一种强化钒钛磁铁矿氧化球团的方法和装置与流程

本发明属于冶金工程，特别是涉及一种强化钒钛磁铁矿氧化球团的方法和装置。

背景技术：

1、钒钛磁铁矿氧化球团是钒钛矿高炉炼铁的重要原料，其质量特别是抗压强度直接影响高炉的顺行状况、能耗及生产效率。为优化配料结构、提升球团强度、改善冶金性能并实现固废资源化利用，工业生产中常向造球原料中配加各类添加剂。这些添加剂来源广泛，除传统粘结剂如膨润土外，越来越多地使用烧结机头灰、高炉除尘灰、转炉污泥、钢渣微粉等冶金过程产生的含铁、含钙灰、泥、渣等二次资源。这些二次资源作为添加剂，既能降低原料成本、实现循环利用，又能通过其含有的特定化学组分强化球团质量，起到以废提质的作用。然而，添加剂种类繁多，其作用机理复杂且存在显著差异，从作用机制上划分，一部分添加剂主要通过其化学组成参与高温下的液相生成与矿物结晶，直接影响固结键合强度；另一部分可在高温下分解产生气体的添加剂则主要发挥物理造孔作用，它们在干燥或预热过程中分解、挥发或遗留孔隙，从而优化球团内部的孔隙结构与气体扩散通道，显著改善球团内部的氧化动力学条件，使更充分、更快速地氧化为，并通过赤铁矿的再结晶与晶桥发展间接提升球团强度。孔隙率过低不利于o2扩散，氧化速率低；而当孔隙率过高时，虽然氧化充分，但大量孔隙薄壁结构会降低球团抗压强度。由此可见，孔隙率是连接添加剂物性、氧化焙烧过程与最终球团强度的关键微观结构参数。此外，区别于普通矿，钒钛磁铁矿由于含量高，含钛物相在高温条件下的反应转变使其氧化球团在焙烧过程中对温度和氧化动力学条件更为敏感，普通矿的孔隙率-强度经验关系无法直接适用于钒钛磁铁矿球团。在球团孔隙率表征方面，现在有一种基于微观孔隙指数表征球团矿强度指标的方法及系统，其采用工业ct对球团试样逐层扫描，提取孔隙体积、表面积等数据并计算孔隙指数，用以评价球团抗压强度。该方法着重解决球团内部孔隙结构的表征问题，但工业ct设备昂贵、表征过程复杂，且其仅能对已有球团的强度进行评价表征，无法用于指导添加剂配加比例的优化设计。在添加剂强化球团质量的研究与实践方面，无论是实验室研究还是工程应用，确定任何一种新添加剂尤其是造孔类添加剂的最佳配加比例，均主要依赖传统的试错法实验模式，即需开展一系列不同配加比例的球团试验，根据球团质量结果确定影响趋势及最佳配加比例，这种方法不仅实验周期长、成本高昂，更重要的是，针对一种添加剂形成的大量实验数据无法有效地迁移和指导另一种添加剂的应用研究，造成研发资源的浪费。

2、因此，亟待研发一种针对钒钛磁铁矿的简单高效而且能够从更高维度统一造孔类添加剂作用机制的方法，以简易的测试手段、少量的试验量快速确定不同类型添加剂的最佳配加比例，以提升新添加剂的研究效率与数据模型的复用水平。

技术实现思路

1、为解决上述问题，本发明提供了一种强化钒钛磁铁矿氧化球团的方法和装置，能够减少确定新添加剂最佳配加比例所需的试验量，缩短研发周期，降低研究成本，且试验数据可跨添加剂迁移复用，从而可以高效、低成本地筛选和利用各类二次资源作为球团添加剂。

