本发明属于钢铁冶金技术领域，具体涉及一种转炉内熔渣泡沫化的物理模拟方法。
背景技术：
熔渣泡沫化是贯穿整个冶金过程中的一种常见现象，在炼钢过程中发挥着极其重要的作用。适度的泡沫化有利于增大渣-金-气之间的反应界面积，提高冶炼效率和能量利用效率。泡沫化不足或过度，不仅会影响冶炼效率，严重时还会引发喷溅事故，造成人身伤亡和设备损坏。因此，实现对熔渣泡沫化的准确控制对冶金过程的高效生产和安全保障具有重要意义。
对熔渣泡沫化的研究，目前主要有高温实验模拟、冷态物理模拟和数值模拟三种研究手段。但是，由于熔渣泡沫化在高温条件下观测和取样困难，熔渣泡沫化的高温实验模拟受到极大制约，熔池内复杂的渣-金-气多相反应也给数学模拟造成了极大的困难，所以转炉喷溅的形成机制及控制方法的研究仍欠缺。相比而言，冷态物理模拟具有安全、真实和操作简单等诸多优势。物理模拟方法必须遵循相似理论，首先必须满足模型与原型几何相似，其次动力学相似也是重要的相似条件，实验中通常根据物理性质相似选择钢液、油模拟钢液和熔渣。
转炉冶炼过程中，熔渣泡沫化主要是由于脱碳反应产生的大量co和co2气体(内生气源)造成的。目前，转炉物理模拟实验中通常以压缩空气模拟高速氧枪射流，但是渣-金-气多相反应(例如：渣金界面上的脱碳反应)的模拟鲜有报道，转炉内熔渣泡沫过程的模拟仍是空白。专利cn205517664u涉及“一种模拟转炉炼钢化学反应气体产物与熔池相互作用的装置”，通过在转炉模型熔池内部不同高度上通入压缩空气以模拟化学反应产生的气体，实际上这种气体产生方式仍为外引气源并非化学反应。内生气源和外引气源产生的泡沫渣存在本质的差别。因此，亟需开发出一种转炉内熔渣泡沫化的物理模拟方法，为熔渣泡沫化的相关理论研究提供参考。
技术实现要素：
为了解决上述现有技术中的问题，本发明提供一种转炉内熔渣泡沫化的物理模拟方法。熔渣泡沫化现象是在转炉冶炼条件下由渣-金间化学反应释放气体引起的；本发明用酸溶液和油类来分别模拟钢液和熔渣，通过酸-油界面上碳酸钠颗粒与酸溶液反应产生co2气体来模拟渣-金界面上的反应，进而使油类泡沫化模拟出熔渣的泡沫化现象。本方法为转炉内的渣-金-气多相反应模拟提供途径，具有操作安全简单、模拟还原度高的特点。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种转炉内熔渣泡沫化的物理模拟方法，具体步骤如下：
第一步、向有机玻璃制成的转炉物理模型中依次加入酸溶液和油类，分别模拟钢液和转炉渣；
第二步、从转炉物理模型的炉口上方加入碳酸钠颗粒；
第三步、打开顶吹氧枪供气，借助氧枪射流作用，碳酸钠颗粒经过油层沉降至酸溶液-油界面，碳酸钠颗粒与酸溶液反应产生大量co2气体，从而使油层泡沫化来模拟转炉内熔渣泡沫化，记录泡沫液面高度的变化。
所述酸溶液为硫酸溶液、盐酸溶液或草酸溶液，其中h 浓度为1.88～5.64mol/l。
所述油类为热传导油、二甲基硅油、机油、植物油或真空泵油，所述的植物油为蓖麻油、花生油或大豆油。所述油类的密度为850～970kg/m3，动力学黏度为(125～970)×10-3pa·s(25℃)，采用不同种类的油可以模拟出不同黏度条件下的泡沫化现象。
