210噸RH精煉爐真空狀態(tài)下夾雜物去除機(jī)理研究

趙 珉

（山東鋼鐵集團(tuán)日照有限公司煉鋼部，山東 日照 276800）

伴隨著煉鋼技術(shù)進(jìn)步和相關(guān)設(shè)備的智能化，極大地提高了鋼液的純凈度。在傳統(tǒng)的純凈鋼生產(chǎn)中，常配備LF精煉爐，主要原因在于LF精煉爐含有加熱功能，可作為輔助補(bǔ)償精煉時(shí)溫度的損失，但是卻增加了煉鋼成本和周期。然而使用RH精煉爐生產(chǎn)純凈鋼則具有相當(dāng)重要的意義，是目前生產(chǎn)純凈鋼相對(duì)較為有效的手段[1]。通常附加值高的鋼材一般都會(huì)進(jìn)行RH精煉處理，它不僅具有較為優(yōu)異的脫碳作用，同時(shí)在夾雜物去除上具有舉足輕重的作用[2,3]。然而在對(duì)RH精煉爐在真空狀態(tài)下如何去除夾雜物的研究，相關(guān)領(lǐng)域的學(xué)者在此方面的研究則相對(duì)較少，通常取鋼水進(jìn)行分析則是相對(duì)較普遍的做法。然而研究RH精煉爐內(nèi)夾雜物行為是相對(duì)繁雜的，采用物理模型來(lái)開(kāi)展去除機(jī)理的研究則是較為可行的辦法，本文將通過(guò)乳狀液滴的方式模擬夾雜物去除的行為，探討水模和原型介質(zhì)相關(guān)參數(shù)的選取和對(duì)應(yīng)關(guān)系，以便為RH精煉爐去除夾雜物提供借鑒。

1 試驗(yàn)原理和試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)原理

做水模試驗(yàn)要考慮到的是原型和模型之間要達(dá)到幾何上的相似和動(dòng)力上的相似。以210噸RH精煉爐為例，試驗(yàn)所確定的幾何相似比λ=1:8，同時(shí)要確保動(dòng)力上相似，則可推算出相應(yīng)的原型的提升氣體流量。本次試驗(yàn)鋼水則采用氯化鈉溶液作為模擬物質(zhì)，氫氣則采用空氣作為模擬物質(zhì)。

1.2 試驗(yàn)方法

模擬試驗(yàn)則是采取固定量的乳狀液經(jīng)由特別的方式均勻通入到RH試驗(yàn)裝備中，接著往上升管送氣體，并在這時(shí)從鋼包的底部慢慢地通入與鋼包內(nèi)密度相似的氯化鈉溶液，并伴隨溢出的溶液，鋼包中緩緩上升到表面的乳狀液也會(huì)往外流出。

試驗(yàn)的相關(guān)工藝參數(shù)為：氣量的提升值為5L/min～30L/min，處理的時(shí)間在5min～24min內(nèi)，真空試驗(yàn)室內(nèi)液面高度設(shè)定的值主要是32mm、48mm和60mm。通過(guò)改變3個(gè)參數(shù)的條件，定量分析夾雜物去除的效果，研究參數(shù)變化對(duì)夾雜物去除的影響規(guī)律，同時(shí)開(kāi)展夾雜物碰撞、發(fā)生長(zhǎng)大和上浮的試驗(yàn)研究。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 處理時(shí)間與夾雜物去除率關(guān)系

