本發明屬于冶金技術領域，特別是屬于高溫熔體相變傳熱傳質實驗技術領域，尤其涉及一種用于煉鐵反應器內凝殼現象研究的實驗裝置及實驗方法。

背景技術：

凝殼現象普遍存在于現代火法冶金反應器中，尤其存在于煉鐵反應器中，上述煉鐵反應器包括但不限于高爐、HISMELT熔融還原爐、HISARNA旋風爐、COREX以及FINEX熔融氣化爐。

以高爐為例，高爐大型化的綜合效益無需贅述，目前世界工業發達國家已基本實現高爐大型化，而我國也正在積極推進。大型高爐的諸多優勢是一系列創新科技與實踐高度集成的結果，但高爐長壽才是體現其大型化優勢的基礎，短壽的大高爐只能空談優勢。日本和歐洲各主要產鐵國的高爐平均壽命已經達到或超過15年，為高爐大型化優勢的全面展示提供了有力支撐。我國高爐長壽水平自20世紀90年代以來取得了顯著進步，先后出現了一批爐齡接近甚至超過15年的大中型高爐。但毋庸諱言，我國高爐長壽水平仍良莠不齊，整體水平與發達國家還有一定差距。

實踐表明，承受較大熱負荷的爐腹、爐腰和爐身下部與爐缸區域是決定現代高爐壽命的關鍵部位。近些年，通過采用先進的冷卻設備和耐火材料，爐腹、爐腰和爐身下部中修頻率高、壽命短的問題已經基本解決，但爐缸問題依然突出。可見，在高冶煉強度和低原燃料品質的新形勢下，限制高爐長壽的瓶頸部位正逐漸從爐腹、爐腰和爐身下部區域轉向爐缸。在導熱系數低、抗化學侵蝕和機械破壞性能優良且持久的超級耐火材料問世之前，高爐爐缸內襯在連續生產過程中的耗損不可避免。而采用較高導熱系數襯材，配備高效冷卻設備，形成熱面凝殼是保護爐缸內襯，從而保障其長期安全生產的根本途徑。在實際生產時的高溫高壓理化環境下，高爐爐缸內襯無法長期承受炙熱熔渣和鐵水的侵蝕破壞，但高效冷卻設備和合理操作措施的配合可降低內襯工作溫度，使近襯面處熔融物冷卻結殼，隔絕高溫流體與內襯的直接接觸，從而能夠有效保護內襯，延長爐缸使用壽命。

高爐爐缸長壽的研究可從其內襯侵蝕和保護兩方面入手，其中后者旨在揭示上述“自保護”凝殼現象的控制機理，從而為制定爐缸長壽設計和操作措施提供科學指導。必須說明的是，目前的技術手段尚無法在高爐生產過程中進行爐缸凝殼的觀測或取樣，而絕大多數基于數學模型的相關結論卻又需要實際結果或數據的驗證。鑒于內襯熱面凝殼對于爐缸乃至高爐壽命的決定性影響，開發出用于高爐爐缸凝殼現象研究的實驗裝置及實驗方法便具有非常顯著的實際意義。

綜上，目前亟需創新出一種可以用于煉鐵反應器內凝殼現象研究的實驗裝置及實驗方法。

技術實現要素：

(一)要解決的技術問題

為了解決現有技術中的問題，本發明提供一種用于煉鐵反應器內凝殼現象研究的實驗裝置及實驗方法。

(二)技術方案

為了達到上述目的，本發明采用的主要技術方案包括：

本發明一方面提供一種用于煉鐵反應器內凝殼現象研究的實驗裝置，包括：高溫爐；用于容納鐵水原料的坩堝，坩堝放置在高溫爐的爐膛恒溫區內；能夠可選擇地伸入坩堝中的凝殼采集器，凝殼采集器包括冷卻元件、包裹在冷卻元件底部的凝殼基體、以及套設在冷卻元件外部并疊置在凝殼基體上的隔熱套；制冷系統，制冷系統與冷卻元件連通形成冷卻劑循環流路。

