CN113532795A - 一种卡尔多炉水力学实验装置 - Google Patents

Abstract

一种卡尔多炉水力学实验装置，包括炉体倾斜旋转控制机构、喷枪万向调节机构、气体流量调节机构、拍摄成像系统及数据采集系统，其中，所述喷枪万向调节机构设置在炉体倾斜旋转控制机构上，所述气体流量调节机构、数据采集系统分别与炉体倾斜旋转控制机构连接，所述拍摄成像系统布置在炉体倾斜旋转控制机构外围；本发明模拟卡尔多炉水力学实验，能够实时监控卡尔多炉内溶液液面波动，控制精度高，能够通过更换工艺参数，查明渣‑金两相熔体液面动态波动行为与喷枪位置、喷枪尺寸及气体流量等工艺参数的内在联系，从而为研制低喷溅、高收率及长炉寿的卡尔多炉提供技术参考。

Description

一种卡尔多炉水力学实验装置

技术领域

本发明涉及冶金工程技术领域，尤其涉及一种卡尔多炉水力学实验装置。

背景技术

目前，卡尔多炉是铅、铜阳极泥火法冶炼中广泛采用的设备，其具有单位处理量大、动力学条件优异等优势。但卡尔多炉在熔炼过程中，炉内渣-金两相熔体在空气喷枪高压气流及炉体匀速旋转的协同作用下，极易形成喷溅物，并不断冲刷炉壁损伤炉衬；同时部分微细喷溅物在烟气卷吸作用下形成烟尘，从而降低了贵金属收率，直接影响卡尔多炉冶炼工艺的经济效益。

熔体喷溅是炉内熔体在高压气流作用下受迫运动的外在表现。卡尔多炉熔池搅拌行为的可调可控，对低喷溅、高收率及长炉寿的卡尔多炉新工艺开发具有重要的现实意义。然而卡尔多炉熔炼过程属于高温(>1000℃)多相物理化学反应热质传递过程，难以通过常规实验手段查明渣-金两相熔体液面动态波动行为与喷枪位置、喷枪尺寸及气体流量等工艺参数存在的内在联系。生产过程中工艺参数的确定主要依赖人工经验，往往存在误差大、控制精度低等问题，亟需研制一种能够监测卡尔多炉熔体运动行为的实验装置。

发明内容

本发明所解决的技术问题在于提供一种卡尔多炉水力学实验装置，以解决上述背景技术中的问题。

本发明所解决的技术问题采用以下技术方案来实现：

一种卡尔多炉水力学实验装置，包括炉体倾斜旋转控制机构、喷枪万向调节机构、气体流量调节机构、拍摄成像系统及数据采集系统，其中，所述喷枪万向调节机构设置在炉体倾斜旋转控制机构上，所述气体流量调节机构、数据采集系统分别与炉体倾斜旋转控制机构连接，所述拍摄成像系统布置在炉体倾斜旋转控制机构外围，具体结构如下：

所述炉体倾斜旋转控制机构中，所述炉体固定架上部设置有步进电机、用于监测炉体固定架倾角的数显倾角仪、喷枪万向调节机构及炉体，所述炉体固定架两侧对称设置有支撑连接臂，且所述支撑连接臂另一端与可移动平板底座连接，所述炉体固定架背面设置有两个通过皮带连接的皮带轮，其中一个皮带轮套在步进电机转轴上，另一个皮带轮套在炉体中心轴上；所述炉体底部黏贴有反光条，通过激光测速仪测量炉体转速；

所述喷枪万向调节机构包括喷枪、XYZ三轴和角度调节组件，其中，所述喷枪由中空不锈钢圆管与弯头拉瓦尔管喷嘴组成，所述XYZ三轴和角度调节组件中，所述固定支架安装在炉体固定架上，所述Y轴不锈钢圆管一端固定在固定支架内，所述Y轴十字连接块嵌套在所述Y轴不锈钢圆管另一端，所述X轴不锈钢圆管一端嵌套在Y轴十字连接块内，所述X轴不锈钢圆管另一端嵌套在X轴十字连接块内，所述Z轴不锈钢圆管一端嵌套在X轴十字连接块内，所述Z轴不锈钢圆管另一端嵌套在Z轴十字连接块内，所述连接不锈钢圆管一端嵌套在Z轴十字连接块内，所述连接不锈钢圆管另一端安装在可旋转连接柱内，所述中空不锈钢圆管安装在可旋转连接柱内，所述弯头拉瓦尔管喷嘴与中空不锈钢圆管出口端连接；