圖1為試驗(yàn)所獲得的不同處理時(shí)間區(qū)間內(nèi)氣量提升值與夾雜物去除率關(guān)系，由圖可知，在不同的氣量提升值內(nèi)，在8min范圍內(nèi)夾雜物被去除的占比較大，大部分的夾雜物都在這個(gè)時(shí)間段內(nèi)被去除。主要原因在于在夾雜物去除初期，夾雜物的數(shù)量較多，在液體中的密度自然就多，從而給夾雜物發(fā)生更多碰撞的幾率，夾雜物就會(huì)發(fā)生碰撞聚集長(zhǎng)大，并形成簇狀物，隨著簇狀物的長(zhǎng)大所產(chǎn)生的浮力自然就會(huì)加大，從而使得簇狀物從鋼水中上浮到液面上來(lái)。其總體的情況是在0min～4min時(shí)，是夾雜物集聚長(zhǎng)大的關(guān)鍵期，其夾雜物上浮量繼續(xù)上升，4min～8min時(shí)則是夾雜物形成簇狀物上浮最關(guān)鍵的期間，也是夾雜物上浮量達(dá)到最大值的關(guān)鍵階段。隨著時(shí)間的繼續(xù)推移，留滯在鋼液中的夾雜物數(shù)量和尺寸也越來(lái)越小，主要原因在于在0min～8min這個(gè)時(shí)間段內(nèi)，大多數(shù)尺寸較大的夾雜物通過(guò)碰撞、聚集、長(zhǎng)大成簇狀物并上浮到鋼液表面而被去除。同時(shí)可觀察到在8min～12min、12min～16min、16min～20min、20min～24min這四個(gè)區(qū)間內(nèi)的夾雜物去除的效果越來(lái)約弱，并逐漸降低，綜合圖1的結(jié)果可知，夾雜物在真空狀態(tài)下被去除主要發(fā)生在12min前，后面12min的夾雜物去除效果則相對(duì)較弱，從而可判斷通過(guò)RH精煉爐去除夾雜物在24min之后基本已可去除絕大多數(shù)的夾雜物，從夾雜物去除的角度出發(fā)，若在加長(zhǎng)RH精煉爐繼續(xù)去除夾雜物已無(wú)多大的實(shí)際意義。

圖1 不同處理時(shí)間與夾雜物去除率關(guān)系

2.2 氣量提升值與夾雜物去除率關(guān)系

圖2 為不同處理時(shí)間和氣量提升值與夾雜物去除率關(guān)系圖，通過(guò)圖可知，在氣量提升值較小時(shí)，且處理時(shí)間較短時(shí)，如氣量在5L/min～10L/min，處理時(shí)間在2min～4min左右時(shí)，夾雜物的去除效果不夠理想，隨著氣量提升值的增大，其夾雜物的去除效果越佳，尤其是當(dāng)氣量提升值在20L/min～25L/min時(shí)，其夾雜物的去除效果是最佳的，這個(gè)時(shí)候若繼續(xù)加大氣量提升值，反而夾雜物的去除效果會(huì)下降。主要原因在于，當(dāng)氣量提升值小時(shí)，RH精煉爐內(nèi)的液體的湍動(dòng)能相對(duì)小一些，對(duì)于夾雜物來(lái)說(shuō)不易于碰撞和長(zhǎng)大，同時(shí)由于鋼水的流動(dòng)相對(duì)緩慢，也會(huì)使得夾雜物集聚后向界面輸運(yùn)夾雜物的能力也會(huì)較弱。同樣地，若氣量提升值過(guò)大時(shí)，盡管夾雜物碰撞和長(zhǎng)大的能力加強(qiáng)，當(dāng)時(shí)由于過(guò)大的值使得夾雜物盡管被運(yùn)輸?shù)浇缑?，但是由于加速度過(guò)大，使得夾雜物再一次的被卷入到鋼水中而影響了夾雜物的去除效果。

圖2 不同處理時(shí)間和氣量提升值與夾雜物去除率關(guān)系

2.3 真空試驗(yàn)室內(nèi)液面高度對(duì)夾雜物去除效果的影響

圖3 為氣量提升值為20L/min時(shí)，液面高度與夾雜物去除率關(guān)系圖，由圖可知，液面高度與處理時(shí)間的關(guān)系是隨著其值增加而增加。而液面高度直接反應(yīng)的是RH精煉爐的真空度，因此，總體可以看出，當(dāng)液面高度在48mm時(shí)，其夾雜物的去除效果是最佳的，高度太低或者是太高均達(dá)不到理想的夾雜物去除效果，從而反應(yīng)出RH精煉爐內(nèi)的真空度也是有一個(gè)最佳的值的。

3 試驗(yàn)結(jié)果與討論

（1）從處理時(shí)間上看，夾雜物去除的最關(guān)鍵時(shí)間時(shí)前面的12min，總體來(lái)說(shuō)24min的處理時(shí)間基本上可將夾雜物去除。

圖3 液面高度與夾雜物去除率關(guān)系（氣量提升值為20L/min）

（2）氣量提升值存在一個(gè)較佳的范圍，20L/min～25L/min則為最佳的氣量提升值，提升值較小或過(guò)大均達(dá)不到較好的夾雜物去除效果。

（3）48mm的液面高度所對(duì)應(yīng)的真空度值則是最佳的夾雜物去除效果最佳的值。