RH循環流量水模實驗研究

李德軍，于賦志，許孟春

（鞍鋼集團鋼鐵研究院，遼寧 鞍山 114009）

RH精煉爐是德國魯爾公司和海拉斯公司共同設計的真空精煉設備，有脫氣、脫氧、脫碳、成分調整等多項功能。在已有的爐外精煉工藝中，RH以精煉效率高、適于批量處理等優點在實際生產中獲得了廣泛的應用。RH的基本原理是從兩個浸入管中的一個側壁吹入氬氣，氬氣泡在高溫、低壓的作用下，迅速膨脹上浮，在氣泡的驅動下使鋼液產生流動。鋼水進入真空室后，氣體從鋼水中排出，使鋼水變成液滴，這些小液滴與真空室接觸，達到良好的脫氣效果。脫氣后的鋼液滴通過下降管返回到鋼包中，經過幾次循環，鋼水就能達到上機澆鑄要求。

在實際生產中，為了達到更好的精煉效果，提高單位時間內通過真空室的鋼液流量，即循環流量是非常必要的。近年來，很多學者對循環流量進行了研究［1-3］，結果表明,通過增大循環流量，可以提高脫碳、脫氣速率，減小混勻時間，提高精煉效率。本文在實驗室條件下，通過水模物理模擬的手段對循環流量進行了研究，分析了各工藝參數對循環流量的影響，為現場生產工藝參數的優化提供依據。

1 物理模擬

1.1 實驗設備

本實驗裝置主要有：空氣壓縮機、有機玻璃制RH設備、微型自提水泵一臺、x－4型真空泵、空氣壓縮機、儲氣罐、電導率儀、酸度計、真空表、轉子流量計、低壓U型管流量計、皮托管等。其中，模擬的RH設備與原型比例為1:4，保證了幾何相似性。實驗裝置示意圖如圖1所示。

1.2 實驗相似準則確定

由相似第二原理可知，凡同一類的現象，若單值條件相似，而且單值條件的物理量所組成的相似準數在數值上相等，則這些現象必定相似。因此，冷態模擬實驗必須保證的幾何條件相似之外，還必須保證模型與實際研究現象的決定性準數相等。根據RH的特點，模擬該過程還應該同時考慮弗洛德準數 Fr 相同［3］。

1.3 數據計算與轉換

根據本實驗的相似準則可知，實驗模型需要保證弗洛德準數Fr相等，即：

由弗洛德準數Fr的定義可得：

式中，m、y表示模型、原型；ρgm、ρgy為氬氣和空氣的密度，kg/m3；υm、υy為水和鋼液的流速，m/s； ρlm、ρly為水和鋼液的密度，kg/m3；g為重力加速度，m/s2；hm、hy為模型和原型的真空室內熔池深度，m。

根據式（1）和（2），對氣體密度進行修正后得到原型、模型氣體體積流量轉換公式［4-5］如下：

式中，Qm、Qy為模型和原型的氣體體積流量，m3/h；Dm、Dy為模型和原型上升管的內徑，m； Tlm、Tly為水和鋼液的溫度，K；Pgm、Pgy為模型和原型吹入氣體的壓力，Pa。

實驗中空氣吹入壓力為0.4 MPa，水的溫度為25℃,現場鋼液的溫度設定為1 600℃，提升氣體的壓力為0.8 MPa,氬氣密度為1.784 kg/m3,空氣密度為1.169 kg/m3。將各參數帶入式（3）整理后得：

本實驗中，選用皮托管來測量循環流量。測量中要求流體流動必須充滿管道，而且密度和粘度已知，不存在漩渦，只允許流量緩慢變化。故此，將皮托管安裝在下降管的出口端。根據皮托管的工作原理有如下表達式：

將式（5）變換得到下式：

把 ΔPm=ρm·g·hm代入式（6），得：

同理可得：

根據幾何相似原理及式（6）、（7）可推出模型中水與原型中鋼液的體積流量有如下關系式：

2 實驗結果及數據分析

2.1 吹氣量對循環流量的影響

實驗條件為真空度等參數不變，只改變吹氣量，按表1確定的吹氣量，測量出對應的循環流量，來考察吹氣量對循環流量的影響趨勢。

表1 實驗中選取的吹氣量 m3/h

分析吹氣量對循環流量的影響，結果如圖2所示。從圖2中可以看出，吹氣量為60～120 m3/h時，循環流量隨吹氣量的增大而提高，并表現出如下特征，吹氣量為60～80 m3/h時，循環流量隨吹氣量的增大提高幅度較大；吹氣量為80～120 m3/h時，循環流量隨吹氣量的增大提高幅度相對較小；達到最大值120 m3/h后，隨著吹氣量的繼續增大，循環流量反而降低。這主要是因為吹氣量對循環流量增加變化率的影響大致可以分為三個區域：吹氣量較小時，氣泡在上升管內均勻分布，循環流量隨吹氣量的增加而顯著增加；吹氣量較大時，氣泡在上升管內分布稠密，氣泡體積占據了較大比例，吹氣量增加，循環流量增加的變化率較小；吹氣量很大時，這時氣泡體積占的比例很大，尺寸增大，抽引效率降低，循環流量反而降低。

