一种电炉渣发泡性能评价方法

1.本发明属于电炉渣发泡性能评价技术领域，更具体地说，涉及一种电炉渣发泡性能评价方法。


背景技术：

2.在电炉冶炼中，为了冶炼出优质钢铁以及满足特种钢铁、经济效益、环保节能等需求，泡沫渣应运而生，泡沫渣的冶炼需要添加发泡剂。对同一种渣，不同的发泡剂所带来的发泡效果不一，如何评定电炉渣发泡效果成为确定发泡剂发泡影响优劣的关键之一。
3.目前，关于电炉渣发泡性能评价研究的报告、论文较多，但无综合评价方式。在实验室研究阶段，研究人员对配入某种发泡剂后的电炉渣的发泡性能进行评定时，常常是采用液态实验，具体包括实验测量和理论计算两大部分，即在管中记录初始液面高度，以固定时间间隔将钢棒插入管中，记录液面高度，通过肉眼观察记录其发泡起始时刻并得到发泡时间，并以泡沫渣的发泡高度及发泡时间长短来评判配入某种发泡剂后的电炉渣的发泡性能，该评价方式简称高度法。如东北大学的武振廷等人以电炉渣的发泡高度作指标分析了不同因素对炉渣发泡的影响，并对电炉渣的发泡能力做出了评定(特殊钢，1993(5)：34-38)；上海大学的孟庆玉同样以电炉渣的发泡高度为指标进行了不锈钢无氟电炉渣发泡剂的研究(上海大学)。
4.鉴于电炉渣发泡的特殊性，发泡时间是对其进行性能评价时必不可少的指标之一，高度法肯定了发泡时间在发泡剂性能评价中的重要地位，有一定参考意义。但其仅依据发泡时间与发泡高度对电炉渣进行发泡性能评价太过片面，如若以单维进行评价，如通过发泡时间、发泡高度分别完成某种电炉渣的性能评价或将二者单独作为评价指标完成配入不同发泡剂的电炉渣的发泡性能优劣对比将显得十分狭隘，该种评价方式的依据过于单薄，无法为后续研究提供理论支撑；而以发泡时间与发泡高度联合对电炉渣发泡性能进行二维评定，虽统合了发泡高度与发泡时间的关系，但发泡高度作为单维参数存在较大偶然性，不能保证准确度，其性能评价意义仍无法作为后续实验研究的强力理论支撑；同时，人工测量钢液高度、观察发泡起始时刻具有较大误差，且无法避免外界因素干扰对评价结果的影响。


