本发明涉及熔融氧化物电解炼铁，具体为一种1kg级高温电解炼铁实验装置及实验方法。
背景技术：
1、钢铁行业作为高能耗、高污染的行业，传统高炉工艺生产1t生铁大约需要消耗350kg焦炭和150kg煤粉。由于化石能源的使用，造成炼铁、炼钢过程中co2和co大量排放。传统高炉流程占据炼铁主导地位，所用原料为烧结矿、球团矿、块矿、焦炭、喷吹煤，其中烧结矿和焦炭为主原料，但烧结和炼焦工序环境负荷高，而且炼焦需要优质焦煤，面临资源日趋匮乏问题。为降低钢铁行业的co2排放量，可从碳的输入层面减少甚至不用碳作还原剂。高温电解炼铁是一种前沿性的低碳炼铁技术，理论上将铁矿粉升温加热至熔融状态，通过插入熔融物中的两个电极进行通电，可在阴极附近得到纯铁、阳极附近得到纯氧。
2、目前，在高温电解炼铁技术领域研究方面较少，主要在理论方面开展相关热力学、物料平衡等计算，需要开发一种高温电解炼铁实验装置及实验方法，以便于更深入开展更具针对性服务生产的试验性研究，为绿色低碳炼铁提供更为可靠的数据支撑。
技术实现思路
1、本发明的目的在于提供一种1kg级高温电解炼铁实验装置及实验方法，以解决现有高温电解炼铁缺乏针对生产的实验设备的问题。
2、为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种1kg级高温电解炼铁实验装置，包括加热炉膛和电化学分析仪，加热炉膛的上端和下端处分别设有顶部升降装置和底部升降装置，其中顶部升降装置与加热炉膛上端相对应位置处开设有若干插入孔，分别插设有阴极、搅拌桨和阳极，顶部升降装置的升降运动用于带动阴极、搅拌桨和阳极的下端在加热炉膛内实现升降，阴极和阳极分别与电化学分析仪的负极和正极通过阴极引线和阳极引线电连接；加热炉膛下部开设有底部口，底部升降装置的上端设有底部耐材平台用于通过升降经底部口实现进、出加热炉膛；底部耐材平台上端设有电解容器，阴极、搅拌桨和阳极的下端的移动范围均在电解容器各内壁围成的范围内，底部耐材平台下端固设有炉底堵块，其形状和尺寸均与底部口相匹配，用于电解容器升到位时封住底部口，底部耐材平台和炉底堵块还开设有多个孔连通加热炉膛内外，用于向加热炉膛内通入保护气，加热炉膛上部还设有出气管用于出气。
3、优选的，加热炉膛设有耐高温透明材质的观察窗，用于查看内部情况。
4、优选的，底部升降装置采用丝杆传动升降，丝杆设置在加热炉膛底部两侧处，分别与底部升降装置两侧传动连接。
5、优选的，加热炉膛固设有若干硅钼棒用于加热，加热炉膛还固设有测温热电偶用于测内部温度。
6、优选的，电解容器采用耐氧化材料的坩埚。
7、优选的，底部升降装置下端固设有底部进气口，其通过分气装置连接多根气管，分别穿入并固设于底部耐材平台和炉底堵块上开设的孔中。
8、优选的，实验装置还包括计算机控制系统，其与顶部升降装置、底部升降装置、搅拌桨、电化学分析仪、测温热电偶、硅钼棒的电加热系统、保护气的供气系统分别信号连接。
9、优选的，阴极和阳极的材质包括但不限于石墨、钼、铬铁合金中的一种或几种。
10、本发明提供的另一技术方案：一种1kg级高温电解炼铁实验方法，采用上述实验装置，包括以下具体步骤：
11、s1试验原料配置；根据实验用铁矿粉的具体化学成分，配加分析纯cao、sio2、al2o3、mgo试剂，调配试验原料的化学成分范围，保证熔融物在高温下具有良好流动性能，不影响电解质的电子传输；
12、s2装置准备；将试验原料放入电解容器中，置于底部耐材平台上，启动底部升降装置，令电解容器升入加热炉膛内部，直至炉底堵块将底部口封严；
13、s3通保护气；通过底部耐材平台和炉底堵块上开设的孔，向加热炉膛内部持续通入保护气体；
14、s4加热炉膛升温；根据cao-mgo-sio2-al2o3四元渣系图，确定试验原料的理论熔化温度，控制升温速率在5～15℃/min之间，当温度达到理论熔化温度+，且不超过1600℃时，搅拌桨降至熔融物内搅拌，将熔融物充分混匀；
15、s5开始电解；搅拌桨搅动一段时间后，确保阴极、阳极下端位于熔融物内，启动电化学分析仪，实验过程中记录并分析不同实验条件对高温电解铁行为的影响；