根據本發明，凝殼基體的材料為高純石墨或剛玉，隔熱套的材料為耐火材料，冷卻元件的材料為鋼或銅合金，在冷卻元件和凝殼基體之間填滿石墨膠。

根據本發明，凝殼基體和隔熱套均通過螺釘固定在冷卻元件的外表面。

根據本發明，還包括：氮氣瓶，高溫爐的爐膛下方設有氮氣入口，氮氣瓶與氮氣入口連通。

根據本發明，坩堝為石墨坩堝或剛玉坩堝；凝殼基體的壁厚位于5-20mm的范圍內，高度位于100-200mm的范圍內；隔熱套為套筒狀，其壁厚位于5-20mm的范圍內，高度位于200-600mm的范圍內；冷卻元件包括冷卻元件主體、冷卻劑供給管和冷卻劑導出管，凝殼基體包裹在冷卻元件主體的底部，隔熱套套設在冷卻元件主體外部，冷卻劑供給管的出口與冷卻元件主體的內部連通，冷卻劑導出管的入口與冷卻元件主體的內部連通，冷卻元件主體為圓柱形，冷卻元件主體的外徑位于10-30mm的范圍內，內徑位于5-20mm的范圍內，高度位于300-1000mm的范圍內。

根據本發明，冷卻元件為圓柱形冷卻元件、U形冷卻元件、螺旋形冷卻元件、翅片形冷卻元件或肋板形冷卻元件。

根據本發明，制冷系統包括冷卻劑存儲罐、用于對冷卻劑存儲罐內的冷卻劑降溫的制冷器、連接冷卻劑存儲罐的出口與冷卻劑供給管的入口的第一管路、連接冷卻劑存儲罐的入口與冷卻劑導出管的出口的第二管路、設置在第一管路上的流量計、設置在第二管路上的泄壓閥和泵、以及可移動支架，冷卻劑存儲罐和泵安裝在可移動支架上；實驗裝置還包括升降驅動器，升降驅動器與凝殼采集器連接。

本發明另一方面提供一種采用上述任一項用于煉鐵反應器內凝殼現象研究的實驗裝置的實驗方法，包括如下步驟：S1、裝有鐵水原料的坩堝放置在高溫爐的爐膛恒溫區中；S2、將高溫爐的爐膛恒溫區升溫至第一設定溫度，待坩堝中形成鐵水后，攪拌均勻鐵水；S3、啟動制冷系統，冷卻劑在制冷系統和冷卻元件之間循環流動，冷卻劑的溫度為第二設定溫度；S4、將凝殼采集器伸入坩堝中并且使凝殼基體與坩堝內的鐵水接觸，形成附著在凝殼基體外的鐵水凝殼；S5、一定時間后，將凝殼采集器提升至高溫爐外降溫；S6、剝離鐵水凝殼制樣；其中，第一設定溫度和第二設定溫度的溫差位于1220-1500℃的范圍內。

根據本發明，在步驟S1執行完畢后，打開氮氣瓶，使氮氣持續從高溫爐的爐膛底部注入爐膛中，保持氮氣的注入同時開始執行步驟S2；在步驟S5中，將凝殼采集器提升至高溫爐外后使用氮氣噴槍吹掃鐵水凝殼。

根據本發明，在步驟S2中，第一設定溫度位于1250-1500℃的范圍內；在步驟S3中，第二設定溫度位于0-30℃的范圍內，冷卻劑的流量位于0.1-1.5m³/s的范圍內。

