冶金模擬試驗課件

3 冶金模擬實驗冶金模擬實驗3.1冶金水模型實驗 3.1.1 模擬原理 實驗前按模型和實型兩系統(tǒng)中決定性的相似準數(shù)（也稱為無量綱準數(shù)）的關系，確定模型實驗的參數(shù)在水模型實驗中，常用水來模擬金屬液，水模型中流動和實際鋼液流動相似的條件為Fr數(shù)和Re數(shù)相等，即：Fr水Fr鋼；Re水Re鋼 如果取反應器尺寸作為特征長度L，液面流速作為特征速度u，當Fr數(shù)相等時：鋼鋼水水gLugLu/222/1)/(/鋼水鋼水LLuu所以 當Re相等時：水u水L水/水=鋼u鋼L鋼/鋼 水和鋼液具有相似的物理性質(zhì)，即：水/水 鋼/鋼 所以 u水/u鋼=L鋼/L水 如能應用尺寸1：1的模型，即L水/L鋼=1；則u水=u鋼，可做到Fr數(shù)和Re數(shù)均相等，相似是理想的如不采用1：1模型（例如等比例縮小），僅僅保證Fr水和Fr鋼相等，而檢驗Re數(shù)是否屬于同一自?；瘏^(qū)，即不必保證模型和實型的Re數(shù)相等，而保證二者處于同一自?；瘏^(qū)，也可做到流動相似在水模型實驗中，常常采用保證決定性準數(shù)相等的近似在水模型實驗中，常常采用保證決定性準數(shù)相等的近似?；ǎ床捎媚Ｐ秃蛯嵭蛢上到y(tǒng)的?；?，即采用模型和實型兩系統(tǒng)的Fr準數(shù)相等的方法準數(shù)相等的方法。

3.1.2水模型模擬實驗方法3.1.2.1 3.1.2.1 熔池混勻時間的測定熔池混勻時間的測定 冶金容器中的混勻時間具有重要的實際意義這里介紹水模型中測定混勻時間的方法1）電導法:電導法測定混勻時間是將KCl（質(zhì)量濃度200g/L）溶液瞬時注入水模型容器內(nèi)（容器用有機玻璃制做）的水中，然后連續(xù)測量水中的電導率變化，直至電導率穩(wěn)定時為完全混勻時間實驗時，電導測頭測出的水溶液的電導率變化可由記錄儀連續(xù)記下的電導儀輸出電壓的變化來表示如將電導儀輸出電壓通過A/D轉(zhuǎn)換器輸入微機，可將測量結(jié)果存入磁盤同時按照預定關系進行處理，并打印出實驗結(jié)果和圖形這種方法稱為“在線”測量和實時處理2）pH值法：實驗時在水中加入H2SO4（或HCl）做示蹤劑，用離子計或pH計測量水中pH值的變化，以確定混勻時間圖3-1是測定頂?shù)讖痛缔D(zhuǎn)爐水模型內(nèi)混勻時間的裝置圖3-2是測出的鋼包內(nèi)吹氣量與混勻時間的關系圖圖3-1.頂?shù)讖痛缔D(zhuǎn)爐水模型頂?shù)讖痛缔D(zhuǎn)爐水模型 圖圖3-2吹入氣體的流量與混勻時間的關系吹入氣體的流量與混勻時間的關系 3.1.2.2 3.1.2.2、氣液反應模擬、氣液反應模擬 使用NaOH-CO2系模型實驗可以模擬氣液反應過程的傳質(zhì)現(xiàn)象。

例如對鋼液吸氣速度的模擬研究和復吹轉(zhuǎn)爐過程的傳質(zhì)模擬研究等都可以采用NaOH-CO2體系實驗實驗時可將一定濃度（例如0.01mol/L）的NaOH水溶液注入水模型容器中，用噴槍將CO2氣體吹入溶液中由于CO2被NaOH溶液吸收，溶液的pH值將發(fā)生變化用電極探頭測定容器中溶液的pH值，并可將pH計的輸出信號通過A/D轉(zhuǎn)換器輸入微機進行在線測量和實時處理實驗表明，NaOH-CO2吸收反應為一級反應，其吸收速度可表示為 dC/dt=(AK/V)(CeCt)將上式積分可得 ln(CeCt)/(CeC0)=(AK/V)t 式中：A：為反應表面積（cm2）;V：為NaOH溶液的體積(cm3);t：為反應時間(s);K為CO2的傳質(zhì)系數(shù)（cm/s）;Ce，Ct，C0：分別為CO2的平衡濃度，t秒后的CO2吸收濃度和CO2的初始濃度(mol/L)由實驗得出的log(CeCt)/Ce-t曲線如圖3-3所示，利用上式的關系可求出容量傳質(zhì)系數(shù)AK/V當反應界面積A和溶液體積V已知時，即可求得傳質(zhì)系數(shù)K圖3-3.不同CO2流量下的log(Ce-Ct)/Ce-t關系 3.1.2.3 3.1.2.3 液一液反應模擬液一液反應模擬 為模擬渣鋼反應，研究液液之間的傳質(zhì)速度，可在水模型容器中用純水模擬鋼液，10號機油模擬熔渣，用苯甲酸（C6H5COOH）作示蹤劑。

