通过图像分析描述焦炭填充床在1500℃时液态渣的特点

通过图像分析描述焦炭填充床在1500℃时液态渣的特点摘要通过向高温实验室规模的焦炭填充床添加渣来模拟高炉炼铁中熔渣的流动情况。在1500℃时，检查通过填充床的液态渣的堆积密度从50%变化到65%的流量。由于通过填充床的液体流量取决于填料的特性，如：粒度，孔径和孔的颈部尺寸，所以描述填料的这些特性是很有必要的。在这项工作中，测试床的连续切片的图像分析被用来描述焦炭床中填料的性能，而且渣的分布和含量也被测定。该程序是，在每个实验结束后，填充床被冷却后冷裱在树脂中，然后切成大约4毫米厚的片，然后分析每一片，测出颗粒粒度，孔隙的几何性质和炉渣分布。结果发现，渣很好的分布在填充床里面，在填充床的横截面之间的位置变化，表明没有显著的地壁效应。实验中发现平均孔径和孔的平均颈部尺寸随着堆积密度的增加而减小。与没有发生反应的的填充床相比，由于焦炭渣的相互反应，熔渣流动使颗粒的球形度和孔的平均颈部尺寸有所增加。关键词：高炉；渣；焦炭；液体流；滞留液体；图像分析；填充床1.引言在炼铁高炉的下部区域，流动的液态渣、铁和它们的含量影响高炉透气性、性能和生产率。由于该区在有限的可操作条件下，实验和数学模拟方法已经被用来研究该区域的液体流。为此，低区域经常近似流过焦炭填充床。因此，对填充床的液体流和通道之间的填料焦炭颗粒的研究应该先了解高炉的性能和操作。液体通过填充床流量的早期研究是基于室温试验和试图与滞留液体对填充床填料性质和液体的性质（密度，粘度和表面张力）除了界面性质的液体和填充床之间用经验数学公式、材料。填充床，液体和流体参数已经被作为无量纲形式使用（改性雷洛兹数Rem，改性伽利略号Gam，界面张力Ne和改性毛细管数Cpm）。这些无量纲数已经在数学公式（1），（2），（3），（4）中用于预测滞留液体。改性雷洛兹数，11).1(...Repmdu(1)改性伽利略数，23321)1()(pmdgGa(2)界面张力数，cos1Ne(3)改性毛细管数，)cos1()1()(221pmdgCp(4)在公式中，1:液体密度，kg/m3，u:液体表面流速，m/s，dp=颗粒直径，m，：粒子的球形度，：填充床的孔隙度，g：重力加速度，m/s2,:液体粘度，Pa.s，：液体表面张力，N/m，：与填充床填料的接触角，rad。流动条件下的管道直径被看作颗粒直径。在一个填充床中，床的空隙率是孔（空隙）卷成的填充床的体积比率。另外，填充床的堆积密度（B）是用来衡量如何紧密堆积和被定义为填料所占填充床的体积分数。两者之间的关系用公式五表示。B1(5)在考虑通过填充床的液体流是，滞留液体分为静态和动态两个主要类型。静态含率（SH）是在填充床的空隙流停止后，液体流自动从床上流。动态含率（dH）是填充床停止流动后的液体流。滞留液体的数学描述是基于室温填充床实验。这些模型的实例在公式（6），（7）中，分别为SH和dH。msCpH.263.05.201(6)648.0097.0485.0648.0))cos1((Re05.6emmmdNCpGaH(7)以上的实证模拟测试床是一个小单元。然而，通过填充床颗粒的液体宏观流量是由本地化的液体流动模式在床颗粒之间的孔隙形成个人水平。这些孔通常是相互连接的，都可以通过比较窄的孔径，液体流通常被界面现象所支配。当代作家最近的一项研究是集中在大量的液态渣中最小的颈部尺寸通过焦炭渠道流动，虽然这是渣中最小的孔的颈部尺寸，但是这个尺寸是呈时间依赖性。在30分钟和1500℃时，一些不同类型的渣和焦炭的最小直径大约为4.4mm。在很长的时间内，渣能通过较小的通道。渣焦界面的反应证据导致被认为是碳化硅的形成。本次最小孔隙的尺寸依赖性被解释为改变（降低）接触角，也在研究中被测量，焦炭和渣之间随着时间对界面反应也有一定的影响。这导致渣焦从一个非润湿系统变成一个润湿系统，有利于孔隙渗透。