1、3 冶金模擬實(shí)驗(yàn),3.1冶金水模型實(shí)驗(yàn) 3.1.1 模擬原理 實(shí)驗(yàn)前按模型和實(shí)際兩系統(tǒng)中決定性的相似準(zhǔn)數(shù)（也稱(chēng)為無(wú)量綱準(zhǔn)數(shù)）的關(guān)系，確定模型實(shí)驗(yàn)的參數(shù)。 在水模型實(shí)驗(yàn)中，常用水來(lái)模擬金屬液，水模型中流動(dòng)和實(shí)際鋼液流動(dòng)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(yīng)器尺寸作為特征長(zhǎng)度L，液面流速作為特征速度u，當(dāng)Fr數(shù)相等時(shí)：,所以,當(dāng)Re相等時(shí)： 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(yīng)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。

2、 如不采用1：1模型（例如等比例縮?。瑑H僅保證Fr水和Fr鋼相等，而檢驗(yàn)Re數(shù)是否屬于同一自?；瘏^(qū)，即不必保證模型和實(shí)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(dòng)相似。 在水模型實(shí)驗(yàn)中，常常采用保證決定性準(zhǔn)數(shù)相等的近似?；ǎ床捎媚Ｐ秃蛯?shí)型兩系統(tǒng)的Fr準(zhǔn)數(shù)相等的方法。,3.1.2水模型模擬實(shí)驗(yàn)方法 3.1.2.1 熔池混勻時(shí)間的測(cè)定 冶金容器中的混勻時(shí)間具有重要的實(shí)際意義。這里介紹水模型中測(cè)定混勻 時(shí)間的方法。 （1）電導(dǎo)法: 電導(dǎo)法測(cè)定混勻時(shí)間是將KCl（質(zhì)量濃度200g/L）溶液瞬 時(shí)注入水模型容器內(nèi)（容器用有機(jī)玻璃制做）的水中，然后連續(xù)測(cè)量水中的 電導(dǎo)率變化，直至電導(dǎo)率穩(wěn)

3、定時(shí)為完全混勻時(shí)間。 實(shí)驗(yàn)時(shí)，電導(dǎo)測(cè)頭測(cè)出的水溶液的電導(dǎo)率變化可由記錄儀連續(xù)記下的電 導(dǎo)儀輸出電壓的變化來(lái)表示。如將電導(dǎo)儀輸出電壓通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換器輸入微機(jī)， 可將測(cè)量結(jié)果存入磁盤(pán)同時(shí)按照預(yù)定關(guān)系進(jìn)行處理，并打印出實(shí)驗(yàn)結(jié)果和圖 形。這種方法稱(chēng)為“在線(xiàn)”測(cè)量和實(shí)時(shí)處理。 （2）pH值法：實(shí)驗(yàn)時(shí)在水中加入H2SO4（或HCl）做示蹤劑，用離子計(jì) 或pH計(jì)測(cè)量水中pH值的變化，以確定混勻時(shí)間。,圖3-1是測(cè)定頂?shù)讖?fù)吹轉(zhuǎn)爐水模型內(nèi)混勻時(shí)間的裝置。,圖3-2是測(cè)出的鋼包內(nèi)吹氣量與混勻時(shí)間的關(guān)系。,圖3-1. 頂?shù)讖?fù)吹轉(zhuǎn)爐水模型 圖3-2吹入氣體的流量與混勻時(shí)間的關(guān)系,3.1.2.2、氣液反應(yīng)模擬 使用Na

4、OH-CO2系模型實(shí)驗(yàn)可以模擬氣液反應(yīng)過(guò)程的傳質(zhì)現(xiàn)象。例如對(duì)鋼液吸氣速度的模擬研究和復(fù)吹轉(zhuǎn)爐過(guò)程的傳質(zhì)模擬研究等都可以采用NaOH-CO2體系實(shí)驗(yàn)。 實(shí)驗(yàn)時(shí)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(cè)定容器中溶液的pH值，并可將pH計(jì)的輸出信號(hào)通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換器輸入微機(jī)進(jìn)行在線(xiàn)測(cè)量和實(shí)時(shí)處理。,實(shí)驗(yàn)表明，NaOH-CO2吸收反應(yīng)為一級(jí)反應(yīng)，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

