打开控温加热炉3，以25℃/min的升温速度加热50分钟，待温度达到1450℃后停止升温并进行保温处理，此时炉渣达到熔点成熔融状态。

[0033] (3)开启石墨塞棒6使石墨毛细管喷嘴2处于开口状态，同时打开保护气瓶5向密闭的金属箱体4内通入保护气体氮气，石墨坩埚1中的熔融炉渣在氮气压力和自身重力的作用下，经过石墨毛细管喷嘴2形成液丝流出。

[0034] (4)开启空气压缩机9，压缩的空气通过竖排空气喷嘴10喷出形成气幕吹向液丝以模拟实际上随转杯旋转的炉渣液丝所经受的气动环境。

[0035] (5)同时开启高速摄像机8，流出的液丝通过反衬板11映衬被高速摄像机8摄录下来，靠近摄像头一侧的反衬板11采用透明石英玻璃起到保护摄像头的目的。

[0036] (6)根据高速摄像机8所摄录下来的结果，截取1000张液丝拉断成液滴的照片，通过图像比对参照物的方法测出液滴直径，并求出该条件下的液滴平均直径。也可通过改变气压及毛细管喷嘴口径等实验条件进行多组实验，得到直径小于2.5mm渣粒的最优条件(具体见实施例1，2)。最终粒化的渣粒通过接渣槽12收集。

[0037] 实施例1

[0038] 采用粘度和高炉渣相近的液体石蜡模拟熔融态高炉渣在图1所示的破碎成滴装置进行冷态实验，具体为：

[0039] 在图1所示的破碎成滴装置内，将2L液体石蜡放入石墨坩埚1中来模拟熔融态高炉渣。实验中向密闭的密闭金属箱4通入保护气瓶5中的氮气做为加压气体。液体石蜡在压力的作用下，通过开启的石墨塞棒6流出针孔直径为0.85mm的石墨毛细管喷嘴2，形成的液丝在所施加的压力和重力的作用下破碎成液滴。该破碎过程用一架高速摄像机8进行5组测量，每组抓拍1000张，并每组选出10张较饱满的石蜡液滴图片，测出每组的液滴直径，并取平均值。空气压缩机9通过安装在实验装置一侧的一竖排空气喷嘴10所形成气幕吹向液丝以模拟实际上随转杯旋转的炉渣液丝所经受的气动环境。最终粒化的石蜡通过接渣槽12回收。

[0040] 按照上述技术方案所述的方法测试本发明实施例2的液体石蜡直径以及均匀性；测试结果为，本发明实施例2的液体石蜡直径为：1.25-1.40mm，且均匀性较好。

[0041] 实施例2

[0042] 采用某炼铁厂A高炉所产出的高炉渣在图1所示的破碎成滴装置进行实验，具体为：

[0043] 试验情况1：将5kg高炉渣装入石墨坩埚1中，打开控温加热炉3，以25℃/min的升温速度加热50分钟，待温度达到1450℃后停止升温并进行保温处理，此时炉渣达到熔点成熔融状态。在不加压的情况下开启石墨塞棒6，熔融炉渣在自身重力作用下通过直径为1.25mm的石墨毛细管喷嘴2。滴落过程通过高速摄像机8抓拍液滴图像，进行5组测量，每组抓拍1000张，并每组选出10张较饱满的液滴图片，并在每组实验之前量出铁丝直径，利用比例尺对比测出每组的液滴直径，并取平均值。

[0044] 试验情况2：将5kg高炉渣装入石墨坩埚1中，经加热炉3升温达到熔融状态，通入保护气瓶5中的氮气，使熔融炉渣在加压的条件下通过直径为0.85mm的石墨毛细管喷嘴2。由于0.85mm孔径较小，单纯靠自身重力无法使熔融炉渣流出，因此必须依靠加压的方式促使熔融炉渣形成液滴。在0.5MPa情况下通过高速摄像机8测量10次，每次抓拍1000张，并取10张测量出直径，取平均值并记录。空气压缩机9通过安装在实验装置一侧的一竖排空气喷嘴10所形成气幕吹向液丝以模拟实际上随转杯旋转的炉渣液丝所经受的气动环境。最终粒化的渣滴通过接渣槽12回收。

[0045] 按照上述技术方案所述的方法测试本发明实施例1的熔融炉渣直径以及均匀性；测试结果为，本发明实施例1的熔融炉渣渣滴直径为：1.55-1.85mm，且均匀性较好。

[0046] 本发明不仅可用于研究单个炉渣液丝依照瑞利离散化机理粒化的现象，而且还可用于研究其它高温熔体(如液态金属等)的类似现象。此外，该实验装置还具备潜力用来测定高温熔体的表面张力。本发明提供的实验装置聚焦单个炉渣液丝，能够更精确地观察炉渣液丝的细微形变和断裂行为，可以为深入探查炉渣液丝粒化机理奠定基础。

[0047] 以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，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，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。