提升氣流量與浸漬管插入深度對RH精煉影響的研究

吳偉勤，董建鋒，韓寶臣，魏光升，朱 榮

(1.南京鋼鐵股份有限公司，江蘇 南京 210035；2.北京科技大學 冶金與生態(tài)工程學院，北京 100083)

鋼中氫含量超過白點臨界值時，會導致鋼材性能惡化甚至報廢，因此現(xiàn)代鋼材生產(chǎn)中必須把鋼中氫控制在一定數(shù)值以下[1]。為了獲得較好的脫氫效果，要合理地選擇循環(huán)因數(shù)，促使鋼水均勻混合，減少氣體濃度梯度值，增強脫氣效果[2]。 在運行參數(shù)中，通過吹氣管吹入的氬氣流量是決定液體循環(huán)流量的主要因素，但當氣體流量超過一定值時，存在飽和或最大循環(huán)速率[3-7]，過大的提升氣流量甚至破壞真空度反而使循環(huán)流量減小，脫氫效果變差。研究表明浸漬管插入深度對循環(huán)流量有一定的影響，在一定范圍內(nèi)隨著浸漬管插入深度的增加，氣泡上升到真空室液面行程增加，循環(huán)流量增加[8-10]。

南鋼RH存在脫氫處理時間長，脫氫速率較慢的情況，本文通過水力學模擬研究提升氣流量和浸漬管插入深度對循環(huán)流量及混勻時間的影響，并根據(jù)現(xiàn)場條件在150 tRH爐上選擇部分參數(shù)進行試驗，研究提升氣流量和浸漬管插入深度對RH脫氫效果的影響。

1 水力學模擬實驗

1.1 水模型的建立

實驗以某150 tRH真空精煉裝置為原型，保證模型與原型的幾何相似，取模型與原型的幾何相似比為1∶4，原型與水模型主要尺寸及參數(shù)見表1。

由于RH真空精煉裝置內(nèi)的流動狀態(tài)是流體的慣性力和重力起決定作用，因此可以通過保證模型與原型兩系統(tǒng)下降液流的修正Froude準數(shù)相等來確定模型提升氣體流量與實際RH提升氣體流量的關系[6-7]，取上升管內(nèi)徑d為幾何特征參數(shù)。由于氣體壓力與流量計量表都是在標準狀態(tài)下標定，則可根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程對氣體壓力、密度進行修正，最后可得：

(1)

式中：ρ1為標態(tài)下氬氣密度，kg·m-3；ρair為標態(tài)下空氣密度，kg·m-3；ρsteel為鋼液密度，kg·m-3；ρwater為

表1 RH原型及模型尺寸主要參數(shù)

模擬用水密度，kg·m-3；VP為原型提升氣流量，m3/s；Vm為模型提升氣流量，m3/s；dP為原型浸漬管內(nèi)徑，m；dm為模型浸漬管內(nèi)徑，m；Pwater為水模型氣源壓力，MPa；Psteel為原型氣源壓力，MPa；Twater為水的溫度，K；Pwater為鋼液的溫度，K。

將表2物性參數(shù)帶入式(1)，可計算出水模型提升氣體流量與原型實際提升氣體流量之間的關系：

Vm=0.016 3VP

(2)

表2 主要物性參數(shù)

1.2 實驗裝置

循環(huán)流量為單位時間內(nèi)通過RH下降管或上升管的鋼液量，由于考慮到上升管內(nèi)氣泡含量較多，本研究所使用的超聲波流量計要求被測量液體含氣率低，因此選用下降管中的液體流量作為循環(huán)流量，超聲波流量計安裝在下降管側壁實時測量循環(huán)流量。混勻時間是用來直接描述反應器混合效率的一個物理量，實驗中，循環(huán)流量的測量采用TDS-100H手持式超聲波流量計，混勻時間的測量采用DDLY-2005型電導率儀。實驗裝置示意圖見圖1。

1.3 實驗方案

結合實際生產(chǎn)情況，在原型插入深度為550 mm時，研究原型提升氣流量為80、100、120和140 m3/h(標準)時提升氣流量對循環(huán)流量和混勻時間的影響；在原型提升氣流量為100 m3/h(標準)時，研究原型插入深度350、450、550和650 mm對循環(huán)流量和混勻時間的影響。對應的模型插入深度為原型插入深度除以4。

圖1 實驗裝置示意圖

1.4 實驗結果與討論

1.4.1 提升氣流量的影響

從圖2可看出，提升氣流量對循環(huán)流量影響很大，隨著提升氣流量的增加，循環(huán)流量持續(xù)增加，但隨著對應的原型流量從120 m3/h增加至140 m3/h，循環(huán)流量從7.45 m3/h增至7.72 m3/h，增加幅度有所下降，說明上升管內(nèi)含氣率過高，在上升管內(nèi)徑限制的條件下提升氣流量對循環(huán)流量的影響慢慢接近限度。

隨著提升氣流量的增加，混勻時間持續(xù)減小，當原型流量從120 m3/h增加至140 m3/h，混勻時間從70.3 s降低至42.1 s，可見增加提升氣流量可顯著減少混勻時間，增加循環(huán)流量。單從水模擬來說原型提升氣流量為140 m3/h時循環(huán)流量最大、混勻時間最小，效果最好。

