RH精煉裝置物理模型及驗證

張槐詳，徐敏人，孫健，楊劍，龍明華，張東升

(1.首鋼水城鋼鐵(集團)有限責任公司，貴州六盤水 553000;2.重慶大學，重慶 400044)

RH精煉裝置物理模型及驗證

張槐詳1，徐敏人2，孫健2，楊劍2，龍明華1，張東升1

(1.首鋼水城鋼鐵(集團)有限責任公司，貴州六盤水 553000;2.重慶大學，重慶 400044)

為了優化RH工藝參數，建立了RH精煉裝置物理模型，并基于此對吹氬流量、浸入深度對鋼液流場的影響進行了研究。對實驗結果進行數值模擬，證明了物理模擬結果和物理模型的正確性。

物理模擬;數學模擬;吹氬流量;流場

RH真空精煉裝置是目前應用最為廣泛的精煉系統，也是生產高端鋼材的必備設備之一［1-2］。RH真空精煉裝置的主要功能是脫氣(N、H、O)、脫碳，均勻鋼液溫度、成分，并促使夾雜物上浮，此外還具有脫磷、脫硫的功能。目前，RH真空精煉裝置已由功能單一的脫氣裝置發展為多功能精煉裝置［3-5］。

循環流量是單位時間內通過RH真空室的鋼水量，是衡量RH精煉裝置中鋼液循環能力的最重要的特征量［6-7］。從宏觀上講，由于RH精煉過程的限制性環節在鋼液的循環流動和混合，使得鋼液的成分和溫度均勻化以及化學反應的速度與效果都與之關系密切。流場和環流量是反映RH精煉處理效率的重要參數。

為了直觀地觀測RH精煉裝置內的流場與測量循環流量，需要建立合適的物理模型［8-9］。因此，本文建立了RH精煉裝置的水模實驗系統，并通過該系統進行了流場與循環流量研究，對實驗結果進行了數值模擬驗證。

河北銷售圍繞加油站3.0時代的建設要求，在服務中注重跨界合作，聯合不同領域的服務廠家，提供更加便捷的服務。目前，已與上汽汽車合作成立“車享家”，在加油站即可完成汽車檢測維修保養等“后汽車服務”；在便利店與正大食品合作，提供快餐業務；與當地銀行合作，開展加滿減、加夠減活動，為顧客節約省錢。

1 物理模型的建立

1.1 相似原理及參數的確定

RH水模型與RH精煉裝置原型按1∶5的比例進行縮小，保證模型與原型幾何相似。模型的詳細尺寸見表1，試驗裝置見圖1。

表1 RH精煉裝置原型與模型尺寸

圖1 試驗裝置

Lesions that were located in the colon and at the rectosigmoid junction were defined as “colon”, while lesions in the upper rectum were defined as “rectum”.

以下分別取3個吹氬量對鋼液流場的影響進行研究。分別列出了3個不同時刻的流場圖，直觀顯示吹氬量對對鋼液流場的影響。

其中:QAr為生產現場吹氬流量;Q空氣為實驗氣體流量。

2 模型的應用及實驗結果驗證

鋼液在RH內循環流動的主要驅動力為上升管內吹入的氬氣泡對鋼液的拖曳作用。吹氬流量的大小直接影響著鋼液在RH裝置中的流動行為，也影響著RH精煉過程的動力學條件。文獻［12］表明:在一定范圍內增加吹氬流量有利于提高鋼液在RH內的循環流量;但是過大的吹氬量不僅會增加生產成本，甚至還可能造成循環流量降低，與此同時，還會影響鋼包內鋼液流場。

2.1 吹氬流量對鋼液流場的影響

隨著社會經濟的發展，我國越來越重視國土資源的作用，相應地也越來越重視財政稅收預算管理工作的開展。要想提高政稅收預算管理的科學合理性，就必須仔細發現目前其工作中的問題，并對這些問題進行詳細的分析，提出切實可行的應對策略，才能使得預算管理結構更加合理、科學。

