[發(fā)明專利]一種測定高溫冶金熔渣流變特性的裝置及方法

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 201410581725.4
• 申請日: 2014-10-28
• 公開（公告）號: CN104316439A
• 公開（公告）日: 2015-01-28
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 姜濤;薛向欣;廖德明;段培寧
• 申請（專利權(quán)）人: 東北大學(xué)
• 主分類號: G01N11/14
• 分類號: G01N11/14
• 代理公司: 沈陽東大知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 21109
• 代理人: 梁焱

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于冶金技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種測定高溫冶金熔渣流變特性的裝置及方法。

背景技術(shù)

高溫冶金熔渣主要由冶金原料中的氧化物或冶金過程中生成的氧化物組成的熔體；高溫冶金熔渣在冶煉工藝上起重要作用；高溫冶金熔渣主要是由氧化物構(gòu)成，其成分與耐火材料液相十分相似，可以認(rèn)為耐火材料液相有可能起到與熔渣相似的作用。實際上，在高溫下一旦有一定數(shù)量的液相存在，耐火氧化物顆粒被液相所包裹，與熔融鋼鐵直接接觸的是液相而不是耐火氧化物。高溫冶金熔渣是一種高溫溶液，其結(jié)構(gòu)很復(fù)雜，至今仍未完全研究清楚。

火法冶金過程按冶煉方法和產(chǎn)品等的不同可產(chǎn)生各種冶金爐渣，而且爐渣性質(zhì)的差異可以直接影響到冶金過程及各類冶金產(chǎn)品的質(zhì)量；由于爐渣的組成、結(jié)構(gòu)和質(zhì)點間相互作用形式復(fù)雜，所以高溫冶金熔渣的理論研究進(jìn)展緩慢。

一般認(rèn)為熔渣在較高溫度下是牛頓流體，但在熔渣中存在氣、固相質(zhì)點或產(chǎn)生硅酸鹽的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)時會表現(xiàn)出非牛頓流體的特性，尤其我國礦產(chǎn)資源多金屬共生的特點，使高溫冶金熔渣的組元及結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜而遠(yuǎn)遠(yuǎn)偏離了牛頓流體，如我國釩鈦磁鐵礦高爐冶煉產(chǎn)生的含鈦高爐渣。長期研究和工業(yè)實踐證實，若含鈦高爐渣中鈦僅以TiO₂或CaO·TiO₂等形式存在，不會給高爐冶煉造成很大困難。但在高溫和強(qiáng)還原條件下，熔渣中的部分TiO₂被還原成高熔點的TiC、TiN及其固溶體Ti(C,N)，這些鈦化合物通常以高度分散的微小固體顆粒形態(tài)彌散于液態(tài)爐渣中，形成氣-固-液三相復(fù)雜體系，從而引起爐渣急劇變稠、流動性變差、渣中帶鐵以及形成泡沫渣等一系列特殊問題，給釩鈦磁鐵礦高爐冶煉帶來困難。目前關(guān)于含鈦高爐渣的生成、演變規(guī)律開展了較多的理論研究，但對其流變特性及其轉(zhuǎn)變規(guī)律等問題的認(rèn)識仍顯得模糊和不足，相關(guān)研究落后于工業(yè)化生產(chǎn)實踐。另外，現(xiàn)有高溫冶金熔渣理論體系基本都是建立在均相、牛頓流體基礎(chǔ)之上，故有很大的局限性；而實際高溫冶金熔渣多為非均相非牛頓熔體，因此亟待引入新的理論和研究思路，選擇正確的研究和測試方法，系統(tǒng)開展這類熔體的流變特性及其轉(zhuǎn)變規(guī)律研究。

90年代初，F(xiàn)lemings首次將流變學(xué)的理論應(yīng)用于液態(tài)金屬半固態(tài)加工過程中出現(xiàn)的固液兩相非牛頓熔體，很好地解釋了液態(tài)金屬的凝固過程，從而開拓了人們應(yīng)用流變學(xué)原理解決非均相非牛頓熔體的諸多物理化學(xué)問題的新途徑。采用流變學(xué)方法深入研究均相牛頓熔渣向非均相非牛頓熔渣的轉(zhuǎn)變過程與規(guī)律，對全面認(rèn)識高溫冶金熔渣的流變特性十分有利，但遺憾的是，這方面的研究十分有限。

目前，對于高溫熔體的流變特性多采用擬牛頓流體測量方法，這是一種相對的測量方法，即將未知流體特性的熔體先按牛頓流體處理，高溫旋轉(zhuǎn)粘度計在選定某一固定轉(zhuǎn)速時，可測得該轉(zhuǎn)速下熔體的粘度η，在用旋轉(zhuǎn)法測量粘度時，由于坩堝、測頭的尺寸確定，所以旋轉(zhuǎn)運動產(chǎn)生的剪切速率D只是轉(zhuǎn)速的函數(shù)；根據(jù)不同的轉(zhuǎn)速求出相應(yīng)的剪切速率，再根據(jù)該轉(zhuǎn)速下測得的粘度η，由公式τ=ηD可求得剪切應(yīng)力τ；根據(jù)不同D值時的τ值，作出流體的τ-D曲線，即流體的流變特性曲線，進(jìn)而求出流體的本構(gòu)方程；根據(jù)本構(gòu)方程的形式和D的指數(shù)n（n是流動指數(shù)）大于1、等于1或小于1，進(jìn)而判斷流體屬于牛頓流體還是非牛頓流體；但是，這種方法步驟繁瑣，而且實驗誤差不好控制，計算出的結(jié)果準(zhǔn)確度不高。

發(fā)明內(nèi)容

針對現(xiàn)有高溫冶金熔渣流變特性的測定技術(shù)存在的上述不足，本發(fā)明提供一種測定高溫冶金熔渣流變特性的裝置及方法，在降溫過程中對渣樣分別進(jìn)行測試，根據(jù)不同剪切速率對應(yīng)的剪切應(yīng)力，建立本構(gòu)方程，根據(jù)實際測量結(jié)果直接得到熔渣的本構(gòu)方程，方便分析判斷熔渣的流體類型。

本發(fā)明的測定高溫冶金熔渣流變特性的裝置包括電加熱爐、坩堝、流變儀和溫度控制系統(tǒng)；電加熱爐固定在升降裝置上，坩堝固定在電加熱爐的爐管內(nèi)部，流變儀的吊鉤通過轉(zhuǎn)桿與轉(zhuǎn)子連接，轉(zhuǎn)子位于坩堝內(nèi)部；爐管底部設(shè)有氣體通道，爐管內(nèi)的熱電偶與溫度控制系統(tǒng)裝配在一起，電加熱爐內(nèi)的發(fā)熱體與溫度控制系統(tǒng)裝配在一起，流變儀與計算機(jī)裝配在一起，溫度控制系統(tǒng)與計算機(jī)連接。

上述的電加熱爐的爐體內(nèi)部設(shè)有保溫材料，保溫材料內(nèi)部設(shè)有一個空腔，發(fā)熱體下部位于空腔內(nèi)。

上述的電加熱爐的爐管頂部設(shè)有轉(zhuǎn)桿通孔，轉(zhuǎn)桿通孔與轉(zhuǎn)桿之間有間隙；爐管底部設(shè)有坩堝座，坩堝位于爐管內(nèi)的坩堝座上，且坩堝位于保溫材料內(nèi)部的空腔中。

上述的熱電偶插入爐管底部。