圖2 原型浸漬管插入深度550 mm時原型提升氣流量對循環(huán)流量和混勻時間的影響

1.4.2 浸漬管插入深度的影響

從圖3可看出，4種插入深度對循環(huán)流量影響不大，極差僅為0.1，遠遠小于提升氣流量對循環(huán)流量的影響。隨插入深度的增加，混勻時間先減小后增大。在原型插入深度由350 mm增加至550 mm時，對應的混勻時間由57.9 s降低到50.3 s，繼續(xù)增加原型插入深度，混勻時間增至62.1 s。插入深度的增加雖增加氣泡行程，但使液體向下流動的行程減小，對鋼包內(nèi)液體混勻作用減弱，可見插入深度并不是越大越好。

圖3 原型提升氣流量120 m3/h(標準)時浸漬管插入深度對循環(huán)流量和混勻時間的影響

將循環(huán)流量和混勻時間結果綜合來看，提升氣流量為影響兩者的最主要因素，隨著提升氣流量的增加，兩指標均往好的方向發(fā)展，插入深度對混勻時間影響較明顯，對循環(huán)流量影響不明顯。

2 工業(yè)試驗

2.1 研究方法

根據(jù)水模擬實驗結果，隨提升氣流量的增加循環(huán)流量增加，混勻時間降低，而浸漬管插入深度對循環(huán)流量影響很小，且插入深度為650 mm時混勻時間明顯升高。考慮到現(xiàn)場試驗的可行性和水模擬實驗結果，工業(yè)試驗方案為：提升氣流量試驗—浸漬管插入深度550 mm，提升氣流量100、120和140 m3/h(標準)。浸漬管插入深度試驗—提升氣流量100 m3/h(標準)，浸漬管插入深度450和550 mm。

除浸漬管插入深度450 mm試驗為16 min高真空處理時間外，其余方案均為20 min高真空處理時間(真空室內(nèi)壓力為500 Pa時認為達到高真空)。試驗過程中利用Heraeus Multi-lab Hydris在線測定不同處理時間時鋼水中的氫含量。

研究表明鋼液中脫氫過程由鋼液邊界層中的傳質(zhì)控制[11]，對組元i，傳質(zhì)速率

(3)

[H]=ae-bt+c

(4)

式中：a、b、c均為常數(shù)。

2.2 試驗結果與討論

將所得試驗結果帶入式(4)進行擬合分析，并設y=f(x)，則-f′(x)為各個方案擬合結果在時刻為x時的脫氫速率。

2.2.1 提升氣流量的影響

從圖4中各擬合曲線可以看出，隨提升氣流量的增加，脫氫效果先增大后減小，要想氫達到2.0×10-6提升氣流量100、120和140 m3/h(標準)方案分別需要16.71、8.5和10.07 min，在氫為2.0×10-6時，3個方案的脫氫速率分別為0.036、0.115和0.093×10-6/min。高真空處理8 min后不同流量間脫氫速率差別不大，25 min后3種流量方案脫氫速率基本接近0，不同流量對脫氫的影響主演在高真空處理前期。與水模擬實驗不同的是試驗條件下提升氣流量120 m3/h(標準)時脫氫效果最優(yōu)，相同氫含量條件下脫氫速率最大，這可能是因為較大的提升氣流量雖可增加循環(huán)流量，但過大的循環(huán)流量使得鋼液在真空室內(nèi)的停留時間過短，反而使得脫氫效果變差。

除此之外，試驗時觀察到提升氣流量100及120 m3/h(標準)方案真空槽內(nèi)鋼液噴濺現(xiàn)象不明顯，但提升氣流量140 m3/h(標準)方案真空槽內(nèi)鋼液噴濺十分嚴重，幾爐試驗后真空槽結瘤嚴重，形狀發(fā)生改變。

2.2.2 插入深度的影響

結合圖4，從圖5中可以看出插入深度相比于提升氣流量對脫氫的影響不明顯。插入深度450 mm方案氫達到2.0×10-6需13.14 min，但其初始氫含量低于550 mm方案，假設其初始氫含量為550 mm插入深度方案的5.9×10-6，脫氫速率以0 min時的0.54×10-6/min計算，在其相同初始氫含量條件下計算得450 mm插入深度氫脫除至2.0×10-6時需14.81 min，低于16.71 min。從脫氫速率來看，插入深度450 mm方案在氫為2.0×10-6時脫氫速率為0.068×10-6/min，同樣優(yōu)于550 mm插入深度方案。兩種插入深度方案在高真空處理12 min后脫氫速率基本相同，且在25 min后脫氫速率也接近0。

3 結 論

(1)提升氣流量對循環(huán)流量、混勻時間和工業(yè)生產(chǎn)中實際脫氫效果均比較明顯，隨提升氣流量的增加，循環(huán)流量增加但增幅降低、混勻時間降低，但實際生產(chǎn)中的脫氫效果先變好后變差。

(2)浸漬管插入深度對循環(huán)流量影響不大，對混勻時間有一定影響，且隨插入深度的增加混勻時間先減小后增加，實際生產(chǎn)中較小的450 mm插入深度相比于550 mm，脫氫效果略優(yōu)。

圖4 不同提升氣流量方案氫含量和脫氫速率隨真空處理時間變化

圖5 不同插入深度方案氫含量和脫氫速率隨真空處理時間變化

(3)提升氣流量與插入深度對脫氫的影響主要在高真空處理前期，試驗條件下8 min后不同方案間脫氫速率差別不大，25 min后脫氫速率基本相同且基本為0。