第三章冶金模擬實(shí)驗(yàn)3冶金模擬實(shí)驗(yàn)

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)型兩系統(tǒng)中決議性的類(lèi)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)踐鋼液流動(dòng)類(lèi)似的條件為Fr數(shù)和Re數(shù)相等，即：Fr水＝Fr鋼；Re水＝Re鋼假設(shè)取反響器尺寸作為特征長(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/鋼水和鋼液具有類(lèi)似的物理性質(zhì)，即：水/水鋼/鋼所以u(píng)水/u鋼=L鋼/L水如能運(yùn)用尺寸1：1的模型，即L水/L鋼=1；那么u水=u鋼，可做到Fr數(shù)和Re數(shù)均相等，類(lèi)似是理想的。如不采用1：1模型〔例如等比例減少〕，僅僅保證Fr水和Fr鋼相等，而檢驗(yàn)Re數(shù)能否屬于同一自模化區(qū)，即不用保證模型和實(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)類(lèi)似。在水模型實(shí)驗(yàn)中，經(jīng)常采用保證決議性準(zhǔn)數(shù)相等的近似?；?，即采用模型和實(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)踐意義。這里引見(jiàn)水模型中測(cè)定混勻時(shí)間的方法?！?〕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，然后延續(xù)丈量水中的電導(dǎo)率變化，直至電導(dǎo)率穩(wěn)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)率變化可由記錄儀延續(xù)記下的電導(dǎo)儀輸出電壓的變化來(lái)表示。如將電導(dǎo)儀輸出電壓經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換器輸入微機(jī)，可將丈量結(jié)果存入磁盤(pán)同時(shí)按照預(yù)定關(guān)系進(jìn)展處置，并打印出實(shí)驗(yàn)結(jié)果和圖形。這種方法稱(chēng)為“在線〞丈量和實(shí)時(shí)處置?！?〕pH值法：實(shí)驗(yàn)時(shí)在水中參與H2SO4〔或HCl〕做示蹤劑，用離子計(jì)或pH計(jì)丈量水中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)間的安裝。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－液反響模擬運(yùn)用NaOH-CO2系模型實(shí)驗(yàn)可以模擬氣－液反響過(guò)程的傳質(zhì)景象。例如對(duì)鋼液吸氣速度的模擬研討和復(fù)吹轉(zhuǎn)爐過(guò)程的傳質(zhì)模擬研討等都可以采用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)經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換器輸入微機(jī)進(jìn)展在線丈量和實(shí)時(shí)處置。實(shí)驗(yàn)闡明，NaOH-CO2吸收反響為一級(jí)反響，其吸收速度可表示為－dC/dt=(AK/V)(Ce－Ct)將上式積分可得ln[(Ce－Ct)/(Ce－C0)]=－(AK/V)t式中：A：為反響外表積〔cm2〕;V：為NaOH溶液的體積(cm3);t：為反響時(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[(Ce－Ct)/Ce]-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)反響界面積A和溶液體積V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(Ce-Ct)/Ce-t關(guān)系3.1.2.3液一液反響模擬為模擬渣－鋼反響，研討液－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〔C6H5COOH〕作示蹤劑。實(shí)驗(yàn)時(shí)，先將苯甲酸溶于機(jī)油中，然后放在純水外表上，吹氣攪拌。苯甲酸逐漸向水中傳送，經(jīng)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該圖闡明，隨吹氣流量添加，苯甲酸向水中傳送的速度加快。3.1.2.4放射粉粒的模擬模擬放射冶金的噴粉過(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。圖3-5.噴粉的水模型安裝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)，由載氣將粉粒經(jīng)過(guò)浸入式彎頭噴槍噴入容器內(nèi)水中。然后進(jìn)展以下三個(gè)方面的研討：〔1〕拍照粉粒突破氣泡界面的景象，以研討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?！?〕延續(xù)拍照粉噴入水中后，在容器內(nèi)分散的情況，以斷定粉粒在水中均勻分散所需的時(shí)間?！?〕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)程中察看拍攝到的粉粒噴入水中后的分散景象，該圖闡明，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.聚苯乙烯粒子噴入水中后的分散景象3.1.2.5延續(xù)反響器停留時(shí)間分布的測(cè)定延續(xù)反響器內(nèi)物質(zhì)的停留時(shí)間分布通常采用“刺激一呼應(yīng)〞實(shí)驗(yàn)進(jìn)展測(cè)定。圖3-7是底吹延續(xù)提鈮爐的水模型表示圖。圖3-7.底吹延續(xù)提鈮爐水模型表示圖1-供氣安裝;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)定形狀流入底吹爐內(nèi)的流體〔水〕中即輸入脈沖信號(hào)。然后延續(xù)測(cè)定出口流的呼應(yīng)即電導(dǎo)率變化，這種實(shí)驗(yàn)方法叫脈沖呼應(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(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t時(shí)辰的濃度;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的反響器內(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是反響器體積，v為入口流體體積流量。圖3-8是延續(xù)反響器內(nèi)不同流動(dòng)類(lèi)型的C曲線，圖中活塞流２表示一切流體微元不相混；全混流１表示一切流體微元完全混合，即出口成份與反響器內(nèi)成份一樣；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)得到的底吹延續(xù)提鈮爐水模型中流體的停留時(shí)間分布C曲線，它闡明這種類(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.底吹延續(xù)提鈮爐水模型中流體停留時(shí)間分布C曲線圖3-8.停留時(shí)間分布C曲線圖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)的研討方法測(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，但不能闡明熔池內(nèi)液體流動(dòng)的實(shí)踐情況。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，需求在水模型中對(duì)熔池流場(chǎng)進(jìn)展研討?！?〕用測(cè)速儀對(duì)流場(chǎng)的速度分布進(jìn)展定量測(cè)定熔池流場(chǎng)速度分布的測(cè)定方法有如下兩種。①熱線測(cè)速儀測(cè)定流場(chǎng)：熱線測(cè)速儀是一種接觸式測(cè)速儀器，它可以丈量液體的流速。熱線測(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)大的鎢絲或鉑絲，也叫熱敏電阻。熱線測(cè)速儀的電路原理由圖3-10所示。圖3-10.熱線流速測(cè)定儀丈量時(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。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是用熱線測(cè)速儀丈量底吹爐水模型中流場(chǎng)速度的安裝表示圖，丈量時(shí)將熱線傳感器插入水模型內(nèi)液體中定位丈量點(diǎn)上。

