RH真空精煉爐浸漬管設計及優化

【摘要】：提升RH精煉裝置的循環流量，減小均混時間是生產過程中提高RH精煉效率的主要方式。只有充分了解RH精煉裝置內液相流動過程及混合特性，才能發揮RH精煉裝置的精煉能力，提高工作效率。本文以某鋼廠的RH精煉裝置為研究對象，取模型與原型的幾何相似比為1：5.45，通過數值模擬的方式對RH精煉過程中的流動和混合特性進行研究，并優化浸漬管結構和操作條件。

本模型采用Eulerian模型計算RH精煉過程中氣液兩相流動，引入組分輸運方程跟蹤示蹤劑濃度隨時間變化從而確定均混時間。數值實驗考察了不同浸漬管結構（截面積）、浸漬管浸入深度和提升氣體流量對RH精煉過程中循環流量及均混時間的影響并得出：循環流量隨浸漬管截面面積增大而增大；均混時間隨著浸漬管浸入深度、浸漬管截面面積、提升氣體流量的增加而減小。當浸漬管截面結構為大弓形，提升氣體流量為33.16NL/min，浸漬管浸入深度為100mm時，均混時間最小，RH包內混合效率最高。

【關鍵詞】：RH精煉；氣液流動；浸漬管結構；循環流量；均混時間

目前中國市場的優質特殊鋼材產量占鋼材總量的7%～8%（工業發達國家一般占15%～20%），合金鋼材的產量約占優質特殊鋼材產量的50%。在品種方面，一些特殊鋼材國內依然無法生產，需要從國外進口，如全球只有幾個廠家可以制造出高鐵輪的鋼材。在品質方面，國內生產的特殊鋼材內的質量穩定性、平均性、外表質量、尺寸精度等方面相比較鋼鐵大國還有很大差距，對設備的制造水平有很大的的影響。在技術方面，國內的工藝研發能力還很弱，部分特殊鋼在冶煉過程中需要運用到爐外脫氣精煉技術用以提高鋼材的品質、生產出新鋼、使生產流程更合理，控制鋼水的成分、溫度、純凈度達到連鑄的需求。其中頗具有代表性的脫氣精煉技術有RH真空循環脫氣精煉法和VD真空脫氣精煉法。

一、主要真空精煉工藝介紹

（一） RH真空循環脫氣精煉法

RH真空脫氣循環法是一種通過大氣壓差使鋼液流動，發生復雜的物理化學反應的處理技術。在1956年由聯邦德國魯爾鋼鐵公司（Ruhrstahl）和賀利氏鋼鐵公司（Heraeus）共同研制，用兩個公司的首字母命名——RH法。RH真空循環脫氣法主要是利用了氣泡泵原理，基本原理是從一個浸漬管側壁吹入氬氣，利用大氣壓的壓力使鋼液進入真空室，壓差的作用使鋼液中的氣體排出，使鋼水變為液滴，液滴與在真空室發生復雜的化學反應，從而實現鋼液的脫氧、脫碳、脫氣處理，經過處理后的液滴再沿著下降管回到鋼包中，如此反復循環。

（二） VD真空底吹脫氣精煉法

VD爐是鋼廠中常見的脫氣設備，用于要求條件低的冶煉，可以將鋼水真空脫氣和合金微調。VD真空脫氣精煉法的主要是脫氣、真空碳脫氧、脫硫。VD爐內沒有熱源，不需要造渣精煉，將鋼包裝入真空室，抽空后十幾分鐘后即可鑄錠。

二、RH真空循環脫氣精煉技術

Kubara等為了研究在RH真空精煉爐中的脫碳速率，對100tRH精煉爐為研究對象，采用在真空室底部吹氬條件下的脫碳速率。整個真空精煉爐中大塊鋼的碳含量是均勻的，濺射金屬的碳含量幾乎與散裝鋼的碳含量相同。在取得的結果的基礎上，對幾種脫碳機理進行了研究，并提出了一種新的脫碳模型。在該模型中，假設散裝鋼中的CO反應受到容器的靜壓和CO氣泡的演化壓力的影響，因此隨著脫碳的進行，反應逐漸降低，該機理包括了脫碳最后階段的低反應速率。該研究發現了一種測量鋼水循環流量的新方法，并得出了能更精確地估計流量的新方程。在Hirohata Works的100t RH反應堆中進行了幾項實驗，以加速脫碳率。研究發現，使用橢圓形吸管有效的提高了鋼水循環流量。

Kitamura等為了有效地生產超低碳鋼，發明了一種新穎的真空脫氣方法，其中包括一個大的浸漬管和一個底部鼓泡鋼包。這個過程已經通過175t和350t鋼包的工業規模試驗證實，并命名為革命性脫氣活化劑。在15～20分鐘的處理中，含量由10ppm降低到4ppm，沒有任何停滯。因為革命性脫氣活化劑具備較大的氣泡活化表面積和較深的噴射位置，因此需要有效地生產超低碳鋼具有較低的氣體流速。

李寶寬等利用空間變密度的均相流模型模擬上升管中的氣液兩相流動，依靠純液相和氣液兩相之間的密度差作為系統中循環流動的驅動力，運用空度技術處理包括鋼包、真空室、上升管和下降管在內的真空精煉裝置的流場進行計算，完成構建多管真空循環脫氣系統循環流動模型實驗。實驗中將RH精煉裝置的單上升管搭配單下降管結構改進為三上升管搭配單下降管的結構，通過改變浸漬管形狀結構，增大浸漬管面積來改善RH的循環性能。

三、物理模擬和數值模擬在RH真空精煉中的應用

通常研究RH真空精煉裝置主要有兩種方法，一個是基于相似原理的物理模擬，一個是數值模擬方法。通過物理模擬可研究RH精煉設備內的鋼水的流流動行為，其物理模擬結果直觀可靠。但物理模擬得到的信息比較宏觀，難以了解細致的流動狀態，而數值模擬作為冶金過程研究的重要手段之一，可以對精煉過程全程直接模擬，并且通過流場可得到真空室液面高度和形狀、特征流速、表面更新速率、循環流量等指標參數。數值模擬可以廣泛地設定條件對任何情況進行模擬，因此該法對冶金過程的各種流場、濃度場、溫度場的研究是非常有效的。采用數值模擬的成本低、速度快、靈活、直觀并且容易理解，是利用計算機對實際過程進行“數值實驗”的計算流體力學方法。經過數值計算的方式求解冶金過程的質量、動量、能量及組分輸運的偏微分方程，通過數學剖析，預測流動、傳熱及各種復雜的物理化學過程。但是需要指出的是，數值模擬的可靠性仍需要物理模擬驗證。

結束語

RH真空精煉法的實質是借助大氣壓力的作用使鋼液循環流動，從而在真空室中實現各種復雜的物理化學反應的過程。RH真空精煉法的特點是生產周期短、生產能力大、精煉效果好、容易操作等，其中代表性的流程主要有RH-OB、日本的RH-KTB。然而，上述工藝又都存在各自的一些難以解決的問題。例如：RH-OB精煉爐的OB水冷噴嘴壽命低（減小了RH設備作業率）；噴濺問題嚴重，真空室結瘤問題嚴重，增加了輔助作業時間等阻礙其進一步應用。RH-KTB脫碳速度慢，難以達到極低程度；過程溫降大，時間長，影響工藝間的配合；對真空抽氣系統抽氣性能要求較高等問題也影響其規模進一步擴大。為此，眾多學者對RH真空精煉技術進行了大量研究。

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