RH 精煉過程脫氫速率的模擬與分析

王 川，李廷剛，鄭 偉，馬仲群，孫建鵬，毛 勇

（五礦營口中板有限責任公司，遼寧 營口 115000）

RH 精煉工藝作為冶煉高品質品種鋼的重要工藝手段，現已被大多數鋼廠所引進。脫除鋼水中的氫是RH 精煉工藝的主要功能之一，成品坯中H 元素的濃度直接影響著鋼板內部質量的好壞，探傷合格率從高低。隨著今年來工業發展大環境的變化，市場對高品質保探傷鋼種的需求量逐年增加[1]，這更加凸顯了RH 精煉脫氫功能的作用，因此研究RH 脫H 過程的規律，制定合適的工藝參數是現階段煉鋼工作者所面臨的一個重要課題。

1 數學模型的建立與驗證

1.1 RH 精煉過程中H 濃度測量

以某鋼廠130 精煉爐處理過程為研究對象，進行H 元素測定。由于各時間點處于高真空過程中，液面不穩定，無法使用定氫儀定氫，采用取氣體樣方式確定該時刻氫含量。在上升氣體流量50 m3/h 下，在時間點6 min、8 min、10 min、12 min 分別取氣體，共測量12 爐，其中3 爐數據波動較大被剔除，以剩余9 爐為樣本進行數據處理，得出各階段平均w（H）如圖1 所示。

圖1 H 含量變化趨勢圖

分析圖1 可得，氫元素脫除速率與時間成反比，隨著脫除過程的進行，H 元素的脫除速率逐漸減小。處理10 min、12 min 時刻的氫含量一致，成品氫含量與10 min、12 min 時相比變化不大。

1.2 數學模型的建立

1.2.1 基本假設

對RH 精煉過程中脫氫過程進行數值模擬時，考慮到計算成本應忽略一些對脫氫過程影響較小的條件，本文對該過程進行了理想化的合理假設[2]，假設條件如下：

1）將鋼水流動的初始速度設為定值，作為驅動鋼水循環的驅動力。

2）將真空室內的鋼液表面當作水平面處理。

3）假設脫氫反應在真空界面進行，氫在鋼水中的傳質過程為反應的限制環節。

4）將鋼水看作不可壓縮流體，且將整個過程視為穩態流動處理。

5）忽略溫度變化對鋼水黏度、密度等物性參數的影響。

6）忽略RH 精煉處理過程中鋼水中的其他化學反應對脫氫反應的影響。

1.2.2 脫氫反應的限制條件

RH 精煉將鋼水抽入真空室進行脫氫反應，真空室內攪拌劇烈真空度較高，反應速度較快因此本文將溶解態的氫元素在鋼液中的傳質作為脫氫過程的限制環節，氫在鋼液中的擴散系數為：

1.2.3 邊界條件的設置

取吹氣口上方設置界面設置為入口邊界，對應下降管道位置設置為出口邊界，入口邊界條件設置為速度入口，出口條件設置為自由流出出口。鋼包鋼液界面設置為自由滑移wall 邊界，其余壁面設置為無滑移wall 界面，在真空室界面設置壁面吸收化學反應，模擬H 元素在界面的脫除。

1.2.4 數學模型的驗證

運行算例對現場RH 精煉處理進行數值模擬，上升環流量設置為50 m3/h，起始氫濃度設置為2.5×10-6，鋼液內氫元素平均濃度變化趨勢如圖2 所示。對比圖2、圖1 發現在相同時間上的H 元素濃度基本相似，本文所建立的模型計算結果較為精準。

圖2 H 含量隨時間變化

2 實驗與結果分析

某煉鋼廠精煉入爐鋼水氫的限制條件為5×10-6以下，本文以5×10-6為初始濃度對RH 精煉過程H元素的濃度進行計算，取包壁附近、鋼包中心以及出水口下方作為H 元素濃度監測點，監測結果如圖3 所示。

圖3 不同位置H 元素隨時間變化

分析圖3 可得，入爐H 元素濃度為5×10-6的條件下反應進行10 min 時出水口下方以及鋼包中心的濃度已經低于2×10-6，包壁濃度依然大于2×10-6。12 min 以后鋼包內各年濃度均小于2×10-6，符合大多數鋼種對H 的要求。

3 結論

本文建立了RH 脫氫過程的數值模擬模型，經過驗證模型結果較為精準。通過數值模擬實驗的到H 在RH 真空精煉過程中的變化趨勢，RH 高真空精煉過程應控制在12 min 以上，才能完全保證大多數鋼種對氫元素濃度的要求。