RH水模型及原型在下降管出口處的Re數均超過104，屬于第二自模化區范圍。該系統的流動狀態及流速分布與雷諾準數Re無關(或關系不大)，因此只需要保證與重力有關的弗魯德準數Fr相等即可達到動力相似。由修正Fr數相等得出:

（3）承插口涂刷粘接劑后，將管子找正方向插入承口，并應達到規定保持要求深度、直度及位置正確，并保持靜止2～3min。

式中μg表示N2的運動粘性系數，(s·N·m-2)；V表示試驗的時間t(s)內N2的總體積流量，L；A表示試樣的過氣截面面積，m2；P表示試驗壓力，N/m2；Pa表示大氣壓力，N/m2。

圖2中還可以看出:吹氬流量為90 m3/h時，鋼包內的鋼液混合程度較小，尚有混合不均勻的區域。隨著吹氬流量的增大，流體的總體流態沒變，但鋼液流速隨之增強，混合加劇。這是因為大的吹氬量使上升管內氣泡的數量增多了，對整個流體做功增大，從而使下降的鋼液流股速度增大，這樣下降流股對整個鋼包底部沖擊力增大了，鋼液擴散得越快，整個鋼包內鋼液的混合效果就越好。隨著吹氬流量增大到150 m3/h，鋼液混合明顯加強，鋼液混合更加均勻。因此，增大吹氬流量有利于鋼液的混合均勻，也有利于提高RH精煉效率。

圖2是某同一時刻在3個不同的吹氬量狀態下的流場圖。從圖2可以看出:吹氬流量的大小對流場影響較大，對鋼液混合效果影響明顯。氬氣經吹氬小管吹入上升管后形成氣泡向上運動，并隨著氣泡的上升而逐漸長大;鋼液經上浮氣泡抽引作用向上運動流入真空室內，然后在重力的作用下，流向下降管，并形成鋼液流股直接沖向鋼包底部;碰到鋼包底部后，向右向左各形成一個較大的循環，在鋼包中形成兩個明顯的環流，并最終涌向上升管，完成一個循環過程。通過這樣的反復循環方式可使鋼液不斷進行脫氣等化學反應以達到精煉的目的。

1.2 實驗裝置

圖2 物理模擬吹氬量對鋼液體流場的影響

為了驗證物理模擬結果的正確性，建立了RH精煉裝置的數學模型，并對鋼液流場進行模擬研究。從圖3可知:鋼液的總體流動是一致的，鋼液都是從下降管沖擊到鋼包底部，然后沿著鋼包底部向兩邊上升。在吹氬量較大的時候，右邊封閉區域相對較小的吹氬量有所增大。這與上面物理模擬結果是一致的，同時也更好地印證了物理模擬的結果。

圖3 數值模擬吹氬量對鋼液體流場的影響

2.2 浸入深度對鋼液流場的影響

從圖4可以看出:3種不同的浸入深度對應的流體流動模式沒有變化。隨著浸入深度的增加，鋼包內的鋼液流動增強，兩股區域循環區域流動強度增大，混合的也就更加均勻。由于一定的大氣壓能夠支撐一定的液柱，因此隨著浸入深度的增加，真空室內液面高度增加，上升管內氣泡行程隨之增大，對鋼液所做功增大，鋼包內鋼液流動強度也隨著增大，整個鋼液的混合效果更好。當浸入深度為400 mm時，可以看到有些區域的色彩比較淡;而當浸入深度為600 mm時，右邊閉合區域面積更大，色彩比較均勻，混合的效果更好。由此可知:較深浸入深度有利于鋼液的混合。

圖4 物理模擬浸入深度對鋼液體流場的影響

圖5是數值模擬條件下不同浸入深度鋼液流場圖。從圖5可以看出:隨著浸入深度的增加，右邊閉合區域面積增大。這與物理模擬相符，只是在物理模擬條件下，浸入深度改變幅度較小，效果不明顯。該數值模擬的結果也驗證了物理模擬結果的正確性。

