冶金过程物料模拟(水模拟)技术

5 冶金过程水模拟

【实验性质】综合性实验；学时：4

5.1实验目的

冶金过程多是在高温状态下完成，很难对冶金过程的进行直接的观察与测试，因此通常采用物理模拟实验的方法对冶金传输过程加以研究，最为常用的方法是水模实验。冶金传输过程主要典型的反应有两种，一是全混流，另一种是活塞流，以这两种流动现象为基础，开设两个水模实验，一是钢包内钢水流动过程的水模实验研究，另一个是中间包内钢水流动过程的水模实验研究，前者为选作项目后者为比作项目。通过水模实验研究，要求学生掌握以下学习内容：

(1) 钢包或中间包的水模型建立方法；

(2) 如何保证这两个典型流动水模实验中水的流动与实际钢水流动的相似；

(3) 对钢包或中间包内模拟钢水的流动可视化显示；

(4) 示踪剂的加入方法及主要研究指标（均匀混合时间、平均停留时间）的计算方法；

5.2实验原理及设备

钢包、中间包内钢液的流动，是钢液在重力作用下从钢包水口流入中间包，然后从中间包水口流出。这种情况，一般可视为粘性不可压缩稳态流动，同时可忽略化学反应的影响。根据相似理论，只要满足几何相似和动力学相似就可以保证模型和原型相似。

影响钢包、中间包内钢液流动状态的作用力主要有惯性力、重力和黏性力。根据相似理论，在中间包物理模拟中只要选择模型和原型的Re、Fr准数相等就可以保证模型和原型相似。根据流体力学原理，当流体流动的Re数大于第二临界值时，流体的湍动程度及流速的分布几乎不再受Re数的影响，此时流体的流动状态不再变化，且彼此相似，与Re数不再有关，也就是说流体流动进入第二自模化区域，当原型的Re数处于第二自模化区以内时，则模型的Re数不一定与原型的Re数相等，只要都处于第二自模化区域，Fr数相等就能满足相似条件。一般Re数的第二自模化区的临界值为1×104～1×105。

夹杂物是危害钢液、钢材质量的主要杂质，尽可能多的去除尽量夹杂物是炼钢的主要目标，钢包吹氩是炉外精炼的重要手段之一，它不仅具有均匀钢水温度、成分的作用，而且也是十分有效的去夹杂措施。通过钢包水模型实验，分析吹气时间及不同吹气量对去除夹杂行为的影响。通过中间包水模型实验，研究使用不同形状的挡墙对中间包内钢液流动的影响，测量其在中间包内的平均停留时间和滞止时间的变化，找出最佳的挡墙设置。

利用水模拟方法测量流体分子的停留时间分布，通常应用“刺激－响应”实验，其方法是：在容器入口注入流处输入一个刺激信号，信号一般使用示踪剂来实现。然后在容器出口处测量该输入信号的输出，即所谓响应，从响应曲线得到流体在中间包内的停留时间分布。刺激－响应实验相当于黑箱研究方法，即使流体在流动过程中其流动状态不易或不能直接测量，仍可从响应曲线分析其流动状况，因此这一方法在理想流动的反应器中得到了广泛采用。

冶金实验研究中常用的示踪剂有：若系统为高温实际反应器（中间包），既可采用灵敏的放射性同位素作为示踪剂，也可采用不参与反应的其他元素，如铜、金等。若系统为冷态模拟研究，常使用电解质、发光或染色物质作为失踪剂，例如水模型中常采用KCl溶液作为

