RH 精煉過程脫氫速率的模擬與分析

王 川，李廷剛，鄭 偉，馬仲群，孫建鵬，毛 勇

（五礦營口中板有限責(zé)任公司，遼寧 營口 115000）

RH 精煉工藝作為冶煉高品質(zhì)品種鋼的重要工藝手段，現(xiàn)已被大多數(shù)鋼廠所引進(jìn)。脫除鋼水中的氫是RH 精煉工藝的主要功能之一，成品坯中H 元素的濃度直接影響著鋼板內(nèi)部質(zhì)量的好壞，探傷合格率從高低。隨著今年來工業(yè)發(fā)展大環(huán)境的變化，市場對高品質(zhì)保探傷鋼種的需求量逐年增加[1]，這更加凸顯了RH 精煉脫氫功能的作用，因此研究RH 脫H 過程的規(guī)律，制定合適的工藝參數(shù)是現(xiàn)階段煉鋼工作者所面臨的一個重要課題。

1 數(shù)學(xué)模型的建立與驗證

1.1 RH 精煉過程中H 濃度測量

以某鋼廠130 精煉爐處理過程為研究對象，進(jìn)行H 元素測定。由于各時間點處于高真空過程中，液面不穩(wěn)定，無法使用定氫儀定氫，采用取氣體樣方式確定該時刻氫含量。在上升氣體流量50 m3/h 下，在時間點6 min、8 min、10 min、12 min 分別取氣體，共測量12 爐，其中3 爐數(shù)據(jù)波動較大被剔除，以剩余9 爐為樣本進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，得出各階段平均w（H）如圖1 所示。

圖1 H 含量變化趨勢圖

分析圖1 可得，氫元素脫除速率與時間成反比，隨著脫除過程的進(jìn)行，H 元素的脫除速率逐漸減小。處理10 min、12 min 時刻的氫含量一致，成品氫含量與10 min、12 min 時相比變化不大。

1.2 數(shù)學(xué)模型的建立

1.2.1 基本假設(shè)

對RH 精煉過程中脫氫過程進(jìn)行數(shù)值模擬時，考慮到計算成本應(yīng)忽略一些對脫氫過程影響較小的條件，本文對該過程進(jìn)行了理想化的合理假設(shè)[2]，假設(shè)條件如下：

1）將鋼水流動的初始速度設(shè)為定值，作為驅(qū)動鋼水循環(huán)的驅(qū)動力。

2）將真空室內(nèi)的鋼液表面當(dāng)作水平面處理。

3）假設(shè)脫氫反應(yīng)在真空界面進(jìn)行，氫在鋼水中的傳質(zhì)過程為反應(yīng)的限制環(huán)節(jié)。

4）將鋼水看作不可壓縮流體，且將整個過程視為穩(wěn)態(tài)流動處理。

5）忽略溫度變化對鋼水黏度、密度等物性參數(shù)的影響。

6）忽略RH 精煉處理過程中鋼水中的其他化學(xué)反應(yīng)對脫氫反應(yīng)的影響。

1.2.2 脫氫反應(yīng)的限制條件

RH 精煉將鋼水抽入真空室進(jìn)行脫氫反應(yīng)，真空室內(nèi)攪拌劇烈真空度較高，反應(yīng)速度較快因此本文將溶解態(tài)的氫元素在鋼液中的傳質(zhì)作為脫氫過程的限制環(huán)節(jié)，氫在鋼液中的擴(kuò)散系數(shù)為：

1.2.3 邊界條件的設(shè)置

取吹氣口上方設(shè)置界面設(shè)置為入口邊界，對應(yīng)下降管道位置設(shè)置為出口邊界，入口邊界條件設(shè)置為速度入口，出口條件設(shè)置為自由流出出口。鋼包鋼液界面設(shè)置為自由滑移wall 邊界，其余壁面設(shè)置為無滑移wall 界面，在真空室界面設(shè)置壁面吸收化學(xué)反應(yīng)，模擬H 元素在界面的脫除。

1.2.4 數(shù)學(xué)模型的驗證

運(yùn)行算例對現(xiàn)場RH 精煉處理進(jìn)行數(shù)值模擬，上升環(huán)流量設(shè)置為50 m3/h，起始?xì)錆舛仍O(shè)置為2.5×10-6，鋼液內(nèi)氫元素平均濃度變化趨勢如圖2 所示。對比圖2、圖1 發(fā)現(xiàn)在相同時間上的H 元素濃度基本相似，本文所建立的模型計算結(jié)果較為精準(zhǔn)。

圖2 H 含量隨時間變化

2 實驗與結(jié)果分析

某煉鋼廠精煉入爐鋼水氫的限制條件為5×10-6以下，本文以5×10-6為初始濃度對RH 精煉過程H元素的濃度進(jìn)行計算，取包壁附近、鋼包中心以及出水口下方作為H 元素濃度監(jiān)測點，監(jiān)測結(jié)果如圖3 所示。

圖3 不同位置H 元素隨時間變化

分析圖3 可得，入爐H 元素濃度為5×10-6的條件下反應(yīng)進(jìn)行10 min 時出水口下方以及鋼包中心的濃度已經(jīng)低于2×10-6，包壁濃度依然大于2×10-6。12 min 以后鋼包內(nèi)各年濃度均小于2×10-6，符合大多數(shù)鋼種對H 的要求。

3 結(jié)論

本文建立了RH 脫氫過程的數(shù)值模擬模型，經(jīng)過驗證模型結(jié)果較為精準(zhǔn)。通過數(shù)值模擬實驗的到H 在RH 真空精煉過程中的變化趨勢，RH 高真空精煉過程應(yīng)控制在12 min 以上，才能完全保證大多數(shù)鋼種對氫元素濃度的要求。