圖5 數值模擬不同浸入深度條件下流場圖

3 結束語

建立了能夠對RH精煉過程進行模擬的物理模型，為進一步優化RH工藝參數，改進RH工藝流程提供了參考。通過RH物理模型，對鋼包內鋼液流場進行了物理模擬。結果顯示:鋼液自上升管流入真空槽后，在重力的作用自下降管流回鋼包，鋼液流股撞擊鋼包底部后形成2個環流，其中上升管下方為一大環流，并流向上升管，以此循環。吹氬流量的大小和浸入深度都會對鋼包內鋼液的流動產生影響。隨著吹氬流量的增大，鋼液混合加劇，鋼水混合更加均勻。浸入深度對流場的影響亦如此。數值模擬結果既證明了物理模擬的準確性，也證明了整個裝置的合理性。

［1］薛利強，何平，張海風，等.優化條件的RH流場數值模擬研究［J］.煉鋼，2012(6):40-43，48.

［2］賀慶，劉瀏.RH設備形狀對鋼液流動和混合特性的影響［J］.煉鋼，2013(3):36-40.

［3］耿佃橋，雷洪，陳芝會，等.RH真空精煉過程數值模擬的研究現狀及展望［J］.過程工程學報，2010(S1):271 -276.

［4］尹國才，秦玲玲.馬鋼RH-KTB流場的數值模擬［J］.中國冶金，2007(1):38-41.

［5］謝樹元，林云，杜斌，王俊凱，等.RH精煉溫度與合金模型的開發與應用［J］.煉鋼，2006(6):5-7.

［6］林云，謝樹元，杜斌，等.RH精煉控制模型系統的設計與實現［J］.冶金自動化，2008(1):12-17.

［7］徐國群.RH精煉技術的應用與發展［J］.煉鋼，2006 (1):12-15.

［8］黃成紅，于學斌.RH精煉過程中鋼液成分和溫度均勻化的研究［J］.煉鋼，2005(2):22-25.

［9］艾新港，包燕平，吳華杰，等.RH精煉循環流量優化的水模型研究［J］.特殊鋼，2009(3):1-3.

［10］孫群，林洋，李偉東.RH精煉脫碳與夾雜物控制［J］.北京科技大學學報，2011(S1):142-146.

［11］魏季和，胡漢濤.鋼液RH精煉非平衡脫碳過程數學模擬:過程數學模型［J］.過程工程學報，2008(S1):9 -16.

［12］段建平.180t RH工藝技術優化與改進［J］.鋼鐵，2010 (8):39-43.

(責任編輯 劉舸)

Physical Model of RH Degasser and Confirmation

ZHANG Huai-xiang1，XU Min-ren2，SUN Jian2，YANG Jian2，LONG Ming-hua1，ZHANG Dong-sheng1

(1.Shougang Shuicheng Iron＆Steel Corporation，Liupanshui 553000，China; 2.Chongqing University，Chongqing 400044，China)

In order to optimize the parameters of RH degasser in steel refining process，a physical model of RH degasser was established in this paper.And based on this effect of argon flow，immersion depth on liquid steel flow field was investigated.The experimental results through physical modeling are validated by numerical simulation.The correctness of physical simulation results and physical model is proved.

physical simulation;numerical simulation;gas flowrate;flow field

TF769

A

1674-8425(2014)06-0060-03

10.3969/j.issn.1674-8425(z).2014.06.011

2013-09-25

國家自然科學基金資助項目(51274263)

張槐詳(1957—)，男，高級工程師，主要從事機械制造工藝方面的研究工作。

張槐詳，徐敏人，孫健，等.RH精煉裝置物理模型及驗證［J］.重慶理工大學學報:自然科學版，2014(6):60 -62.

format:ZHANG Huai-xiang，XU Min-ren，SUN Jian，et al.Physical Model of RH Degasser and Confirmation［J］. Journal of Chongqing University of Technology:Natural Science，2014(6):60-62.