失踪剂加入。失踪剂加入方法有脉冲加入和阶跃加入等，最常使用等为脉冲式加入方法。

实验装置如图5-1、5-2所示。

图5-1钢包水模型实验装置

图5-2 中间包水模型实验装置

5.3实验内容

5.3.1测定混匀时间及平均停留时间

混匀时间反映钢包成分和温度均匀的快慢,直接影响精炼的效果和进程，采用电导率法来测定混匀时间。实验中将饱和KCL 溶液通过漏斗加至喷吹中心附近或两个喷吹流汇股处的水面上，将一支短电极插入进水面的“活跃区”（单喷吹中心附近或双喷吹的最大流速区），一支长电极插入底部“滞留区”。实验时，调节供气量至某一值，注入KCL 饱和溶液，同时使电导率仪和函数记录仪同时工作，直至两电导

率值一致为止，从起始至电导率一致所需时

间即为混合时间。

当钢液流过中间包时，虽然总体上流量

稳定在某一值不变，但钢液但各个分子（或

微元）沿不同路径通过中间包，路线长短不

同，分子在中间包内的寿命也不同。由于中

间包中钢液分子数目众多，分子在中间包内

寿命分布应服从统计规律，大多数分子大停留时间在中等范围波动，寿命极短或极长短分子都不多，这种分布曲线称为停留时间分布函数E(t)，其定义为：Edt

是进入中间包的钢液中E （t ）

t

在系统内都寿命属于t 和t ＋dt 之间的那部分分子。一般用出口流体在系统内的停留时间来表示E(t)，见图5-3。当系统当流速恒定时，无论出口还是入口所定义当E(t)都完全一样。

通过反应器都流体分子的全部可看作1，所以

10≡⎰∞

Edt （5-1） 寿命低于t1的流体所占分率为：

⎰

10t Edt （5-2） 寿命高于t1的流体所占分率为：

⎰∞1t Edt ＝1－⎰1

0t Edt （5-3） 停留时间分布函数E(t)实际上是一种概率分布函数，可以用其数学期望（均值），方差等数值特征来确定。E(t)的均值：

⎰⎰⎰∞∞∞==

000)()(/)(dt t tE dt t E dt t tE t （5-4）

式中： -t 可称为平均停留时间。

E(t)的方差（离散度）为：

⎰⎰⎰-∞∞∞-==0220

02)()(/)()(2

t t t t dt t E dt t E dt t E σ （5-5） 实验中我们将式（5-4）离散化进行计算，计算公式为：

-==∑∑∆∆=n

i n i i t i C i i C i t t ,1,1)()(/)(t )()( （5-6）

5.3.2测定水模型内流场显示

流动显示技术是研究各种复杂流动的有效方法。流场显示的任务就是把透明流体（本实验中是水）的流动现象设法用图像显示出流动图形（流谱）供定性分析使用，并力求根据这些流动图形作出流场某种物理量的定量测量。流动显示是确定流谱等物理现象的既可靠又有效的方法。钢包、中间包中许多流动现象如注流冲击、卷渣、夹杂物上浮等，都可以通过流动显示进行研究。显示出来的流动图形既便于直接观察，也可用照相或摄影的方法记录下来。

最常用的显示方法是示踪法。示踪粒子一般在流动的上游即入口注流处加入。对示踪剂的要求是跟随性好，示踪粒子要能和流体同步流动，所以示踪剂的密度和流体应尽量接近，或者粒子的粒度非常细小。此外要有强的反射性能，便于观察和摄影。在中间包水模型中常用的示踪剂有聚苯乙烯塑料粒子和铝粉等。染料也可做示踪剂，在低速（小于1m/s ）时，可用水性染料如墨水、高锰酸钾、甲基兰等；较高速（大于1m/s ）时，可用油性染料如苯、二甲苯、硝基苯等。一般来讲，当研究整个流场状况时，以粒子示踪法为主；而当重点观察流股的冲击时，有时也采用染料用示踪剂。同时需要特别指出的是，除示踪剂外，光源的选择也是流动显示成功的重要因素。对中间包流场一般选择片光源作为照明手段，为提高片光源的照明亮度，可选择氖灯及激光片光源等。

在本实验中拟采用墨水或蔬菜汁做示踪剂。