所述碳酸钠颗粒的粒径为250～1000μm，加入碳酸钠颗粒的物质的量为1/6～1/2倍h 物质的量，改变碳酸钠颗粒的加入量可以模拟出不同气体产生量条件下的熔渣泡沫化现象。
本发明的有益效果是：本发明提供了一种转炉内熔渣泡沫化的物理模拟方法，利用酸溶液-油界面上碳酸钠颗粒与酸溶液间化学反应产生的气体使油类泡沫化，以模拟实际转炉冶炼过程中渣-金界面上脱碳反应引起的熔渣泡沫化过程，实现了转炉冶炼过程中的渣-金-气多相反应体系的模拟。本发明所述的方法操作简单安全，模拟还原度高，为转炉内的渣-金-气多相反应模拟提供途径。
附图说明
图1为实施例1中模拟出的熔渣泡沫化演变过程示意图；
图2为实施例1～实施例4中模拟出的泡沫渣液面高度随时间的演变过程。
具体实施方式
为了更好的解释本发明，结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。
实施例1
本实施例提供一种转炉内熔渣泡沫化的物理模拟方法，具体包括如下步骤：
第一步、向有机玻璃制成的转炉物理模型中依次加入稀硫酸溶液和二甲基硅油，分别模拟钢液和转炉渣。
所述稀硫酸溶液中h 浓度为5.64mol/l；二甲基硅油的密度为970kg/m3，动力学黏度为970×10-3pa·s(25℃)。
第二步、从转炉物理模型的炉口上方加入碳酸钠颗粒；所述碳酸钠颗粒的粒径为1000μm，加入碳酸钠颗粒的物质的量为1/2倍h 物质的量。
第三步、打开顶吹氧枪供气，借助氧枪射流作用，碳酸钠颗粒经过油层沉降至酸-油界面，与稀硫酸溶液反应产生大量co2气体，从而使油层泡沫化，记录泡沫液面高度的变化。
本实施例中模拟出的转炉冶炼过程中熔渣泡沫化的演变过程如图1所示。开始供气后在顶吹射流的冲击作用下，冲击坑区域内的na2co3颗粒最先与下层稀硫酸溶液发生反应。随后，其它区域内的na2co3颗粒均逐渐沉降至二甲基硅油-稀硫酸溶液界面，二甲基硅油-稀硫酸溶液界面是na2co3与稀硫酸溶液发生化学反应的主要场所。随着化学反应的进行，在二甲基硅油-稀硫酸溶液界面上不断产生细小的co2气泡。在浮力的作用下，这些co2气泡在二甲基硅油层内缓慢上浮，最终在二甲基硅油液面上堆积形成了稳定的泡沫层，二甲基硅油泡沫层的厚度随时间不断增大。当二甲基硅油-稀硫酸溶液界面上气体产生速度与液面上气泡破裂速度相等时，泡沫层厚度达到最大且不再变化。在泡沫层内随着高度的增加，气泡的平均直径由0.50mm增加至5.46mm，气泡形状由球状演变为不规则状。随着反应物的消耗，气体的产生速度降低，泡沫层开始衰减，衰减速度随高度降低而变小。
实施例2
本实施例提供一种转炉内熔渣泡沫化的物理模拟方法，具体包括如下步骤：
第一步、向有机玻璃制成的转炉物理模型中依次加入稀盐酸溶液和二甲基硅油，分别模拟钢液和转炉渣。
所述稀盐酸溶液中h 浓度为3.76mol/l；二甲基硅油的密度为970kg/m3，动力学黏度为218×10-3pa·s(25℃)。
第二步、从转炉物理模型的炉口上方加入碳酸钠颗粒，所述碳酸钠颗粒的粒径为500μm，加入碳酸钠颗粒的物质的量为1/2倍h 物质的量。
第三步、打开顶吹氧枪供气，借助氧枪射流作用，碳酸钠颗粒经过油层沉降至二甲基硅油-稀盐酸溶液界面，与稀盐酸溶液反应产生大量co2气体，从而使油层泡沫化，记录泡沫渣液面高度的变化。
