一种实验室级高炉冶金模拟设备

本发明属于冶金工程，尤其涉及一种实验室级高炉冶金模拟设备。

背景技术：

1、高炉是冶金工业中最重要的设备之一，它通过炉内高温、高压和高浓度的条件，使原材料发生炉内化学反应，从而生产出钢铁等金属材料。高炉内的化学反应、传热和质量传输过程非常复杂，以重金属为例，在高炉生产过程中存在重金属在高温区域气化并在上升过程中随温度降低在矿石上冷凝后随炉料下落再次进入高温区气化的重金属富集现象。现有设备不具备分析该富集现象的能力。受限于这些条件在研究重金属富集现象时需要进行分段研究。这使得高炉相关的生产工艺优化和改进十分困难。另外，传统的高炉生产设备直接用于相关的研究往往需要大量的原料和能源，且操作难度大，实验成本高，同时还存在安全隐患。

2、利用实验室级高温设备进行高炉模拟也存在诸多问题，特别是目前大多数设备均为单一温区，仅能通过功率调节温度，仅适用于温度随时间变化的情况，无法同时对炉膛多温区特性进行模拟。故其无法准确模拟实际生产设备的温度场。

3、数值模拟方法虽然无需实验，但是数值计算方法受到计算机性能和计算精度的限制，其结果可能与实际情况存在较大差异。同时，数值计算方法很难反映高炉内的微观结构和化学反应过程。

4、因此，针对以上现状，迫切需要开发一种实验室级高炉冶金模拟设备，以克服当前实际应用中的不足。

技术实现思路

1、针对现有技术存在的不足，本发明实施例的目的在于提供一种实验室级高炉冶金模拟设备，以解决上述背景技术中的问题。

2、为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

3、一种实验室级高炉冶金模拟设备，包括高温熔融设备、多温区模拟设备、气氛控制设备、气氛检测设备和尾气处理设备，所述高温熔融设备包括水冷炉体，所述水冷炉体的一侧安装有炉门，所述炉门上开设有窥孔，所述水冷炉体内部上下分别设置有用于放置样品的熔融腔以及可视水槽，所述熔融腔的底部安装有炉堵，所述炉堵的下方安装有气动阀门；

4、所述熔融腔内设置有高温落料单元，所述高温落料单元设置在熔融腔内，所述高温落料单元用于将熔融腔内的样品自动输送至可视水槽内，熔融腔内的样品通过落入可视水槽内的方式实现自身的水淬，所述高温熔融设备用于模拟出高炉中的1500℃的高温区；

5、所述多温区模拟设备包括多温区加热腔，所述多温区加热腔内设置有吸附模拟单元，所述附模拟单元内部设置有五组不同的温区，五组不同的温区用于单独放置有五组样品，所述多温区加热腔上设置有进气端和排气端，所述多温区模拟设备用于模拟出高炉中上部固相反应200-1100℃的多温区；

6、所述气氛控制设备包括多种气源、真空泵、恒温管道和流量控制混气单元，所述多种气源的一端均通过恒温管道与流量控制混气单元的一端相连通，所述流量控制混气单元的另一端通过恒温管道与真空泵和熔融腔相连通，所述真空泵通过恒温管道与多温区加热腔的进气端相连通，所述气氛控制设备用于实时调控炉内气氛并确保气体流速的稳定；

7、所述气氛检测设备包括高温熔融设备温度检测、多温区模拟设备温度检测、气体在线分析仪和尾气成分检测，所述高温熔融设备温度检测设置在熔融腔内，所述多温区模拟设备温度检测设置在多温区加热腔内，所述尾气成分检测设置在尾气处理设备内，所述气体在线分析仪的一端与多温区加热腔的排气端相连，所述气氛检测设备用于实时采集和储存用于采集实验过程中的各项数据，并对数据进行处理和分析；

8、所述尾气处理设备包括尾气处理单元，所述尾气处理单元与多温区加热腔的排气端相连，且所述尾气处理单元内设置有尾气成分检测。

9、作为本发明进一步的技术方案，所述高温落料单元包括样品台和第一耐高温转轴，所述样品台设置在熔融腔内位于炉堵的上方，所述样品台通过第一耐高温转轴转动安装在熔融腔的内壁上，所述炉堵通过第二耐高温转轴转动安装在熔融腔的底部。

10、作为本发明进一步的技术方案，所述气动阀门通过耐高温密封板固定在水冷炉体内，所述气动阀门通过气动管线与外界电源电性连接。

11、作为本发明进一步的技术方案，所述吸附模拟单元包括独立控温加热元件、隔热材料和刚玉支架，所述独立控温加热元件和刚玉支架均设置有五组，五组所述独立控温加热元件和刚玉支架均分布在多温区加热腔内，且两组所述独立控温加热元件之间安装有隔热材料，五组所述独立控温加热元件输出的温度各不相同。

