RH真空精煉脫碳速率的物理模擬研究

沈巧珍,遲云廣,吳曌環(huán),彭明耀,肖尊湖

(1.武漢科技大學材料與冶金學院,湖北武漢,430081;2.湖南華菱漣源鋼鐵有限公司,湖南婁底,417009)

RH作為一種對鋼液進行循環(huán)處理的真空精煉裝置,具有脫氣、脫碳、脫氧、脫硫、去除夾雜、控制合金成分、補償溫度和均勻成分等作用,在優(yōu)質(zhì)鋼的生產(chǎn)過程中發(fā)揮著日益重要的作用[1]。RH真空脫碳速率受鋼水流動形式、鋼水混合與傳質(zhì)的影響,對其采用數(shù)學物理模型方法進行研究較多[2-11]。本文在實驗室條件下建立水力模型,通過用NaOH稀溶液吸收CO2氣體的方法模擬頂吹O2條件下RH真空脫碳氣液反應過程的傳質(zhì)現(xiàn)象,對某鋼廠210 t RH脫碳速率及其影響因素進行模擬研究,以期指導現(xiàn)場實際生產(chǎn)工藝參數(shù)的制定。

1 實驗

1.1 實驗原理

根據(jù)相似理論,要保證原型與模型相似必須滿足原型與模型幾何相似和動力相似[6],要滿足原型與模型幾何相似則要滿足原型與模型形狀相似和主要尺寸成比例。本實驗原型與模型幾何相似比為4∶1;而吹氣攪拌過程液體運動的主要動力是氣泡浮力,故滿足原型與模型的修正弗魯?shù)聹蕯?shù)相等即可滿足其動力相似,即:

或

式中:m、p分別表示模型和原型;up、um分別為鋼液和水的流速,m/s;ρ1p、ρ1m分別為鋼液和水的密度,kg/m3;ρgp、ρgm分別為氬氣和空氣的密度,kg/m3;g為重力加速度,m/s2;H為真空室內(nèi)鋼液熔池深度,m。

基于式(1)和式(2),對氣體進行壓力和密度修正,得氣體體積流量轉(zhuǎn)換公式:

式中:Qm、Qp分別為模型實際狀態(tài)下和原型標準狀態(tài)下的氣體體積流量,m3/h;T1p、T1m分別為鋼液和水的溫度,K;Pgm、Pgp分別為模型和原型中吹入的氣體壓力,Pa;Dm、Dp分別為模型和原型真空室上升管內(nèi)徑,m。

1.2 實驗方法

通過用NaOH稀溶液吸收CO2氣體的方法來模擬頂吹O2條件下RH真空脫碳氣液反應過程的傳質(zhì)現(xiàn)象。實驗裝置模型如圖1所示。當RH循環(huán)流動狀態(tài)達到穩(wěn)定后,向鋼包內(nèi)加入NaOH溶液,調(diào)整鋼包內(nèi)溶液的pH值至12.12,吹入CO2氣體,當pH值降至11.90時開始計時,每隔1 min讀取pH值數(shù)據(jù)。原型與模型的主要工藝參數(shù)如表1所示。

隨著CO2的吹入,CO2與NaOH發(fā)生如下反應:

用酸度計測量鋼包溶液的pH值,通過鋼包溶液pH值隨時間的變化來反映其對CO2吸收的程度,從而模擬RH精煉過程的脫碳速率。

圖1 實驗裝置模型Fig.1 Scheme of experimental apparatus

表1 原型與模型的主要工藝參數(shù)Table 1 Main parameters of prototype and model

2 結(jié)果與分析

2.1 驅(qū)動氣體流量對脫碳速率的影響

吹氣孔個數(shù)為16、插入管浸入深度為150 mm、槍位為40 mm、頂吹氣體流量為4.0 m3/h、真空度為3 616 Pa時,不同驅(qū)動氣體流量下pH值隨時間的變化如圖2所示。由圖2中可看出,溶液的pH值隨反應時間的延長而不斷降低,溶液pH值的衰減曲線表現(xiàn)為先平緩后加速的一個漸變過程。這是因為RH循環(huán)開始時,液面不很活躍,CO2濃度較低,液面反應速度慢;隨著循環(huán)時間的延長,液面越來越活躍,CO2濃度趨于穩(wěn)定,結(jié)果改善了溶液的傳質(zhì)效果,使得反應速率加快。從圖2還可看出,5條pH值曲線幾乎重合,即驅(qū)動氣體流量的變化對溶液pH值降低速率的影響不大。這是由于驅(qū)動氣體流量增大時循環(huán)流量也增大,因而增強了鋼液的攪拌,加快了CO2與NaOH溶液的反應;但驅(qū)動氣體流量增大的同時又降低了真空室內(nèi)CO2分壓,使其在溶液中的溶解度降低,減緩了CO2與NaOH溶液的反應。綜合作用的結(jié)果導致驅(qū)動氣體流量的變化對溶液pH值降低的速率影響不明顯。現(xiàn)場生產(chǎn)也表明,驅(qū)動氣體流量變化對鋼液脫碳速率影響不明顯。

