RH真空精煉循環(huán)流動特性的水模型研究

胡建東 王 歡 鄭淑國

(1.天津重型裝備工程研究有限公司，天津 300457；2.東北大學(xué)，遼寧110004)

RH真空精煉處理具有周期短、生產(chǎn)能力大、綜合處理效果好等優(yōu)點，已成為生產(chǎn)高附加值鋼的重要環(huán)節(jié)[1、2]。RH內(nèi)鋼液的循環(huán)流量和混勻時間是衡量其效率的兩個重要因素。因此，開展對RH裝置內(nèi)鋼液循環(huán)流動行為的研究具有重要的現(xiàn)實意義和理論意義。

1 水模型的建立

1.1 相似性原理

表1 模型和原型的主要參數(shù)Table 1 Main parameters for model and prototype

由于實際冶金反應(yīng)器和水模型兩者的修正弗魯?shù)聹?zhǔn)數(shù)相等，因此取上升管內(nèi)徑D為幾何特征參數(shù)，可以計算出模型提升氣體流量與實際RH氣體流量的關(guān)系。由于所有氣體壓力與流量計量表都是在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下標(biāo)定的，所以根據(jù)氣體狀態(tài)方程對氣體壓力、密度進(jìn)行修正，最后可得：

(1)

(2)

1.2 試驗裝置

循環(huán)流量的測定方法[4]大體有兩種：直接法(體積法)和間接法(速度法或壓差法)。本試驗采用壓差法利用畢托管來測循環(huán)流量，試驗裝置見圖1a。水模型中測定混勻時間的方法采用電導(dǎo)法，試驗裝置見圖1b。

1—畢托管 2—抽氣孔 3—真空槽模型 4—鋼包模型 5—吹氣孔(a)循環(huán)流量測量

1—示蹤劑漏斗 2—止水夾 3—電導(dǎo)率電極 4—電導(dǎo)率儀 5—數(shù)據(jù)采集電腦(b)混勻時間測量圖1 試驗裝置示意圖Figure 1 Schematic drawing of experimental apparatus

2 試驗方案

方案A：考察提升氣體流量對循環(huán)流動行為的影響。浸漬管插入深度為64.3 mm，提升氣體流量考察范圍為(0.180～0.576) Nm3/h，考察提升氣體流量對循環(huán)流量和混勻時間的影響。

方案B：考察浸漬管插入深度對循環(huán)流動行為的影響。提升氣體流量使用范圍為(0.180～0.576) Nm3/h，四個浸漬管插入深度分別為50.0 mm、64.3 mm、78.6 mm和92.9 mm，考察浸漬管插入深度對循環(huán)流量和混勻時間的影響。

3 試驗結(jié)果與討論

3.1 RH精煉裝置內(nèi)流動特性

在提升氣體流量為0.216 Nm3/h、浸漬管插入深度為64.3 mm條件下的RH精煉過程的流動特征如圖2所示。

鋼液從下降管流入鋼包后沖擊到鋼包底部，而后沿鋼包包底向鋼包的四周側(cè)壁流動。鋼液在鋼包內(nèi)的流動主要形成了兩個回流區(qū)，其一是大部分鋼液從鋼包底部向上升管方向流動，進(jìn)入上升管，為主要回流區(qū)；其二是少部分鋼液從鋼包底部向靠近下降管側(cè)的鋼包側(cè)壁方向流動，為第二回流區(qū)。

鋼液最后混勻區(qū)域分布在近鋼液表層，分別為上升管外側(cè)和上升管與下降管之間。

3.2 提升氣體流量的影響規(guī)律

從圖3a中可以看出，隨著提升氣體流量的增加，循環(huán)流量增加，混勻時間減小。當(dāng)提升氣體流量比較大(0.396～0.576) Nm3/h時，上升管內(nèi)氣相占的分率比較大，成為RH內(nèi)鋼液循環(huán)流量增大的限制性條件。