本实施例中模拟出的泡沫渣液面高度随时间的演变过程如图2所示。
实施例3
本实施例提供一种转炉内熔渣泡沫化的物理模拟方法，具体包括如下步骤：
第一步、向有机玻璃制成的转炉物理模型中依次加入草酸溶液和机油，分别模拟钢液和转炉渣。
所述草酸溶液中h 浓度为1.88mol/l；机油的密度为910kg/m3，动力学黏度为700×10-3pa·s(25℃)。
第二步、从转炉物理模型的炉口上方加入碳酸钠颗粒，所述碳酸钠颗粒的粒径为750μm，加入碳酸钠颗粒的物质的量为1/3倍h 物质的量。
第三步、打开顶吹氧枪供气，借助氧枪射流作用，碳酸钠颗粒经过油层沉降至机油-草酸溶液界面，与草酸溶液反应产生大量co2气体，从而使油层泡沫化，记录泡沫液面高度的变化。
本实施例中模拟出的泡沫渣液面高度随时间的演变过程如图2所示。
实施例4
本实施例提供一种转炉内熔渣泡沫化的物理模拟方法，具体包括如下步骤：
第一步、向有机玻璃制成的转炉物理模型中依次加入硫酸溶液和热传导油，分别模拟钢液和转炉渣。
所述硫酸溶液中h 浓度为1.88mol/l；所述热传导油的密度为850kg/m3，动力学黏度为125×10-3pa·s(25℃)。
第二步、从转炉物理模型的炉口上方加入碳酸钠颗粒，所述碳酸钠颗粒的粒径为250μm，加入碳酸钠颗粒的物质的量为1/6倍h 物质的量。
第三步、打开顶吹氧枪供气，借助氧枪射流作用，碳酸钠颗粒经过油层沉降至热传导油-硫酸溶液界面，与硫酸溶液反应产生大量co2气体，从而使油层泡沫化，记录泡沫渣液面高度的变化。
本实施例中模拟出的泡沫渣液面高度随时间的演变过程如图2所示。
1.一种转炉内熔渣泡沫化的物理模拟方法，其特征在于，所述的物理模拟方法包括以下步骤：
第一步、向有机玻璃制成的转炉物理模型中依次加入酸溶液和油类，分别模拟钢液和转炉渣；
所述酸溶液的h 浓度为1.88～5.64mol/l；
所述油类的密度为850～970kg/m3，25℃下其动力学黏度为(125～970)×10-3pa·s；
第二步、从转炉物理模型的炉口上方加入碳酸钠颗粒；所述碳酸钠颗粒的物质的量为1/6～1/2倍h 物质的量；
第三步、打开顶吹氧枪供气，借助氧枪射流作用，碳酸钠颗粒经过油层沉降至酸溶液-油界面，碳酸钠颗粒与酸溶液反应产生大量co2气体，从而使油层泡沫化来模拟转炉内熔渣泡沫化，记录泡沫液面高度的变化。
2.根据权利要求1所述的一种转炉内熔渣泡沫化的物理模拟方法，其特征在于，所述酸溶液为硫酸溶液、盐酸溶液或草酸溶液。
3.根据权利要求1或2所述的一种转炉内熔渣泡沫化的物理模拟方法，其特征在于，所述油类为热传导油、二甲基硅油、机油、植物油或真空泵油。
4.根据权利要求3所述的一种转炉内熔渣泡沫化的物理模拟方法，其特征在于，所述的植物油为蓖麻油、花生油或大豆油。
5.根据权利要求1、2或4所述的一种转炉内熔渣泡沫化的物理模拟方法，其特征在于，第二步中所述碳酸钠颗粒的粒径为250～1000μm。
6.根据权利要求3所述的一种转炉内熔渣泡沫化的物理模拟方法，其特征在于，第二步中所述碳酸钠颗粒的粒径为250～1000μm。
技术总结