1、冶金工程实验教程1六、实验指导书冶金反应级数和活化能的测定铁矿粉烧结实验还原反应动力学实验铁矿石间接还原实验高炉气体力学实验球团焙烧实验高温电阻炉的设计实验连铸中间包水模实验转炉水力学模拟实验RH 精炼水力学模拟实验感应炉炼钢热模拟实验高炉炉缸及铁沟内铁水流动状态水力学模拟实验熔体粘度的测定炉渣熔化温度的测定钢中非金属夹杂物的金相鉴定实验冶金工程实验教程2实验 6 冶金反应级数和活化能的测定、 实验目的（1） 掌握热重（TG）法研究气固相反应（碳酸钙热分解）动力学的原理和方法。（2） 掌握非等温法测定反应级数和反应活化能的方法。、 实验原理和设备对于级数反应，根据动力学质量作用定律和阿累尼乌斯
2、公式，可以导出动力学的基本方程：（22-)(1)exp(等 温nRTEAdt 1）（22-)()()( 非 等 温nT2）式中：反应分数A前因子E反应活化能n反应级数升温速率T热力学温度t时间R气体常数为了求出上述动力学方程解，有微分法如二元线性回归法、微分差减法、多个升温速率法等。还有积分法，如 T奥赞瓦（Ozawa） 、A W科茨（ Coats）的指数积分法等，下面各介绍一种微分法和积分法：（1） 二元线性回归法。对式（22-1）和式（22-2）两边取对数，得到下列公式：（22-)1ln(lnl RTEAdt3）（22-)l(ll4）只要实验测得一条反应分数 和温度 T（或时间 t）的关系
3、曲线，就可得到一系列不同温度下（或时间）的 和 值。应用二元线性回归，即可将各项系数求出，从而求的dtA、E 和 n 值。（2）指数微分法。将式（22-1）分离变量积分，得到冶金工程实验教程3（22-dTeAdREn00)1(5）左边积分得：（22-1)(ln)1()0dgn)1(n）（6）右边积分为一指数积分，其结果不能用解析式精确地直接表示出，常用各种近似处理方法。如采用近似表达式可得下式：（22-RTERAEg052.13.ln)(l 7）结合式（22-6） ，设定 n 值，通过线性回归，由截距求出指前因子，由斜率求出活化能。实验设备采用热重分析仪。热重法是在程序控温条件下，测量物质质量
4、与温度或时间关系的一种技术。热重法有等温热重法和非等温热重法两类，前者是在恒温下测定物质质量变化与时间的关系，后者是在程序升温下测定物质质量变化与温度的关系。热重曲线常用两种表示方法：TG 曲线和 DTG 曲线（图 22-1） 。前者表示过程的失重累积量，属于积分型；后者是 TG 曲线对时间或温度一阶微商，即质量变化率与时间或温度的关系曲线。DTG 曲线上出现的各种峰值对应着 TG 曲线上的各个质量变化阶段，峰下的面积与失重成正比。TG 或 DTG 曲线上出现的水平阶段，即 “平台” ，表明此阶段试样的质量不随时间而变化。因此只要物质受热发生物理或化学变化，伴随有质量变化，就可以用热重法来研究
5、其过程。a b图 22-1 碳酸钙分解反应的 TG 和 DTG 曲线、 实验步骤（1） 依次接通热重分析仪、接口及计算机电源，预热 30min 以上。（2） 天平室和样品室分别通入流量为 40mL/min 和 30mL/min 的高纯氮气和空气。TG-12-10-8-6-4-20240 5000 10000 15000 20000tTG TGDTG-0.8-0.7-0.6-0.5-0.4-0.3-0.2-0.100.10 5000 10000 15000 20000tDTG DTG冶金工程实验教程4（3） 将氧化铝坩锅用铂丝吊架挂入天平铂丝吊钩上。气动提升加热炉至工作位置，待天平读数稳定后，读
6、零。（4） 降下加热炉，装入 10mg 分析纯碳酸钙粉末，并使其均匀平铺在坩锅底部。提升加热炉至工作位置，待读数稳定后，读出样品质量。（5） 用直接控制键操作使加热炉以 40/min 快速升至 500。升温过程中计算机键盘输入实验条件，包括实验温度范围 500850，加热速率 10/min 及总坐标量程等。（6） 待加热炉温度稳定在 500后，按下开始运用键，开始实验测定碳酸钙热分解TG 曲线。（7） 实验结束后，加热炉自动下降并转至冷却位置。用样品托架将坩锅缓缓托起，用镊子取出吊架及装有样品的坩锅。（8） 将实验结果存入计算机内，优化曲线和处理数据并获得 DTG 曲线。由TG，DTG 曲线读