12、作为本发明进一步的技术方案，所述恒温管道是一种由高温气体管、控温元件层、网状支撑真空隔热层和恒压防漏层共同组成的一种管道结构。

13、作为本发明进一步的技术方案，所述控温元件层是由k型热电偶和加热带组成，且所述控温元件层连接电脑实时监控并对管路进行加热。

14、作为本发明进一步的技术方案，所述恒压防漏层是一种中空支撑结构，所述恒压防漏层内部恒压为0.5mpa。

15、作为本发明进一步的技术方案，所述尾气处理单元包括冷凝吸附和催化处理两种尾气处理结构，所述尾气处理单元用于对多温区加热腔内排出的气体进行处理并将其排放至外界环境内。

16、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

17、本发明采用真实高炉结构和高温耐火材料制造高炉本体，以保证实验数据的准确性和高炉模拟的真实性，采用多温区加热系统，可以分区域控制设备的温度，以从空间结构上模拟高炉温度分布，采用先进的多流程控制系统，可以精准控制实验条件，实现高炉全过程的精准模拟，多源头计量系统，可以测量高炉内的流量、温度、压力等数据，以获取实验数据并进行分析处理，实现了条件可控的实验室级高炉冶金全过程模拟，同时提高了实验数据的准确性和可控性，节省了实验时间和成本，为需要利用高炉设备进行的研究提供更便捷的研究设备。

18、为更清楚地阐述本发明的结构特征和功效，下面结合附图与具体实施例来对本发明进行详细说明。

技术特征：

1.一种实验室级高炉冶金模拟设备，包括高温熔融设备、多温区模拟设备、气氛控制设备、气氛检测设备和尾气处理设备，其特征在于，所述高温熔融设备包括水冷炉体，所述水冷炉体的一侧安装有炉门，所述炉门上开设有窥孔，所述水冷炉体内部上下分别设置有用于放置样品的熔融腔以及可视水槽，所述熔融腔的底部安装有炉堵，所述炉堵的下方安装有气动阀门；

2.根据权利要求1所述的实验室级高炉冶金模拟设备，其特征在于，所述高温落料单元包括样品台和第一耐高温转轴，所述样品台设置在熔融腔内位于炉堵的上方，所述样品台通过第一耐高温转轴转动安装在熔融腔的内壁上，所述炉堵通过第二耐高温转轴转动安装在熔融腔的底部。

3.根据权利要求1所述的实验室级高炉冶金模拟设备，其特征在于，所述气动阀门通过耐高温密封板固定在水冷炉体内，所述气动阀门通过气动管线与外界电源电性连接。

4.根据权利要求1所述的实验室级高炉冶金模拟设备，其特征在于，所述吸附模拟单元包括独立控温加热元件、隔热材料和刚玉支架，所述独立控温加热元件和刚玉支架均设置有五组，五组所述独立控温加热元件和刚玉支架均分布在多温区加热腔内，且两组所述独立控温加热元件之间安装有隔热材料，五组所述独立控温加热元件输出的温度各不相同。

5.根据权利要求1所述的实验室级高炉冶金模拟设备，其特征在于，所述恒温管道是一种由高温气体管、控温元件层、网状支撑真空隔热层和恒压防漏层共同组成的一种管道结构。

6.根据权利要求5所述的实验室级高炉冶金模拟设备，其特征在于，所述控温元件层是由k型热电偶和加热带组成，且所述控温元件层连接电脑实时监控并对管路进行加热。

7.根据权利要求5所述的实验室级高炉冶金模拟设备，其特征在于，所述恒压防漏层是一种中空支撑结构，所述恒压防漏层内部恒压为0.5mpa。

8.根据权利要求1所述的实验室级高炉冶金模拟设备，其特征在于，所述尾气处理单元包括冷凝吸附和催化处理两种尾气处理结构，所述尾气处理单元用于对多温区加热腔内排出的气体进行处理并将其排放至外界环境内。

技术总结本发明适用于冶金工程技术领域，提供了一种实验室级高炉冶金模拟设备，包括高温熔融设备、多温区模拟设备、气氛控制设备、气氛检测设备和尾气处理设备，所述高温熔融设备包括水冷炉体；所述熔融腔内设置有高温落料单元，所述多温区模拟设备包括多温区加热腔；所述气氛控制设备包括多种气源、真空泵、恒温管道和流量控制混气单元；所述气氛检测设备包括高温熔融设备温度检测、多温区模拟设备温度检测、气体在线分析仪和尾气成分检测。本发明中的一种实验室级高炉冶金模拟设备，用于模拟高炉内的冶金和废弃物协同处理过程，以探索不同气氛条件下的反应机理，进而改进和优化冶金和废弃物协同处理工艺，提高产品的质量、产量和生产效率。技术研发人员：徐梦侠,张冠林,闫大海,吴韬,胡智锋,瞿方受保护的技术使用者：宁波诺丁汉大学技术研发日：技术公布日：2024/8/1