技术实现要素：

5.1.要解决的问题
6.本发明的目的在于克服现有电炉渣发泡性能评价方法存在的评价依据单薄、准确性相对较差，尤其是易受外界因素干扰的不足，提供了一种电炉渣发泡性能评价方法。本发明综合了发泡面积比强度、发泡时间等因素，并制定相关发泡特征参数对电炉渣的发泡能力进行评价，有效提高了评价的准确性，且能够避免外界因素变化对评价结果的干扰，同时也为发泡剂的工业应用做出贡献。
7.2.技术方案
8.为了解决上述问题，本发明所采用的技术方案如下：
9.本发明的一种电炉渣发泡性能评价方法，包括以下步骤：
10.步骤一、电炉渣的预处理
11.以化学纯试剂合成的渣作为待发泡电炉渣样品源，对该化学合成渣进行预熔化处理以形成渣相；
12.步骤二、混料、压样
13.将预熔化处理后得到的渣相与不同发泡剂进行混合，并对各组混料进行压样处理，得到待发泡样品；
14.步骤三、样品发泡
15.将各组待发泡样品分别置于加热炉内进行加热使电炉渣发泡，并通过摄像设备对待发泡样品发泡过程中的动态变化进行拍摄；
16.步骤四、图像处理及发泡性能评价
17.对拍摄所得图片进行处理，计算得到电炉渣在不同拍摄时刻的发泡截面积，以电炉渣收缩到最小截面积为基准，将各瞬时截面积与该最小截面积作比，绘制得到电炉渣的发泡截面积比(瞬时发泡截面积与最小发泡截面积之比)随发泡时间的变化曲线，即发泡行为曲线，从而计算得到电炉渣的发泡面积和平均相对面积强度，以该参数对电炉渣发泡性能优劣进行评价。
18.更进一步的，步骤一中预熔化处理的温度为1550-1650℃，电炉渣随炉升温，升温速度为10～15℃/s。
19.更进一步的，步骤一中待样品熔化后再随炉降温，并粉碎至目标粒度200～18目。
20.更进一步的，步骤二中各种发泡剂的添加量占电炉渣配重的3.5-5.5％，压样处理的压力为12-17mpa，时间为3-5min；经压样后将待发泡样品置于100-120℃下保温20-24h以脱除水分。
21.更进一步的，步骤三中将各组待发泡样品分别通过刚玉管置于加热炉内，且实验开始前以1～2l/min向管内通入氩气3～6min，以排空空气；实验温度控制为1500-1600℃，实验过程中关闭氩气流量。
22.更进一步的，刚玉管上分别设有进气管和出气管，且进气管的另一端与氩气储罐相连；所述刚玉管的一端设有观察窗，该观察窗采用石英材质，摄像设备通过观察窗对电炉渣的发泡过程进行拍摄记录。
23.更进一步的，电炉渣的发泡面积s和平均相对面积强度计算公式分别如下所示：
[0024][0025][0026]
上式中，t1和t3分别为炉渣发泡的起始时间和终止时间，δa为电炉渣的瞬时发泡面积比的变化率。
[0027]
更进一步的，发泡起始时间t1为电炉渣发泡初期面积比值最小的时间点，即炉渣球团收缩到最小截面积时对应的时间点，发泡终止时间t3为发泡行为曲线上与发泡起始时间所对应截面积比相同的时间点。
[0028]
更进一步的，摄像设备每隔10-20s捕捉一次图像。
[0029]
3.有益效果
[0030]
相比于现有技术，本发明的有益效果为：
[0031]
(1)本发明的一种电炉渣发泡性能评价方法，综合考虑了发泡面积比强度、发泡时间等因素，并制定了相关发泡特征参数(电炉渣的发泡面积和平均相对面积强度)对电炉渣的发泡能力进行评价，从而有效提高了电炉渣发泡性能的评价准确性；同时通过电炉渣的预熔处理以及压样处理等工艺的优化，还可以有效避免外界因素变化对评价结果的干扰。
[0032]
(2)本发明的一种电炉渣发泡性能评价方法，发泡剂与电炉渣互相作用时，电炉渣发泡的程度并不仅仅受发泡剂的性能影响，一些外界因素如，气体氛围、渣的碱度、孔隙率等也会对电炉渣的发泡强度有影响。因此，具体的，本技术中通过向加热炉内通入惰性气体以保证气体氛围，同时对通过化学试剂所合成的电炉渣的碱度进行控制，并通过压块处理排除孔隙率干扰，从而有利于排除上述因素对评价结果的干扰。而通过对电炉渣进行预熔处理则有助于弱化电炉渣自身发泡效果，从而在同一基准上放大配入发泡剂后的电炉渣的发泡性能，更容易观察与对比。
[0033]
(3)本发明的一种电炉渣发泡性能评价方法，拍摄获得炉渣在不同时刻的发泡图像后，通过专业计算机软件计算得到电炉渣发泡截面积，从而避免了高度法的人工误差，有利于进一步提高对发泡剂性能评定的精确性。
[0034]
(4)本发明的一种电炉渣发泡性能评价方法，将发泡初期炉渣面积最小的时刻，即炉渣圆柱球团收缩到最小截面积时的时刻作为发泡初始时间，从而可以有效避免发泡剂自身熔化过程对发泡剂发泡性能评定的影响，有利于进一步保证评定结果的精确性。
附图说明
[0035]
图1为本发明所用试验评价装置的结构示意图；
[0036]
图2为本发明所得电炉渣发泡性能评价曲线示意图；
[0037]
图3为预熔与未预熔制样时电炉渣的起泡曲线对比图；
[0038]
图4为压块与未压块制样时电炉渣的起泡曲线对比图；
[0039]
图5为添加发泡剂后无预处理渣的面积比强度的对比曲线图；
[0040]
图6为添加发泡剂后预处理渣的面积比强度的对比曲线图；
[0041]
图中：1、加热炉；2、刚玉管；301、进气管；302、出气管；4、垫片；5、待发泡样品；6、观察窗；7、摄像设备；8、控制面板；9、氩气储罐。
具体实施方式
[0042]