(三)有益效果

本發明的有益效果是：

本發明的實驗裝置中，高溫爐用于在坩堝中制成鐵水，凝殼采集器伸入到坩堝中的鐵水中后，凝殼基體位于坩堝中且內側緊密貼靠冷卻元件，進而可在凝殼基體的內外形成外熱內冷的大溫差環境，在此環境下，坩堝中的靠近凝殼基體的鐵水會冷卻形成附著在凝殼基體外部的鐵水凝殼。由此，本發明的實驗裝置中，采用凝殼基體模擬煉鐵反應器的內襯，采用冷卻元件模擬煉鐵反應器的冷卻設備，加之在凝殼基體內外側形成外熱內冷的大溫差環境，高度還原了煉鐵反應器爐缸內鐵水凝殼的形成過程，填補了目前用于煉鐵反應器內凝殼現象研究的實驗裝置的空白，從而可為基于數學模型的相關研究結論提供數據驗證，進而可為制定爐缸長壽設計和操作措施提供科學指導。

本發明的實驗方法采用上述實驗裝置，填補了目前用于煉鐵反應器內凝殼現象研究的實驗方法的空白，可以采集到所形成的鐵水凝殼，進而可對該鐵水凝殼進行進一步的研究，由此可為基于數學模型的相關研究結論提供數據驗證，并且可為制定爐缸長壽設計和操作措施提供科學指導。

附圖說明

圖1是本發明具體實施方式所提供的實施一的實驗裝置的結構示意圖；

圖2是圖1示出的實驗裝置中凝殼采集器的剖面圖；

圖3是U形冷卻元件的結構示意圖；

圖4是螺旋形冷卻元件的結構示意圖；

圖5是翅片形冷卻元件的結構示意圖；

圖6是肋板形冷卻元件的結構示意圖。

【附圖標記說明】

圖中：

1：冷卻劑存儲罐；2：可移動支架；3：泄壓閥；4：泵；5：第二管路；6：冷卻劑導出管；7：冷卻元件主體；8：隔熱套；9：凝殼基體；10：坩堝；11：高溫爐；12：第一管路；13：流量計；14：冷卻劑供給管；15：升降驅動器；16：氮氣瓶。

具體實施方式

為了更好的解釋本發明，以便于理解，下面結合附圖，通過具體實施方式，對本發明作詳細描述，其中，本文所涉及的“上”、“下”、“底”等方位名詞均以圖1至圖6的定向為參照。

實施例一

參照圖1，在本實施例中，提供一種用于煉鐵反應器內凝殼現象研究的實驗裝置。該實驗裝置包括高溫爐11、坩堝10、凝殼采集器和制冷系統。

具體地，高溫爐11是用于工礦企業、科研單位化驗室、實驗室加溫、熱處理的儀器設備，本實施例所采用的高溫爐11是工作溫度能夠制成鐵水的高溫爐，優選地，高溫爐11采用管式鉬絲高溫爐，工作溫度能夠達到1500℃。當然，本發明不局限于此，在其他實施例中，可采用任意能夠制成鐵水的高溫爐，例如，一些工作溫度能夠達到1650℃的高溫爐。其中，工作溫度即指高溫爐爐膛恒溫區內的溫度。

具體地，坩堝10放置在高溫爐11的爐膛恒溫區內，坩堝10用于容納鐵水原料，高溫爐11升溫后，坩堝10中的鐵水原料便會熔化成鐵水。其中，鐵水原料是粉末狀，其成分以及各成分的含量根據需要研究的目標鐵水凝殼來確定，例如，鐵水原料可以是包括工業純鐵、硅鐵、錳鐵、硫鐵、磷鐵等在內的磨碎混勻的粉末。

具體地，凝殼采集器能夠可選擇地伸入坩堝10中，即凝殼采集器能夠進入高溫爐11并伸入坩堝10中，也可以離開高溫爐11。參照圖2，凝殼采集器包括冷卻元件、凝殼基體9和隔熱套8，凝殼基體9包裹在冷卻元件底部使得在實驗時冷卻元件的底部不暴露在鐵水中，凝殼基體9至少覆蓋冷卻元件底部，凝殼基體9覆蓋冷卻元件的高度根據需要制取的鐵水凝殼的多少決定。