7、取 20 组温度 T、质量 W 和质量变化率 ，并读取碳酸钙分dt解总失重量（W 0-W ）和碳酸钙分解开始和结束温度。（9） 应用下式计算反应分数 和 ：dt（22-08）（22-)(0Wdtt9）根据式（22-8）和式（ 22-9）及 20 组（T， 和 ）实验数据，应用最小二乘dt法即可计算出反应级数和活化能。、 实验报告要求（1） 简要介绍非等温动力学的原理及方法，并列表给出实验条件及全部实验数据。（2） 编写非等温动力学微分法和积分法计算机计算程序，包括计算回归方程截距和斜率误差。（3） 计算碳酸钙分解的反应级数、表观活化能及其误差。（4） 讨论实验结果，并比较微分法和积分法。、 思
8、考题（1） 如何获得碳酸钙分解反应的最快反应速度时的温度？本次实验最快反应速度时的温度是多少？（2） 升温速度对非等温法研究动力学及动力学参数有何影响？（3） 试设计等温法研究碳酸钙热分解动力学实验及计算动力学参数方法。冶金工程实验教程5实验 7 铁矿粉烧结实验高炉炼铁对含铁原料的要求是：品位高、有害杂质少、还原性好、高温性能优良、强度高、粒度适宜、化学成分稳定均匀。铁矿粉烧结是目前铁矿粉造块的主要方法，它不仅将粉矿进行造块供高炉炼铁使用，而且通过造块改善铁矿石的冶金性能，使高炉冶炼获得良好的效果。我国铁矿石多为贫矿和复合矿，必须进行细磨选矿，细磨后铁矿粉必须造块才能被高炉使用。铁矿粉烧结技术
9、是目前世界上产量最大、使用最广泛的造块方法之一。铁矿粉烧结可以利用大量的含铁废弃物，如硫酸渣、轧钢皮、高炉尘、转炉尘、金属加工切屑等，可将这些含铁废物加工成炼铁的优质原料，做到废物的循环利用。烧结过程中还可以去除大量钢铁中的有害元素，如 S、As、Zn、K、Na 等，同时有益元素可以回收利用，有利于高炉炼铁生产。、 实验目的：1 通过实验掌握铁矿粉烧结的原理和方法，了解烧结在冶金生产中的作用；2 观察燃料配加量、烧结矿减度、烧结负压等工艺参数对烧结矿的产量和质量的影响；3 培养动手能力和分析整理数据的能力。、 烧结原理：将铁矿粉、熔剂、燃料按照一定比例配成烧结混合料，然后进行制粒。点火后，通过
10、燃料燃烧产生热量，使部分粉状料熔化，生成液相将铁矿粉状料粘结在一起，冷却后得到固结良好的烧结矿。本实验采用抽风法进行烧结，在烧结过程中，烧结料层从上到下可分为烧结矿带、燃烧带、预热带、干燥带和过湿带五个带。正在烧结的那一层称为燃烧带，其次为预热带，其下部为干燥带，在这里水分蒸发，又在下一层冷凝，形成过湿带。燃烧带上面是烧好的烧结矿带，或称为冷却带。各带的温度有显著区别，如图 23-1。烧结过程是一个复杂的物理化学反应过程，存在着气- 固- 液三相反应，包括水分的蒸发与凝结、燃料的燃烧、碳酸盐的分解、铁氧化物的还原及氧化、硫的氧化等反应。从矿物学来看，包括固相反应液相反应冷凝固结的过程。烧结过程
11、的特点是这些反应都在短时间内完成。 1234sa 温 度料层高度IV图 23-1 烧结过程示意图I-烧结矿层 ;II-燃烧带;III-预热带 ;IV-干燥带层; V-湿料带层;1-冷却再氧化;2-冷却再结晶;3-固体碳燃烧液相形式;4-固相反应氧化,还原分解 ;5-去水;6-水分蒸发冶金工程实验教程6在烧结过程中，炉箅下废气温度和抽风负压的变化情况曲线表明了烧结过程中，废气温度和抽风负压的变化规律。、 实验设备：烧结实验一般采用间歇式烧结杯来完成，烧结方法为抽风烧结法。国内外的烧结实验设备形状、尺寸大小没有统一的规格，我国的烧结实验标准草案规定烧结杯为圆形。一般有 150mm、200mm、30
12、0mm 等几种规格。本实验使用的烧结杯为 200mm，高 600mm，原料量为 3540kg。抽风风机，要求具有一定的风量和抽风压力；除尘器，除去抽风烧结过程中废气中的颗粒粉尘，以防损坏风机；煤气、点火器、助燃风机，为保证实验顺利进行能够成功点火烧结；废气温度记录仪和负压表，记录废气温度变化和烧结完成时间的确定，记录烧结过程中的负压变化情况。烧结实验装置如图 23-2。烧结实验的其它主要设备还包括 600mm1000mm 圆筒混料机一台，用于烧结混合料的混匀和制粒；烧结矿性能检测装置主要包括落下、筛分装置及转鼓。图 23-2 烧结实验装置示意图1点火煤气；2助燃风机；3尾气温度测试仪；4烧结杯
