第三章冶金模拟实验3冶金模拟实验

3冶金模拟实验3.1冶金水模型实验3.1.1模拟原理实验前按模型和实型两系统中决议性的类似准数〔也称为无量纲准数〕的关系，确定模型实验的参数。在水模型实验中，常用水来模拟金属液，水模型中流动和实践钢液流动类似的条件为Fr数和Re数相等，即：Fr水＝Fr钢；Re水＝Re钢假设取反响器尺寸作为特征长度L，液面流速作为特征速度u，当Fr数相等时：所以当Re相等时：水u水L水/水=钢u钢L钢/钢水和钢液具有类似的物理性质，即：水/水钢/钢所以u水/u钢=L钢/L水如能运用尺寸1：1的模型，即L水/L钢=1；那么u水=u钢，可做到Fr数和Re数均相等，类似是理想的。如不采用1：1模型〔例如等比例减少〕，仅仅保证Fr水和Fr钢相等，而检验Re数能否属于同一自模化区，即不用保证模型和实型的Re数相等，而保证二者处于同一自模化区，也可做到流动类似。在水模型实验中，经常采用保证决议性准数相等的近似模化法，即采用模型和实型两系统的Fr准数相等的方法。3.1.2水模型模拟实验方法3.1.2.1熔池混匀时间的测定冶金容器中的混匀时间具有重要的实践意义。这里引见水模型中测定混匀时间的方法。〔1〕电导法:电导法测定混匀时间是将KCl〔质量浓度200g/L〕溶液瞬时注入水模型容器内〔容器用有机玻璃制做〕的水中，然后延续丈量水中的电导率变化，直至电导率稳定时为完全混匀时间。实验时，电导测头测出的水溶液的电导率变化可由记录仪延续记下的电导仪输出电压的变化来表示。如将电导仪输出电压经过A/D转换器输入微机，可将丈量结果存入磁盘同时按照预定关系进展处置，并打印出实验结果和图形。这种方法称为“在线〞丈量和实时处置。〔2〕pH值法：实验时在水中参与H2SO4〔或HCl〕做示踪剂，用离子计或pH计丈量水中pH值的变化，以确定混匀时间。图3-1是测定顶底复吹转炉水模型内混匀时间的安装。图3-2是测出的钢包内吹气量与混匀时间的关系。图3-1.顶底复吹转炉水模型图3-2吹入气体的流量与混匀时间的关系3.1.2.2、气－液反响模拟运用NaOH-CO2系模型实验可以模拟气－液反响过程的传质景象。例如对钢液吸气速度的模拟研讨和复吹转炉过程的传质模拟研讨等都可以采用NaOH-CO2体系实验。实验时可将一定浓度〔例如0.01mol/L〕的NaOH水溶液注入水模型容器中，用喷枪将CO2气体吹入溶液中。由于CO2被NaOH溶液吸收，溶液的pH值将发生变化。用电极探头测定容器中溶液的pH值，并可将pH计的输出信号经过A/D转换器输入微机进展在线丈量和实时处置。实验阐明，NaOH-CO2吸收反响为一级反响，其吸收速度可表示为－dC/dt=(AK/V)(Ce－Ct)将上式积分可得ln[(Ce－Ct)/(Ce－C0)]=－(AK/V)t式中：A：为反响外表积〔cm2〕;V：为NaOH溶液的体积(cm3);t：为反响时间(s);K为CO2的传质系数〔cm/s〕;Ce，Ct，C0：分别为CO2的平衡浓度，t秒后的CO2吸收浓度和CO2的初始浓度(mol/L)。

由实验得出的log[(Ce－Ct)/Ce]-t曲线如图3-3所示，利用上式的关系可求出容量传质系数AK/V。当反响界面积A和溶液体积V知时，即可求得传质系数K。图3-3.不同CO2流量下的log(Ce-Ct)/Ce-t关系3.1.2.3液一液反响模拟为模拟渣－钢反响，研讨液－液之间的传质速度，可在水模型容器中用纯水模拟钢液，10号机油模拟熔渣，用苯甲酸〔C6H5COOH〕作示踪剂。实验时，先将苯甲酸溶于机油中，然后放在纯水外表上，吹气搅拌。苯甲酸逐渐向水中传送，经过电导率的变化测定水中苯甲酸浓度的变化过程。电导曲线表示油和水两相间的传质速率。图3-4是实验得出的水中苯甲酸浓度随时间的变化，各个曲线对应不同的吹气流量。图3-4.不同气体流量下,两相传质过程的示踪剂浓度曲线该图阐明，随吹气流量添加，苯甲酸向水中传送的速度加快。3.1.2.4放射粉粒的模拟模拟放射冶金的喷粉过程的水模型如图3-5所示。该实验通常要用聚苯乙烯粒子〔密度1g/cm3，直径0.7mm〕或发泡聚苯乙烯粒子〔密度0.20.5g/cm3，直径0.71.3mm〕模拟粉粒。图3-5.喷粉的水模型安装1-电导计;2-喷粉罐;3-阀门;4-流量计实验时，由载气将粉粒经过浸入式弯头喷枪喷入容器内水中。然后进展以下三个方面的研讨：〔1〕拍照粉粒突破气泡界面的景象，以研讨粉粒突破气泡的条件。测定粉粒突破气泡后射入水中的长度。〔2〕延续拍照粉喷入水中后，在容器内分散的情况，以断定粉粒在水中均匀分散所需的时间。〔3〕同时用电导法测定喷粉时容器内的混匀时间。