實驗時，先將苯甲酸溶于機油中，然后放在純水表面上，吹氣攪拌苯甲酸逐漸向水中傳遞，通過電導率的變化測定水中苯甲酸濃度的變化過程電導曲線表示油和水兩相間的傳質(zhì)速率圖3-4是實驗得出的水中苯甲酸濃度隨時間的變化，各個曲線對應不同的吹氣流量圖3-4.不同氣體流量下,兩相傳質(zhì)過程的示蹤劑濃度曲線該圖表明，隨吹氣流量增加，苯甲酸向水中傳遞的速度加快3.1.2.4 3.1.2.4 噴射粉粒的模擬噴射粉粒的模擬 模擬噴射冶金的噴粉過程的水模型如圖3-5所示該實驗通常要用聚苯乙烯粒子（密度1g/cm3，直徑0.7mm）或發(fā)泡聚苯乙烯粒子（密度0.20.5g/cm3，直徑0.71.3mm）模擬粉粒圖3-5.噴粉的水模型裝置 1-電導計;2-噴粉罐;3-閥門;4-流量計 實驗時，由載氣將粉粒通過浸入式彎頭噴槍噴入容器內(nèi)水中然后進行以下三個方面的研究：（1）拍照粉粒突破氣泡界面的現(xiàn)象，以研究粉粒突破氣 泡的條件測定粉粒突破氣泡后射入水中的長度2）連續(xù)拍照粉噴入水中后，在容器內(nèi)分散的情況，以 判定粉粒在水中均勻分散所需的時間3）同時用電導法測定噴粉時容器內(nèi)的混勻時間圖3-6是噴粉過程中觀察拍攝到的粉粒噴入水中后的分散現(xiàn)象，該圖表明，粉粒噴入后即隨循環(huán)流而浮沉運動；4.5s時已均勻分散；15s時，由于水的浮力作用，粉粒密度小于水時又再次向水面聚集。

圖3-6.聚苯乙烯粒子噴入水中后的分散現(xiàn)象 3.1.2.5 3.1.2.5 連續(xù)反應器停留時間分布的測定連續(xù)反應器停留時間分布的測定 連續(xù)反應器內(nèi)物質(zhì)的停留時間分布通常采用“刺激一響應”實驗進行測定圖3-7是底吹連續(xù)提鈮爐的水模型示意圖圖3-7.底吹連續(xù)提鈮爐水模型示意圖 1-供氣裝置;2-有機玻璃方箱;3-圓柱型容器 實驗時在某一瞬間一次將示蹤物（KCl溶液）由入口處投入以穩(wěn)定狀態(tài)流入底吹爐內(nèi)的流體（水）中即輸入脈沖信號然后連續(xù)測定出口流的響應即電導率變化，這種實驗方法叫脈沖響應法由于KCl濃度在一定范圍內(nèi)與電導率成線性關系，因此由電導信號可以得到濃度數(shù)據(jù)定義無量綱濃度C()為：C()=C/C0 上式中：C為流體出口處t時刻的濃度;C0（C0=Q/V）為一次投入數(shù)量為Q的示蹤劑后，瞬時均勻分 散在容積V的反應器內(nèi)的濃度定義無量綱時間為：=t/上式中：為表觀停留時間（=V/v），V是反應器體積，v為入口流體體積流量圖3-8是連續(xù)反應器內(nèi)不同流動類型的C曲線，圖中活塞流表示所有流體微元不相混；全混流表示所有流體微元完全混合，即出口成份與反應器內(nèi)成份相同；非全混流表示流體微元部分混合圖3-9是由上述實驗得到的底吹連續(xù)提鈮爐水模型中流體的停留時間分布C 曲線，它表明這種類型的爐子內(nèi)的流體流動混合情況很好，已接近完全混合流。