圖2 不同驅(qū)動氣體流量下pH值隨時間的變化Fig.2 Relationship between pH value and time at different driving gas flow rates

2.2 頂吹氣體流量對脫碳速率的影響

吹氣孔個數(shù)為16、插入管浸入深度為150 mm、槍位為40 mm、真空度為3 616 Pa、驅(qū)動氣體流量為4.0 m3/h時,不同頂吹氣體流量下pH值隨時間的變化如圖3所示。由圖3可看出,溶液的pH值隨反應時間的延長而不斷降低,pH值降低速率隨頂吹氣體流量增加而增大。這是因為隨著頂吹氣體流量的增大,真空室內(nèi)CO2分壓增大,其結(jié)果增大了CO2在溶液中的溶解度,加劇了CO2與NaOH溶液的反應,加快了溶液的pH值降低速率。實際生產(chǎn)也表明,頂吹氣體流量變化對脫碳速率的影響是通過改變真空室內(nèi)氣體分壓來實現(xiàn)的。

圖3 不同頂吹氣體流量下pH值隨時間的變化Fig.3 Relationship between pH value and time at different top blowing gas flow rates

2.3 插入管浸入深度對脫碳速率的影響

吹氣孔個數(shù)為16、頂吹氣體流量為4.0 m3/h、槍位為40 mm、真空度為3 616 Pa、驅(qū)動氣體流量為4.0 m3/h時,不同插入管浸入深度下pH值隨時間的變化如圖4所示。由圖4可看出,溶液的pH值隨反應時間的延長而不斷降低,隨插入管浸入深度的增加,pH值降低速率略有增大,即脫碳速率略有增大。這是由于隨插入管浸入深度的增加,循環(huán)流量隨之增大,溶液的攪拌作用增強,脫碳速率增大;另一方面,由于浸入深度的增大,真空室內(nèi)的液位高度也隨之增大,結(jié)果使真空室內(nèi)液面活度降低,使真空脫碳速率略有減緩。綜合作用的結(jié)果導致隨插入管浸入深度的增大,脫碳速率略有增大。

圖4 不同插入管浸入深度下pH值隨時間的變化Fig.4 Relationship between pH value and time at different immersion depthes

2.4 真空度對脫碳速率的影響

吹氣孔個數(shù)為16、插入管浸入深度為150 mm、槍位為40 mm、頂吹氣體流量4.0 m3/h、驅(qū)動氣體流量為4.0 m3/h時,不同真空度下pH值隨時間的變化如圖5所示。由圖5可看出,溶液的pH值隨反應時間的延長而不斷降低,隨著真空度的增加,pH值降低速率逐漸增大,即脫碳速率逐漸增大。這是因為隨著真空度的增加,驅(qū)動氣體的氣泡泵作用增強,從而增大了循環(huán)流量,結(jié)果增強了對溶液的攪拌,促進了[C]和[O]的傳質(zhì),使脫碳速率增大。

圖5 不同真空度下pH值隨時間的變化Fig.5 Relationship between pH value and time at different vacuum degrees

2.5 槍位對脫碳速率的影響

吹氣孔個數(shù)為16、插入管浸入深度為150 mm、真空度為3 616 Pa、頂吹氣體流量為4.0 m3/h、驅(qū)動氣體流量為4.0 m3/h時,不同槍位下pH值隨時間的變化如圖6所示。由圖6可看出,溶液的pH值隨反應時間的延長而不斷降低,隨著槍位的降低,pH值降低的速率逐漸增大,即脫碳速率逐漸增大。這是因為隨著槍位的降低,增強了氧氣流對液面的沖擊,增大了氣液界面積,其結(jié)果改善了傳質(zhì)的動力學條件,從而使脫碳速率增大。然而現(xiàn)場生產(chǎn)也表明,槍位過低往往容易造成噴濺和鋼液的過氧化,因而合理的槍位對于有效脫碳和穩(wěn)定生產(chǎn)非常重要。

圖6 不同槍位下pH值隨時間的變化Fig.6 Relationship between pH value and time at different lance places

3 結(jié)論

(1)驅(qū)動氣體流量的改變對脫碳速率的影響很小。

(2)增加頂吹氣體流量和真空度能提高脫碳速率,頂吹氣體流量的變化對脫碳速率的影響是通過改變真空室內(nèi)氣體分壓來實現(xiàn)的。

(3)隨插入管浸入深度的增加,脫碳速率略有增大。

(4)降低頂槍槍位可以增大脫碳速率,但槍位過低易造成噴濺和鋼液的過氧化。

(5)在真空度為3 616 Pa、槍位為40 mm、插入管浸入深度為125 mm、驅(qū)動氣體流量為4.0 m3/h、頂吹氣體流量為4.8 m3/h的條件下,體系脫碳速率最大。

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