一种气基还原试验装置和方法与流程

本发明属于气基还原试验设备技术领域，尤其涉及一种气基还原试验装置和方法。

背景技术：

直接还原铁(dri)又称海绵铁，是铁矿石在低于熔化温度下直接还原得到的含铁产品。海绵铁是一种废钢的代用品，是电炉冶炼纯净钢、优质钢不可缺少的杂质稀释剂，是转炉炼钢优质的冷却剂，是发展钢铁冶金短流程不可或缺的原料。2014年，全世界直接还原铁的年产量达7450万吨，创历史新高。我国将直接还原工艺列为钢铁工业发展的主要方向之一。

生产直接还原铁的工艺称为直接还原法，属于非高炉炼铁工艺，分为气基法和煤基法两大类。目前世界范围内，76％的直接还原铁是通过气基法生产。每种不同的铁矿石在进行气基竖炉直接还原工业化前，均需要进行基础气基还原测试，以摸索确定气基还原的基本参数和考察还原性能等指标是否符合大型工业化要求。

co是气基还原测试时还原气必需的气体之一，co气体在500-700℃范围内易发生析碳反应。配有大量比例co的还原气在进气管道预热过程中会较长时间经过该温度段，故易发生析碳现象，而使炉内反应固体物料(氧化球团/海绵铁)表面粘上不少碳粉，而影响还原反应的试验进行，进而影响试验数据的准确性；严重析碳情况下，还会造成还原气进气管道堵塞，损坏反应装置使得试验无法进行。

技术实现要素：

为了解决上述问题，本发明期望提出一种气基还原试验装置和方法，通过设置多条并联的分枝管道，使得还原气快速通过500～700℃温度段，大大降低还原气进气管道中析碳现象的发生，达到析碳现象基本对还原反应不影响的程度。

本发明的目的之一是提供一种气基还原试验装置，包括加热炉、反应管、进气管、配气装置、称重装置和测温装置；

所述加热炉设有空腔；

所述反应管内部中空，底部设有进气口；

所述进气管包括上主管道、分枝管道和下主管道，所述分枝管道多条并联，所述上主管道的出气口连通所述分枝管道的进气口，所述分枝管道的出气口连通所述下主管道进气口；

所述反应管设置在所述加热炉内，所述配气装置出气口连通所述上主管道进气口，所述下主管道出气口连通所述反应管进气口，所述称重装置连接所述反应管，所述测温装置设置所述反应管的内部。

称重装置用于称量反应管的重量，以记录还原反应过程中试样的重量变化情况和还原度变化情况。测温装置用于测量反应管内试样的温度。

作为本发明优选的方案，所述反应管的顶部设有出气口。反应管的出气口用于排出气体，亦可设置在反应管侧壁的上部。根据实际使用的情况确定反应管出气口的位置。

优选的，所述反应管的顶部设有测温装置安装孔，所述测温装置通过所述测温装置安装孔固定。测温装置用于测量试样的温度，将试样放入反应管后，将测温装置通过测温装置安装孔插入反应管并固定，测温装置的一端延伸到试样中。

进一步的，本发明的装置还包括孔板，所述孔板上设有贯通的孔；所述孔板安装在所述反应管内，将所述反应管的内腔分隔为上腔和下腔。

优选的，所述称重装置包括电子天平和挂钩，所述反应管通过所述挂钩悬挂在所述电子天平的下方。另一种方案，称重装置也可以是电子秤，安装在反应管的下方，用于实时测量反应管的重量。