圖3-12是熱線測(cè)速儀測(cè)出的底吹水模型內(nèi)流場(chǎng)速度分布情況。圖３-11.熱線測(cè)速安裝表示圖圖3-12.兩種底吹流量的中心噴吹流動(dòng)的丈量結(jié)果a-300cm3/s;b-1200cm3/s②激光多普勒測(cè)速儀測(cè)定流場(chǎng)多普勒效應(yīng)是一種聲學(xué)效應(yīng)，它是指當(dāng)聲源與接納器之間存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，接納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，其大小和聲源與接納器之間的相對(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)景象也有類(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)形狀時(shí)，接遭到的頻率是變化的，頻率的變化與相對(duì)速度有關(guān)：fD=uY/dfD-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)的表示圖。這種方法是經(jīng)過(guò)丈量流體里懸浮粒子的運(yùn)動(dòng)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(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)速儀丈量水模型中液體流動(dòng)速度的實(shí)驗(yàn)安裝

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)展測(cè)定之外，還可采用流動(dòng)顯示技術(shù)直接察看流場(chǎng)和拍攝流譜圖。進(jìn)展流場(chǎng)顯示實(shí)驗(yàn)時(shí)，需在水模型中參與一定的示蹤粒子，以察看流場(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)：①由于粒度很細(xì)，因此具有很好的跟隨流動(dòng)的性能；②需求參與的量很少，不影響水的透明度；③鋁粉的反光性很強(qiáng)，可拍攝明晰的流譜照片。

圖3-16是顯示底吹熔池流場(chǎng)的實(shí)驗(yàn)安裝。水模型通常是圓筒形的，由于光的折射作用，經(jīng)過(guò)弧描畫(huà)器壁所察看或拍攝到的模型內(nèi)的流動(dòng)圖像會(huì)變形失真。為了減少這一影響，在圓描畫(huà)器外面附加一個(gè)方形透明水箱。實(shí)驗(yàn)時(shí)，在流體中參與鋁粉，用銦燈片光源照明以顯示和拍攝流