所述气体流量调节机构中，所述气源通过管道与中空不锈钢圆管进口连接，并在管道上设置有气体减压阀与气体流量计；

所述拍摄成像系统中，所述LED光源置于炉体倾斜旋转控制机构左右两侧，且能够覆盖炉体倾斜旋转控制机构，所述高速摄像机固定在三脚架上，并置于炉体倾斜旋转控制机构正前方；所述幕布置于炉体倾斜旋转控制机构后方；所述基准标尺置于炉体固定架前方；

所述数据采集系统中，所述电导电极一端固定在炉体内，所述电导电极另一端连接电导率仪，通过电导率仪实时测量炉体内溶液电导率变化；所述示踪剂加入器为5～15ml注射器，内部填充有3mol/L KCl电解质溶液，实验启动后，挤压注入5～10ml的KCl电解质溶液至炉体内；所述计算机与电导率仪连接，用于实时采集电导率实时变化曲线。

在本发明中，所述可移动平板底座上设置有直线滑台，所述支撑连接臂另一端与直线滑台连接。

在本发明中，所述炉体材质为透明有机玻璃，以便观察和拍摄炉内流体运动现象；所述炉体由圆柱炉体与炉底构成，炉体底部为圆弧形凹面，连接部位加焊法兰盘，通过内六角螺栓固定。

在本发明中，所述炉体固定架为长方体，并在长方体上设有多个螺栓固定孔，用于固定喷枪万向调节机构、步进电机及炉体，长方体背面设有用于安装皮带轮的安装位，长方体侧面对称设置有用于安装铰接机构的销轴孔，通过铰接机构分别与支撑连接臂、直线滑台连接。

在本发明中，所述数显倾角仪底部内置强力磁铁，能够直接吸附在炉体固定架工作平面上。

在本发明中，所述可移动平板底座底部安装有四个带制动功能的万向轮。

在本发明中，所述Y轴十字连接块、X轴十字连接块、Z轴十字连接块的尺寸一致，均具有两个垂直交错的安装孔，通过十字连接块上的螺丝用以固定具有不同外径的不锈钢管。

在本发明中，所述Y轴不锈钢圆管、X轴不锈钢圆管、Z轴不锈钢圆管及连接不锈钢圆管的尺寸一致，钢管外径10mm，长度为200mm。

在本发明中，所述可旋转连接柱上设置有两个交错的安装孔，其中一个安装孔固定连接不锈钢管，另一个安装孔固定中空不锈钢圆管，以安装外径相同而内径不同的多种喷枪；通过选择内径不同的喷枪，从而调节喷枪气体流量，以改变实验条件。

在本发明中，所述可旋连接柱带有刻度，喷枪与液面的夹角通过可旋连接柱上的刻度仪精确控制在0～90°，所述可旋连接柱的喷枪安装孔中心线相对于所述炉体径向剖切面的中心线的夹角为0～360°。

一种卡尔多炉水力学实验方法，采用基于卡尔多炉水力学实验装置进行实验，具体步骤如下：

步骤S1：开始：

清理卡尔多炉水力学模型，进入步骤S2；

步骤S2：配置不同运动粘度溶液：

配置与炉渣具有等效运动黏度的水溶液，进入步骤S3；

步骤S3：设定水力学模型倾角：

将炉体固定在支架底座上，并调整炉体固定架与水平地面的夹角，而后通过数显倾角仪测量炉体固定架的水平夹角，再根据原型实际生产中设定炉体倾角，进入步骤S4；

步骤S4：调整水力学模型液面高度：

将步骤S2)中配置的与炉渣具有等效运动黏度的水溶液加入炉体内，并通过置于炉体固定架前方的基准标尺确定液面高度，进入步骤S5；

步骤S5：设定水力学模型转速：

打开步进电机启动开关，并设定转速档位，而后通过激光测速仪校准炉体旋转转速；模型选取的转速与原型一致，进入步骤S6；

步骤S6：计算并调整喷枪位置：

对喷枪的枪位进行修正，即实验选择的枪位为理论计算的模型枪位减去修正值，同时设定弯头拉瓦尔管喷嘴与炉内液面相对位置，并通过可旋连接柱调节弯头拉瓦尔管喷嘴与炉体轴向的相对角度，进入步骤S7；