具體地，隔熱套8套設在冷卻元件外部并疊置在凝殼基體9上，隔熱套8保證冷卻元件的外壁不會暴露在高溫爐11內，以降低冷卻元件與高溫爐11內空間的熱交換量，減少冷卻元件的熱負荷，保護冷卻元件并保證冷卻元件的制冷作用。隔熱套8覆蓋冷卻元件的高度至少保證凝殼采集器伸入坩堝10后冷卻元件的外壁不會暴露在高溫爐11內，優選地是盡可能多地覆蓋冷卻元件。

具體地，制冷系統與冷卻元件連通形成冷卻劑循環流路，冷卻劑在冷卻元件中吸熱溫度升高，制冷系統對溫度升高的冷卻劑降溫，然后將降溫后的冷卻劑再次送入冷卻元件，由此保證冷卻元件對凝殼基體9的降溫作用。

綜上，高溫爐11升溫使坩堝10中的鐵水原料熔化形成鐵水，凝殼采集器伸入到坩堝10中的鐵水中后，凝殼基體9外側接觸坩堝10中的鐵水且內側緊密貼靠冷卻元件，進而可在凝殼基體9的內外形成外熱內冷的大溫差環境，在此環境下，坩堝10中的靠近凝殼基體9的鐵水會冷卻形成附著在凝殼基體9外部的鐵水凝殼。由此，上述實驗裝置中，采用凝殼基體9模擬煉鐵反應器的內襯，采用冷卻元件模擬煉鐵反應器的冷卻設備，加之在凝殼基體9內外側形成外熱內冷的大溫差環境，高度還原了煉鐵反應器爐缸內鐵水凝殼的形成過程，填補了目前用于煉鐵反應器內凝殼現象研究的實驗裝置的空白，從而可為基于數學模型的相關研究結論提供數據驗證，進而可為制定爐缸長壽設計和操作措施提供科學指導。

進一步，在本實施例中，高溫爐11的選擇以及制冷系統的性能能夠滿足：高溫爐11的爐膛恒溫區與冷卻劑的溫差能夠位于1220-1500℃的范圍內。

進一步，在本實施例中，高溫爐11的工作溫度介于1250-1500℃之間。高溫爐11的爐膛頂部具有敞口，可以是局部敞開，也可以是全部敞開，凝殼采集器通過該敞口可上下移動地伸入高溫爐11中。

進一步，在本實施例中，坩堝10為石墨坩堝或剛玉坩堝。石墨坩堝具有良好的熱導性和耐高溫性，在高溫使用過程中，熱膨脹系數小，對急熱、急冷具有一定抗應變性能，并且具有優良的化學穩定性。剛玉坩堝耐化學腐蝕性好、耐溫性好、耐急冷急熱性好，不易炸裂。

進一步，凝殼基體9具有凹腔，該凹腔的形狀與冷卻元件的底部形狀相配合，以使凝殼基體9與冷卻元件之間的熱交換更加充分。具體地，本實施例中，凝殼基體9的形狀相當于一帶有凹腔的圓柱體。凝殼基體9的材料為高純石墨或剛玉，高純石墨是指石墨的含碳量>99.99％。凝殼基體9的壁厚位于5-20mm的范圍內，高度位于100-200mm的范圍內。其中，在凝殼基體9的凹腔對應形成等厚的側壁時，凝殼基體9的壁厚指的該側壁的厚度，在凝殼基體9的凹腔對應形成非等厚的側壁時(例如圖2中U形凹腔形成了上薄下厚的側壁時)，凝殼基體9的壁厚指的該側壁的最小厚度值。當然，凝殼基體9的壁厚不宜過大，因過大的側壁降溫效果不好。所以，一般凝殼基體9的中部和上部的壁厚較小，以便于在此處形成鐵水凝殼，而凝殼基體9的下部包裹冷卻元件的最底端，相對不利于鐵水凝殼的形成，本實驗裝置主要讓鐵水凝殼附著在凝殼基體9的上部和中部。

