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1、單擊此處編輯母版標(biāo)題樣式,單擊此處編輯母版文本樣式,第二級,第三級,第四級,第五級,*,3,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(zhǔn)數(shù)（也稱為無量綱準(zhǔn)數(shù)）的關(guān)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(yīng)器尺寸作為特征長度,L,，液面流速作為特征速度,u,，當(dāng),Fr,數(shù)相等時：,所以,3 冶金模擬實驗3.1冶金水模型實驗所以,當(dāng),Re,相等時：,水,u,水,L,水,/,水,=,鋼,u,鋼,L,鋼

2、,/,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。,如不采用,1,：,1,模型（例如等比例縮?。?，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(zhǔn)數(shù)相等的近似模化法，即采用模型和實型兩系統(tǒng)的,Fr,準(zhǔn)數(shù)相等的方法。,當(dāng)Re相等時：水u水L水/水=鋼

3、u鋼,3.1.2,水模型模擬實驗方法,3.1.2.1,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(dǎo)法,:,電導(dǎo)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(dǎo)率變化，直至電導(dǎo)率穩(wěn)定時為完全混勻時間。,實驗時，電導(dǎo)測頭測出的水溶液的電導(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表示。如將電導(dǎo)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(yù)定關(guān)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

4、理。,（,2,）,pH,值法,：實驗時在水中加入,H,2,SO,4,（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。,3.1.2水模型模擬實驗方法,圖,3-1,是測定頂?shù)讖?fù)吹轉(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(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間的關(guān)系,圖3-1是測定頂?shù)讖?fù)吹轉(zhuǎn)爐水模型內(nèi)混勻時間的裝置。圖3-,3.1.2.2,、氣液反應(yīng)模擬,使用,NaOH-CO,2,系模型實驗可以模擬氣液反應(yīng)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(fù)吹轉(zhuǎn)爐過程的傳質(zhì)模擬研究等都可以

5、采用,NaOH-CO,2,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,CO,2,氣體吹入溶液中。由于,CO,2,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。,3.1.2.2、氣液反應(yīng)模擬,實驗表明，,NaOH-CO,2,吸收反應(yīng)為一級反應(yīng)，其吸收速度可表示為,dC/dt=(AK/V)(C,e,C,t,),將上式積分可得,ln(C,e,C,t,)/(C,e,C,0,)=,(AK/V)t,式中：,A,：為反應(yīng)表面

6、積（,cm,2,）,;,V,：為,NaOH,溶液的體積,(cm,3,);,t,：為反應(yīng)時間,(s);K,為,CO,2,的傳質(zhì)系數(shù)（,cm/s,）,;,C,e,，,C,t,，,C,0,：分別為,CO,2,的平衡濃度，,t,秒后的,CO,2,吸收濃度和,CO,2,的初始濃度,(mol/L),。,實驗表明，NaOH-CO2吸收反應(yīng)為,由實驗得出的,log(C,e,C,t,)/C,e,-t,曲線如,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，即可求得傳質(zhì)系數(shù),K,。,圖,3-3.,不同,CO,2,流量下的,log(C,e,-C,t,)/C,

7、e,-t,關(guān)系,由實驗得出的log(CeCt)/C,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,號機油模擬熔渣,，用,苯甲酸（,C,6,H,5,COOH,）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(dǎo)率的變化測定水中苯甲酸濃度的變化過程。電導(dǎo)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(yīng)不同的吹氣流量。,3.1.2.3 液一液反應(yīng)模擬,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

8、氣流量增加，苯甲酸向水中傳遞的速度加快,。,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,3.1.2.4,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/cm,3,，直徑,0.7mm,）或發(fā)泡聚苯乙烯粒子（,密度,0.2,0.5g/cm,3,，直徑,0.7,1.3mm,）模擬粉粒。,圖,3-5.,噴粉的水模型裝置,1-,電導(dǎo)計,;2-,噴粉罐,;,3-,閥門,;4-,流量計,3.1.2.4 噴射粉粒的模擬圖3-5.噴粉的水,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

9、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(dǎo)法測定噴粉時容器內(nèi)的混勻時間。,實驗時，由載氣將粉粒通過浸入式彎頭噴槍噴入容,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,圖3-6是噴粉過程中觀察拍攝到的粉粒噴,3.1.2.5,連續(xù)反應(yīng)器停留時間

10、分布的測定,連續(xù)反應(yīng)器內(nèi)物質(zhì)的停留時間分布通常采用“,刺激一響應(yīng),”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,3.1.2.5 連續(xù)反應(yīng)器停留時間分布的測定,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(yīng)即電導(dǎo)率變化，這種實驗方法叫脈沖響應(yīng)法。,由于,KCl,濃度在一定范圍內(nèi)與電導(dǎo)率成線性關(guān)系，因此由電導(dǎo)信號可以得到濃度數(shù)據(jù)。,定義無量綱濃度,C,(,),為：,C,(,),=C/C,0,上式中

11、：,C,為流體出口處,t,時刻的濃度,;,C,0,（,C,0,=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(yīng)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(yīng)器體積，,v,為入口流體體積流量。,實驗時在某一瞬間一次將示蹤物（KCl溶液）由,圖,3-8,是連續(xù)反應(yīng)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(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

12、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,圖3-8是連續(xù)反應(yīng)器內(nèi)不同流動類型的C曲線，圖中活,3.1.2.6,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,熔池流場速度分布的測

13、定方法有如下兩種。,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(xì)的金屬絲（,0.5,10,m,）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。,3.1.2.6 熔池流場的研究方法,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(dāng)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3-10.熱線流速測定儀 測量時將金屬絲探頭置于流,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

14、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-300cm,3,/s;b-1200cm,3,/s,圖3-11是用熱線測速儀測量底吹爐水模型中流場速度的,激光多普勒測速儀測定流場,多普勒效應(yīng)是一種聲學(xué)效應(yīng)，它是指當(dāng)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(guān)。,光是一種電磁波，具有一定的頻率，光學(xué)現(xiàn)象也有類似的多普勒效應(yīng)。

15、當(dāng)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(guān)：,f,D,=u,Y,/d,f,D,-,多普勒頻移；,u,Y,-,物體的運動速度；,d-,干涉條紋的間隔,所以，測出多普勒頻移,f,D,，就可由,f,D,得出物體的運動速度,u,Y,。,激光多普勒測速儀測定流場,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

16、體流動速度的實驗裝置,圖3-14是激光多普勒測速儀測定水模型中熔池流,將測定結(jié)果標(biāo)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,圖3-15 底吹水模型,（,2,）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(xì)，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。,（2）熔池流場的顯示方法,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