步骤S7：设定气体流量调节：

通过调整气体减压阀与气体流量计，以调节气体的压力和流量，使炉体内达到所需的气体流量，进入步骤S8；

步骤S8：检测判断混合时间或运动特征：

判断当前计算步骤是否为混合时间测定，若满足，则进入步骤S13执行，否则进入步骤S9执行；

步骤S9：布置拍摄成像系统并调节参数：

将幕布置于炉体倾斜旋转控制机构后侧，以消除环境背景无关物体干扰，开启放置在炉体倾斜旋转控制机构两侧的LED光源，保证光线条件满足拍摄要求，再将高速摄像机置于炉体倾斜旋转控制机构前方，调整摄像机焦距、分辨率及记录频率，在高速摄像机正前方的炉体固定架放置基准标尺，用于图像分析并进行像素-尺寸映射关系构建；开启高速摄像机，捕获炉体内的流体运动图像，以获得炉体内不同区域气泡运动形态和液面运动情况视频图像信息，进入步骤S10；

步骤S10：流体运动特征条件实验：

重复步骤S1)～S7)，更换操作条件，获取各组实验结果，进入步骤S11；

步骤S11：条件实验终止判断：

判断当前计算步骤是否已完成条件实验，若满足，则进入步骤S15执行，否则进入步骤S2执行；

步骤S12：提取图像数据特征：

首先，将实验获得的视频按.mov格式导入计算机，截取所需的目标时间区间，以放置在炉体固定架前方的基准标尺为拍摄图像尺寸的标定参照物，建立图片像素点与尺寸的映射关系；其次，基于OpenCV计算机视觉和机器学习软件库通过形态学处理剔除无关数据干扰；最后利用图像分析程序Image-J，分析各实验条件对应的图像流形轮廓、冲击凹坑深度和凹坑面积、溅渣统计、自由液面波动特性，以获得统计数据，进入步骤S13；

步骤S13：测定混合时间：

通过测定炉体内示踪剂含量以判断炉体内部流体的流动情况，当电导率-时间变化曲线趋于平缓，且实验定义变化曲线波动不超过±5％，则停止实验，获得电导率-时间变化实验数据，进入步骤S14；

步骤S14：混合时间条件实验：

清空炉体内的水溶液，用于保证每次测量电导率均处于相同起始点，重复步骤S1)～S7)，更换操作条件，获取不同条件下的混合时间实验数据，进入步骤S15；

步骤S15：结束。

有益效果：本发明模拟卡尔多炉水力学实验，能够实时监控卡尔多炉内溶液液面波动，控制精度高，能够通过更换工艺参数，查明渣-金两相熔体液面动态波动行为与喷枪位置、喷枪尺寸及气体流量等工艺参数的内在联系，从而为研制具体低喷溅、高收率及长炉寿特点的卡尔多炉提供技术参考。

附图说明

图1为本发明的较佳实施例的结构示意图。

图2为本发明的较佳实施例中的皮带轮安装示意图。

图3为本发明的较佳实施例中的喷枪万向调节机构结构示意图。

图4为图3中P处放大示意图。

图5为本发明的较佳实施例中的拍摄成像系统安装示意图。

图6为本发明的较佳实施例中的数据采集系统结构示意图。

图7为本发明的较佳实施例的实验流程图。

图8为本发明的较佳实施例中的炉体液面波动示意图。

图9为本发明的较佳实施例中的液面波动特性数据处理流程图。

图10为本发明的较佳实施例中的实验图像处理分析示意图。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本发明。

一种卡尔多炉水力学实验装置，包括炉体倾斜旋转控制机构、喷枪万向调节机构、气体流量调节机构、拍摄成像系统及数据采集系统，如图1所示，其中，所述喷枪万向调节机构设置在炉体倾斜旋转控制机构上，所述气体流量调节机构、数据采集系统分别与炉体倾斜旋转控制机构连接，所述拍摄成像系统布置在炉体倾斜旋转控制机构外围，具体结构如下：

所述炉体倾斜旋转控制机构包括炉体01、炉体固定架02、步进电机03、皮带04、皮带轮05、激光测速仪06、直线滑台07、支撑连接臂08、数显倾角仪09及可移动平板底座10，其中，所述炉体固定架02上部设置有步进电机03、数显倾角仪09、喷枪万向调节机构及炉体01，所述炉体固定架02两侧对称设置有支撑连接臂08，且所述支撑连接臂08另一端与设置在可移动平板底座10上的直线滑台07连接，所述炉体固定架02背面设置有两个通过皮带04连接的皮带轮05，其中一个皮带轮05套在步进电机03转轴上，另一个皮带轮05套在炉体01中心轴上；所述炉体01底部黏贴有六个反光条，通过激光测速仪06测量炉体01转速；