進一步，在本實施例中，隔熱套8的材料為耐火材料，優選為剛玉。隔熱套8為套筒狀，優選為圓筒狀，其壁厚位于5-20mm的范圍內，高度位于200-600mm的范圍內。

進一步，在本實施例中，冷卻元件的材料為鋼或銅合金，在兩次實驗中可采用不同導熱性能材料，以獲得不同的凝殼基體冷面溫度。

具體而言，冷卻元件包括冷卻元件主體7、冷卻劑供給管14和冷卻劑導出管6。冷卻元件主體7是冷卻元件的主體部分，凝殼基體9包裹在冷卻元件主體7的底部，隔熱套8套設在冷卻元件主體7外部并疊置在凝殼基體9上，冷卻元件主體7主要起到與凝殼基體9換熱的作用；冷卻劑供給管14的出口與冷卻元件主體7的內部連通，以向冷卻元件主體7中注入冷卻劑對凝殼基體9降溫；冷卻劑導出管6的入口與冷卻元件主體7的內部連通以將較熱的冷卻劑導出。

進一步，在本實施例中，冷卻元件為圓柱形冷卻元件，圓柱形冷卻元件指冷卻元件主體7的形狀為圓柱形，當然，此處是指冷卻元件主體7的整體形狀呈圓柱形、即其主體部分為圓柱形即可，在本實施例中，冷卻元件主體7的底部呈圓頭。冷卻元件主體7的內部有空腔用于容納冷卻劑。該冷卻元件主體7的外徑(即其主體部分的外徑)位于10-30mm的范圍內，內徑(即其主體部分的內徑)位于5-20mm的范圍內，高度位于300-1000mm的范圍內。

進一步，在本實施例中，配合圓柱形的冷卻元件主體7，冷卻劑供給管14與冷卻元件主體7的內部的上部連通，冷卻劑導出管6伸入冷卻元件主體7的底部，由此通過制冷系統降溫后的冷卻劑先到達冷卻元件主體7的上部，位于冷卻元件主體7下部的冷卻劑較熱，能夠被及時導出，有利于對凝殼基體9的降溫。冷卻劑供給管14和冷卻劑導出管6可與冷卻元件主體7固定連接(例如焊接連接)，是一體件，優選地，冷卻劑供給管14和冷卻劑導出管6與冷卻元件主體7為同種材料制成的。

當然，本發明不局限于此，冷卻元件不局限于圓柱形冷卻元件，相應于不同形狀的冷卻元件主體，冷卻劑供給管14和冷卻劑導出管6的連接位置也有所不同。

例如，參照圖3，冷卻元件可為U形冷卻元件，U形冷卻元件中，冷卻元件主體7為U形管，冷卻劑供給管14和冷卻劑導出管6與U形的冷卻元件主體7的上部兩個開口分別連接。此時，U形的冷卻元件主體7與冷卻劑供給管14和冷卻劑導出管6為一體成型件。并且此時，凝殼基體9的凹腔能夠包裹住U形冷卻元件的底部即可，因U形形狀，凝殼基體9的凹腔無法完全與其外表面貼合。

又例如，參照圖4，冷卻元件可為螺旋形冷卻元件，螺旋形冷卻元件中，冷卻元件主體7是螺旋管，冷卻劑供給管14和冷卻劑導出管6與螺旋形的冷卻元件主體7的兩端分別連接。此時，螺旋形的冷卻元件主體7與冷卻劑供給管14和冷卻劑導出管6為一體成型件。并且此時，凝殼基體9的凹腔能夠包裹住螺旋形的冷卻元件主體7的底部即可，因螺旋形形狀，凝殼基體9的凹腔無法完全與其外表面貼合。