作为本发明优选的方案，所述配气装置包括多个气瓶和混气装置，所述气瓶连通所述混气装置。

本发明的另一目的是提供一种利用上述装置进行气基还原试验的方法，包括以下步骤：

a、将试样送入所述反应管，对试样进行加热，所述称重装置实时测量所述反应管的重量，所述测温装置测量所述反应管内试样的温度；

b、所述配气装置将还原气送入所述上主管道，所述上主管道对所述还原气进行预热，预热至350～450℃后送入所述分枝管道；

c、所述分枝管道对预热后还原气进行加热，将所述预热后的还原气加热至800～850℃；

d、将所述加热后的还原气通过所述下部管道通入所述反应管，与所述试样发生还原反应。

进一步的，本发明的方法还包括步骤：通过所述反应管顶部的出气口，将所述反应管内的气体排出。

作为本发明优选的方案，所述步骤a中，将所述试样放置在所述孔板上。试样在孔板是可以更好的与还原气接触，有利于还原反应的进行。

具体的，在步骤b之前包括步骤：所述配气装置将多种不同的气体混合为还原气。

本发明提供的气基还原试验装置和方法，在还原气的进气管上设置分枝管道，增加还原气受热的比表面积，使预热到约400℃的还原气快速升温至800℃以上，极大的降低了co析碳反应的发生，提高了气基还原测试结果的准确性。

附图说明

图1是本发明实施例气基还原试验装置结构示意图；

图2是本发明实施例进气管结构图；

图3是本发明实施例气基还原试验方法的流程图。

具体实施方式

以下结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式进行更加详细的说明，以便能够更好地理解本发明的方案及其各个方面的优点。然而，以下描述的具体实施方式和实施例仅是说明的目的，而不是对本发明的限制。

如图1所示，一方面，本发明实施例提供一种气基还原试验装置，用于铁矿石的气基还原测试，该装置包括加热炉1、反应管2、进气管3、配气装置4、称重装置5和测温装置6。

加热炉1为电阻加热炉，设有空腔，用于试样和还原气的加热。

反应管2为圆柱形，内部中空，底部设有进气口。反应管2的顶部密封，顶部设有出气口和测温装置安装孔。试样放入反应管2内，将还原气由进气口通入，与试样发生还原反应。

进气管3用于将冷还原气加热后送入反应管2，以便还原反应的进行。加热还原气的热量由加热炉1提供。如图2所示，进气管3包括上主管道301、分枝管道302和下主管道303。分枝管道302为四条，其并联在一起。上主管道301的出气口连通分枝管道302的进气口，分枝管道302的出气口连通下主管道303进气口，下主管道303的出气口连通反应管2的进气口。

上主管道301可将冷还原气余热到约400℃，预热后的还原气进入分枝管道302，由于分枝管道302增大了还原气的受热比表面积，使得还原气可快速升温至800℃以上。还原气在500～700℃的时间极短，基本不发生析碳现象。避免了进气管的堵塞和析碳反应对还原反应的影响。

配气装置4用于生成还原气，其包括气体流量计控装置、混气装置、n2气瓶401、co气瓶402、co2气瓶403和h2气瓶404。各气瓶与混气装置连通，混气装置的出气口连通上主管道301的进气口。本发明实施例中，气体流量计控装置用于气体流量的控制，优选为质量流量控制器。

称重装置5用于称量反应管的重量，以记录还原反应过程中试样的重量变化情况和还原度变化情况。本发明实施例的称重装置5包括电子天平501和挂钩502。反应管2通过挂钩502悬挂在电子天平501的下方，反应管2放置在加热炉1内。电子天平501可将试样和反应管的重量精确至1g。

测温装置6用于实时测量反应管内试样的温度。测温装置6为细长的热电偶。测温装置6的一端通过测温装置安装孔固定在反应管上，另一端插入试样中，实时监测试样的温度。

孔板7为饼状，孔板7上设有贯通的孔。孔板7安装在反应管2内，将反应管2的内腔分隔为上腔201和下腔202。使用时，将试样放置在孔板7上，还原气经反应管的进气口进入反应管的下腔202，通过孔板7上的贯通孔，进入上腔201。孔板7可使试样与还原气接触更充分，便于还原反应的进行。