所述炉体01根据1.2t卡尔多炉原型按1:4.5缩放，其模型具体尺寸参数如表1所示，所述炉体01材质为透明有机玻璃，以便观察和拍摄炉内流体运动现象；所述炉体01由圆柱炉体与炉底构成，炉体底部为圆弧形凹面，连接部位加焊法兰盘，通过内六角螺栓固定；

表1原型和模型的几何相似参数

所述炉体固定架02为长方体，并在长方体上设有多个螺栓固定孔，用于固定喷枪万向调节机构、步进电机03及炉体01，长方体背面设有用于安装皮带轮05的安装位，长方体侧面对称设有销轴孔，通过铰接机构分别与支撑连接臂08、可移动平板底座10连接；

所述步进电机03的转速在0～100rpm区间，通过炉体固定架02背面设置的皮带轮05和皮带04连接炉体01，如图2所示，以皮带传动方式带动炉体01沿中轴线均速旋转，通过步进电机03控制器调节炉体01转速在0～30rpm；通过激光测速仪06校准炉体01转速；

所述皮带轮05安装在炉体固定架02背面，其中套在步进电机03转轴上的直径为10cm，套在炉体01中心轴上的直径为20cm，两个皮带轮05通过皮带04传动；

所述激光测速仪06为手持式光电设备，通过黏贴在炉体01底部的反光条测定炉体01转速；

所述直线滑台07行程距离为100～600mm，可使用步进电机03或手轮调节直线滑台07的位置，通过连接炉体固定架02与可移动平板底座10的支撑连接臂08带动炉体固定架02倾斜，采用数显倾角仪09监测炉体固定架02的倾角，并反馈至滑台步进电机或手轮以调整直线滑台07位置；

所述支撑连接臂08两端均设置有销轴孔，通过铰接机构与炉体固定架02、直线滑台07连接；

所述数显倾角仪09底部内置强力磁铁，能够直接吸附在炉体固定架02工作平面上，测量的倾角为炉体固定架02的水平夹角θ₁，其与炉体轴线和水平面夹角θ₂(倾角)的关系为θ₂＝90-θ₁；

所述可移动平板底座10为预留有多个丝牙螺栓孔的长方形钢板，尺寸为80×60×5cm；长方形钢板底部安装有四个带制动功能的2.5寸轮径的万向轮，并通过10mm的丝牙螺栓固定；

所述喷枪万向调节机构包括喷枪、XYZ三轴和角度调节组件，其中，所述喷枪由中空不锈钢圆管11、弯头拉瓦尔管喷嘴12组成，所述中空不锈钢圆管11内径为10～14mm，壁厚2mm，作为压缩空气的输运通道，其进口端连接橡皮管，出口端连接弯头拉瓦尔管喷嘴12；所述XYZ三轴和角度调节组件由三个十字连接块13、一个可旋转连接柱14、四根不锈钢圆管15及一个固定支架16组成；

所述XYZ三轴和角度调节组件连接方式为：炉体固定架02→固定支架16→Y轴不锈钢圆管15A→Y轴十字连接块13A→X轴不锈钢圆管15B→X轴十字连接块13B→Z轴不锈钢圆管15C→Z轴十字连接块13C→连接不锈钢圆管15D→可旋转连接柱14→中空不锈钢圆管11，如图3所示；

所述Y轴十字连接块13A、X轴十字连接块13B、Z轴十字连接块13C的尺寸一致，均具有两个垂直交错的安装孔，通过十字连接块上的螺丝用以固定具有不同外径的不锈钢管；

所述Y轴不锈钢圆管15A、X轴不锈钢圆管15B、Z轴不锈钢圆管15C及连接不锈钢圆管15D的尺寸一致，钢管外径10mm，长度为200mm；

所述可旋转连接柱14设置有两个交错的安装孔，其中一个安装孔固定连接不锈钢圆管15D，另一个安装孔固定中空不锈钢圆管11，以安装外径相同而内径不同的多种喷枪；通过选择内径不同的喷枪11，从而调节喷枪气体流量，以改变实验条件；

所述可旋连接柱14带有刻度，如图4所示，其喷枪11与液面的夹角通过可旋连接柱14上的刻度仪精确控制在0～90°，所述可旋连接柱14的喷枪安装孔中心线相对于所述炉体01径向剖切面的中心线的夹角为0～360°；

所述气体流量调节机构由气源(压缩气体钢瓶或空压机)17、气体减压阀18、气体流量计19、耐压橡皮气管20组成，所述气体流量调节机构的连接方式为：气源17→气体减压阀18→耐压橡皮管20→气体流量计19→耐压橡皮管20→喷枪的中空不锈钢圆管11进口；