13、；5除尘器；6主抽风机；7 负压计；8 点火器、 实验方法与步骤：1 烧结实验方法框图：铁矿粉熔 剂燃 料返 矿配 料一次混料混匀及加水湿润二次混匀混匀及制粒装料铺底料烧结混合料点火抽风烧结性能检验落下、筛分转鼓指数烧结矿产品质量指标冶金工程实验教程7图 23-3 烧结实验方法框图2 实验步骤：（1） 配料：根据已知原料的化学成分、烧结矿碱度、燃料配加量等数据进行计算，根据计算结果准确称娶相应的原料。（2） 混料：各种原料称量完毕后，进行混料，混料分两步进行。首先一次混料，在钢板上将混合料倒数遍，然后加入适量的水进行混匀，一次混料的目的是混匀及加水湿润。然后进行二次混料，将混合料装入圆筒混料机
14、内盖好端盖进行混料，时间为 3分钟，混料完毕取 100g 混合料进行水分测定。（3） 装料：在烧结杯底部首先加入 1kg1015mm 的烧结矿作为铺底料铺平，以保护烧结杯炉箅，测量料面高度记做 H1。将经过二次混料机制粒的烧结混合料进行称重，然后采用多点加入法加到烧结杯中，无压实，记录装入的混合料质量记做 G0。装好后测定料面到烧结杯口的高度记做 H2，料层高度 H=H1-H2。（4） 点火烧结：开启煤气与助燃风机，准备计时。点火将点火器推到烧结杯上面，同时启动主抽风机，计时烧结开始。调整点火抽风负压到 6000Pa，点火时间 1.5min。点火完毕移开点火器。将抽风负压调整到 10000Pa
15、，每隔 2min 记录一次废气温度和抽风负压变化。废气温度达到最高值时，烧结结束记录时间 T 即为烧结时间。将烧结饼倒出，称重记做 G1。（5） 烧结矿性能检验：落下强度检验是检验烧结矿成品率、利用系数、成品矿粒度组成的指标。它是将烧结饼放到落下装置中，两米高落下四次，然后进行筛分，筛孔尺寸分别为 40mm、25mm、10mm、5mm 得到的大于 25mm、2510mm、105mm 小于 5mm 烧结矿的质量分别记做 G2、G 3、G 4、G 5。烧结矿转鼓指数检验是检验烧结矿强度指标。将大于 10mm 的烧结矿按比例取3kg，加入到标准的 1/5 转鼓中。转鼓直径为 1m，宽度为 100mm
16、，内置对称两块挡板，转数为 25r/min，时间为 8min。转鼓后将烧结矿筛分，筛孔为 6.3mm 方孔筛。筛上质量记做 G6，筛上质量占入鼓质量的百分比为烧结矿的转鼓指数。（一） 实验数据记录与处理：1 实验数据记录如下表：冶金工程实验教程8烧结实验记录表烧结混合料配比原料名称 精矿粉 富矿粉 1 富矿粉 2 熔剂 燃料 返矿 其它料原料配比烧结工艺参数料层高度 H/mm碱度(CaO)%/(SiO2)%燃料比/%点火温度/点火负压/Pa烧结负压/Pa H1 H2 H1-H2烧结废气温度及抽风负压时间 /min 2 4 6 8 19 12 14废气温度/ 负压 /Pa时间 /min 16 1
17、8 20 22 24 26 28废气温度/ 负压 /Pa时间 /min 30 32 36 38 40 42 46废气温度/ 负压 /Pa烧结实验结果烧结时间T/min装入量G0/kg烧结饼G1/kg25mmG2/kg2510mmG3/kg105mmG4/kg25mm 2510mm 105mm2 烧结产量和质量指标计算：垂直烧结速度=料层高度/烧结时间 =H/T(mm/min)烧损率=装料量-（烧结饼质量-铺底料质量）/装料量100%=G 0-(G1-1)/G0100%成品率=（成品矿质量-铺底料质量）/（烧结饼质量-铺底料质量）100%=(G2+G3+G4-1)/(G1-1) 100%利用系数
18、=（成品矿质量-铺底料质量）/烧结时间烧结面积 t/( m2h)=(G2+G3+G4-1)/(TA) t/( m2h)转鼓指数=转鼓后63 的质量/入鼓烧结矿质量100%=(G 6/3) 100%(五)实验报告要求：记录烧结实验过程及结果，计算烧结矿产量和质量指标，并对其作出评价。同时绘制废气温度、烧结负压随时间变化曲线。、 实验注意事项（1） 烧结实验为手动实验，操作过程中严格遵守操作规程，不乱动各种开关、电器。（2） 注意用电安全，正确使用液化石油气。（3） 穿好劳动保护用品。冶金工程实验教程9（4） 保持实验室整洁，实验完毕后，工具码放整齐。、 思考题（1） 铁矿石烧结的原理是什么？烧结