2、本发明提供的一种强化钒钛磁铁矿氧化球团的方法包括：

3、s1、将基准添加剂按多种不同配加比例x与钒钛磁铁矿原料经混匀、造球、干燥、焙烧、冷却工序，制备不同配加比例的钒钛磁铁矿氧化球团；

4、s2、测定s1获得的各配加比例对应的钒钛磁铁矿氧化球团的抗压强度s；

5、s3、获取s1获得的各配加比例对应的钒钛磁铁矿氧化球团剖面的光学形貌图像，并基于所述光学形貌图像通过图像分割获得对应球团的孔隙率p；

6、s4、根据s2获得的抗压强度s和s3获得的孔隙率p，建立球团抗压强度s与孔隙率p之间的定量关系模型，并求解最大抗压强度对应的最适孔隙率；

7、s5、根据基准添加剂的不同配加比例x和s3获得的对应孔隙率p，建立球团孔隙率p与添加剂配加比例x之间的定量关系模型；

8、s6、测定新添加剂在部分配加比例下对应球团的孔隙率，并基于s5建立的定量关系模型拟合模型参数，得到新添加剂的球团孔隙率p与配加比例x之间的定量关系模型；

9、s7、将s4获得的最适孔隙率代入s6获得的定量关系模型，计算得到新添加剂的最佳配加比例，并基于s4获得的定量关系模型与s6获得的定量关系模型，获得新添加剂配加比例对球团抗压强度的影响规律；

10、s8、按照s7获得的最佳配加比例配加所述新添加剂，经混匀、造球、干燥、焙烧、冷却工序制备强化后的钒钛磁铁矿氧化球团。

11、优选地，在上述强化钒钛磁铁矿氧化球团的方法中，所述基准添加剂和所述新添加剂均为造孔类添加剂，所述造孔类添加剂为在干燥和/或预热过程中分解或挥发产生气体从而在球团内部形成孔隙的添加剂；在步骤s6之前还包括：测定所述新添加剂的烧损，根据所述烧损判定所述新添加剂属于造孔类添加剂后，再执行步骤s6。

12、优选地，在上述强化钒钛磁铁矿氧化球团的方法中，步骤s4中所述定量关系模型为具有单峰极值点的连续函数，对所述求一阶导数并令一阶导数为零，求解得到所述最适孔隙率；步骤s7具体包括：将所述代入所述，得到新添加剂配加比例x与球团抗压强度s之间的复合定量关系，由所述复合定量关系确定最大抗压强度及其对应的新添加剂最佳配加比例，并获得新添加剂配加比例对球团抗压强度的影响规律。

13、优选地，在上述强化钒钛磁铁矿氧化球团的方法中，步骤s6中所述部分配加比例为包含配加比例0在内的3个至5个配加比例点；拟合所述模型参数时沿用s5建立的定量关系模型的函数形式，仅更新模型参数，得到所述定量关系模型。

14、优选地，在上述强化钒钛磁铁矿氧化球团的方法中，步骤s3具体包括：取球团试样经冷镶嵌固定后沿几何中心切割制备剖面试样，经研磨、抛光处理后采用反射式光学显微镜采集剖面的光学形貌图像；对所述光学形貌图像进行灰度化、去噪预处理后，采用阈值分割定量分析法完成图像二值化，区分孔隙区域与固相基体区域，统计孔隙区域像素数与固相基体区域像素数并计算孔隙率，对同组试样多次测量取均值，得到对应球团的孔隙率p。

15、本发明提供的一种强化钒钛磁铁矿氧化球团的装置包括：

16、球团制备单元，用于将基准添加剂按设定的配加比例x与钒钛磁铁矿原料经混匀、造球、干燥、焙烧、冷却工序制备钒钛磁铁矿氧化球团；

17、强度测定单元，用于测定所述球团制备单元制备的各配加比例对应的钒钛磁铁矿氧化球团的抗压强度s；

18、图像采集单元，用于获取各配加比例对应的钒钛磁铁矿氧化球团剖面的光学形貌图像；

19、孔隙率计算单元，用于基于所述光学形貌图像通过图像分割获得对应球团的孔隙率p；

20、第一建模单元，用于根据所述抗压强度s和所述孔隙率p建立球团抗压强度s与孔隙率p之间的定量关系模型，并求解最大抗压强度对应的最适孔隙率；

21、第二建模单元，用于根据基准添加剂的不同配加比例x和对应的孔隙率p，建立球团孔隙率p与添加剂配加比例x之间的定量关系模型；

22、参数标定单元，用于根据新添加剂在部分配加比例下对应球团的孔隙率，基于所述定量关系模型拟合模型参数，得到新添加剂的球团孔隙率p与配加比例x之间的定量关系模型；