所述气体流量调节机构产生的气体流量为0～300L/min；

所述气体稳压阀18采用减压阀或电子阀；

所述气体流量计19为转子流量计或质量流量计等流量计；

所述气体流量调节机构使用气体减压阀18对气源17中的高压气体进行减压调节，通过气体流量计19调节喷枪的气体流量；

所述耐压橡皮气管20内径与喷枪11的外径一致，通过橡皮管夹密封连接，以防止气体泄露；

所述拍摄成像系统包括LED面光源21、高速摄像机22、幕布23、基准标尺24及三脚架25，所述LED光源21置于炉体倾斜旋转控制机构左右两侧1米处，且能够覆盖炉体倾斜旋转控制机构，所述高速摄像机22固定在三脚架25上，置于炉体倾斜旋转控制机构正前方1米处，以精确测量炉体01液面波动行为；所述幕布23置于炉体倾斜旋转控制机构后方0.5米处；所述基准标尺24置于炉体固定架02前方，摆放位置如图5所示；

所述数据采集系统包括电导率仪26、电导电极27、示踪剂加入器28及计算机29，如图6所示，所述电导电极27一端通过金属丝固定在炉体01内，另一端连接电导率仪26，通过电导率仪26实时测量炉体01内溶液电导率变化；所述示踪剂加入器28为5～15ml注射器，内部填充有3mol/L KCl电解质溶液，在本实验装置启动后，挤压注入5～10ml的KCl电解质溶液至炉体01内；所述计算机29带有串口，与电导率仪26的串口连接，用于实时采集电导率实时变化曲线。

一种卡尔多炉水力学实验方法，如图7所示，具体步骤如下：

步骤S1：开始：

清理卡尔多炉水力学模型，进入步骤S2；

步骤S2：不同运动粘度溶液配置：

若直接采用水模拟炉渣熔体，其运动黏度与原型熔体运动黏度相差较大，如表2所示，为此本实施例在纯水中添加2％～3％(wt)的增稠剂(如羰甲基纤维素钠等)以改变水溶液的动力粘度，根据公式(1)，计算并配置与卡尔多炉熔体(渣、朵儿合金)的运动黏度相同的水溶液，进入步骤S3；

公式(1)中，ν为运动黏度，μ为液体的动力粘度，ρ为液体的密度；

表2水与炉渣物理性质对比表

步骤S3：水力学模型倾角设定：

将炉体01固定在支架底座02上，通过手轮或步进电机03调整直线滑台07的滑块位置，进而带动支撑连接臂08改变炉体固定架02与水平地面的夹角，并通过放置在炉体固定架02工作面上的数显倾角仪09测量水平夹角θ₁，其与炉体01的倾角θ₂关系为θ₂＝90-θ₁；模型根据原型实际生产中设定炉体倾角θ₂，其值在20～50°；进入步骤S4；

步骤S4：水力学模型液面高度调整：

将步骤S2)中配置的与炉渣具有等效运动黏度溶液加入炉体01内，通过置于炉体固定架02前方的基准标尺24确定液面高度；模型选取的液面高度为100～200mm，进入步骤S5；

步骤S5：水力学模型转速设定：

打开步进电机03启动开关，并设定转速档位，而后通过激光测速仪06校准炉体01旋转转速；模型选取的转速与原型一致，本实施例模型转速为5～15rpm；进入步骤S6；

步骤S6：喷枪位置计算及调整：

在相同高度下，喷枪出口的超音速流与亚音速流对炉体01内的溶液冲击作用不同，水力学模型实验中，卡尔多炉原型使用的拉瓦尔喷枪射流为超音速射流，而模型喷枪出口流速为亚音速流，若直接根据几何相似处理模型枪位高度(喷枪离液面距离)，会使模型液面上的射流与炉体01接触面积较大而中心流速较小导致与原型存在偏差，为此，需对喷枪的枪位进行修正，即实验选择的枪位为理论计算的模型枪位减去修正值(L_s-x)m，超音速核心段长度(L_S)与假想亚音速的喷嘴距超音速核心末端距离(x)，可分别表示为：

L_s＝5.78d_e(P₀-2) (2)

公式(2)～(3)中，L_s—超音速核心段长度，m；d_t—喷嘴喉口直径，m；P₀—喷嘴前端滞止压力，Pa；u—射流出口流速，m/s；x—假想亚音速喷嘴距超音速核心末端距离，m；d_s—喷嘴出口直径，m；c—音速，340m/s；