又例如，參照圖5，冷卻元件可為翅片形冷卻元件，翅片形冷卻元件中，冷卻元件主體7包括管狀主體部分和連接于管狀主體部分的多個間隔的圓環翅片。冷卻劑供給管14和冷卻劑導出管6與冷卻元件主體7的連接方式可參照其與圓柱形冷卻元件中的冷卻元件主體7的連接方式。并且此時，凝殼基體9的凹腔能夠包裹住冷卻元件主體7的底部即可，因翅片形形狀，凝殼基體9的凹腔無法完全與其外表面貼合。

又例如，參照圖6，冷卻元件可為肋板形冷卻元件，肋板形冷卻元件中，冷卻元件主體7包括管狀主體部分和連接于管狀主體部分的多個間隔的縱向肋板，“縱向”平行于管狀主體部分的軸向。冷卻劑供給管14和冷卻劑導出管6與冷卻元件主體7的連接方式可參照其與圓柱形冷卻元件中的冷卻元件主體7的連接方式。并且此時，凝殼基體9的凹腔能夠包裹住肋板形冷卻元件的冷卻元件主體7的底部即可，因肋板形形狀，凝殼基體9的凹腔無法完全與其外表面貼合。

圓柱形冷卻元件和U形冷卻元件結構相對簡單，制造成本低，但換熱效果相對較差；螺旋形冷卻元件、翅片形冷卻元件和肋板形冷卻元件結構相對復雜，制造成本高，但相對圓柱形冷卻元件和U形冷卻元件換熱效率高，冷卻效果好。

當然，本發明不局限于此，冷卻元件可以是上述5種類型中的一種，也可以是其中任意幾種的組合。

進一步，在本實施例中，在冷卻元件和凝殼基體9之間(即冷卻元件主體7與凝殼基體9之間)填滿石墨膠，這樣可以消除凝殼基體9與冷卻元件之間的氣隙，提高傳熱效率，尤其是在凝殼基體9的凹腔無法完全貼合在冷卻元件的外表面上時，提高傳熱效率的效果特別明顯。具體地，在制作凝殼采集器時，將石墨膠填充于凝殼基體9與冷卻元件之間，之后進行烘烤，使得石墨膠安全凝固膨脹。當然，本發明不局限于此，在其他實施例中，也可填充其他具有良好導熱效果的粘結劑。

進一步，凝殼基體9和隔熱套8均通過螺釘固定在冷卻元件的外表面，在本實施例中即為固定在冷卻元件主體7表面，這樣可防止凝殼基體9和隔熱套8在實驗時滑落。當然，本發明不局限于此，在其他實施例中，凝殼基體9和隔熱套8與冷卻元件的固定方式還可以為其他方式，例如粘接等，也可以是多種固定方式相結合。

更進一步，實驗裝置還包括升降驅動器15，升降驅動器15與凝殼采集器連接以驅動凝殼采集器升降。在本實施例中，隔熱套8頂端具有凸緣，升降驅動器15為機械升降臺，機械升降臺的機械臂與隔熱套8的凸緣固定連接，機械升降臺自身的升降可帶動隔熱套8升降，進而帶動凝殼采集器升降。機械升降臺上設有驅動手柄，通過轉動手柄驅動機械升降臺升降，進而帶動凝殼采集器升降。由此，凝殼采集器的升降便實現了其可選擇的伸入坩堝10中，并且操作簡便。當然，本發明不局限于此，升降驅動器15不局限于機械升降臺，可以采用滑輪組的形式等。