从公式（1）-（7）中可知，一个填充床的堆积密度和颗粒的球形度需要被测出，因此，用SH和dH可以计算出来。同时，孔的颈部尺寸的分布需要对孔隙特征进行访问调查和估计填充床中可能的流动通道。液体通过填充床的流动特征取决于液体的性质，填充床和填料性能的相互作用。由于这是每个液体流的状态，所以实际填料的性能和孔结构是有必要去描述的。不幸的是，填充床特征数据，如孔隙度，孔径和孔的颈部尺寸分布不是已知的，而是只能在填充床被构造和分解后才能确定。在一组高温实验中研究流动渣通过实验规模的焦炭床，评估填充床填料的堆积密度对填充床流动的影响。结果发现，提高填料的堆积密度导致dH升高和SH稳定或者略有下降。结果是总含率随填充床堆积密度的增加而增加。这项工作的任务是对填充床堆积密度的量化和通过焦炭填充床的液态渣的分布和描述填充床性能。这是通过物理检查和对填充床实验后连续的横截面的图像分析。图像分析的进行得出了有关焦炭填充床的结构知识和描述填充床的堆积性能对熔渣流动的影响。即堆积密度就是填充床的孔径大小，填充床孔的颈部尺寸和焦炭颗粒的球形度。2.实验高温实验已经对在1500℃高纯度氩气气氛下（99.99%），流体渣通过焦炭填充床的堆积密度从50%变化到65%进行了研究。在300℃时，氩气通过石棉，无水硫酸钙和铜屑优先进入高炉。大约300克的颗粒渣从填充床上以3.3克/分钟的进给速度通过螺旋给料机，炉渣融化并通过填充床。填充床上滴落的渣用石墨坩埚收集起来放在精度在0.001g的微量天平中。每个填充床实验主要产品就是得到一条熔渣通过填充床的给排水曲线。矿渣喂料速度的设定和记录捕获的渣量随时间的微平衡。堆积方法的细节已经在其他地方被发现。名义上的堆积密度B已经由公式（8）初步建立。(8)其中，p是填料的堆积密度。渣的组成是40.7%的CaO,37.4%的SiO2，12.5%的Al2O3和8.8%的MgO。填充床被装在内径为55mm的使用焦炭颗粒合成的石墨坩埚中。用澳大利亚的测定标准测出堆积密度是1.08g/cm3。标准粒径为8-10毫米和填充床高度为70毫米。填充床的所有实验装置的详细细节均被给出了。渣的喂料时间大约是90分钟。填充床进行了60分钟的持续升温，然后停止，再以5℃/min的速度冷却到室温。一旦冷却下来，就把填充床拆下来检查。每个实验的静态滞流HS通过公式（9）来估计流过填充床的渣的质量来初步确定。（9）填充床用含有荧光染料冷树脂安装，用来区分树脂渣。填充床的孔隙安装有真空辅助树脂。当树脂硬化，填充床切片与金刚石锯片（1毫米厚）为13片平均约4毫米的厚度，得到22片分析。注意确保两个垂直和旋转的切片保持原来填充床的位置。用平板扫描仪（佳能UFRIIiR3025）对该部分的截面进行扫描，然后将扫描的图像存储为颜色为300×300dpiJPEG的文件。实验后一组典型的填充床的横截面的图像如图1所示。横截面的图片排序是从上到下，根据它们在填充床上相对定向的部分固定。图1一个全套的填充床实验的横截面的扫描图像例子。填充床堆积密度：55%。渣，模拟焦炭和树脂分别显示为白色，暗灰色和浅灰色区域。图像是从填充床顶部（1）到填充床底部（22）。实验时间=90min然后对图像进行处理，得到每个相应对比分离，基于阀值的分析可以应用ImageJ1.38程序。在确定孔和孔的颈部尺寸时，填充床的孔的定义被杜林提出并在图2采用了示意图说明。由此，当这个孔被焦炭颗粒包围时就被定义为焦炭颗粒的空间和在颗粒间的水力半径局部很小的时候用画线来表示。图2二维表示的三维的孔隙和孔的颈部每部分的图像在焦炭颗粒的局部最小值被确定后用手工画的线。这些线代表了孔径和分析这些线的长度作为衡量这部分截面的孔的颈部尺寸。除了灌溉床，一个非反应床经历了灌溉填充床实验但是没有渣的加入为反应床提供了一个比较的评价。图像分析也被用来描述局部区域的堆积密度B'和静态滞留渣sH'，从结果中比较渣质量测定值。焦炭颗粒的面积分数和滞留的渣分别用B'和sH'测定，填充床的部分面积的定义分别用公式（11）和（12）确定。