本实施例实验条件下，喷枪枪位修正值为138mm；

设定弯头拉瓦尔管喷嘴12与炉内液面相对位置，并通过炉口顶部的十字连接块13调节弯头拉瓦尔管喷嘴12与炉体01径向、轴向的相对位置，通过可旋连接柱14调节弯头拉瓦尔管喷嘴12与炉体01轴向的相对角度；本实施例的枪位为30～100mm；进入步骤S7；

步骤S7：气体流量调节设定：

对卡尔多炉熔炼体系而言，在模型与原型在几何相似、动力相似的前提下，引发体系内流体流动的动力主要是重力和惯性力，因此需保证两者的修正弗鲁德准数Fr’相等，便基本保证二者的动力相似，修正Fr’数可定义为：

特征速度u可由下式给出：

由水模型修正Fr’数与原型修正Fr’数相等，可得：

公式(4)～(6)中，Q—气体体积流量，m³/s；d—喷嘴内径，m；ρ_gp—原型中喷吹气体的密度，取压缩空气的密度为5.16kg/m³；ρ_gm—水模型中喷吹气体密度，实验用空气做喷吹气体，密度1.29kg/m³；ρ_lm—模型中水的密度，用水替代原型中的渣相，密度取常温下1.0×10³kg/m³；ρ_lp—原型中渣相(吹炼渣、精炼渣)取近似值，为6.7×10³kg/m³；d_m—模型中喷枪直径，12mm；d_p—原型中喷枪直径，58mm；Q_p—原型中吹炼喷枪的气体流量，本实施例取550～750Nm³/h；

由此计算代入相关的物理量，经计算得模型与原型气体流量的关系公式(7)所示：

Q_m＝0.0150405Q_p (7)

根据公式(4)～(7)计算获得水力学模型对应的气体流量，开启供气系统，通过调整气体减压阀及流量计，调节气体的压力和流量，使炉体01内弯头拉瓦尔管喷嘴12出口达到所需的气体流量；其中，气源的气体为压缩空气；本实施例模型气体流量值为100～300L/min；进入步骤S8；

步骤S8：混合时间或运动特征检测判断：

判断当前计算步骤是否为混合时间测定，若满足，则进入步骤S13执行，否则进入步骤S9执行；

步骤S9：拍摄装置位置布置及参数调节：

将幕布23置于炉体倾斜旋转控制机构后侧0.5～1.0m处，以消除环境背景无关物体干扰，开启放置在炉体倾斜旋转控制机构两侧的LED光源21，保证光线条件满足拍摄要求，再将高速摄像机22置于炉体倾斜旋转控制机构前方0.5～1.0m处，调整摄像机焦距、分辨率及记录频率，在高速摄像机22正前方的炉体固定架02放置基准标尺24，用于图像分析并进行像素-尺寸映射关系构建；开启高速摄像机22，捕获炉体01内的流体运动图像，如图8所示，以获得炉体01内不同区域气泡运动形态和液面运动情况视频图像信息，进入步骤S10；

步骤S10：流体运动特征条件实验：

重复步骤S1)～S7)，更换操作条件(如喷枪内径、喷枪夹角、液面高度、喷枪枪位、气体流量、炉体转速等参数)，获取各组实验结果(轮廓提取、凹坑深度、面积统计、溅渣统计、自由液面波动特征)，进入步骤S11；

步骤S11：条件实验终止判断：

判断当前计算步骤是否已完成条件实验，若满足，则进入步骤S15执行，否则进入步骤S2执行；

步骤S12：图像数据特征提取：

按图9所示，进行图像数据特征提取，首先，将实验获得的视频按.mov格式导入计算机29，截取所需的目标时间区间，以放置在炉体固定架02前方的基准标尺24为拍摄图像尺寸的标定参照物，建立图片像素点与尺寸的映射关系；其次，基于OpenCV计算机视觉和机器学习软件库通过形态学处理(腐蚀、膨胀、边缘检测等)剔除无关数据干扰；最后利用图像分析程序Image-J，分析各实验条件对应的图像流形轮廓、冲击凹坑深度和凹坑面积、溅渣统计、自由液面波动特性，以获得统计数据，如图10所示；进入步骤S13；

步骤S13：混合时间测定：

测量方法采用“刺激影响”技术，即通过测定示踪剂含量判断炉体01内部流体的流动情况；实际测定中，通过测定溶液pH或电导率确定示踪剂含量变化以测定混匀时间；炉体01中加入作为示踪剂的KCl电解质溶液后，电导率在一段时间内达到峰值，随着炉体01内部搅拌混匀过程的进行，电导率-时间变化曲线趋于平缓，说明电解质在炉体01内分布均匀、趋近混匀状态，实验定义变化曲线波动低于5％左右时所对应的时间段为混匀时间；