23、配加比例优化单元，用于将所述最适孔隙率代入所述定量关系模型，计算得到新添加剂的最佳配加比例，并基于所述与所述获得新添加剂配加比例对球团抗压强度的影响规律；

24、所述球团制备单元还用于按照所述最佳配加比例配加所述新添加剂制备强化后的钒钛磁铁矿氧化球团。

25、优选地，在上述强化钒钛磁铁矿氧化球团的装置中，所述基准添加剂和所述新添加剂均为造孔类添加剂，所述造孔类添加剂为在干燥和/或预热过程中分解或挥发产生气体从而在球团内部形成孔隙的添加剂；所述装置还包括烧损测定单元，用于测定所述新添加剂的烧损，以判定所述新添加剂属于造孔类添加剂。

26、优选地，在上述强化钒钛磁铁矿氧化球团的装置中，所述定量关系模型为具有单峰极值点的连续函数，所述第一建模单元对所述求一阶导数并令一阶导数为零，求解得到所述最适孔隙率；所述配加比例优化单元将所述代入所述，得到新添加剂配加比例x与球团抗压强度s之间的复合定量关系，并由所述复合定量关系确定最大抗压强度及其对应的新添加剂最佳配加比例。

27、优选地，在上述强化钒钛磁铁矿氧化球团的装置中，所述参数标定单元以包含配加比例0在内的3个至5个配加比例点对应的孔隙率数据，沿用所述定量关系模型的函数形式，仅更新模型参数，拟合得到所述定量关系模型。

28、优选地，在上述强化钒钛磁铁矿氧化球团的装置中，所述图像采集单元包括试样制备模块和反射式光学显微镜，所述试样制备模块用于将球团试样经冷镶嵌固定后沿几何中心切割制备剖面试样并进行研磨、抛光处理，所述反射式光学显微镜用于采集剖面试样的光学形貌图像；所述孔隙率计算单元对所述光学形貌图像进行灰度化、去噪预处理后，采用阈值分割定量分析法完成图像二值化，区分孔隙区域与固相基体区域，统计孔隙区域像素数与固相基体区域像素数并计算孔隙率，并对同组试样多次测量取均值。

29、通过上述描述可知，本发明提供的上述强化钒钛磁铁矿氧化球团的方法，由于包括将基准添加剂按多种不同配加比例x与钒钛磁铁矿原料经混匀、造球、干燥、焙烧、冷却工序，制备不同配加比例的钒钛磁铁矿氧化球团；测定s1获得的各配加比例对应的钒钛磁铁矿氧化球团的抗压强度s；获取s1获得的各配加比例对应的钒钛磁铁矿氧化球团剖面的光学形貌图像，并基于所述光学形貌图像通过图像分割获得对应球团的孔隙率p；根据s2获得的抗压强度s和s3获得的孔隙率p，建立球团抗压强度s与孔隙率p之间的定量关系模型，并求解最大抗压强度对应的最适孔隙率；根据基准添加剂的不同配加比例x和s3获得的对应孔隙率p，建立球团孔隙率p与添加剂配加比例x之间的定量关系模型；测定新添加剂在部分配加比例下对应球团的孔隙率，并基于s5建立的定量关系模型拟合模型参数，得到新添加剂的球团孔隙率p与配加比例x之间的定量关系模型；将s4获得的最适孔隙率代入s6获得的定量关系模型，计算得到新添加剂的最佳配加比例，并基于s4获得的定量关系模型与s6获得的定量关系模型，获得新添加剂配加比例对球团抗压强度的影响规律；按照s7获得的最佳配加比例配加所述新添加剂，经混匀、造球、干燥、焙烧、冷却工序制备强化后的钒钛磁铁矿氧化球团，因此能够减少确定新添加剂最佳配加比例所需的试验量，缩短研发周期，降低研究成本，且试验数据可跨添加剂迁移复用，从而可以高效、低成本地筛选和利用各类二次资源作为球团添加剂。本发明提供的上述强化钒钛磁铁矿氧化球团的装置，具有与上述方法相同的优点。