冶金实验

一、水模型实验原理

目前对冶金工艺过程的模拟主要有两种方法，一是数值模拟，二是物理模拟。由于冶金过程的反应复杂，条件恶劣，对冶金现象实现完全模拟式极其困难的，在冷态模拟时，常使用物理相似的原理。相似理论是模型实验的基础，在做实验时，需要根据相似原理将实际条件下的一些物理量相似模拟到模型实验中。

根据相似原理，如果流动现象符合相似第二定理，则通过物理模型得到的规律就可以推广到原型中去。若要对这一过程进行模拟除了满足单值条件相似，还要满足由单值条件的物理量所组成的准数在数值上相等。此外，由相似第三定理可以知道，要实现模拟的相似，由相似准数组成的方程式是相同的。从实际考虑，要实现这两过程的相似，首先要满足单值条件相似，其次，还要使由主要相似准数组成的方程相同。

实验前，按模型实际两系统中决定性的相似准数（无量纲准数）的关系，确定模型实验参数，再进行实验，得出实验室内研究对象的规律，进而反推广到生产实际中。其中，关键是找出决定性相似准数。冶金问题涉及的相似问题很多，研究问题不同，相似准数也不一样。水模型实验中，用水模拟金属液，水模型中流动和实际铁液流动相似的条件为：Fr 数和Re 数相等，即：

铁水铁水Re Re ;==Fr Fr （1）

Re ;2μρuL gL u Fr == （2）

取反应器尺寸为特征长度L ，液面流速为特征速度u ，当Fr 数相等时有： 铁铁水水gL u gL u 22= （3） () L L u u 2

1铁水铁水= （4） 当Re 相等时，

L u L u 铁铁铁铁水水水水μρμρ= （5） 水和铁液具有相似的物理性质，即

L L u u 。所以水铁铁水铁铁水水=≈μρμρ

如应用尺寸1:1的模型，即L 水=L 铁，则u 水=u 铁，故相似准数Fr 数和Re 数均相等，此情况为理想相似。如果模型比例不是1:1，要保证相似，则保证

Fr水和Fr铁相等，而不必保证模型和实型的Re数相等，并检验Re数是否属于同一自模化区即可。

根据流体力学原理，当流体流动的Re数大于第二临界值时，流体的湍流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数不再相关，称之为第二自模化区域。所以，在水模型实验中，常采用保证决定性准数相等的近似模化法，即保证模型和实型两系统的Fr准数相等的方法来确定水模型的实验参数。

二、连铸中间包水模型实验

1、实验原理和目的

随着炼钢技术的不断发展．对钢的清洁度的要求不断提高，而中间包作为钢水经过的最后一个耐火材料的容器，对钢的质量有着重要的影响，因此中间包已不仅仅是一个耐火材料容器，而是一个连续操作的冶金精炼反应器，通过中间包冶金可以进一步改善钢水的质量。中间包内最基本的物理现象是钢液的流动，各种冶金过程都是在流动的钢液中进行的，因此研究中间包中钢液的流动现象就显得尤其重要。由于直接测量高温钢液在技术方面有一定困难，而且研究费用也很高。目前一般都是根据相似原理制作水模型进行模拟实验。

中间包内钢液的流动，是钢液在重力的作用下从盛钢捅水口流人中间包，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，中间包系统只要满足几何相似、运动相似和动力学相似就可以保证模型和原型

相似。

中间包内钢液的流动是钢包注流和钢液静压力引起的强制流动．影响中间包内钢液流动状态的作用力主要有惯性力、重力和粘性力。根据相似理沦，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。

应用水模型实验表明，中间包内挡墙的设置对钢液的流动有很大的影响。借助于刺激一响应实验方法，可以找出最佳的挡墙设置。本文验就是通过水模拟实验，研究使用不同形状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。

2、实验方法

利用水模拟方法测量流体分子在中间包内的停留时间分布，通常应用“刺激一响应’’实验，其方法是：在中间包注人流处输入一个刺激信号，信号一般使用示踪剂来实现。然后在中间包出口处测量该纳入信号的输出，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。刺激一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，因此这一方法在类似于中间包这类非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刑，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示踪剂，例如水模型中常采用KCl 溶液作为示踪剂加入。示踪剂加入方法有脉冲加入和阶跃加入等，最常使用的为脉冲式加入方法。

3、实验内容

本实验内容是测定停留时间分布函数C(t)。

当钢液流过中间包时，虽然总体上流量稳定在某一值不变，但钢液的各个分子(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相同。由于中间包中钢液分子数日众多，分子在中间包内的寿命分布应服从统计规律。图1为各个分子在反应器中停留时间的分布规律。大多数分子的停留时间在中等范围波动，寿命极短或校长的分子都不多，这种分布曲线称为停留时间分布函数E(t)，其定义为：Edt 是进人中间包的钢液中在系统内的寿命属于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)。当系统的流速恒定时，无论出口还是入口所定义的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 （6） 寿命低于t1的流体所占分率为：

∫1

0t Edt （7）

寿命高于t1的流体所占分率为：

∫∞

1t Edt ＝1－∫1

0t Edt （8） 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 （9） 式中： −

t 可称为平均停留时间。 E(t)的方差（离散度）为： ∫∫∫−∞∞∞−==022002)()(/)()(2

t t t t dt t E dt t E dt t E σ （10） 实验中我们将式（10）离散化进行计算，计算公式为：

∑∑==−

ΔΔ=n i n

i i t i C i t i C i t t ,1,1)()(/)()()( （11）

图1 停留时间分布函数

4、实验步骤

1) 配置KCl 溶液（刺激信号），为保证示踪剂度浓度，选择4mol/L 的KCl 溶液；

2) 标定电导率（电导仪已安装好）

。采样取1000个点，数据采集间隔为1s ； 3) 调节进出水流量。进出水流量应保持一致。流量根据连铸机点拉速确定； 4) 更换两种挡墙，重复以上步骤后从中间包钢液入口处瞬间加入配好的KCl 溶液，测定两组（4条）实际停留时间分布曲线；

5) 当流动稳定后，在中间包水模型入口处加入一定量墨水示踪剂，用数码相机拍照观察墨水示踪剂的轨迹，即钢水流场；改变塞棒高度，观察旋涡产生的状况。