進一步，在本實施例中，制冷系統包括冷卻劑存儲罐1、制冷器(圖中未示出)、第一管路12、第二管路5、泄壓閥3、泵4、流量計13和可移動支架2。其中，冷卻劑存儲罐1用于儲存冷卻劑；制冷器用于對冷卻劑存儲罐1內的冷卻劑降溫，保證從冷卻劑存儲罐1流出的冷卻劑是低溫恒溫的，在本實施例中，冷卻劑的溫度恒定在0-30℃中的某一數值；第一管路12連接冷卻劑存儲罐1的出口與冷卻劑供給管14的入口；第二管路5連接冷卻劑存儲罐1的入口與冷卻劑導出管6的出口，流量計13設置在第一管路12上；流量計13可測量第一管路12中的冷卻劑流量以及調節第一管路12中的流量大小；泄壓閥3和泵4設置在第二管路5上，泄壓閥3能夠將第二管路5內的高壓蒸汽及時排出，用于防止第二管路5內產生高壓；冷卻劑存儲罐1和泵4安裝在可移動支架2上，可移動支架12為底部帶有滾輪的支架。優選地，冷卻劑為水，泵4為變頻水泵。當制冷器開啟，泄壓閥3開啟，泵4開啟，流量計13開啟(即流量計13的狀態是允許第一管路12中冷卻劑流通的狀態)，制冷系統便啟動。

更進一步，保證第一管路12與冷卻劑供給管14的接口和第二管路5與冷卻劑導出管6的接口遠離坩堝10，以避免冷卻劑滴入坩堝10中，第一管路12和第二管路5可為橡膠管。

進一步，在本實施例中，實驗裝置還包括氮氣瓶16，高溫爐11的爐膛下方設有氮氣入口，氮氣瓶16與氮氣入口連通。在實驗過程中通入氮氣，可將爐膛中的氧氣從敞口擠出，防止鐵水氧化。

實施例二

在本實施例中提供一種采用上述實施例一的實驗裝置進行的實驗方法，包括如下步驟：

S1、裝有鐵水原料的坩堝10放置在高溫爐11的爐膛恒溫區中，其中，可先將坩堝10中裝入鐵水原料再將坩堝10放入高溫爐11的爐膛恒溫區中；

S2、將高溫爐11的爐膛恒溫區升溫至第一設定溫度，待坩堝10中形成鐵水，攪拌均勻鐵水；

S3、啟動制冷系統，冷卻劑在制冷系統和冷卻元件之間循環流動，冷卻劑的溫度為第二設定溫度；

S4、將凝殼采集器伸入坩堝10中并且使凝殼基體9與坩堝10內鐵水接觸，形成附著在凝殼基體9外的鐵水凝殼；

S5、一定時間后，將凝殼采集器提升至高溫爐11外降溫；

S6、剝離鐵水凝殼制樣；

其中，第一設定溫度和第二設定溫度的溫差位于1220-1500℃的范圍內。

本實施例的實驗方法采用上述實驗裝置，填補了目前用于煉鐵反應器內凝殼現象研究的實驗方法的空白，可以采集到所形成的鐵水凝殼，進而可對該鐵水凝殼進行進一步的研究，例如運用相關檢測儀器對凝殼樣本進行厚度、顯微結構、礦相組成、化學成分等方面的檢測分析。由此可為基于數學模型的相關研究結論提供數據驗證，并且可為制定爐缸長壽設計和操作措施提供科學指導。

具體地，在本實施例中，在步驟S1中，可先按照一定配比向工業純鐵中添加硅鐵、錳鐵、硫鐵、磷鐵等，磨碎混勻形成鐵水原料裝入坩堝10中，然后將坩堝10放置在高溫爐11的爐膛恒溫區中。

進一步，在本實施例中，在步驟S1執行完畢后，打開氮氣瓶16，使氮氣以一定的流量持續從高溫爐11的爐膛底部注入爐膛中，氮氣可將爐膛中的氧氣從敞口擠出，防止鐵水氧化，保持氮氣的注入同時開始執行步驟S2以及后續步驟。

具體地，在本實施例中，在步驟S2中，將高溫爐11的爐膛恒溫區的溫度升高至1250-1500℃的范圍內的某一溫度(即第一設定溫度介于1250-1500℃之間)，待坩堝10中形成鐵水后，使用石英棒穿過爐膛敞口攪拌坩堝10內的鐵水，以使鐵水成分均勻。

