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1、5 5 冶金过程水模拟冶金过程水模拟【实验性质】 综合性实验 ；学时：4 5.15.1 实验目的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) 如何保证这两个典型流动水模实验中水的流动与
2、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；5.25.2 实验原理及设备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，
3、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 11041105。夹杂物是危害钢液、钢材质量的主要杂质，尽可能多的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，
4、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，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
5、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5.35.3 实验内容实验内容5.3.15.3.1 测定混匀时间及平均停留时间测定混匀时间及平均停留时间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。
6、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E（t ）t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
7、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 tdt 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)，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）1 0Edt寿命低于 t1 的流体所占分率为：（5-2）10tEdt寿命高于 t1 的流体所占分率为：1 （5-3）1tEdt10tEdt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
8、） 000)()(/)(dtttEdttEdtttEt式中： 可称为平均停留时间。 tE(t)的方差（离散度）为：（5-5） 022002)()(/)()(2ttttdttEdttEdttE实验中我们将式（5-4）离散化进行计算，计算公式为：（5-6）niniitiCiiCitt, 1, 1)()(/ )( t)()(5.3.25.3.2 测定水模型内流场显示测定水模型内流场显示流动显示技术是研究各种复杂流动的有效方法。流场显示的任务就是把透明流体（本实验中是水）的流动现象设法用图像显示出流动图形（流谱）供定性分析使用，并力求根据这些流动图形作出流场某种物理量的定量测量。流动显示是确定流谱等物
9、理现象的既可靠又有效的方法。钢包、中间包中许多流动现象如注流冲击、卷渣、夹杂物上浮等，都可以通过流动显示进行研究。显示出来的流动图形既便于直接观察，也可用照相或摄影的方法记录下来。最常用的显示方法是示踪法。示踪粒子一般在流动的上游即入口注流处加入。对示踪剂的要求是跟随性好，示踪粒子要能和流体同步流动，所以示踪剂的密度和流体应尽量接近，或者粒子的粒度非常细小。此外要有强的反射性能，便于观察和摄影。在中间包水模型中常用的示踪剂有聚苯乙烯塑料粒子和铝粉等。染料也可做示踪剂，在低速（小于1m/s）时，可用水性染料如墨水、高锰酸钾、甲基兰等；较高速（大于 1m/s）时，可用油性染料如苯、二甲苯、硝基苯等
10、。一般来讲，当研究整个流场状况时，以粒子示踪法为主；而当重点观察流股的冲击时，有时也采用染料用示踪剂。同时需要特别指出的是，除示踪剂外，光源的选择也是流动显示成功的重要因素。对中间包流场一般选择片光源作为照明手段，为提高片光源的照明亮度，可选择氖灯及激光片光源等。在本实验中拟采用墨水或蔬菜汁做示踪剂。5.45.4 实验步骤实验步骤钢包水模型实验步骤如下：钢包水模型实验步骤如下：（1）配制示踪剂：配制 KCl 饱和溶液 1 升；（2）调整钢包液位：根据相似原理计算的钢包液位，调整钢包中水的高度；（3）调整钢包底吹气量：根据相似原理计算的钢包吹气量，调整钢包底部的吹气量；（4）调整 SG800 测
11、量仪：根据 SG800 操作手册，预热设备、调整零点、使设备处于准备测试状态；（5）开始试验：1 人准备加入示踪剂，另外 1 人准备按测量按钮，准备完毕后，由另外 1人指挥。指挥者发出“开始试验”的指令，另外 2 人同时进入示踪剂和按下“测量”按钮，试验开始。（6）过程记录：试验自动进行，实验者要随时观察气体流量，保持稳定；（7）测量结束：试验到规定时间，即测量曲线回到进入示踪剂前的数值，停止记录数据，测量结束；（8）数据处理：按照 SG800 使用说明，将试验数据储存，并进行数据处理；（9）试验结束中间包水模型实验步骤如下：中间包水模型实验步骤如下：（1）配制示踪剂：配制 KCl 饱和溶液
12、1 升；（2）调整钢包中间包水系统：根据相似原理计算的中间包水流量，调整钢包、中间包水流量，使中间包液面达到规定的高度、流量保持稳定；（3）调整 SG800 测量仪：根据 SG800 操作手册，预热设备、调整零点、使设备处于准备测试状态；（4）开始试验：1 人准备加入示踪剂，另外 1 人准备按测量按钮，准备完毕后，由另外1 人指挥。指挥者发出“开始试验”的指令，另外 2 人同时进入示踪剂和按下“测量”按钮，试验开始。（5）过程记录：试验自动进行，实验者要随时观察中间包液位和水流量，适当调整水流量，保持二者的稳定；（6）测量结束：试验到规定时间，即 RTD 曲线回到进入示踪剂前的数值，停止记录数据，测量结束；（7）数据处理：按照 SG800 使用说明，将试验数据储存，并进行数据处理；（8）试验结束。5.55.5 实验报告要求实验报告要求（1）用文字表达清楚实验目的，实验采样基本原理；（2）给出详细的实验数据；（3）能够根据实验所得数据对均匀混合时间和平均停留时间进行计算，能够对死区、全混区、活塞区比例进行计算；（4）每个同学进行一次实验，每组 4 个同学，共进行多次实验，根据所做的实验，每组找出实验中最优的工况，给出实验结论。
