冶金过程物料模拟(水模拟)技术

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1、5冶金过程水模拟【实验性质】综合性实验；学时：45.1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

2、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

3、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

4、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

5、，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

6、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E（t）t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

7、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(

8、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（5-1）寿命低于t1的流体所占分率为：（5-2）寿命高于t1的流体所占分率为：＝1－（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：（5-4）式中：可称为平均停留时间。E(t)的方差（离散度）为：（5-