冶金模擬試驗(yàn)課件

單擊此處編輯母版標(biāo)題樣式,單擊此處編輯母版文本樣式,第二級(jí),第三級(jí),第四級(jí),第五級(jí),*,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)中決定性的相似準(zhǔn)數(shù)（也稱為無量綱準(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，常用水來模擬金屬液，水模型中流動(dòng)和實(shí)際鋼液流動(dòng)相似的條件為,Fr,數(shù)和,Re,數(shù)相等，即：,Fr,水,Fr,鋼,；,Re,水,Re,鋼,如果取反應(yīng)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,3 冶金模擬實(shí)驗(yàn)3.1冶金水模型實(shí)驗(yàn)所以,當(dāng),Re,相等時(shí)：,水,u,水,L,水,/,水,=,鋼,u,鋼,L,鋼,/,鋼,水和鋼液具有相似的物理性質(zhì)，即：,水,/,水,鋼,/,鋼,所以,u,水,/u,鋼,=L,鋼,/L,水,如能應(yīng)用尺寸,1,：,1,的模型，即,L,水,/L,鋼,=1,；則,u,水,=u,鋼,，可做到,Fr,數(shù)和,Re,數(shù)均相等，相似是理想的如不采用,1,：,1,模型（例如等比例縮?。?，僅僅保證,Fr,水,和,Fr,鋼,相等，而檢驗(yàn),Re,數(shù)是否屬于同一自?；瘏^(qū)，即不必保證模型和實(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)相似。

在水模型實(shí)驗(yàn)中，常常采用保證決定性準(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)相等的方法當(dāng)Re相等時(shí)：水u水L水/水=鋼u鋼,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)際意義這里介紹水模型中測(cè)定混勻,時(shí)間的方法1,）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，然后連續(xù)測(cè)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)率變化可由記錄儀連續(xù)記下的電,導(dǎo)儀輸出電壓的變化來表示如將電導(dǎo)儀輸出電壓通過,A/D,轉(zhuǎn)換器輸入微機(jī)，,可將測(cè)量結(jié)果存入磁盤同時(shí)按照預(yù)定關(guān)系進(jìn)行處理，并打印出實(shí)驗(yàn)結(jié)果和圖,形這種方法稱為“在線”測(cè)量和實(shí)時(shí)處理2,）,pH,值法,：實(shí)驗(yàn)時(shí)在水中加入,H,2,SO,4,（或,HCl,）做示蹤劑，用離子計(jì)或,pH,計(jì)測(cè)量水中,pH,值的變化，以確定混勻時(shí)間3.1.2水模型模擬實(shí)驗(yàn)方法,圖,3-1,是測(cè)定頂?shù)讖?fù)吹轉(zhuǎn)爐水模型內(nèi)混勻時(shí)間的裝置,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,圖3-1是測(cè)定頂?shù)讖?fù)吹轉(zhuǎn)爐水模型內(nèi)混勻時(shí)間的裝置。

圖3-,3.1.2.2,、氣液反應(yīng)模擬,使用,NaOH-CO,2,系模型實(shí)驗(yàn)可以模擬氣液反應(yīng)過程的傳質(zhì)現(xiàn)象,例如對(duì)鋼液吸氣速度的模擬研究和復(fù)吹轉(zhuǎn)爐過程的傳質(zhì)模擬研究等都可以采用,NaOH-CO,2,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,CO,2,氣體吹入溶液中由于,CO,2,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)通過,A/D,轉(zhuǎn)換器輸入微機(jī)進(jìn)行在線測(cè)量和實(shí)時(shí)處理3.1.2.2、氣液反應(yīng)模擬,實(shí)驗(yàn)表明，,NaOH-CO,2,吸收反應(yīng)為一級(jí)反應(yīng)，其吸收速度可表示為,dC/dt=(AK/V)(C,e,C,t,),將上式積分可得,ln(C,e,C,t,)/(C,e,C,0,)=,(AK/V)t,式中：,A,：為反應(yīng)表面積（,cm,2,）,;,V,：為,NaOH,溶液的體積,(cm,3,);,t,：為反應(yīng)時(shí)間,(s);K,為,CO,2,的傳質(zhì)系數(shù)（,cm/s,）,;,C,e,，,C,t,，,C,0,：分別為,CO,2,的平衡濃度，,t,秒后的,CO,2,吸收濃度和,CO,2,的初始濃度,(mol/L),。