2.2 吹氣方式對循環流量的影響

在總管吹氣流量為5.04 m3/h的實驗條件下，分析了吹氣孔個數對循環流量的影響，結果如圖3所示。

從圖3可以看出，在吹氣量一定的條件下，隨著吹氣孔數量的增多，循環流量呈提高趨勢。當吹氣孔達到4～6孔時，循環流量達到最大值即200 t/min，是單孔的1.67倍。但當吹氣孔大于6孔時，循環流量反而有所降低。這主要是因為隨著吹氣孔的增多，使提升氣體在上升管內分布相對比較分散，提高了氣體做功效率，循環流量提高。在本實驗條件下，總吹氣量是一定的，當吹氣孔數量過多，吹氣孔噴吹的氣體壓力降低，部分氣體沿著上升管內壁的表面浮出，使氣體做的抽引功率降低。

2.3 真空度對循環流量的影響

在吹氣量為5.04 m3/h、單吹氣孔的實驗條件下，考察了真空度對循環流量的影響趨勢，分析真空度對循環流量的影響，結果如圖4所示。

由圖4可以看出，真空度提高使鋼水的循環流量增加。因為真空度升高意味著真空室內的壓力降低，提升氣體的體積在低壓情況下膨脹的劇烈程度增加，且上浮的速度隨之增大，提升效率增加，從而增大了鋼液的循環流量。從圖4還可以看出，真空度升高的過程中，最初，循環量增加的梯度較大，但當真空度超過約5 000 Pa時，盡管真空度增加了，但循環量增加的梯度變小，曲線變化較為平緩，說明當真空度達到一定程度時，對循環流量的影響程度降低。這是因為盡管真空室內的壓力降低，但提升氣體的體積膨脹不可能無限制的增大，上浮速度也不會始終保持最初的增加梯度，所以才會出現上述的實驗結果。

2.4 氣體行程對循環流量的影響

本實驗中的吹氣位置是指吹氣孔距上升管噴出孔的高度，它反應了吹入氣體在上升管內上升的行程。實驗過程中，在上升管上開了4點不同高度的吹氣孔，考察了氣體行程對循環流量的影響，結果如圖5所示。

從圖5可以看出，吹氣孔距上升管噴出孔的高度對循環流量也有很大的影響。氣體在上升管內行程增大，循環流量提高，說明降低吹氣孔高度延長氣體在上升管內的行程有利于發揮氣體的驅動效率。吹氣深度較小時，上升管內會由于氣泡上升行程太短、氣液間混合不好而產生“吹透”現象，使循環流量減小。隨著吹氣深度加大，氣體在離開噴嘴后，氣泡在上浮過程中是個加速過程，上浮距離的加大有利于氣泡上浮速度的提高，從而起到更好的驅動作用。另外，由于氣體吹入深度較大，氣泡在接近真空室時，有利于氣泡的分散和膨脹，能更充分地發揮氣體的抽引效率，增大循環流量。所以在設備許可的情況下，盡可能延長氣體上升行程。

3 結論

RH循環流量是影響RH精煉效果的重要工藝參數之一，通過水模冷態實驗對吹氣量、吹氣方式、真空度、氣體行程等參數對循環流量的影響進行了分析，得出結論如下：

（1）增大提升氣體量有利于提高循環流量，吹氣量為60～80 m3/h時，循環流量隨吹氣量的增大提高幅度較大，吹氣量為80～120 m3/h時，循環流量隨吹氣量的增大提高幅度相對較小，在達到最大值120 m3/h后，隨著吹氣量的繼續增大，循環流量反而有所降低。

（2）多孔的吹氣方式有助于循環流量的提升，本實驗條件下，吹氣孔為4～6孔時，循環流量達到最大值200 t/min，是單孔的1.67倍。

（3）吹氣量相同時，循環流量隨真空度的升高而增大，當真空度超過5 000 Pa時，循環流量隨真空度的變化梯度減小。

（4）增加氣體在上升管內的行程有利于循環流量的提高，尤其是行程大于1.2 m時循環流量提高的幅度較明顯。

［1］ 區鐵，劉建功，張捷宇，等.RH法鋼水定向循環流量操作模型的研究［J］.金屬學報，1999，35（4）:411-415.

［2］ 彭一川，李洪利，劉愛華，等.RH水模型的理論和實驗研究［J］.鋼鐵,1994,29（12）:15-18.

［3］ 齋藤忠，松本洋，藤崎薰，等.RH脫ガス裝置における真空脫碳速度［J］.神戶制鋼技報，1986，36（1）:40-42.

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

［5］ Sahai Y,Emi T.Criteria for Water Modeling of Melt Flow and Inclusion Removal in Continuous Casting Tundishes ［J］.ISIJ Int.,1996,36（9）:1 166-1 173.