16、s6电解反应结束后，将电解容器从底部口取出，分析铁的化学成分。
17、优选的，步骤s1中，调配试验原料的化学成分控制最终熔融物的二元碱度r2(cao/sio2)在0.9～1.2，四元碱度r4(cao+mgo/sio2+al2o3)在1.0～1.1。
18、与现有技术相比，本发明的有益效果是：
19、1、该1kg级高温电解炼铁实验装置，结构简单合理，采用两组升降装置分别控制搅拌装置、电极、电解容器相对加热炉移动，从而实现原料入炉、搅拌、电解等操作，操作方便。
20、2、该1kg级高温电解炼铁实验方法，步骤简单容易操作，通过开展高温电解炼铁的试验性研究，可以研究不同电压、电极插入熔融物深度、熔融物碱度、阳极气氛等多种因素对高温电解铁行为的影响，探究高温电解炼铁工艺参数，为绿色低碳炼铁提供新途径。
1.一种1kg级高温电解炼铁实验装置，其特征在于：包括加热炉膛(3)和电化学分析仪(11)，加热炉膛(3)的上端和下端处分别设有顶部升降装置(4)和底部升降装置(17)，其中顶部升降装置(4)与加热炉膛(3)上端相对应位置处开设有若干插入孔，分别插设有阴极(6)、搅拌桨(7)和阳极(8)，顶部升降装置(4)的升降运动用于带动阴极(6)、搅拌桨(7)和阳极(8)的下端在加热炉膛(3)内实现升降，阴极(6)和阳极(8)分别与电化学分析仪(11)的负极和正极通过阴极引线(5)和阳极引线(9)电连接；加热炉膛(3)下部开设有底部口，底部升降装置(17)的上端设有底部耐材平台(15)用于通过升降经底部口实现进、出加热炉膛(3)；底部耐材平台(15)上端设有电解容器，阴极(6)、搅拌桨(7)和阳极(8)的下端的移动范围均在电解容器各内壁围成的范围内，底部耐材平台(15)下端固设有炉底堵块(16)，其形状和尺寸均与底部口相匹配，用于电解容器升到位时封住底部口，底部耐材平台(15)和炉底堵块(16)还开设有多个孔连通加热炉膛(3)内外，用于向加热炉膛(3)内通入保护气，加热炉膛(3)上部还设有出气管(10)用于出气。
2.根据权利要求1所述的一种1kg级高温电解炼铁实验装置，其特征在于：所述加热炉膛(3)设有耐高温透明材质的观察窗(2)，用于查看内部情况。
3.根据权利要求1所述的一种1kg级高温电解炼铁实验装置，其特征在于：所述底部升降装置(17)采用丝杆(1)传动升降，丝杆(1)设置在加热炉膛(3)底部两侧处，分别与底部升降装置(17)两侧传动连接。
4.根据权利要求1所述的一种1kg级高温电解炼铁实验装置，其特征在于：所述加热炉膛(3)固设有若干硅钼棒(12)用于加热，加热炉膛(3)还固设有测温热电偶(14)用于测内部温度。
5.根据权利要求1所述的一种1kg级高温电解炼铁实验装置，其特征在于：所述电解容器采用耐氧化材料的坩埚(13)。
6.根据权利要求1所述的一种1kg级高温电解炼铁实验装置，其特征在于：所述底部升降装置(17)下端固设有底部进气口(18)，其通过分气装置连接多根气管，分别穿入并固设于底部耐材平台(15)和炉底堵块(16)上开设的孔中。
7.根据权利要求4所述的一种1kg级高温电解炼铁实验装置，其特征在于：所述实验装置还包括计算机控制系统，其与顶部升降装置(4)、底部升降装置(17)、搅拌桨(7)、电化学分析仪(11)、测温热电偶(14)、硅钼棒(12)的电加热系统、保护气的供气系统分别信号连接。
8.根据权利要求4所述的一种1kg级高温电解炼铁实验装置，其特征在于：所述阴极(6)和阳极(8)的材质包括但不限于石墨、钼、铬铁合金中的一种或几种。
9.一种1kg级高温电解炼铁实验方法，其特征在于，采用权利要求1至8任意一项所述的实验装置，所述实验方法包括以下具体步骤：
10.根据权利要求9所述的实验方法，其特征在于：所述步骤s1中，调配试验原料的化学成分控制最终熔融物的二元碱度r2(cao/sio2)在0.9～1.2，四元碱度r4(cao+mgo/sio2+al2o3)在1.0～1.1。