19、过程有哪些主要物理化学反应？（2） 烧结产量和质量指标有哪些？影响烧结矿产量和质量指标的因素有哪些？（3） 烧结矿转鼓指数的物理意义是什么？影响因素有哪些？（4） 影响烧结过程的因素有哪些？它们对烧结过程将产生什么影响？冶金工程实验教程10实验 8 还原反应动力学实验冶金过程动力学主要探讨冶金反应速率，阐明反应机理，确定反应速率的限制性环节。由于冶金反应多为高温多相反应，绝大多数情况下，化学反应速率很快，不会成为过程的限制环节。而扩散与传质过程则比化学反应慢得多，在这种情况下，扩散与传质往往构成冶金过程的限制环节。同时，冶金过程常常伴有流体流动和传热现象发生，因此，冶金动力学研究必然要涉及动量
20、传递、热量传递和质量传递等冶金传输问题。找出这些问题对反应速率的影响，以便选择合适的反应条件，控制反应的进行，使之按照人们期望的速率进行。、 实验目的1 掌握还原反应动力学实验方法；2 了解还原反应机理；3 了解铁矿石还原过程中的各种限制环节。、 反应机理铁氧化物有 Fe2O3，Fe 3O4，FeO 等形式。根据热力学分析，当温度大于 570，不断增加气体还原剂时，铁氧化物逐级还原：Fe2O3Fe 3O4FeOFe实验是将一个致密的 Fe2O3 矿球，置于浓度足够高的还原气体中。在一定温度下，经过一段时间取出矿球，将其剖开，可以看到如图 24-1 所示的各种铁氧化物呈层状分布的情况。这说明各级
21、还原反应是在各层之间的界面上进行的。由于扩散阻力的影响，从矿球的表面到未被还原的 Fe2O3 核心表面，还原剂的浓度逐渐降低，因而产生了逐层还原的情况。于是提出了未反应核模型，其反应步骤为：其一，还原气体通过气相边界层扩散到矿球表面（称为外扩散） ；其二，气体通过多孔的产物层向反应界面扩散，同时铁离子也通过产物层向内部扩散（称为内扩散） ；其三，在反应界面上气体与铁氧化物发生化学反应，其中包括还原剂的吸附和气体产物的脱附；其四，气体产物通过固体产物层向矿球表面扩散；其五，气体产物离开矿球表面向气相内部扩散。由于未反应核心比较致密，而还原产物是疏松的，所以，发生反应的区域很薄，可以作为界面反应处
22、理。而且中间产物 Fe3O4 和 FeO 也很薄，可以忽略。因而设计了如图 24-2所示的未反应核模型。Fe2O3 气相边界层Fe3O4 以反应面 FeO 活动反应面Fe 未反应核 FFFCACPro ri 0冶金工程实验教程11图 24-1 铁矿石逐层还原示意图 图 24-2 未反应核模型 图中 CA为气体还原剂分别在气相内部、矿球表面和反应界面上的浓度；C P 为气相产物相应的浓度。由于扩散阻力的影响，A 的浓度由外向内逐渐降低，而 P 的浓度由外向内逐渐升高。两者分压之和为一常数，不会因压差而产生流动。由于反应界面不断向内推进，反应应视为非稳态过程。但是对于大多数气固相反应，反应界面的移
23、动速度远比反应气体和产物气体在产物层内的扩散速度小，可以忽略不计。因此，未反应核模型可按稳态过程处理。根据未反应核模型，一氧化碳还原铁矿石的还原速度由气体边界层的外扩散，矿球的还原产物层的内扩散和界面化学反应三个环节复合控制，其还原反应的总速度方程为：n=4r 02(CAb-CAe)/(1/KG+1/Der0(r0-ri)/ri+1/KC(1+1/K)r02/ri2)式中：n 为总反应速度，mol/s；C Ab为还原气体的实际浓度，mol/cm 3；C Ae为还原气体的平衡浓度，mol/cm 3；r 0为矿球的半径，cm；r i为未反应核的半径，cm；K G为气相边界层的传质系数，cm/s；D
24、 e为还原气体在产物层的有效扩散系数，cm 2/s；K C为化学反应常数，cm/s；K 为平衡常数。式中的分母代表总阻力，其中第一项为气相边界层内传质阻力；第二项为气体还原剂通过产物层的阻力；第三项为界面化学反应阻力。(C Ab-CAe)代表还原过程的推动力，C Ae可由还原反应的平衡常数 K 得出。、 实验方法本实验研究气体还原铁矿石动力学的方法采用热天平法。实验时将矿球用铂丝悬挂在天平上，吊入高温炉内，在惰性气体保护下升温至预定温度，向炉内通入恒压恒流量的还原气体进行还原。随着还原反应的进行，矿球的质量因失氧不断减少，其值可以从天平上读出。反应 t 时刻的矿球还原率 F 可由下式表示：F=
