單管RH真空脫碳過程的水模型研究

雷 洪趙 巖耿佃橋張紅偉

(1.東北大學(xué) 材料電磁過程研究教育部重點實驗室， 遼寧 沈陽 110819;2.東北大學(xué) 冶金學(xué)院， 遼寧 沈陽 110819)

鋼液真空循環(huán)脫氣法(簡稱RH法)是大多數(shù)鋼鐵企業(yè)生產(chǎn)超低碳鋼的一種常規(guī)方法。傳統(tǒng)RH裝置具有上升管、下降管和真空槽三大部分。在真空精煉過程中，首先抽真空操作迫使鋼液進入真空槽內(nèi)；然后在上升管側(cè)壁吹入惰性氣體(氬氣)，氬氣泡在上浮過程中會驅(qū)動鋼液沿上升管、真空槽、下降管和鋼包作循環(huán)流動。鋼液的脫碳可分為碳氧元素的傳輸、碳氧化學(xué)反應(yīng)的發(fā)生及CO氣體的產(chǎn)生和逸出三個步驟。在實際操作中，頂吹氣體流量、頂槍槍位和真空室的真空度是影響RH脫碳的重要因素。

為了縮短RH真空處理時間提高生產(chǎn)效率，我國多家鋼鐵企業(yè)自20世紀70年代開始相繼嘗試開發(fā)單管RH精煉爐裝置，并進行了相關(guān)的工業(yè)實驗[1]。1991年，日本八幡廠也建造了單管RH并投入工業(yè)生產(chǎn)[2]。工業(yè)實踐表明，相對于傳統(tǒng)雙管RH，單管RH具有精煉效率高、結(jié)構(gòu)簡單、容易維修等優(yōu)點。

雖然冶金學(xué)者在RH方面開展了大量的水模型、數(shù)擬模型和工業(yè)實驗等研究工作。但是大多數(shù)的研究集中于傳統(tǒng)雙管RH的脫碳行為，對單管RH的脫碳則較少涉及?；诖?，本文建立了幾何相似比為1∶5的單管RH水力學(xué)模型，將經(jīng)典的雙管RH真空溶氧及脫碳實驗方案應(yīng)用于單管RH，并分析了多個工藝參數(shù)(氧槍槍位、頂吹氣體流量、底吹氣體流量等)的冶金效果。

1 水模型實驗

1.1 物理模型

根據(jù)實驗室的具體條件，確定水模型與單管RH原型的幾何相似比為1∶5。表1給出了水模型的關(guān)鍵幾何參數(shù)。在單筒RH精煉過程中，氣泡膨脹上浮是RH內(nèi)流體流動的主要驅(qū)動力。換言之，決定單管RH流體流動特性的主要作用力是重力和慣性力[3]。這樣，單管RH水模型的相似準數(shù)可采用修正弗勞德數(shù)。同時注意到水模型實驗在常溫下進行，因此水模型的實際氣體流量確定需要修正水模型中氣體的壓力和密度。

Qm=0.014 2Qp

(1)

式中：Q為氣體流量，m3/s,下標m和p分別代表水模型及工業(yè)原型裝置。

表1 單筒RH水模型幾何參數(shù) mm

1.2 實驗原理

以往研究表明，RH脫碳的制約環(huán)節(jié)是氧和碳元素在鋼液中傳質(zhì)，而氫氧化鈉溶液溶解和釋放二氧化碳氣體的制約環(huán)節(jié)是溶液中二氧化碳氣體的傳質(zhì)[4]。因此利用水模型實驗中二氧化碳氣體的溶解和釋放過程來分析單筒RH中鋼液中氧氣的溶解和脫碳是切實可行的。

在氫氧化鈉溶液中，i時刻二氧化碳濃度與pH值之間的關(guān)系可用式(2)[5]表達。

(2)