针对现有电炉渣发泡性能评价方法(高度法)评价准确性相对较差的问题，本发明提供了一种电炉渣发泡性能评价方法，该方法综合了发泡面积比强度、发泡时间等因素，并制定相关发泡特征参数对电炉渣发泡性能进行评价(简称面积比法)，突破了常规思维的液态实验，实现了从定性到定量的评定转变。同时，本发明以固态实验的方式对电炉渣发泡进行了放大实验，真空管式炉内的块状样品相当于电弧炉中众多起泡渣中的一个泡，更直观；而又因面积比法是以面积比与时间交叉对电炉渣进行发泡性能评定，保证了结果的可靠性，与高度法相比，大大降低了中存在的偶然性。
[0043]
下面结合具体实施例对本发明的方案进行进一步阐述。
[0044]
实施例1
[0045]
本实施例的电炉渣发泡性能评价方法，包括以下步骤：
[0046]
步骤一、电炉渣的预处理
[0047]
以化学纯试剂合成的渣作为待发泡电炉渣样品源，其成分含量如表1所示(二元碱度为2.39)，在实验开始前的制样阶段，对该化学合成渣进行预熔化处理以形成渣相，从而有助于弱化电炉渣自身发泡效果，进而在同一基准上放大配入发泡剂后的电炉渣的发泡性能，更容易观察与对比。
[0048]
表1电炉渣成分及组成比例
[0049][0050]
具体的，本实施例中预熔操作是在1600℃下的电磁感应加热炉中进行熔化，随炉升温，升温速度为13℃/s，然后随炉降温，待其冷却至室温，从坩埚中取出，并以电磁粉碎机进行破碎，以达到目标粒度200～18目(0.075mm～1mm)。
[0051]
步骤二、混料、压样
[0052]
将预熔化处理后得到的渣相与不同发泡剂进行混合，并对各组混料进行压样处理，得到待发泡样品5；每个样品中电炉渣的质量为1g(
±
0.01)，发泡剂占电炉渣配重的5％，样品外观呈圆柱状(h＝10mm，d＝5mm)，压样处理的压力p＝15mpa，时间t＝3min，各组样品在压块完成后放入105℃真空干燥箱中保温24h以脱除水分。
[0053]
需要说明的是，压样处理的压力控制对于评价结果存在较大影响，过大的压力会使得块不成形，压力较小则会使得孔隙率增大，使压块过程中块状样品内部易存空气，影响后续评价结果；而以一定的压力、持续时间进行压块，有助于逸出空气，降低孔隙率，排除干扰，保证评价结果的准确性。
[0054]
步骤三、样品发泡
[0055]
如图1所示，在实验开始前，以2l/min向刚玉管2(刚玉管上分别设有进气管301和出气管302，且进气管301的另一端与氩气储罐9相连)内通入氩气3min，以排空空气。将干燥后的样品置于氮化硼垫片4(a＝40mm，b＝40mm，h＝4mm)上，在1550℃推入加热炉1(本实施例中为chy-1700真空管式炉，通过控制面板8可对加热温度等参数进行设定)内高温区，并关闭氩气流量。通过摄像设备7透过观察窗6对待发泡样品发泡过程中的动态变化进行拍摄。
[0056]
步骤四、图像处理及发泡性能评价
[0057]
对拍摄所得图片进行处理，经专业测绘软件计算得到电炉渣在不同拍摄时刻的发泡截面积，并对t1时刻电炉渣的最小截面积作比，绘制得到电炉渣的发泡截面积比随发泡时间的变化曲线，即发泡行为曲线(如图2所示)，从而计算得到电炉渣的发泡面积和平均相对面积强度，以该参数对不同发泡剂的发泡性能优劣进行评价。
[0058]
具体的，如图2所示，a1是发泡初期面积比值最小的点，因此把a1点所对应的横坐标t1定义为炉渣熔化期结束并开始发泡的时间点；a2是炉渣在整个发泡期间面积比值(体积膨胀)最大的点，因此把a2点所对应的横坐标t2定义为炉渣发泡峰值的时间点；在a1点作一条平行于时间轴的直线，该直线与发泡行为曲线相交于a3点，这里把a3点所对应的横坐标t3定
义为炉渣发泡的终止时间点，即t
2-t1为炉渣开始起泡至发泡峰值所需时间，t
3-t1为炉渣发泡的持续时间。δy为a2点纵坐标与a1点纵坐标的差值，即t2时刻截面积与t1时刻截面积之差，因此将δy定义为炉渣起泡的最大高度值。s为a
1-a3线段与发泡行为曲线之间的积分面积，如式1-1，由式1-1可得平均涨泡面积式1-2，该发泡特征参数是用来衡量炉渣发泡的综合情况。
[0059][0060][0061]
为定量分析炉渣在发泡过程中的体积变化，采用图像面积计算法进行发泡行为的量化研究，具体是指对摄像区域内炉渣球团的瞬时面积进行测量与计算。本研究以炉渣圆柱球团收缩到最小截面积定义为发泡实验正式开始的初始时间，因此在图像面积计算法中同样以炉渣圆柱球团收缩到最小(t1)的截面积(s1)为基准，每隔10s捕捉一次图像，并测量出炉渣在整个发泡实验过程中不同时刻的瞬时面积(s
t
)，利用上述两个面积值进行除法运算得到面积比值(s
t
/s1)，即瞬时面积除以炉渣圆柱球团收缩到最小的截面积。将该面积比值绘制成随时间变化的曲线，即可得到炉渣的发泡行为曲线图。
[0062]
还需要说明的是，电炉渣发泡的目的是获得发泡平稳、发泡时间长的效果以帮助冶炼，而由于在高温下电炉渣发泡之前会存在自身的熔化过程，从而会对评价结果产生影响。因此，本技术中考虑了电炉渣自身的熔化过程，而以发泡初期电炉渣收缩到最小面积的时刻作为发泡起始时间，从而有利于进一步保证电炉渣发泡性能评价的精确性。
[0063]
综上所述，本方法综合考虑了炉渣发泡的强度、持续时间，通过相关实验准备排除不必要的干扰因素，对炉渣发泡行为曲线特征点进行分析，以式1-1、式1-2计算得出发泡面积s、平均相对面积强度的值确定电炉渣发泡性能。为验证本发明中相关操作的有益性，提供了几种曲线进行说明，如附图，值得注意的是，曲线中并未对收缩过程有所表示，原因见前述[起点选择]。由图3、图4可知，预熔、压样操作可有效减少电炉渣自身起泡效果，而由图5、图6则可看出，经过预处理后，降低了电炉渣自身起泡效果对配入发泡剂后的电炉渣的性能评价的影响，在同一基准上放大了发泡剂的性能效果，更直观、更准确。