實(shí)驗(yàn)表明，NaOH-CO2吸收反應(yīng)為,由實(shí)驗(yàn)得出的,log(C,e,C,t,)/C,e,-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)反應(yīng)界面積,A,和溶液體積,V,已知時(shí)，即可求得傳質(zhì)系數(shù),K,圖,3-3.,不同,CO,2,流量下的,log(C,e,-C,t,)/C,e,-t,關(guān)系,由實(shí)驗(yàn)得出的log(CeCt)/C,3.1.2.3,液一液反應(yīng)模擬,為模擬,渣鋼反應(yīng),，研究液液之間的傳質(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（,C,6,H,5,COOH,）作示蹤劑,實(shí)驗(yàn)時(shí)，先將苯甲酸溶于機(jī)油中，然后放在純水表面上，吹氣攪拌苯甲酸逐漸向水中傳遞，通過電導(dǎo)率的變化測(cè)定水中苯甲酸濃度的變化過程電導(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3.1.2.3 液一液反應(yīng)模擬,圖,3-4.,不同氣體流量下,兩相傳質(zhì)過程的示蹤劑濃度曲線,該圖表明，隨吹氣流量增加，苯甲酸向水中傳遞的速度加快,圖3-4.不同氣體流量下,兩相傳質(zhì)過程的示蹤劑濃度曲線該圖,3.1.2.4,噴射粉粒的模擬,模擬噴射冶金的噴粉過程的水模型如,圖,3-5,所示。

該實(shí)驗(yàn)通常要用聚苯乙烯粒子（,密度,1g/cm,3,，直徑,0.7mm,）或發(fā)泡聚苯乙烯粒子（,密度,0.2,0.5g/cm,3,，直徑,0.7,1.3mm,）模擬粉粒圖,3-5.,噴粉的水模型裝置,1-,電導(dǎo)計(jì),;2-,噴粉罐,;,3-,閥門,;4-,流量計(jì),3.1.2.4 噴射粉粒的模擬圖3-5.噴粉的水,實(shí)驗(yàn)時(shí)，由載氣將粉粒通過浸入式彎頭噴槍噴入容器內(nèi)水中然后進(jìn)行以下三個(gè)方面的研究：,（,1,）拍照粉粒突破氣泡界面的現(xiàn)象，以研究粉粒突破氣,泡的條件測(cè)定粉粒突破氣泡后射入水中的長(zhǎng)度2,）連續(xù)拍照粉噴入水中后，在容器內(nèi)分散的情況，以,判定粉粒在水中均勻分散所需的時(shí)間3,）同時(shí)用電導(dǎo)法測(cè)定噴粉時(shí)容器內(nèi)的混勻時(shí)間實(shí)驗(yàn)時(shí)，由載氣將粉粒通過浸入式彎頭噴槍噴入容,圖,3-6,是噴粉過程中觀察拍攝到的粉粒噴入水中后的分散現(xiàn)象，該圖表明，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現(xiàn)象,圖3-6是噴粉過程中觀察拍攝到的粉粒噴,3.1.2.5,連續(xù)反應(yīng)器停留時(shí)間分布的測(cè)定,連續(xù)反應(yīng)器內(nèi)物質(zhì)的停留時(shí)間分布通常采用“,刺激一響應(yīng),”實(shí)驗(yàn)進(jìn)行測(cè)定。

圖,3-7,是底吹連續(xù)提鈮爐的水模型示意圖圖,3-7.,底吹連續(xù)提鈮爐水模型示意圖,1-,供氣裝置,;2-,有機(jī)玻璃方箱,;3-,圓柱型容器,3.1.2.5 連續(xù)反應(yīng)器停留時(shí)間分布的測(cè)定,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)定狀態(tài)流入底吹爐內(nèi)的流體（水）中即輸入脈沖信號(hào)然后連續(xù)測(cè)定出口流的響應(yīng)即電導(dǎo)率變化，這種實(shí)驗(yàn)方法叫脈沖響應(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)定義無量綱濃度,C,(,),為：,C,(,),=C/C,0,上式中：,C,為流體出口處,t,時(shí)刻的濃度,;,C,0,（,C,0,=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,的反應(yīng)器內(nèi)的濃度定義無量綱時(shí)間為：,=t/,上式中：,為表觀停留時(shí)間（,=V/v,），,V,是反應(yīng)器體積，,v,為入口流體體積流量實(shí)驗(yàn)時(shí)在某一瞬間一次將示蹤物（KCl溶液）由,圖,3-8,是連續(xù)反應(yīng)器內(nèi)不同流動(dòng)類型的,C,曲線，圖中活塞流表示所有流體微元不相混；全混流表示所有流體微元完全混合，即出口成份與反應(yīng)器內(nèi)成份相同；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)得到的底吹連續(xù)提鈮爐水模型中流體的停留時(shí)間分布,C,曲線，它表明這種類型的爐子內(nèi)的流體流動(dòng)混合情況很好，已接近完全混合流。