式中：c(CO2)i是i時刻二氧化碳的摩爾濃度，mol/L；溶液的pH值采用[H+]來表征；c(NaOH)是氫氧化鈉溶液的初始摩爾濃度，mol/L，K(H2O)、K1和K2分別是水的離子積、碳酸的1級和2級電離常數(shù)。

在水模型中，二氧化碳的吸收和釋放速率可用下式表示：

(3)

式中：ηk為容積傳質(zhì)系數(shù)，ηk=AkL/V；A為氣液兩相間的接觸面面積，m2；V為鋼包中流體體積，m3；t為時間，s；kL為二氧化碳在溶液中的傳質(zhì)系數(shù)，m/s；c(CO2)e為二氧化碳的平衡濃度，mol/L。

對(3)式進行積分，得

(4)

式中：c(CO2)0為二氧化碳的初始時刻的摩爾濃度，mol/L。

1.3 實驗步驟

水模型實驗包括氫氧化鈉溶液溶解和釋放二氧化碳氣體兩部分內(nèi)容。其中，氫氧化鈉溶液溶解二氧化碳氣體實驗按以下步驟進行。

(1)在鋼包中按比例注入清水。

(2)向清水中加入摩爾濃度為0.01 mol/L的氫氧化鈉溶液。

(3)給真空泵供電，利用三通閥調(diào)節(jié)真空室真空度，從而控制真空室液面到達指定位置。

(4) 給空氣壓縮機供電，采用鋼包底吹方式對溶液進行充分攪拌。

(5)開啟頂槍閥門，向真空室內(nèi)吹入二氧化碳氣體，并開始計時。

(6)記錄pH計讀數(shù)，記錄間隔時間為10 s。

(7)當(dāng)pH計讀數(shù)小于6.8時，依次關(guān)閉頂槍閥門、真空泵和空氣壓縮機，氫氧化鈉溶液溶解二氧化碳氣體實驗終止。

在氫氧化鈉溶液溶解二氧化碳氣體實驗基礎(chǔ)上，可開展溶解態(tài)的二氧化碳氣體釋放實驗，步驟如下：

(1)關(guān)閉頂槍閥門，停止向真空室吹入二氧化碳氣體，保持向真空泵和空氣壓縮機進行供電。

(2)調(diào)整底吹氣體流量，控制真空室液面到達指定位置，重新開始計時。

(3) 記錄pH計讀數(shù)，記錄間隔時間為10 s。

(4)當(dāng)pH計讀數(shù)大于7.5以后，依次停止向真空泵和空氣壓縮機供，溶解態(tài)的二氧化碳氣體釋放實驗停止。

2 結(jié)果分析及討論

2.1 單管RH頂吹氣量

圖1還表明，雖然二氧化碳的濃度隨著單管RH的頂吹氣體流量的增加而增大，但是二氧化碳的濃度增大速率卻不是保持不變，而是逐漸減小。這是由以下因素所決定的：

(1) 增加單管RH頂吹二氧化碳氣體流量，會增大溶液中的二氧化碳濃度，從而增大了單管RH傳質(zhì)的推動力，有利于提高了傳質(zhì)速率；但是隨著單管RH頂吹二氧化碳氣體流量的不斷增加，單管RH真空室內(nèi)二氧化碳分壓逐漸接近真空室的真空度。這樣，雖然單管RH頂吹二氧化碳氣體流量繼續(xù)增加，但是單管RH真空室內(nèi)二氧化碳分壓不再增加，而是等于真空室的真空度，因此溶液中二氧化碳吸收速率維持不變。

(2) 在實際生產(chǎn)中，單管RH頂槍與真空室液面之間不是直接接觸的，而是存在一定的距離。這一距離導(dǎo)致單管RH頂槍的二氧化碳氣體流股在到達液面時會存在動能損失，從而限制了對真空室內(nèi)鋼液的攪拌。單管RH頂吹二氧化碳氣體流量的增加難以使真空室中熔池流動狀態(tài)產(chǎn)生線性變化，也不會大幅度地改變?nèi)莘e傳質(zhì)系數(shù)。在實際操作中，單管RH頂吹二氧化碳氣體流量過大會導(dǎo)致鋼液的過氧化。