25、(W0-Wt)/W0(0.43TFe-0.112FeO)=t 时刻矿球累计减重(失氧量 mg)/矿球中总氧量(mg)式中 W 0 矿球试验前的质量；Wt还原开始 t 分钟后矿球质量；TFe还原前矿球中总 Fe 含量；FeO还原前矿球中 FeO 含量。、 实验设备还原动力学实验设备如下图有高温还原炉、控温仪、氮气瓶和煤气发生系统。目前实验室制备一氧化碳采用两种方法，第一是用 CO2或空气通入 1000的木炭层发生；第二是用甲酸与浓硫酸发生反应生成：nHCOOH+H2SO4nH 2OH2SO4+nCO冶金工程实验教程12图 24-1 铁矿石还原动力学实验装置图、 实验步骤1 发生一氧化碳，并配制好
26、成份以备实验使用；2 将一个或几个矿球称好质量，用铂丝捆好吊入高温还原炉的高温区内；3 启动控温仪为高温炉供电升温到预定的温度，同时向炉膛内通氮气保护以防矿球氧化；4 当温度达到预定值恒定后，天平清零，切换还原气开始还原，记录还原过程各时刻的减重量直至还原结束；5 实验完毕关天平，停止通还原气，关控温仪切断电炉电源；6 整理数据，清理实验室卫生。、 数据处理及分析讨论1 实验记录还原时间min矿样重g累计减重g失重率% 备注2 划出失重率与时间的曲线，根据曲线讨论还原过程中各阶段的控制环节主要是什么，并说出理论根据。冶金工程实验教程13实验 12 铁矿石间接还原实验在高炉冶炼过程中，铁矿石还原
27、是高炉冶炼要完成的基本任务。高炉冶炼还原包括两部分，即间接还原和直接还原。本实验研究铁矿石在高炉内的间接还原。间接还原是指用气体作为还原剂的还原。铁矿石在高炉中间接还原程度，将给高炉冶炼过程的能量利用带来重大影响。间接还原是高炉上部主要的反应。在目前高炉冶炼技术条件下，要尽量发展间接还原，充分利用高炉煤气中 CO 的，对改善高炉冶炼过程的能量利用，降低焦比具有重要的意义。铁矿石还原性是指铁矿石中的铁氧化物被 CO 还原的难易程度。还原性是评价铁矿石冶炼价值的重要指标。、 实验目的：1 掌握实验原理；2 培养学生动脑设计能力；3 掌握实验方法。、 实验原理及方法：铁矿石的间接还原过程是用气体还原
28、剂夺取铁氧化物中的氧的过程，反应是由高价氧化物到低价氧化物的反应，即：3Fe2O3+CO=2Fe3O4+CO2Fe3O4+CO=3Feo+CO2FeO+CO=Fe+CO2由此，可通过测定铁矿石中失去的氧量或分析还原出来的铁量来表示其还原的程度。还原程度的表示方法一般有以下两种：还原度 R=Os/Oq100%Rm=MFe/TFe100%式中 Os 失去与铁结合的氧量重，g；Oq 与铁结合的全氧量重， g；MFe 还原出的金属铁量，g；TFe 铁矿石中的全氧量，g。测定还原度的方法有下列几种：1 气体分析法：还原剂气体通过具有一定温度的铁矿石时，铁被还原，还原剂被氧化。通过气体分析的方法，推算出气
29、体中所增加的氧量，这些氧来自被还原的铁矿石。气体分析法要求进、出气体测定量准确。计算工作量大，其优点是可以在样品量较大和连续的生产的实验设备中采用。2 成品的化学分析法：用常规的矿石分析方法，测定出不同条件、不同时间下的金属铁量、全铁量、二价铁量等，然后计算出还原度。这种方法不连续且工作量大。3 减重法：是在铁矿石还原过程中测量重量变化及时间，可连续测出还原度的动力学曲线。此法灵敏度可以做到较高，设备简单，容易掌握，国际、国家标准均采用减重法。（一） 还原气体制备：冶金工程实验教程14铁矿石还原用的还原气体为 30%CO+70%N2。N2 由气体厂家购进的瓶装气。CO 的制备方法有两种，一种方
30、法是用浓硫酸与甲酸反应制取，反应式如下：HCOOH+H2SO4=CO+H2SO4+H2O另一种方法是用空气中 O2 的与木炭反应，反应式如下：O2+C=2CO将块状木炭装入管式电炉内，升温到 10501100时，通入空气即按上式反应生成CO。比较两种方法，第一重方法得到纯 CO，但成本较高；第二重方法价廉，但 CO 不纯，常混有 CO2 和 H2。、 实验设备：实验设备有还原炉、煤气发生炉、储气罐、控温仪、流量计、电子天平、氮气瓶等。、 实验设计：要求同学设计出利用减重法测试铁矿石还原度的实验装置，并划出实验装置简图。同时设计还原实验具体实施的实验步骤。、 实验报告要求：1 实验目的；2 实验