5、：A：為反應(yīng)表面積（cm2）; V：為NaOH溶液的體積(cm3); t：為反應(yīng)時(shí)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(shí)驗(yàn)得出的log(CeCt)/Ce - t曲線(xiàn)如圖3-3所示，利用上式的關(guān)系可求出容量傳質(zhì)系數(shù)AK/V。當(dāng)反應(yīng)界面積A和溶液體積V已知時(shí)，即可求得傳質(zhì)系數(shù)K。,圖3-3. 不同CO2流量下的log(Cw-Cbt)/Ce-t關(guān)系,3.1.2.3 液一液反應(yīng)模擬 為模擬渣鋼反應(yīng)，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(hào)機(jī)油模擬熔渣，用苯甲酸（C6H

6、5COOH）作示蹤劑。 實(shí)驗(yàn)時(shí)，先將苯甲酸溶于機(jī)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(guò)電導(dǎo)率的變化測(cè)定水中苯甲酸濃度的變化過(guò)程。電導(dǎo)曲線(xiàn)表示油和水兩相間的傳質(zhì)速率。 圖3-4是實(shí)驗(yàn)得出的水中苯甲酸濃度隨時(shí)間的變化，各個(gè)曲線(xiàn)對(duì)應(yīng)不同的吹氣流量。,圖3-4. 不同氣體流量下,兩相傳質(zhì)過(guò)程的示蹤劑濃度曲線(xiàn),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 噴射粉粒的模擬 模擬噴射冶金的噴粉過(guò)程的水模型如圖3-5所示。該實(shí)驗(yàn)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

7、。,圖3-5. 噴粉的水模型裝置 1-電導(dǎo)計(jì); 2-噴粉罐; 3-閥門(mén); 4-流量計(jì),實(shí)驗(yàn)時(shí)，由載氣將粉粒通過(guò)浸入式彎頭噴槍噴入容器內(nèi)水中。然后進(jìn)行以下三個(gè)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(cè)定粉粒突破氣泡后射入水中的長(zhǎng)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(shí)間。 （3）同時(shí)用電導(dǎo)法測(cè)定噴粉時(shí)容器內(nèi)的混勻時(shí)間。,圖3-6是噴粉過(guò)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(yùn)動(dòng)；4.5s時(shí)已均勻分散；15s時(shí)，由于水的浮力作用，粉粒密度小于水時(shí)又再次向水面聚集。,圖3-6.

8、 聚苯乙烯粒子噴入水中后的分散現(xiàn)象,3.1.2.5 連續(xù)反應(yīng)器停留時(shí)間分布的測(cè)定 連續(xù)反應(yīng)器內(nèi)物質(zhì)的停留時(shí)間分布通常采用“刺激一響應(yīng)”實(shí)驗(yàn)進(jìn)行測(cè)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(jī)玻璃方箱; 3-圓柱型容器,實(shí)驗(yàn)時(shí)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(hào)。然后連續(xù)測(cè)定出口流的響應(yīng)即電導(dǎo)率變化，這種實(shí)驗(yàn)方法叫脈沖響應(yīng)法。 由于KCl濃度在一定范圍內(nèi)與電導(dǎo)率成線(xiàn)性關(guān)系，因此由電導(dǎo)信號(hào)可以得到濃度數(shù)據(jù)。 定義無(wú)量綱濃度C()為：C()= C/C0 上式中：C為流體出口處

9、t時(shí)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(shí)均勻分 散在容積V的反應(yīng)器內(nèi)的濃度。 定義無(wú)量綱時(shí)間為： = t/ 上式中：為表觀停留時(shí)間（ = V/v）， V是反應(yīng)器體積， v為入口流體積流量。,圖3-8是連續(xù)反應(yīng)器內(nèi)不同流動(dòng)類(lèi)型的C曲線(xiàn)，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(yīng)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(shí)驗(yàn)得到的底吹連續(xù)提鈮爐水模型中流體的停留時(shí)間分布C 曲線(xiàn)，它表明這種類(lèi)型的爐子內(nèi)的流體流動(dòng)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(shí)間分布C曲線(xiàn),圖