圖1 不同頂吹氣量下溶液中二氧化碳濃度隨時間變化

2.2 單管RH頂槍槍位

圖2表明，隨著單管RH的頂槍槍位的升高，溶液二氧化碳濃度呈現(xiàn)先增大后減小的規(guī)律，然而容積傳質(zhì)系數(shù)的變化規(guī)律相反，出現(xiàn)先減小后增大的規(guī)律。這取決于以下兩個作用相反的原因：

(1) 降低單管RH頂槍槍位能夠減少二氧化碳流股在到達單管RH真空室鋼液液面界面時的動能損失，從而增強了對真空室熔池的攪動。這能加快傳質(zhì)。

(2)隨著單管RH槍位的降低，高速的二氧化碳氣體流股在到達單管RH真空室液面后來不及展開，導(dǎo)致了液面沖擊坑面積的縮小，在實際生產(chǎn)中，氧槍對單管RH的真空室液面的攪動僅僅局限于一個較小區(qū)域，因此，頂槍槍位的降低減弱了對單管RH真空室整個液面的攪拌。

槍位過低不但會減小氫氧化鈉溶液吸收二氧化碳的速率和容積傳質(zhì)系數(shù)，而且高速氣流會直接沖擊真空室的液面，造成鋼液過氧化和噴濺[6]。在實際生產(chǎn)中，氧槍的最終槍位是由氧氣射流的動能損失、單管RH真空室液面沖擊凹坑直徑和一氧化碳的二次燃燒等多個因素共同決定。

圖2 不同氧槍槍位下溶液中二氧化碳濃度隨時間變化

2.3 單管RH真空度

圖3(a)表明，隨著單管RH真空度的增加，二氧化碳的吸收速率和容積傳質(zhì)系數(shù)既不是單調(diào)增加也不是單調(diào)減小，而是出現(xiàn)先增大后減小的規(guī)律。這說明存在兩個作用相反的影響因素：

(1) 單管RH真空度的增加會提升單管RH真空室內(nèi)鋼液液面的高度，延長氣泡的運動行程，導(dǎo)致在相同氣體流量下氣泡對鋼液所做的功增加，有效地提高了單筒RH的循環(huán)流量，促進了傳質(zhì)，從而提高了氫氧化鈉溶液吸收二氧化碳的速率和容積傳質(zhì)系數(shù)。

(2) 單管RH真空度的增加，會降低真空室內(nèi)二氧化碳的分壓，減小溶液中二氧化碳的溶解度并降低溶液中二氧化碳的濃度梯度。從而這樣降低氫氧化鈉溶液吸收二氧化碳的速率和容積傳質(zhì)系數(shù)[7]。

圖3 不同真空度下溶液中二氧化碳濃度隨時間變化

圖3(b)表明，氫氧化鈉溶液釋放二氧化碳的速率隨著單管RH真空室真空度的增加而增大。這是因為隨著真空度的提高，會提升單管RH真空室液面，增加單管RH的循環(huán)流量，加劇真空室自由液面波動，加強二氧化碳的傳質(zhì)。同時，單管RH真空室真空度越大，真空室內(nèi)二氧化碳的分壓就會越小，這會加速二氧化碳的釋放。