31、原理及设备；3 实验步骤；4 实验结果及绘制还原度与还原时间关系的还原度曲线；5 分析影响还原过程的因素。、 思考题：1 减重法测试还原度的优缺点?2 推倒铁矿石全氧量计算公式?3 研究铁矿石间接还原有什么意义?冶金工程实验教程15实验 13 高炉气体力学实验高炉内煤气流的合理分布对高炉冶炼过程中的炉料顺行、能量利用、高炉长寿等都产生极大的影响。根据各座高炉的冶炼状态、装料方式的不同高炉内的中心气流、边缘气流和中间区气流分布也不尽相同，所以近些年来冶金工作者通过高炉装料上部调剂的方法来获得高炉内的合理煤气流分布。从而使煤气流的热能、化学能都得到了充分利用，而且也使得高炉更加长寿。、 实验目的：
32、1 掌握气体力学实验方法；2 通过实验测试了解高炉模型内散料体中气体运动的基本规律；3 通过测试压力场和流向线变化，了解不同料粒结构、熔融带位置和形态对气体运动的影响；4 观察风口循环区炉料运动状态。、 实验设备：实验设备由鼓风机、鼓风管路、阀门、流量计、扁箱失高炉模型、测压管、压力传感器、计算机数据处理系统等设备组成。如图 29-1 所示。图 29-1 高炉气体力学模型示意图1转子流量计；2高炉气体力学模型；3测压管；4压力测试仪表；5压力传感器；6计算机数据处理系统模型的正反面均由有机玻璃构成，在背面的有机玻璃上和模型的侧面按一定规律布置了多个测压孔。为了便于换料，模型的下部设有卸料口，风
33、口前可安装模拟风口循环区空腔的固定铁丝网，炉喉上部设有布料器。、 实验内容设计：冶金工程实验教程16根据同学在理论课所学的知识，再结合所要研究和解决的问题，设计一种高炉装料状态进行实验，来分析解决问题。例如：高炉有层装、混装、中心加焦、边缘加重等等的装料状态。再有观测不同炉料组成的压力损失变化；不同风量下的料柱的压力损失；气体通过熔融带的压力场和流向线变化；风口循环区炉料运动规律等等的问题进行研究。同学在设计时要通过计算算出料匹的重量，确定熔融带形状。、 实验步骤：1 按照实验设计要求，装入炉料和模拟熔融带物料。2 将测压管按模型测压孔顺序放入中心位置，检查测压管与压力传感器连接是否完好。3
34、仔细检查模型各处的密封情况。4 检查管路与阀门，关闭与其它实验相通的各个阀门，放风阀全开放，检查鼓风机工作情况。5 按照鼓风机使用规程启动风机，待鼓风机正常运转后方可离开风机房。6 逐渐打开两风口的阀门，注意两风口进风量要均匀，并注意检查是否有漏风现象。7 在不同风量下测量从中心到边缘的压力值，注意压力管应严格遵守水平位置逐点抽出。、 实验数据处理与实验报告编制：1 实验数据记录内容见附表。2 将实验中测出的压力值输入绘图程序划出气流分布曲线。3 计算料柱的压力损失。4 与其他组的实验结果相比较，分析各种因素对高炉冶炼的影响。测量压力数据（mmH 2O）：横向纵 号向号1 2 3 4 5 6
35、备注1234567891011冶金工程实验教程17实验 14 球团焙烧实验我国铁矿石多为贫矿和复合矿，必须进行细磨选矿，细磨后铁矿粉必须再进行造块后才能被高炉使用。为保证高炉料柱具有良好透气性，炉料顺行，对炉料的强度和粉末含量都有严格要求。因此，必须检测球团矿的冷态性能，作为评价产品质量的重要指标。一 成球、 实验目的：1 了解造球过程，掌握造球方法，培养造球技能；2 了解影响圆盘造球机产量和生球质量的因素；3 了解对生球质量的要求，掌握测定生球质量的方法。、 实验设备：1 圆盘造球机：直径 500mm；边高 180 mm；转数 30r/min；圆盘倾角在 4555之间可调；电动机功率 1.0
36、KW。2 台秤；弹簧秤；电子天平。3 电热烘箱：0300。4 0.5m 生球落下试验架；密度测试盒。、 实验过程：按造配料比进行配料，人工混匀；先进行干料混匀，然后加水至混合料水分比生球水分低 2%左右混匀；困料 20 分钟使混合料水分均匀；测混合料堆积密度；造球，根据混合料多少和要造的球团的大小，取混合料先造母球，然后喷水、加料使球长大至达到要求为止；作成品生球质量检验。按照生球粒度要求 1012.5mm 将造好的生球筛分；作生球抗压强度实验：取大小球各3 个，取中球 4 个作生球抗压强度，取其 10 个球的平均值；同样取 10 个球作生球落下实验取其平均值；测生球堆积密度和生球水分。余下的