圖3-9.底吹連續(xù)提鈮爐水模型中流體 停留時間分布C曲線 圖3-8.停留時間分布C曲線圖1-完全混合流;2-活塞流;3-非完全混合流 3.1.2.6 3.1.2.6 熔池流場的研究方法熔池流場的研究方法 測定熔池混勻時間或流體停留時間分布可得到熔池內(nèi)流動混合的宏觀結(jié)果，但不能說明熔池內(nèi)液體流動的實際情況例如，熔池內(nèi)有死區(qū)存在，但死區(qū)在什么部位，以上實驗方法不能得知為了解冶金容器內(nèi)確切的流動情況，需要在水模型中對熔池流場進行研究1）用測速儀對流場的速度分布進行定量測定）用測速儀對流場的速度分布進行定量測定 熔池流場速度分布的測定方法有如下兩種熱線測速儀測定流場：熱線測速儀測定流場：熱線測速儀是一種接觸式測速儀器，它能夠測量液體的流速熱線測速儀的探頭由一根極細的金屬絲（0.510m）制成，通常用電阻溫度系數(shù)大的鎢絲或鉑絲，也叫熱敏電阻熱線測速儀的電路原理由圖3-10所示圖3-10.熱線流速測定儀 測量時將金屬絲探頭置于流場中，通電流加熱，因此稱為熱線當流體流過金屬絲時，由于對流散熱，金屬絲的溫度發(fā)生變化而引起電阻變化，利用電阻變化可以推算出流速的大小圖3-11是用熱線測速儀測量底吹爐水模型中流場速度的裝置示意圖，測量時將熱線傳感器插入水模型內(nèi)液體中定位測量點上。

圖3-12是熱線測速儀測出的底吹水模型內(nèi)流場速度分布情況圖-11.熱線測速裝置示意圖圖3-12.兩種底吹流量的中心噴吹流動的測量結(jié)果 a-300cm3/s;b-1200cm3/s 激光多普勒測速儀測定流場激光多普勒測速儀測定流場 多普勒效應是一種聲學效應，它是指當聲源與接收器之間存在相對運動時，接收器收到的聲音頻率與聲源發(fā)出的聲音頻率不同這個頻率差叫多普勒頻差或頻移，其大小和聲源與接收器之間的相對速度大小、方向有關光是一種電磁波，具有一定的頻率，光學現(xiàn)象也有類似的多普勒效應當具有單一頻率的光源和接受者處于相對運動狀態(tài)時，接受到的頻率是變化的，頻率的變化與相對速度有關：fD=uY/d fD-多普勒頻移；uY-物體的運動速度；d-干涉條紋的間隔 所以，測出多普勒頻移fD，就可由fD得出物體的運動速度uY圖3-14是激光多普勒測速儀測定水模型中熔池流場的示意圖這種方法是通過測量流體里懸浮粒子的運動速度，間接地確定流體速度這樣，在流體里要有一定數(shù)量的粒子提供散射光在測定水模型熔池流場時，通常將自來水本身含有的微粒作為激光的散射粒子圖3-14.激光多普勒測速儀測量水模型中液體流動速度的實驗裝置 將測定結(jié)果標在圖中，可得到水模型熔池內(nèi)流場速度分布，如圖3-15所示。

圖3-15 底吹水模型流場速度分布 （2）熔池流場的顯示方法）熔池流場的顯示方法 除了用測速儀對流場進行測定之外，還可采用流動顯示技術(shù)直接觀察流場和拍攝流譜圖進行流場顯示實驗時，需在水模型中加入一定的示蹤粒子，以觀察流場的流譜常用鋁粉作示蹤粒子，鋁粉示蹤法具有如下特點：由于粒度很細，因而具有很好的跟隨流動的性能；需要加入的量很少，不影響水的透明度；鋁粉的反光性很強，可拍攝清晰的流譜照片圖3-16是顯示底吹熔池流場的實驗裝置水模型通常是圓筒形的，由于光的折射作用，通過弧形容器壁所觀察或拍攝到的模型內(nèi)的流動圖像會變形失真為了減少這一影響，在圓形容器外面附加一個方形透明水箱實驗時，在流體中加入鋁粉，用銦燈片光源照明以顯示和拍攝流譜圖片光源是一個能產(chǎn)生很強的縫狀光的照明裝置用片光源照明后，在與片光垂直的方向上只能看到被照明的那個剖面上的流動圖像，別的地方由于沒有光照就不會干擾照明的部位圖3-16.顯示流場的實驗裝置1-圓柱形容器;2-方型水箱;3-噴嘴;4-氣室;10-銦燈片光源圖3-17.片光源箱和 轉(zhuǎn)爐水模型縱剖面 照像方法示意圖 圖3-18.根據(jù)流譜照片畫出的 流線分布圖。