图3说明了一个实验后焦炭颗粒和渣的分离层的情况，焦炭床的部分图像是一个典型的例子。（11）（12）公式中，i是填充床层片的编号，n是填充床层片的总数量。图3一个实验的部分焦炭床的横截面图像的示例：1cm以上的底部。1-处理前图像，2-手动定义的孔径（黑色线），3-用白色代表孔隙黑色代表焦炭粒度，4-用白色表示渣相层。在二维投影中（正如填充床部分），填充床的孔径大小被估计为是孔隙的二维投影的投影面积中具有相同的圆面积的等效直径。焦炭颗粒的球形度是投影面积的4倍与平均圆形度的平方的比值，在公式（13）中给出。24PASphericity（13）其中，A是颗粒的投影面积，P是平均圆形度。3.结果与讨论对所有的填充床的横截面积的分析表明，孔径，孔的颈部尺寸和颗粒的球形度都有一个分布式的本性。对分段填充床的当量孔径分布给出了图4这个典型的例子，显示了测量变量的分布性质。可以得到孔的颈部尺寸是相似的分布。四种不同的填充床的堆积密度（%65,60,55,50B）已经在填充床试验中测试出来了。孔隙的等效直径和孔的颈部尺寸分别在图5和图6中给出。可以看出，等效孔径和孔的颈部尺寸有减小的趋势，B有增大的趋势。图4等效孔径的一个典型例子，填充床的B为55%，实验时间=90min。图5孔隙的等效直径在填充床的分布情况。实验时间=90min。图6孔的颈部尺寸在填充床中的分布情况。实验时间=90min。3.1填充床孔的大小和孔的颈部尺寸对堆积密度的影响将固定的和较窄的粒度范围的颗粒用来包装所有的填充床（8-10mm），包装参数，特别是孔的大小和孔的颈部尺寸一般依赖制备的填充床的堆积密度B，正如图5和图6所示。为了体现B在等效孔径和孔的颈部尺寸的影响，孔的等效直径和孔的颈部尺寸的测定分别通过对填充床的截面图像分析的4个B测试在图中给出，如图7图8所示。在这两种情况下平均值和最大值在绘制提供的数据范围显示。正如预期的那样，可以看出在B的增加导致了孔隙的等效直径和孔的颈部尺寸减小。可以看出，填料结构的孔隙度的增加变得不那么紧密是通过大孔来控制，而孔径的最大值似乎增加最多。最小的孔径和孔的颈部尺寸均小于0.07毫米，一般不显示出来。图7估计当量孔径和堆积密度的关系。实验时间=90min。图8估计孔隙的颈部尺寸和填充床的堆积密度的关系。实验时间=90min。3.2通过图像分析静态滞留渣的特点在实验后，通过图像分析用公式（12）来估计sH'。结果相比，sH值的确定是在实验结束后用公式（9）估计堆积渣的质量并用Fukutake模型计算。正如图9所示，结果表明一般的sH'和sH之间有良好的一致性。然而，这两个值均明显高于以实验温度为基础的模型，正如公式（6）所描述的那样。这样看来，以室温为基础的模型不充分描述当前高温实验或其他高温液体发表作品保留机制。图9通过填充床质量方法估计静态滞留的比较，用图像分析法估计和不同的包装密度fukutake模型计算。实验时间=90min。3.3研究填充床的填料性能对炉渣流动的影响B'，颗粒的球形度，孔的颈部尺寸的确定是通过对B=55%的未反应填充床和液态渣流的图片进行分析，分别如图10中的Table1和图11。对填充床的B=50,60,65都用同样的方式进行分析。表1通过图像分析比较填充床的堆积密度在实验前和实验后的区别。名义上的B=55%。图10在B=55%时测定焦炭颗粒的球形度在渣流动前和渣流动后的值。实验时间=90min。通过图像分析测定B'的堆积密度渣流动前渣流动后47.848.6图11当B=55%时测定填充床孔的颈部尺寸在渣流动前和渣流动后的分布。实验时间=90min。从图11和图12中可以看出，填充床的颗粒球形度和孔的颈部尺寸在熔渣通过填充床之后有所增加。在熔渣通过填充床的实验后，颗粒的球形度平均从0.57增长到0.61，孔的颈部尺寸平均从1.71mm增长到2.11mm。熔渣流动对颗粒的球形度和孔的颈部尺寸的组合效应