37、生球放在干燥皿中留做焙烧实验。、 实验记录：配料及混合料：混 合 料原料名称重量Kg % H2O% H2O% 困料时间 min 堆积密度 Kg/L冶金工程实验教程18造球及生球质量：造 球 生 球 质 量造球时间min造球加水Kg生球总量Kg合格球量Kg成品率%抗压强度N/个落下次数(次)生球粒度mm密度Kg/L二 球团焙烧本部分实验是利用三段式电阻炉模拟焙烧机和竖炉温度变化的焙烧过程。、 实验目的：1 了解焙烧机及竖炉的焙烧过程；2 掌握焙烧制度对球团矿强度的影响、 实验设备：图 31-1 试验装置图、 实验步骤及过程：1 熟悉所用设备的操作规程，检查仪器、设备是否完好；2 确定实验内容及所
38、要求的温度制度和控制方法，按造生温制度为电炉送电加热；3 从成球实验中造好的球中随机选出 80 个粒度 1012.5mm 的生球，作为焙烧实验的试样。4 将选好的生球轻轻地沿着坩埚四周依次放入记录料层高度。5 当电炉各段温度达到所需温度后，按造温度制度利用升降机构将坩埚首先送到干燥冶金工程实验教程19段进行干燥；经过一定时间后将坩埚送到预热段进行预热；再经过一段时间后将坩埚送到高温段进行焙烧；焙烧一定时间后将坩埚退回均热段进行均热；经过一定时间后再将坩埚退回到冷却段进行冷却，待冷却到 500以后将坩埚退出炉外。6 按造焙烧温度制度将坩埚送入加热炉后，每两分钟记录一次时间 和坩埚内热电偶指示的温
39、度值 T，划出球团焙烧温度曲线。7 当坩埚冷却出炉后，取下坩埚，把成品球团矿从坩埚中夹出，观察球团矿外观有无裂纹；有无黏结现象。8 取有代表性的球团矿 10 个，作抗压实验，其它球团矿留作还原实验或软化实验用。、 实验注意事项：1 要严格按造温度制度控制炉温；2 在将坩埚送入炉内时，一定要保证坩埚和炉膛之间相互同心，避免坩埚进出时卡到炉膛管上，造成坩埚或炉膛损坏。3 从支托坩埚的瓷管上取下坩埚时，要轻提坩埚露出热电偶，以防损坏热电偶。、 实验记录：生球粒度： mm； 生球个数： 个； 料层高度： mm 。低温段温度：T 1 中温段温度：T 2 高温段温度：T 3 焙烧参数记录：入炉时间min坩
40、埚位置mm坩埚内温度 备 注球团抗压实验记录：序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 平均抗压值N/球冶金工程实验教程20、 实验报告要求：1 填写实验记录表；2 对实验的造球机产量和质量进行评价，并分析影响造球机产量和质量的因素；3 绘制焙烧温度曲线，并与其他组实验结果对比分析影响成品球团矿质量的因素；4 实验中存在问题的讨论及体会。冶金工程实验教程21实验 16 高温电阻炉的设计实验钢铁冶金过程都是在高温下进行的，因此掌握获得高温的技术是非常必要。钢铁冶金实验用的高温炉分为电炉和燃烧炉两大类，电炉是以电作为能源，燃烧炉则是以煤、煤气或燃料油作为能源。其中电炉又分为：电阻炉、感应炉、
41、电弧炉、电子轰击炉、等离子炉等等。电热炉的特点是：温度容易控制，操作简单可靠，带来的杂质污染程度低。而这些特点也正是实验所要求的。与其它电热炉相比，电阻炉设备简单，易于制作，温度和气氛容易控制，所以在实验室使用最多。电阻炉是将电能转换成热能的装置，当电流 I 通过具有电阻 R 的导体时，经过时间 t 便可以产生热量 Q；Q=0.24I 2Rt。当调节电热体产生的热量与炉体散热达到平衡时，炉内即可达到恒温。、 实验目的：1 通过实验掌握电阻炉的结构；2 通过实验掌握不同温度、不同用途的电阻炉加热体的选择；3 通过实验掌握不同温度下耐火材料的选择。、 电阻炉结构：根据用途不同，实验室用的电阻炉分为
42、：竖式管状电阻炉（井式炉） 、卧式管状电阻炉、箱式电阻炉、坩埚炉等等，虽然其用途，样式不同，但是其结构大致相同。主要由以下 6 部分组成：1 电 热 体 根据温度要求不同，采用不同的电热体作为加热元件。2 炉 膛 常用的有刚玉、高铝、碳化硅等材质，它可以将加热体缠绕在上面或将其置于加热体里面，用于绝缘或放置试样，也可起密封作用。3 炉 衬 炉衬的主要作用是保证炉膛的温度稳定，尽可能减少热量损失。靠近炉壳用绝热材料，靠近加热元件用耐火材料。4 炉 壳 一般用钢板焊制而成，根据需要和用途的不同做成不同形状。5 电源引线 电源引线的作用是保证电热体与电源之间的安全连接，一般采用铜质要求有一定的截面积