圖,3-9.,底吹連續(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,圖3-8是連續(xù)反應(yīng)器內(nèi)不同流動(dòng)類型的C曲線，圖中活,3.1.2.6,熔池流場(chǎng)的研究方法,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，但不能說明熔池內(nèi)液體流動(dòng)的實(shí)際情況例如，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，需要在水模型中對(duì)熔池流場(chǎng)進(jìn)行研究1,）用測(cè)速儀對(duì)流場(chǎng)的速度分布進(jìn)行定量測(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，它能夠測(cè)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（,0.5,10,m,）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3.1.2.6 熔池流場(chǎng)的研究方法,圖,3-10.,熱線流速測(cè)定儀,測(cè)量時(shí)將金屬絲探頭置于流場(chǎng)中，通電流加熱，因此稱為熱線當(dāng)流體流過金屬絲時(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3-10.熱線流速測(cè)定儀 測(cè)量時(shí)將金屬絲探頭置于流,圖,3-11,是用熱線測(cè)速儀測(cè)量底吹爐水模型中流場(chǎng)速度的裝置示意圖，測(cè)量時(shí)將熱線傳感器插入水模型內(nèi)液體中定位測(cè)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,-11.,熱線測(cè)速裝置示意圖,圖,3-12.,兩種底吹流量的中心噴吹流動(dòng)的測(cè)量結(jié)果,a-300cm,3,/s;b-1200cm,3,/s,圖3-11是用熱線測(cè)速儀測(cè)量底吹爐水模型中流場(chǎng)速度的,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)聲源與接收器之間存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，接收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，其大小和聲源與接收器之間的相對(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)現(xiàn)象也有類似的多普勒效應(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)狀態(tài)時(shí)，接受到的頻率是變化的，頻率的變化與相對(duì)速度有關(guān)：,f,D,=u,Y,/d,f,D,-,多普勒頻移；,u,Y,-,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,f,D,，就可由,f,D,得出物體的運(yùn)動(dòng)速度,u,Y,激光多普勒測(cè)速儀測(cè)定流場(chǎng),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)的示意圖。

這種方法是通過測(cè)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)速儀測(cè)量水模型中液體流動(dòng)速度的實(shí)驗(yàn)裝置,圖3-14是激光多普勒測(cè)速儀測(cè)定水模型中熔池流,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,圖3-15 底吹水模型,（,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)行測(cè)定之外，還可采用流動(dòng)顯示技術(shù)直接觀察流場(chǎng)和拍攝流譜圖進(jìn)行流場(chǎng)顯示實(shí)驗(yàn)時(shí)，需在水模型中加入一定的示蹤粒子，以觀察流場(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)：,由于粒度很細(xì)，因而具有很好的跟隨流動(dòng)的性能；,需要加入的量很少，不影響水的透明度；,鋁粉的反光性很強(qiáng)，可拍攝清晰的流譜照片2）熔池流場(chǎng)的顯示方法,圖,3-16,是顯示底吹熔池流場(chǎng)的實(shí)驗(yàn)裝置水模型通常是圓筒形的，由于光的折射作用，通過弧形容器壁所觀察或拍攝到的模型內(nèi)的流動(dòng)圖像會(huì)變形失真為了減少這一影響，在圓形容器外面附加一個(gè)方形透明水箱實(shí)驗(yàn)時(shí)，在流體中加入鋁粉，用銦燈片光源照明以顯示和拍攝流譜圖。

片光源是一個(gè)能產(chǎn)生很強(qiáng)的縫狀光的照明裝置用片光源照明后，在與片光垂直的方向上只能看到被照明的那個(gè)剖面上的流動(dòng)圖像，別的地方由于沒有光照就不會(huì)干擾照明。