3 冶金模拟实验冶金模拟实验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：所以 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。 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。 在在水水模模型型实实验验中中，常常常常采采用用保保证证决决定定性性准准数数相相等等的的近近似似模化法，即采用模型和实型两系统的模化法，即采用模型和实型两系统的Fr准数相等的方法。准数相等的方法。3.1.2水模型模拟实验方法3.1.2.1 3.1.2.1 熔池混匀时间的测定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。 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。 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. 顶底复吹底复吹转炉水模型炉水模型 图3-2吹入气体的流量与混匀吹入气体的流量与混匀时间的关系的关系 3.1.2.2 3.1.2.2、气液反应模拟、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NaOH-CO2体系实验。 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 dC/dt = (AK/V)(CeCt) 将上式积分可得 ln(CeCt)/ (CeC0) = (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)。 由实验得出的log(CeCt)/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 3.1.2.3 液一液反应模拟液一液反应模拟 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。 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。 3.1.2.4 3.1.2.4 喷射粉粒的模拟喷射粉粒的模拟 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 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。 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 3.1.2.5 连续反应器停留时间分布的测定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。 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3-8是连续反应器内不同流动类型的C曲线，图中活塞流表示所有流体微元不相混；全混流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3-9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 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 3.1.2.6 3.1.2.6 熔池流场的研究方法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。 （1）用测速仪对流场的速度分布进行定量测定）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。 热线测速仪测定流场：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。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。 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-11. 热线测速装置示意图图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 激光多普勒测速仪测定流场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。 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。 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 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）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： 由于粒度很细，因而具有很好的跟随流动的性能； 需要加入的量很少，不影响水的透明度； 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，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; 4-气室;10-铟灯片光源 图图图图3-173-17是片光源示意图和用片光照明的圆筒形水模型纵剖是片光源示意图和用片光照明的圆筒形水模型纵剖是片光源示意图和用片光照明的圆筒形水模型纵剖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）。面示意图（顶视图）。面示意图（顶视图）。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