10、3-8. 停留時(shí)間分布C曲線(xiàn)圖 1-完全混合流; 2-活塞流; 3-非完全混合流,3.1.2.6 熔池流場(chǎng)的研究方法 測(cè)定熔池混勻時(shí)間或流體停留時(shí)間分布可得到熔池內(nèi)流動(dòng)混合的宏觀結(jié)果，但不能說(shuō)明熔池內(nèi)液體流動(dòng)的實(shí)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(shí)驗(yàn)方法不能得知。為了解冶金容器內(nèi)確切的流動(dòng)情況，需要在水模型中對(duì)熔池流場(chǎng)進(jìn)行研究。 （1）用測(cè)速儀對(duì)流場(chǎng)的速度分布進(jìn)行定量測(cè)定 熔池流場(chǎng)速度分布的測(cè)定方法有如下兩種。 熱線(xiàn)測(cè)速儀測(cè)定流場(chǎng)：熱線(xiàn)測(cè)速儀是一種接觸式測(cè)速儀器，它能夠測(cè)量液體的流速。 熱線(xiàn)測(cè)速儀的探頭由一根極細(xì)的金屬絲（0.510m）制成，通常用電阻溫度系數(shù)大的鎢絲或鉑

11、絲，也叫熱敏電阻。熱線(xiàn)測(cè)速儀的電路原理由圖3-10所示。,圖3-10. 熱線(xiàn)流速測(cè)定儀,測(cè)量時(shí)將金屬絲探頭置于流場(chǎng)中，通電流加熱，因此稱(chēng)為熱線(xiàn)。當(dāng)流體流過(guò)金屬絲時(shí)，由于對(duì)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(xiàn)測(cè)速儀測(cè)量底吹爐水模型中流場(chǎng)速度的裝置示意圖，測(cè)量時(shí)將熱線(xiàn)傳感器插入水模型內(nèi)液體中定位測(cè)量點(diǎn)上。 圖3-12是熱線(xiàn)測(cè)速儀測(cè)出的底吹水模型內(nèi)流場(chǎng)速度分布情況。,圖-11. 熱線(xiàn)測(cè)速裝置示意圖,圖3-12.兩種底吹流量的中心噴吹流動(dòng)的測(cè)量結(jié)果 a-300cm3/s; b-1200cm3/s,激光多普勒測(cè)速儀測(cè)定流場(chǎng) 多普勒效應(yīng)是一種聲

12、學(xué)效應(yīng)，它是指當(dāng)聲源與接收器之間存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，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(gè)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(duì)速度大小方向有關(guān)。 光是一種電磁波，具有一定的頻率，光學(xué)現(xiàn)象也有類(lèi)似的多普勒效應(yīng)。當(dāng)具有單一頻率的光源和接受者處于相對(duì)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)時(shí)，接受到的頻率是變化的，頻率的變化與相對(duì)速度有關(guān)： fD = uY/d fD-多普勒頻移；uY-物體的運(yùn)動(dòng)速度； d-干涉條紋的間隔 所以，測(cè)出多普勒頻移fD，就可由fD得出物體的運(yùn)動(dòng)速度uY。,圖3-14是激光多普勒測(cè)速儀測(cè)定水模型中熔池流場(chǎng)的示意圖。 這種方法是通過(guò)測(cè)量流體里懸浮粒子的運(yùn)動(dòng)速度，間接地確定流體速度

13、。這樣，在流體里要有一定數(shù)量的粒子提供散射光。在測(cè)定水模型熔池流場(chǎng)時(shí)，通常將自來(lái)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(cè)速儀測(cè)量水模型中液體流動(dòng)速度的實(shí)驗(yàn)裝置,將測(cè)定結(jié)果標(biāo)在圖中，可得到水模型熔池內(nèi)流場(chǎng)速度分布，如圖3-15所示。,圖3-15 底吹水模型流場(chǎng)速度分布,（ 2）熔池流場(chǎng)的顯示方法 除了用測(cè)速儀對(duì)流場(chǎng)進(jìn)行測(cè)定之外，還可采用流動(dòng)顯示技術(shù)直接觀察流場(chǎng)和拍攝流譜圖。 進(jìn)行流場(chǎng)顯示實(shí)驗(yàn)時(shí)，需在水模型中加入一定的示蹤粒子，以觀察流場(chǎng)的流譜。 常用鋁粉作示蹤粒子，鋁粉示蹤法具有如下特點(diǎn)： 由于粒度很細(xì)，因而具有很好的跟隨流動(dòng)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(qiáng)，可拍攝清晰的流譜照片。,圖3-16是顯示底吹熔池流場(chǎng)的實(shí)驗(yàn)裝置。水模型通常是圓筒形的，由于光的折射作用，通過(guò)弧形容器壁所觀察或拍攝到的模型內(nèi)的流動(dòng)圖像會(huì)變形失真。為了減少這一影響，在圓形容器外面附加一個(gè)方形透明水箱。 實(shí)驗(yàn)時(shí)，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(gè)能產(chǎn)生很強(qiáng)的縫