具體地，在本實施例中，在步驟S3中，開啟制冷器，開啟泵4，開啟泄壓閥3，開啟流量計13，使冷卻劑存儲罐1內的冷卻劑經由第一管路12、冷卻劑供給管14、冷卻元件主體7、冷卻劑導出管6、第二管路5構成回路循環流動，制冷器使得進入冷卻劑供給管14的冷卻劑的溫度恒定在0-30℃的范圍內的某一溫度(即第二設定溫度介于0-30℃之間)，并且調整流量計13開度，調節冷卻劑的流量至實驗所需流量，冷卻劑的流量位于0.1-1.5m³/s的范圍內的某一值，當然，冷卻劑的流量可能有一些波動，這里所指冷卻劑的流量為其平均流量。

進一步，在本實施例中，在步驟S4中，采用升降驅動器15驅動凝殼采集器下降伸入到坩堝10中的鐵水中，使得凝殼采集器的凝殼基體9與鐵水充分接觸，形成附著在凝殼基體9外的鐵水凝殼。

進一步，在本實施例中，在步驟S5中，維持一定時間后，使用升降驅動器15提升凝殼采集器至高溫爐11外，隨后使用氮氣噴槍吹掃鐵水凝殼，使其迅速冷卻降溫。其中，維持多長時間，視后續研究需要而定。

進一步，在本實施例中，在步驟S6中，待凝殼采集器冷卻至室溫，使用切削設備將鐵水凝殼從凝殼基體9上剝離，然后制成后續檢測所用樣品。

然后，可運用相關檢測儀器對凝殼樣本進行厚度、顯微結構、礦相組成以及化學成分等方面的檢測分析。

綜上，實施例一和實施二所提供的實驗裝置和實驗方法可用于高爐、HISMELT熔融還原爐、HISARNA旋風爐、COREX以及FINEX熔融氣化爐等煉鐵反應器。當然，也可用于與煉鐵反應器形成凝殼類似的其他金屬煉制反應器。

如下，以兩組實驗進一步說明實施例一和實施二所提供的實驗裝置和實驗方法：

實驗一

以石墨制成的凝殼基體9為例，高溫爐11的爐膛恒溫區溫度為1500℃(視為鐵水溫度為1500℃)，鐵水潛熱為247kJ·kg^-1，冷卻劑(水)溫度為20℃，平均流速為1.5m/s，石墨導熱系數為15W·m^-1·℃^-1，密度為1700kg·m^-3，熱容為2.5kJ·kg^-1·K^-1，凝殼導熱系數為4W·m^-1·℃^-1，密度為2300kg·m^-3，熱容為0.8kJ·kg^-1·K^-1。計算可得，使用上述實驗裝置和實驗方法，當凝殼采集器置于鐵水中1分鐘時，其表面生成鐵水凝殼的平均厚度為14mm；2分鐘時，鐵水凝殼平均厚度為18mm；3分鐘時，鐵水凝殼平均厚度為21mm；4分鐘時，鐵水凝殼平均厚度為23mm；5分鐘時，鐵水凝殼平均厚度為25mm。

實驗二

與實驗一基本相同，不同之處在于：由剛玉制成的凝殼基體9。取剛玉導熱系數為0.9W·m^-1·℃^-1，密度為2500kg·m^-3，熱容為1.1kJ·kg^-1·K^-1，其它參數與實驗二完全一致。計算可得，使用上述實驗裝置和實驗方法，當凝殼采集器置于鐵水中1分鐘時，其表面生成鐵水凝殼的平均厚度為8mm；2分鐘時，鐵水凝殼平均厚度為10mm；3分鐘時，鐵水凝殼平均厚度為12mm；4分鐘時，鐵水凝殼平均厚度為14mm；5分鐘時，鐵水凝殼平均厚度為15mm。

以上內容僅為本發明的較佳實施例，對于本領域的普通技術人員，依據本發明的思想，在具體實施方式及應用范圍上均會有改變之處，本說明書內容不應理解為對本發明的限制。