图3-6是喷粉过程中察看拍摄到的粉粒喷入水中后的分散景象，该图阐明，粉粒喷入后即随循环流而浮沉运动；4.5s时已均匀分散；15s时，由于水的浮力作用，粉粒密度小于水时又再次向水面聚集。图3-6.聚苯乙烯粒子喷入水中后的分散景象3.1.2.5延续反响器停留时间分布的测定延续反响器内物质的停留时间分布通常采用“刺激一呼应〞实验进展测定。图3-7是底吹延续提铌炉的水模型表示图。图3-7.底吹延续提铌炉水模型表示图1-供气安装;2-有机玻璃方箱;3-圆柱型容器实验时在某一瞬间一次将示踪物〔KCl溶液〕由入口处投入以稳定形状流入底吹炉内的流体〔水〕中即输入脉冲信号。然后延续测定出口流的呼应即电导率变化，这种实验方法叫脉冲呼应法。由于KCl浓度在一定范围内与电导率成线性关系，因此由电导信号可以得到浓度数据。定义无量纲浓度C()为：C()=C/C0上式中：C为流体出口处t时辰的浓度;C0〔C0=Q/V〕为一次投入数量为Q的示踪剂后，瞬时均匀分散在容积V的反响器内的浓度。定义无量纲时间为：=t/上式中：为表观停留时间〔=V/v〕，V是反响器体积，v为入口流体体积流量。图3-8是延续反响器内不同流动类型的C曲线，图中活塞流２表示一切流体微元不相混；全混流１表示一切流体微元完全混合，即出口成份与反响器内成份一样；非全混流表示流体微元部分混合。图3-9是由上述实验得到的底吹延续提铌炉水模型中流体的停留时间分布C曲线，它阐明这种类型的炉子内的流体流动混合情况很好，已接近完全混合流。图3-9.底吹延续提铌炉水模型中流体停留时间分布C曲线图3-8.停留时间分布C曲线图1-完全混合流;2-活塞流;3-非完全混合流3.1.2.6熔池流场的研讨方法测定熔池混匀时间或流体停留时间分布可得到熔池内流动混合的宏观结果，但不能阐明熔池内液体流动的实践情况。例如，熔池内有死区存在，但死区在什么部位，以上实验方法不能得知。为了解冶金容器内确切的流动情况，需求在水模型中对熔池流场进展研讨。〔1〕用测速仪对流场的速度分布进展定量测定熔池流场速度分布的测定方法有如下两种。①热线测速仪测定流场：热线测速仪是一种接触式测速仪器，它可以丈量液体的流速。热线测速仪的探头由一根极细的金属丝〔0.510m〕制成，通常用电阻温度系数大的钨丝或铂丝，也叫热敏电阻。热线测速仪的电路原理由图3-10所示。图3-10.热线流速测定仪丈量时将金属丝探头置于流场中，通电流加热，因此称为热线。当流体流过金属丝时，由于对流散热，金属丝的温度发生变化而引起电阻变化，利用电阻变化可以推算出流速的大小。图3-11是用热线测速仪丈量底吹炉水模型中流场速度的安装表示图，丈量时将热线传感器插入水模型内液体中定位丈量点上。

图3-12是热线测速仪测出的底吹水模型内流场速度分布情况。图３-11.热线测速安装表示图图3-12.两种底吹流量的中心喷吹流动的丈量结果a-300cm3/s;b-1200cm3/s②激光多普勒测速仪测定流场多普勒效应是一种声学效应，它是指当声源与接纳器之间存在相对运动时，接纳器收到的声音频率与声源发出的声音频率不同。这个频率差叫多普勒频差或频移，其大小和声源与接纳器之间的相对速度大小、方向有关。光是一种电磁波，具有一定的频率，光学景象也有类似的多普勒效应。当具有单一频率的光源和接受者处于相对运动形状时，接遭到的频率是变化的，频率的变化与相对速度有关：fD=uY/dfD-多普勒频移；uY-物体的运动速度；d-干涉条纹的间隔所以，测出多普勒频移fD，就可由fD得出物体的运动速度uY。图3-14是激光多普勒测速仪测定水模型中熔池流场的表示图。这种方法是经过丈量流体里悬浮粒子的运动速度，间接地确定流体速度。这样，在流体里要有一定数量的粒子提供散射光。在测定水模型熔池流场时，通常将自来水本身含有的微粒作为激光的散射粒子。图3-14.激光多普勒测速仪丈量水模型中液体流动速度的实验安装

将测定结果标在图中，可得到水模型熔池内流场速度分布，如图3-15所示。图3-15底吹水模型流场速度分布〔2〕熔池流场的显示方法除了用测速仪对流场进展测定之外，还可采用流动显示技术直接察看流场和拍摄流谱图。进展流场显示实验时，需在水模型中参与一定的示踪粒子，以察看流场的流谱。常用铝粉作示踪粒子，铝粉示踪法具有如下特点：①由于粒度很细，因此具有很好的跟随流动的性能；②需求参与的量很少，不影响水的透明度；③铝粉的反光性很强，可拍摄明晰的流谱照片。

图3-16是显示底吹熔池流场的实验安装。水模型通常是圆筒形的，由于光的折射作用，经过弧描画器壁所察看或拍摄到的模型内的流动图像会变形失真。为了减少这一影响，在圆描画器外面附加一个方形透明水箱。实验时，在流体中参与铝粉，用铟灯片光源照明以显示和拍摄流