第三章冶金模拟实验ppt-3冶金模拟实验

图３-11. 热线测速装置示意图
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3-12.两种底吹流量的中心喷吹流动的测量结果 a-300cm3/s; b-1200cm3/s
②激光多普勒测速仪测定流场
多普勒效应是一种声学效应，它是指当声源与接收器之间 存在相对运动时，接收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 与接收器之间的相对速度大小、方向有关。
实验时，电导测头测出的水溶液的电导率变化可由记录仪连续记下的电 导仪输出电压的变化来表示。如将电导仪输出电压通过A/D转换器输入微机， 可将测量结果存入磁盘同时按照预定关系进行处理，并打印出实验结果和图 形。这种方法称为“在线”测量和实时处理。 （2）pH值法：实验时在水中加入H2SO4（或HCl）做示踪剂，用离子计或 pH计测量水中pH值的变化，以确定混匀时间。
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图3-10. 热线流速测定仪
测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 仪测量底吹炉水模型中 流场速度的装置示意图， 测量时将热线传感器插 入水模型内液体中定位 测量点上。
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时刻的浓度;
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的反应器内的浓度。
定义无量纲时间为： = t/ 上式中：为表观停留时间（ = V/v）， V是反应器体积， v为入口流体体积流量。
图3-14是激光多普勒测速仪测定水模型中熔池流场的示 意图。
这种方法是通过测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 速仪测量水模型中液 体流动速度的实验装 置
响应”实验进行测定。图3-7是底吹连续提铌炉的水模型 示意图。
图3-7. 底吹连续提铌炉水模型示意图 1-供气装置; 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状 态流入底吹炉内的流体（水）中即输入脉冲信号。然后连续测定出口流的 响应即电导率变化，这种实验方法叫脉冲响应法。
4-气室;
10-铟灯片光源
图3-17是片光源示意图和用片光照明的圆筒形水模型纵剖 面示意图（顶视图）。
图3-17. 片光源箱和 转炉水模型纵剖面 照像方法示意图
图3-18. 根据流谱照片画出的 流线分布图
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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计的输出信号通过A/D转换器输入微机进行在线测 量和实时处理。
实验表明，NaOH-CO2吸收反应为一级反应，其吸收 速度可表示为
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。当反应界面 积A和溶液体积V已知时，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 液一液反应模拟
为模拟渣－钢反应，研究液－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。
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定性的相似准数（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 际钢液流动相似的条件为Fr数和Re数相等，即：
Fr水＝Fr钢； Re水＝Re钢 如果取反应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：
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行测定之外，还可采用流动 显示技术直接观察流场和拍摄流谱图。
进行流场显示实验时，需在水模型中加入一定的示踪 粒子，以观察流场的流谱。
常用铝粉作示踪粒子，铝粉示踪法具有如下特点：
光是一种电磁波，具有一定的频率，光学现象也有类似的 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 状态时，接受到的频率是变化的，频率的变化与相对速度有 关：
fD = uY/d fD-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。
①由于粒度很细，因而具有很好的跟随流动的性能； ②需要加入的量很少，不影响水的透明度； ③铝粉的反光性很强，可拍摄清晰的流谱照片。
图3-16是显示底吹熔池流场的实验装置。水模型通常是圆筒 形的，由于光的折射作用，通过弧形容器壁所观察或拍摄到的模 型内的流动图像会变形失真。为了减少这一影响，在圆形容器外 面附加一个方形透明水箱。
实验时，先将苯甲酸溶于机油中，然后放在纯水表面 上，吹气搅拌。苯甲酸逐渐向水中传递，通过电导率的变 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 该图表明，随吹气流量增加，苯甲酸向水中传递的速度加快。
（1）用测速仪对流场的速度分布进行定量测定
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， 它能够测量液体的流速。
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。
实验时，由载气将粉粒通过浸入式弯头喷枪喷入容器 内水中。然后进行以下三个方面的研究：
（1）拍照粉粒突破气泡界面的现象，以研究粉粒突破气 泡的条件。测定粉粒突破气泡后射入水中的长度。
（2）连续拍照粉喷入水中后，在容器内分散的情况，以 判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。
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际意义。这里介绍水模型中测定混匀 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，然后连续测量水中的 电导率变化，直至电导率稳定时为完全混匀时间。
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－dC/dt = (AK/V)(Ce－Ct) 将上式积分可得 ln[(Ce－Ct)/ (Ce－C0)] = －(AK/V)t 式中：A：为反应表面积（cm2）;
V：为NaOH溶液的体积(cm3);
t：为反应时间(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)。
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3.1.2.4 喷射粉粒的模拟 模拟喷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. 喷粉的水模型装置 1-电导计; 2-喷粉罐; 3-阀门; 4-流量计
图3-6是喷粉过程中观察拍摄到的粉粒喷入水中后的分 散现象，该图表明，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现象
3.1.2.5 连续反应器停留时间分布的测定 连续反应器内物质的停留时间分布通常采用“刺激一
流体流动混合情况很好，已
接近完全混合流。
图3-9. 底吹连续提铌炉水模型中流体
停留时间分布C曲线
3.1.2.6 熔池流场的研究方法
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，但不能说明熔池内液体流动的实际情况。
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，需要在水模 型中对熔池流场进行研究。
图 3-8是 连续反应 器内不
同流动类型的C曲线，图中
活塞流２表示所有流体微元
不相混；全混流１表示所有
流体微元完全混合，即出口
成份与反应器内成份相同；
非全混流表示流体微元部分 混合。
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
图 3-9 是 由 上 述 实 验 得 到 的底吹连续提铌炉水模型中 流体的停留时间分布C 曲线， 它表明这种类型的炉子内的
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图3-1是测定顶底复吹转炉水模型内混匀时间的装置。
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－液反应模拟
使用NaOH-CO2系模型实验可以模拟气－液反应 过程的传质现象。例如对钢液吸气速度的模拟研究和 复吹转炉过程的传质模拟研究等都可以采用NaOHCO2体系实验。
如不采用1：1模型（例如等比例缩小），仅仅保证Fr水 和Fr钢相等，而检验Re数是否属于同一自模化区，即不必保 证模型和实型的Re数相等，而保证二者处于同一自模化区，
也可做到流动相似。
在水模型实验中，常常采用保证决定性准数相等的近似 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
实验时，在流体中加入铝粉，用铟灯片光源照明以显示和拍 摄流谱图。片光源是一个能产生很强的缝状光的照明装置。用片 光源照明后，在与片光垂直的方向上只能看到被照明的那个剖面 上的流动图像，别的地方由于没有光照就不会干扰照明的部位。
图3-16. 显示流场的实验装置
1-圆柱形容器; 2-方型水箱;
3-喷嘴;
u水 2 / gL水 u钢 2 / gL钢
所以
u水 / u钢 ( L水 / L钢 )1/ 2
当Re相等时： 水u水L水/水 = 钢u钢L钢/钢 水和钢液具有相似的物理性质，即：
水/水 钢/钢
所以
u水/u钢 = L钢/L水
如能应用尺寸1：1的模型，即L水/L钢=1；则u水=u钢， 可做到Fr数和Re数均相等，相似是理想的。