另一方面，如图3所示，本发明实施例提供一种利用上述装置进行气基还原试验的方法，包括以下步骤：

1、将试样放置在孔板上，对试样进行加热，称重装置实时测量反应管的重量，测温装置测量反应管内试样的温度。

2、配气装置将n2、co、co2和h2混合为还原气。

3、配气装置将还原气送入上主管道，上主管道对还原气进行预热，预热至350～450℃后送入分枝管道。

4、分枝管道对预热后还原气进行加热，将预热后的还原气加热至800～850℃。

5、将加热后的还原气通过下部管道通入反应管，与试样发生还原反应。

6、反应管内的气体通过反应管的出气口排出。

实施例1

气基还原试验的流程如下：

1、反应管填装试样为氧化球团，重量为500g，还原反应温度设定为830℃。

2、h2、co、co2、n2等钢瓶气经质量流量控制器配气、混匀成所需的还原气，气体成分的体积百分比为h2+co＝92.0％、co2为2.5％、ch4为1.5％、n2为4.0％，气体流量为16l/min。

3、还原气经进气管道的上主管段从室温预热到410℃后，进入长度约35cm长的四条分枝并联管道快速预热到830℃后从底部通入反应管。

4、热还原气流经反应管内孔板和陶瓷球后与试样接触进行还原反应，将氧化球团还原成海绵铁，产生的还原尾气从反应管出气口管道排出。

5、热电偶插入到试样中，用于测量反应试样温度；加热炉来给反应管提供所需的830℃温度；电子天平用于实时测量反应管的重量，以记录还原反应过程中试样的重量变化情况和还原度变化情况。1.5h后还原度为92％。还原反应后取出并查看试样，发现试样表面只有少量的析碳，称重约2.3g。

实施例2

气基还原试验的流程如下：

1、反应管填装试样为氧化球团，重量为500g，还原反应温度设定为840℃。

2、h2、co、co2、n2等钢瓶气经质量流量控制器配气、混匀成所需的还原气，气体成分的体积百分比为h2+co＝94.0％、co2为1.5％、ch4为1.5％、n2为3.0％，气体流量为16l/min。

3、还原气经进气管道的上主管段从室温预热到440℃后，进入长度约35cm长的四条分枝并联管道快速预热到840℃后从底部通入反应管。

4、热还原气流经反应管内孔板和陶瓷球后与试样接触进行还原反应，将氧化球团还原成海绵铁，产生的还原尾气从反应管出气口管道排出。

5、热电偶插入到试样中，用于测量反应试样温度；加热炉来给反应管提供所需的840℃温度；电子天平用于实时测量反应管的重量，以记录还原反应过程中试样的重量变化情况和还原度变化情况。1.5h后还原度为93％。还原反应后取出并查看试样，发现试样表面只有少量的析碳，称重约1.9g。

实施例3

气基还原试验的流程如下：

1、反应管填装试样为氧化球团，重量为500g，还原反应温度设定为810℃。

2、h2、co、co2、n2等钢瓶气经质量流量控制器配气、混匀成所需的还原气，气体成分的体积百分比为h2+co＝92.0％、co2为2.3％、ch4为1.6％、n2为4.1％，气体流量为16l/min。

3、还原气经进气管道的上主管段从室温预热到360℃后，进入长度约35cm长的四条分枝并联管道快速预热到810℃后从底部通入反应管。

4、热还原气流经反应管内孔板和陶瓷球后与试样接触进行还原反应，将氧化球团还原成海绵铁，产生的还原尾气从反应管出气口管道排出。

5、热电偶插入到试样中，用于测量反应试样温度；加热炉来给反应管提供所需的810℃温度；电子天平用于实时测量反应管的重量，以记录还原反应过程中试样的重量变化情况和还原度变化情况。1.5h后还原度为90％。还原反应后取出并查看试样，发现试样表面只有少量的析碳，称重约2.6g。

需要说明的是，以上参照附图所描述的各个实施例仅用以说明本发明而非限制本发明的范围，本领域的普通技术人员应当理解，在不脱离本发明的精神和范围的前提下对本发明进行的修改或者等同替换，均应涵盖在本发明的范围之内。此外，除上下文另有所指外，以单数形式出现的词包括复数形式，反之亦然。另外，除非特别说明，那么任何实施例的全部或一部分可结合任何其它实施例的全部或一部分来使用。