43、，否则会发热甚至烧损。电源引线应与炉壳绝缘。6 支 架 用于支撑炉体重量。、 实验条件：1 实验室用高温电阻炉的加热体主要有：金属型的镍铬合金、铁铬铝合金、钼、铂、铂铑合金、钨、钽、铌等等；非金属型有硅碳系、硅钼系、碳系等。在选择加热体时，要主意的是加热元件的最高使用温度是指加热元件本身的表面温度，而不是炉膛的最高温度。一般来说，炉膛温度比加热元件温度低 50150。炉膛的最高温度主要取决于加热体的最高使用温度。一些常用的电热材料化学成分及主要性能如表 33-1。2 在高温实验炉中，为了减少热损失和保证炉温与恒温区的稳定，在炉壳与炉膛之间要充填足够的绝热材料。对绝热材料的要求是：导热系数小，具
44、有一定的耐火度和强度。另外还要考虑容重应小，价格便宜，使用方便。目前实验室常用的绝热材料有轻质硅砖、轻质粘土砖、轻质高铝砖、硅藻土砖、石棉绳、石棉板、膨胀蛭石、膨胀珍珠岩、硅酸铝纤维冶金工程实验教程22毡、泡沫混凝土等。其主要特性如表 33-2。、 实验要求：1 根据实验内容要求选择出所设计的高温电阻炉用的加热元件，并阐述选用的理由；2 根据实验要求选择高温电阻炉所用的绝热材料，并阐述选用的理由；3 根据你的设计划出高温电阻炉的炉形和结构。、 讨论分析：结合实验室实际情况，讨论分析你所设计的高温电阻炉具有那些优点和不足。应怎样改进你所设计高温电阻炉的结构或实验室的现有的高温电阻炉的结构。冶金工
45、程实验教程23附表 33-1 常用电热材料化学成分和主要性能化学成分 %序号 材料代号Cr Ni Al Fe电阻系数20mm 2/m电阻温度系数C-1导热系数KJ/mh密度g/cm3线膨胀系数C-1比热KJ/kg熔点允许使用温度特性及使用条件12Cr15Ni60Cr20Ni8015182023556175780.20.2余量余量1.101.111410-58.510-545.1960.258.158.401310-61410-60.460.441390140010001100高温强度高，冷后无脆性，价格高3450C25Al5Cr17Al5Cr13Al42327161913154.54.6463
46、.55.5余量余量余量1.451.301.26(34)10-5610-51510-560.2560.2560.257.107.207.401510-615.510-616.510-60.630.630.6315001500145012001000850价低，高温强度低，冷后发脆，常温加工时易开列670Cr27Al7Mo20Cr13Al6Mo226.427.513.5156767余量余量1.50.11.40.1-0.7710-55.710-57.107.2014.610-5 14001300电阻温度系数为负值891Cr18Ni9Ti康太尔铝合金1719238115.7余量690.751.40 4
47、.810-552.3046.027.907.2016.510-514.510-50.500.471400142515208509001350加工性能好适用于引出端材料10 Ni Ni 0.090.12 (55.5)10-3 209.2 8.90 12.810-6 0.46 1455 100011121314WMoTaNbWMoTaNb0.050.0450.150.1325.510-35.510-34.110-33.9510-3(1723)368.2(01600)246.9506.3(1800)297.119.310.216.58.64.310-65.110-66.510-67.010-6(90
48、0)0.1760.272(1400)0.1880.272339025202996502415230025001600200025002230在真空或保护气中使用15 Pt Pt 0.10 410-3 251.0 21.46 9.010-6 (1230)0.192 1770 140016 SiC SiC94,余为 SiO2,Fe、C 10002000 850+ (10001400)83.7 3.18 5.010-6 0.711 1450 化学性能较稳定，易老化，性脆17 MoSi2 MoSi2 0.3020.45 5.40 2000 1700可在氧化气氛和多种腐蚀气氛中使用1819石墨炭CC8134060(4.26.3)102842092.201.60(827)1.840.071.003500350030003000在真空或保护气中使用冶金工程实验教程24附表 33-2 实验常用的绝热材料主要特性名称 最高使用温度体积密度kg/m3常温耐压强度kg/cm2(105Pa)比热kJ/kg导热系数kJ/mh备注轻
