冶金模拟实验.pptVIP

3 冶金模拟实验 3.1冶金水模型实验 3.1.1 模拟原理 实验前按模型和实际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： 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。 在水模型实验中，常常采用保证决定性准数相等的近似模化法，即采用模型和实型两系统的Fr准数相等的方法。 3.1.2水模型模拟实验方法 3.1.2.1 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。 3.1.2.2、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)(Ce－Ct) 将上式积分可得 ln[(Ce－Ct)/ (Ce－C0)] = －(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[(Ce－Ct)/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。 3.1.2.3 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。 3.1.2.4 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0.2