2.4 單管RH底吹氣體流量

圖4 不同底吹氣體流量下溶液中二氧化碳濃度隨時間變化

圖4(a)表明，隨著單管RH底吹氣體流量的增加，氫氧化鈉溶液對二氧化碳的吸收速率和傳質(zhì)系數(shù)既不是單調(diào)增加也不是單調(diào)減小，而是出現(xiàn)先增大后保持不變的規(guī)律。這一規(guī)律是由如下因素決定的：①式(3)指出濃度差、氣液反應(yīng)面積和傳質(zhì)系數(shù)這三個因素決定了單管RH內(nèi)氫氧化鈉溶液吸收二氧化碳的速率，其中，傳質(zhì)系數(shù)與單管RH內(nèi)流體的流動狀態(tài)密切相關(guān)[8-9]；②底吹氣體流量的增加有助于增大單管RH的循環(huán)流量，加快單管RH真空室液面更新速度，縮短流體的停留時間；③底吹氣體流量的增加，加劇了因氣泡在逸出液面過程中破裂而造成的液面波動，擴大了氣液之間的反應(yīng)面積；④底吹氣體流量的增大會降低單管RH真空室中二氧化碳的分壓；⑤單管RH循環(huán)流量存在一個飽和值。

圖4(b)表明，單管RH底吹氣體流量的增加能夠促進氫氧化鈉溶液對二氧化碳的釋放。這是因為單管RH底吹氣體流量會產(chǎn)生三個效應(yīng):① 底吹氣體流量的增加會提高單管RH的循環(huán)流量大，從而提高二氧化碳的傳質(zhì)速率[10-11]；②底吹氣體流量的增加會加劇單管RH真空室內(nèi)熔池液面波動，促進傳質(zhì)[12-13]；③底吹氣體流量的增加會減小單管RH真空室內(nèi)二氧化碳的分壓，導(dǎo)致二氧化碳的溶解度的下降，從而促進溶解態(tài)二氧化碳的釋放。

2.5 不同噴吹方式下單管RH與傳統(tǒng)雙管RH的對比

圖5 不同精煉工藝下二氧化碳 濃度隨時間變化圖

圖5表明，單管雙噴嘴RH內(nèi)氫氧化鈉溶液吸收和釋放二氧化碳的速率和容積傳質(zhì)速率要比傳統(tǒng)雙管側(cè)吹RH分別增大26%、14%和32%。其中，單管RH雙噴嘴方式要優(yōu)于單管RH單噴嘴方式，傳統(tǒng)雙管RH中側(cè)底復(fù)吹方式要優(yōu)于側(cè)吹方式。這取決于如下原因：①相對于雙管RH的浸漬管橫截面而言，單管RH具有更大的浸漬管橫截面面積，因此單管RH的循環(huán)流量明顯大于雙管RH的循環(huán)流量；②相對于雙管RH的側(cè)吹和側(cè)底復(fù)吹而言，單管RH采取底吹方式，這樣，氣泡上升路徑更長，做功更多，對鋼液的攪拌也更充分，因此單管RH傳質(zhì)速度更快；③對于單管RH，在相同底吹氣體流量的情況下，噴嘴數(shù)量的增加可以提高氣泡的彌散程度，減小氣泡尺寸，增加氣泡數(shù)量，擴大氣液接觸面積，促進傳質(zhì)；④對于雙管RH，在總氣體流量不變的情況下，相對于側(cè)吹方式，側(cè)底復(fù)吹方式引入了鋼包底部吹氬，增加氣泡上升行程，氣泡對鋼液能做更多的功，提高了氣體驅(qū)動鋼液的能力。

3 結(jié) 論

(1)隨著底吹氣體流量的增加，單筒RH內(nèi)氫氧化鈉溶液吸收二氧化碳的速率和容積傳質(zhì)系數(shù)呈現(xiàn)先增大后保持不變的規(guī)律，氫氧化鈉溶液釋放二氧化碳的速率增加。

(2)隨著頂吹氣量的增大，單筒RH的容積傳質(zhì)系數(shù)增大，但增大幅度逐漸減小。

(3) 增加單筒RH的真空度，可以提高單筒RH內(nèi)氫氧化鈉溶液吸收和釋放二氧化碳的速率。

(4) 降低單筒RH氧槍槍位可以促進傳質(zhì)。

(5) 單管RH的溶氧和脫碳效率要比傳統(tǒng)雙管RH高出26%和32%；對于單管RH，雙噴嘴方式的脫碳效率要優(yōu)于單噴嘴方式；對于雙管RH，采用側(cè)底復(fù)吹方式能提高脫碳效率。