清空炉体01内的水溶液，在炉体01内不同位置插入两个电导电极27检测电导率的变化，重复步骤S1)～S6)；待炉体01稳定运行30s后，通过示踪剂加入器28向炉体01内加入KCl电解质溶液，使用电导率仪26记录电导电极27的电导率变化，在电导率值波动不超过±5％，则停止实验，获得电导率-时间变化实验数据，进入步骤S14；

步骤S14：混合时间条件实验：

清空炉体01内的水溶液，用于保证每次测量电导率均处于相同起始点，重复步骤S1)～S7)，更换操作条件(例如喷枪内径、喷枪夹角、液面高度、喷枪枪位、气体流量、炉体转速等参数)，获取不同条件下的混合时间实验数据，进入步骤S15；

步骤S15：结束。

Claims (10)

1.一种卡尔多炉水力学实验装置，包括炉体倾斜旋转控制机构、喷枪万向调节机构、气体流量调节机构、拍摄成像系统及数据采集系统，其特征在于，所述喷枪万向调节机构设置在炉体倾斜旋转控制机构上，所述气体流量调节机构、数据采集系统分别与炉体倾斜旋转控制机构连接，所述拍摄成像系统布置在炉体倾斜旋转控制机构外围，具体结构如下：

所述炉体倾斜旋转控制机构中，所述步进电机、用于监测炉体固定架倾角的数显倾角仪、喷枪万向调节机构及炉体设置在炉体固定架上部，所述炉体固定架两侧对称设置有支撑连接臂，且所述支撑连接臂另一端与可移动平板底座连接，所述炉体固定架背面设置有两个通过皮带连接的皮带轮，其中一个皮带轮套在步进电机转轴上，另一个皮带轮套在炉体中心轴上；并在所述炉体底部黏贴有反光条，通过激光测速仪测量炉体转速；

所述喷枪万向调节机构包括喷枪、XYZ三轴和角度调节组件，其中，所述喷枪由中空不锈钢圆管与弯头拉瓦尔管喷嘴组成，所述XYZ三轴和角度调节组件中，所述固定支架安装在炉体固定架上，所述Y轴不锈钢圆管一端固定在固定支架内，所述Y轴十字连接块嵌套在所述Y轴不锈钢圆管另一端，所述X轴不锈钢圆管一端嵌套在Y轴十字连接块内，所述X轴不锈钢圆管另一端嵌套在X轴十字连接块内，所述Z轴不锈钢圆管一端嵌套在X轴十字连接块内，所述Z轴不锈钢圆管另一端嵌套在Z轴十字连接块内，所述连接不锈钢圆管一端嵌套在Z轴十字连接块内，所述连接不锈钢圆管另一端安装在可旋转连接柱内，所述中空不锈钢圆管安装在可旋转连接柱内，所述弯头拉瓦尔管喷嘴与中空不锈钢圆管出口端连接；

所述气体流量调节机构中，所述气源通过管道与中空不锈钢圆管进口连接，并在管道上设置有气体减压阀与气体流量计；

所述拍摄成像系统中，所述LED光源置于炉体倾斜旋转控制机构左右两侧，且能够覆盖炉体倾斜旋转控制机构，所述高速摄像机固定在三脚架上，并置于炉体倾斜旋转控制机构正前方；所述幕布置于炉体倾斜旋转控制机构后方；所述基准标尺置于炉体固定架前方；

所述数据采集系统中，所述电导电极一端固定在炉体内，所述电导电极另一端连接电导率仪；所述示踪剂加入器用于将示踪剂挤压至炉体内；所述计算机与电导率仪连接。

2.根据权利要求1所述的一种卡尔多炉水力学实验装置，其特征在于，所述可移动平板底座上设置有直线滑台，所述支撑连接臂另一端与直线滑台连接。

3.根据权利要求1所述的一种卡尔多炉水力学实验装置，其特征在于，所述炉体材质为透明有机玻璃。

4.根据权利要求1所述的一种卡尔多炉水力学实验装置，其特征在于，所述炉体固定架为长方体，并在长方体上设有多个螺栓固定孔，长方体背面设有用于安装皮带轮的安装位，长方体侧面对称设有用于安装铰接机构的销轴孔。

