RH循环流量水模实验研究

李德军，于赋志，许孟春

（鞍钢集团钢铁研究院，辽宁 鞍山 114009）

RH精炼炉是德国鲁尔公司和海拉斯公司共同设计的真空精炼设备，有脱气、脱氧、脱碳、成分调整等多项功能。在已有的炉外精炼工艺中，RH以精炼效率高、适于批量处理等优点在实际生产中获得了广泛的应用。RH的基本原理是从两个浸入管中的一个侧壁吹入氩气，氩气泡在高温、低压的作用下，迅速膨胀上浮，在气泡的驱动下使钢液产生流动。钢水进入真空室后，气体从钢水中排出，使钢水变成液滴，这些小液滴与真空室接触，达到良好的脱气效果。脱气后的钢液滴通过下降管返回到钢包中，经过几次循环，钢水就能达到上机浇铸要求。

在实际生产中，为了达到更好的精炼效果，提高单位时间内通过真空室的钢液流量，即循环流量是非常必要的。近年来，很多学者对循环流量进行了研究［1-3］，结果表明,通过增大循环流量，可以提高脱碳、脱气速率，减小混匀时间，提高精炼效率。本文在实验室条件下，通过水模物理模拟的手段对循环流量进行了研究，分析了各工艺参数对循环流量的影响，为现场生产工艺参数的优化提供依据。

1 物理模拟

1.1 实验设备

本实验装置主要有：空气压缩机、有机玻璃制RH设备、微型自提水泵一台、x－4型真空泵、空气压缩机、储气罐、电导率仪、酸度计、真空表、转子流量计、低压U型管流量计、皮托管等。其中，模拟的RH设备与原型比例为1:4，保证了几何相似性。实验装置示意图如图1所示。

1.2 实验相似准则确定

由相似第二原理可知，凡同一类的现象，若单值条件相似，而且单值条件的物理量所组成的相似准数在数值上相等，则这些现象必定相似。因此，冷态模拟实验必须保证的几何条件相似之外，还必须保证模型与实际研究现象的决定性准数相等。根据RH的特点，模拟该过程还应该同时考虑弗洛德准数 Fr 相同［3］。

1.3 数据计算与转换

根据本实验的相似准则可知，实验模型需要保证弗洛德准数Fr相等，即：

由弗洛德准数Fr的定义可得：

式中，m、y表示模型、原型；ρgm、ρgy为氩气和空气的密度，kg/m3；υm、υy为水和钢液的流速，m/s； ρlm、ρly为水和钢液的密度，kg/m3；g为重力加速度，m/s2；hm、hy为模型和原型的真空室内熔池深度，m。

根据式（1）和（2），对气体密度进行修正后得到原型、模型气体体积流量转换公式［4-5］如下：

式中，Qm、Qy为模型和原型的气体体积流量，m3/h；Dm、Dy为模型和原型上升管的内径，m； Tlm、Tly为水和钢液的温度，K；Pgm、Pgy为模型和原型吹入气体的压力，Pa。

实验中空气吹入压力为0.4 MPa，水的温度为25℃,现场钢液的温度设定为1 600℃，提升气体的压力为0.8 MPa,氩气密度为1.784 kg/m3,空气密度为1.169 kg/m3。将各参数带入式（3）整理后得：

本实验中，选用皮托管来测量循环流量。测量中要求流体流动必须充满管道，而且密度和粘度已知，不存在漩涡，只允许流量缓慢变化。故此，将皮托管安装在下降管的出口端。根据皮托管的工作原理有如下表达式：

将式（5）变换得到下式：

把 ΔPm=ρm·g·hm代入式（6），得：

同理可得：

根据几何相似原理及式（6）、（7）可推出模型中水与原型中钢液的体积流量有如下关系式：

2 实验结果及数据分析

2.1 吹气量对循环流量的影响

实验条件为真空度等参数不变，只改变吹气量，按表1确定的吹气量，测量出对应的循环流量，来考察吹气量对循环流量的影响趋势。

表1 实验中选取的吹气量 m3/h

分析吹气量对循环流量的影响，结果如图2所示。从图2中可以看出，吹气量为60～120 m3/h时，循环流量随吹气量的增大而提高，并表现出如下特征，吹气量为60～80 m3/h时，循环流量随吹气量的增大提高幅度较大；吹气量为80～120 m3/h时，循环流量随吹气量的增大提高幅度相对较小；达到最大值120 m3/h后，随着吹气量的继续增大，循环流量反而降低。这主要是因为吹气量对循环流量增加变化率的影响大致可以分为三个区域：吹气量较小时，气泡在上升管内均匀分布，循环流量随吹气量的增加而显著增加；吹气量较大时，气泡在上升管内分布稠密，气泡体积占据了较大比例，吹气量增加，循环流量增加的变化率较小；吹气量很大时，这时气泡体积占的比例很大，尺寸增大，抽引效率降低，循环流量反而降低。