隨著提升氣體流量的提高，循環(huán)流量和混勻時間的變化趨勢相反，且呈現(xiàn)一一對應(yīng)的關(guān)系。從圖3b可以看出，混勻時間隨著循環(huán)流量的增加逐漸減小，混勻時間的降幅隨著循環(huán)流量的增加也逐漸減小；當(dāng)循環(huán)流量大于51.52 L/min后，混勻時間的變化幅度降低，特別是當(dāng)循環(huán)流量大于61.21 L/min后，混勻時間基本不變。因此從鋼液混勻角度來考慮，為了加速鋼液混勻沒有必要追求很大的循環(huán)流量。

圖2 RH精煉裝置內(nèi)流場Figure 2 Flow field of RH refining device

(a) (b)圖3 提升氣體流量對循環(huán)流量的影響(浸漬管插入深度為64.3 mm)Figure 3 Influence of raising gas flow rate on circulation flow rate (The insert depth of immersion tube is 64.3 mm)

圖4 混勻時間隨提升氣體流量的變化關(guān)系(浸漬管插入深度64.3 mm)Figure 4 Mixing time varying with raising gas flow rate (The insert depth of immersion tube is 64.3 mm)

3.3 浸漬管插入深度的影響規(guī)律

從圖4可以看出，在同一提升氣體流量下，隨著浸漬管插入深度的增加，循環(huán)流量呈逐漸增大的趨勢。當(dāng)提升氣體流量從0.180 Nm3/h增大到0.360 Nm3/h時，循環(huán)流量迅速增加。當(dāng)提升氣體流量大于0.360 Nm3/h后，循環(huán)流量隨著浸漬管插入深度的增加而增大。

提升氣體流量較小(0.180 Nm3/h～0.396 Nm3/h)較小時，隨著浸漬管插入深度的增加，混勻時間呈減小的趨勢。提升氣體流量大于0.432Nm3/h后，浸漬管插入深度50.0 mm和64.3 mm所對應(yīng)的混勻時間基本一致且保持在29 s左右。提升氣體流量大于0.360 Nm3/h后，浸漬管插入深度78.6 mm和92.9 mm所對應(yīng)的混勻時間基本一致且保持在25 s左右。

這是因為：混勻時間隨循環(huán)流量的增加而縮短，但是有極限值，循環(huán)流量增加到一定程度混勻時間不再縮短。而循環(huán)流量受到提升氣體流量和浸漬管插入深度的影響，只要循環(huán)流量未超過極限值，混勻時間隨提升氣體流量和浸漬管插入深度的增加而縮短，反之，混勻時間則基本保持不變。

4 結(jié)論

(1)RH真空精煉過程中鋼液在鋼包內(nèi)流動有兩個回流區(qū)，分別在上升管和下降管之間以及下降管外側(cè)。鋼液最后混勻區(qū)域分布在近鋼液表層，分別為上升管外側(cè)和上升管與下降管之間。

(2)循環(huán)流量受到提升氣體流量和浸漬管插入深度的影響，隨著提升氣體流量和浸漬管插入深度的增加而呈現(xiàn)增加趨勢。

(3)混勻時間隨循環(huán)流量的增加而縮短，循環(huán)流量大于一定值后，混勻時間不再縮短。

[1] 劉瀏.RH真空精煉工藝與裝備技術(shù)的發(fā)展[J].鋼鐵，2006，41(8)：1-2.

[2] 鄭淑國，朱苗勇，潘時松.RH真空精煉裝置內(nèi)夾雜物行為的試驗研究[J].2006，42(6)：657-661.

[3] 舒宏富，宋超，張曉峰，等.RH-MFB真空精煉過程中循環(huán)流量的物理模擬研究[J].材料與冶金學(xué)報，2004，3(2)：2-3.

[4] 郁能文，魏季和，樊養(yǎng)頤，等.RH過程中鋼液流動特性的水模擬研究[J].上海大學(xué)學(xué)報，1997，3(Supp1)：183-188.