5.根据权利要求1所述的一种卡尔多炉水力学实验装置，其特征在于，所述数显倾角仪底部内置强力磁铁。

6.根据权利要求1所述的一种卡尔多炉水力学实验装置，其特征在于，所述可移动平板底座底部安装有四个带制动功能的万向轮。

7.根据权利要求1所述的一种卡尔多炉水力学实验装置，其特征在于，所述Y轴十字连接块、X轴十字连接块、Z轴十字连接块的尺寸一致，均设置有两个垂直交错的安装孔。

8.根据权利要求1所述的一种卡尔多炉水力学实验装置，其特征在于，所述可旋转连接柱上设置有两个交错的安装孔，其中一个安装孔固定连接不锈钢管，另一个安装孔固定中空不锈钢圆管。

9.根据权利要求1所述的一种卡尔多炉水力学实验装置，其特征在于，所述可旋连接柱带有刻度。

10.一种卡尔多炉水力学实验方法，其特征在于，采用如权利要求1～9所述的卡尔多炉水力学实验装置进行实验，具体步骤如下：

步骤S1：开始

清理卡尔多炉水力学模型，进入步骤S2；

步骤S2：配置不同运动粘度溶液

配置与炉渣具有等效运动黏度的水溶液，进入步骤S3；

步骤S3：设定水力学模型倾角

将炉体固定在支架底座上，并调整炉体固定架与水平地面的夹角，而后通过数显倾角仪测量炉体固定架的水平夹角，再根据原型实际生产中设定炉体倾角，进入步骤S4；

步骤S4：调整水力学模型液面高度

将步骤S2)中配置的与炉渣具有等效运动黏度的水溶液加入炉体内，并通过置于炉体固定架前方的基准标尺确定液面高度，进入步骤S5；

步骤S5：设定水力学模型转速

打开步进电机启动开关，并设定转速档位，而后通过激光测速仪校准炉体旋转转速；模型选取的转速与原型一致，进入步骤S6；

步骤S6：计算并调整喷枪位置

对喷枪的枪位进行修正，即实验选择的枪位为理论计算的模型枪位减去修正值，同时设定弯头拉瓦尔管喷嘴与炉内液面相对位置，并通过可旋连接柱调节弯头拉瓦尔管喷嘴与炉体轴向的相对角度，进入步骤S7；

步骤S7：设定气体流量调节

通过调整气体减压阀与气体流量计，以调节气体的压力和流量，使炉体内达到所需的气体流量，进入步骤S8；

步骤S8：检测判断混合时间或运动特征

判断当前计算步骤是否为混合时间测定，若满足，则进入步骤S13执行，否则进入步骤S9执行；

步骤S9：布置拍摄成像系统并调节参数

将幕布置于炉体倾斜旋转控制机构后侧，以消除环境背景无关物体干扰，开启放置在炉体倾斜旋转控制机构两侧的LED光源，保证光线条件满足拍摄要求，再将高速摄像机置于炉体倾斜旋转控制机构前方，调整摄像机焦距、分辨率及记录频率，在高速摄像机正前方的炉体固定架放置基准标尺，用于图像分析并进行像素-尺寸映射关系构建；开启高速摄像机，捕获炉体内的流体运动图像，以获得炉体内不同区域气泡运动形态和液面运动情况视频图像信息，进入步骤S10；

步骤S10：流体运动特征条件实验

重复步骤S1)～S7)，更换操作条件，获取各组实验结果，进入步骤S11；

步骤S11：条件实验终止判断

判断当前计算步骤是否已完成条件实验，若满足，则进入步骤S15执行，否则进入步骤S2执行；

步骤S12：提取图像数据特征

首先，将实验获得的视频按.mov格式导入计算机，截取所需的目标时间区间，以放置在炉体固定架前方的基准标尺为拍摄图像尺寸的标定参照物，建立图片像素点与尺寸的映射关系；其次，基于OpenCV计算机视觉和机器学习软件库通过形态学处理剔除无关数据干扰；最后利用图像分析程序Image-J，分析各实验条件对应的图像流形轮廓、冲击凹坑深度和凹坑面积、溅渣统计、自由液面波动特性，以获得统计数据，进入步骤S13；

步骤S13：测定混合时间

通过测定炉体内示踪剂含量以判断炉体内部流体的流动情况，当电导率-时间变化曲线趋于平缓，且实验定义变化曲线波动不超过±5％，则停止实验，获得电导率-时间变化实验数据，进入步骤S14；

步骤S14：混合时间条件实验：

清空炉体内的水溶液，用于保证每次测量电导率均处于相同起始点，重复步骤S1)～S7)，更换操作条件，获取不同条件下的混合时间实验数据，进入步骤S15；

步骤S15：结束。

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