2.2 吹气方式对循环流量的影响

在总管吹气流量为5.04 m3/h的实验条件下，分析了吹气孔个数对循环流量的影响，结果如图3所示。

从图3可以看出，在吹气量一定的条件下，随着吹气孔数量的增多，循环流量呈提高趋势。当吹气孔达到4～6孔时，循环流量达到最大值即200 t/min，是单孔的1.67倍。但当吹气孔大于6孔时，循环流量反而有所降低。这主要是因为随着吹气孔的增多，使提升气体在上升管内分布相对比较分散，提高了气体做功效率，循环流量提高。在本实验条件下，总吹气量是一定的，当吹气孔数量过多，吹气孔喷吹的气体压力降低，部分气体沿着上升管内壁的表面浮出，使气体做的抽引功率降低。

2.3 真空度对循环流量的影响

在吹气量为5.04 m3/h、单吹气孔的实验条件下，考察了真空度对循环流量的影响趋势，分析真空度对循环流量的影响，结果如图4所示。

由图4可以看出，真空度提高使钢水的循环流量增加。因为真空度升高意味着真空室内的压力降低，提升气体的体积在低压情况下膨胀的剧烈程度增加，且上浮的速度随之增大，提升效率增加，从而增大了钢液的循环流量。从图4还可以看出，真空度升高的过程中，最初，循环量增加的梯度较大，但当真空度超过约5 000 Pa时，尽管真空度增加了，但循环量增加的梯度变小，曲线变化较为平缓，说明当真空度达到一定程度时，对循环流量的影响程度降低。这是因为尽管真空室内的压力降低，但提升气体的体积膨胀不可能无限制的增大，上浮速度也不会始终保持最初的增加梯度，所以才会出现上述的实验结果。

2.4 气体行程对循环流量的影响

本实验中的吹气位置是指吹气孔距上升管喷出孔的高度，它反应了吹入气体在上升管内上升的行程。实验过程中，在上升管上开了4点不同高度的吹气孔，考察了气体行程对循环流量的影响，结果如图5所示。

从图5可以看出，吹气孔距上升管喷出孔的高度对循环流量也有很大的影响。气体在上升管内行程增大，循环流量提高，说明降低吹气孔高度延长气体在上升管内的行程有利于发挥气体的驱动效率。吹气深度较小时，上升管内会由于气泡上升行程太短、气液间混合不好而产生“吹透”现象，使循环流量减小。随着吹气深度加大，气体在离开喷嘴后，气泡在上浮过程中是个加速过程，上浮距离的加大有利于气泡上浮速度的提高，从而起到更好的驱动作用。另外，由于气体吹入深度较大，气泡在接近真空室时，有利于气泡的分散和膨胀，能更充分地发挥气体的抽引效率，增大循环流量。所以在设备许可的情况下，尽可能延长气体上升行程。

3 结论

RH循环流量是影响RH精炼效果的重要工艺参数之一，通过水模冷态实验对吹气量、吹气方式、真空度、气体行程等参数对循环流量的影响进行了分析，得出结论如下：

（1）增大提升气体量有利于提高循环流量，吹气量为60～80 m3/h时，循环流量随吹气量的增大提高幅度较大，吹气量为80～120 m3/h时，循环流量随吹气量的增大提高幅度相对较小，在达到最大值120 m3/h后，随着吹气量的继续增大，循环流量反而有所降低。

（2）多孔的吹气方式有助于循环流量的提升，本实验条件下，吹气孔为4～6孔时，循环流量达到最大值200 t/min，是单孔的1.67倍。

（3）吹气量相同时，循环流量随真空度的升高而增大，当真空度超过5 000 Pa时，循环流量随真空度的变化梯度减小。

（4）增加气体在上升管内的行程有利于循环流量的提高，尤其是行程大于1.2 m时循环流量提高的幅度较明显。

［1］ 区铁，刘建功，张捷宇，等.RH法钢水定向循环流量操作模型的研究［J］.金属学报，1999，35（4）:411-415.

［2］ 彭一川，李洪利，刘爱华，等.RH水模型的理论和实验研究［J］.钢铁,1994,29（12）:15-18.

［3］ 斋藤忠，松本洋，藤崎薰，等.RH脱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，张晓峰，等.RH-MFB真空精炼过程中循环流量的物理模拟研究［J］.材料与冶金学报,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.