180 t RH攪拌功率的水模實驗研究

張家偉，劉海嘯，高守祺，賁東陽，李明澤，張濱雁，艾新港

（遼寧科技大學(xué) 材料與冶金學(xué)院，遼寧 鞍山 114051）

RH真空精煉設(shè)備是生產(chǎn)超純凈鋼的關(guān)鍵設(shè)備［1］，具有處理量最大、處理效果最好、功能最多、發(fā)展最快等一系列優(yōu)點，在超純凈鋼生產(chǎn)中獲得了廣泛應(yīng)用［2-4］。攪拌功率是評估RH精煉技術(shù)優(yōu)劣的一個重要指標(biāo)。攪拌可以增強(qiáng)鋼渣間的反應(yīng)，加快鋼液與物料的反應(yīng)速率及傳熱效率，降低鋼液中氧氣含量，使雜質(zhì)上浮，從而提高鋼液的品質(zhì)。攪拌功率表征了反應(yīng)容器內(nèi)攪拌能力的大小。如果攪拌功率太小，就沒辦法達(dá)到去除鋼液中夾雜的作用。目前大多數(shù)學(xué)者還是著眼于如何利用鋼口吹氬、底吹和微小氣泡等［5］方法去除夾雜，研究攪拌功率的文獻(xiàn)較少。本文以某鋼廠的180 tRH真空精煉爐為原型，在實驗室建立水力學(xué)模型，試驗探究工藝參數(shù)對攪拌功率的影響。

1 實驗方法

1.1 實驗裝置

水模設(shè)備主要有DDB-303A電導(dǎo)率儀、儲氣罐、空壓機(jī)、氣體流量計和真空泵。實驗裝置如圖1所示。幾何相似要求實驗所用有機(jī)玻璃模型按某鋼廠180 t RH精煉工藝設(shè)備比例縮小。本實驗?zāi)Ｐ瓦x用與原型相似比為1：4，具體尺寸見表1。

圖1 RH水模實驗裝置Fig.1 Experimental configuration of RH water model

1.2 動力學(xué)相似

RH工作時，上升管吹入氬氣使鋼液循環(huán)，裝置內(nèi)的主要作用力是氣泡的浮力、鋼液自身的重力和湍流粘滯力。原型與模型中的流動均處于第二自模化區(qū)，保證流動相似；當(dāng)模型和原型滿足修正Fr準(zhǔn)數(shù)相等時，即可認(rèn)為滿足動力學(xué)相似［6-7］。由此條件得

表1 鋼包與RH的實際尺寸與模型尺寸，mmTab.1 Actual size and model size of ladle and RH，mm

式中：Qm是模型的體積流量，m3/h；Qp為實際體積流量，m3/h。

2 實驗方案

2.1 攪拌功率與混勻時間

混勻時間是衡量其精煉效率的一個重要指標(biāo)［9-11］，反映了RH精煉裝置內(nèi)鋼液的攪拌和混勻效果。混勻時間一般表征加入合金元素與鋼液的混合程度。而攪拌不僅僅加快混勻，還可以改善脫磷脫硫脫碳等熱力學(xué)和動力學(xué)條件，更有利于夾雜物的碰撞長大。對于RH真空精煉去氣去夾雜行為的研究而言，采用攪拌功率比混勻時間更有意義。實驗時用水代替鋼液并測量液體的混勻時間。單位攪拌功率計算式［12］

式中：ε為單位攪拌功率，W/t；τ為混勻時間，s。

2.2 混勻時間的測定

直接測定單位攪拌功率是困難的，可以利用式（2）計算攪拌功率。本文利用電導(dǎo)率法來測定混勻時間。在實驗前，準(zhǔn)備100 mL飽和KCl溶劑作為示蹤劑。實驗過程中，先打開真空泵，將真空室抽真空，待真空室液面達(dá)到實驗條件后，打開氣閥進(jìn)行吹氣，待模型內(nèi)液體的流動狀態(tài)趨于穩(wěn)定，壓力計的液面差趨于穩(wěn)定時，快速打開示蹤劑加入口的球閥加入示蹤劑，通過DDB-303A電導(dǎo)率儀采集相關(guān)數(shù)據(jù)。當(dāng)電導(dǎo)率儀中顯示的電導(dǎo)率變化上下波動不超過5%時，認(rèn)為該反應(yīng)達(dá)到混勻狀態(tài)。每個參數(shù)多次測量后取平均值作為最終的實驗結(jié)果。

2.3 實驗方案

本文主要考察浸入管浸入深度、真空室液面高度、吹氣量等各種工藝參數(shù)對RH真空精煉裝置的攪拌功率影響。通過改變參數(shù)，觀察混勻時間的變化曲線。具體實驗方案：

（1）吹氣量為2.52 m3/h，真空室液面高度為36 cm時，浸漬管浸入深度分別為150、160、170、180、190 mm。

（2）浸漬管浸入深度為190 mm，吹氣量為2.52 m3/h時，真空室液面高度分別為28、30、32、34、36 cm。

（3）浸漬管浸入深度為190 mm，真空室液面高度為36 cm時，選擇的吹氣量分別為2.52、3.276、4.032、4.788、5.54 m3/h。

3 實驗結(jié)果分析

3.1 浸入深度對攪拌功率的影響

實驗對不同浸入管浸入深度下的混勻時間進(jìn)行測量，每組實驗進(jìn)行5次測量，通過式（1）計算攪拌功率。攪拌功率與浸入深度的關(guān)系曲線如圖2所示。

圖2 浸入深度與攪拌功率關(guān)系曲線Fig.2 Relationship between immersion depth and stirring power

隨著浸入深度的增加，攪拌功率也隨之增加。當(dāng)浸入深度為190 mm時，攪拌功率達(dá)到最大值為492.62 W。攪拌功率和浸入深度呈線性關(guān)系，線性回歸得到：y=3.671 8x-212.504。

這是由于浸入管浸入到鋼包越深，氣泡行程增加，氣泡做功增多，鋼包的內(nèi)循環(huán)更加劇烈，攪拌加劇，從而使混勻時間減少，攪拌功率出現(xiàn)增加的趨勢。攪拌可以改善去氣去夾雜的動力學(xué)條件，有利于去氣去夾雜的化學(xué)進(jìn)程，尤其是在去除微小夾雜物方面，攪拌加大了微小夾雜物的碰撞幾率，氣泡行程增加，這些條件都有利于鋼液在RH真空精煉過程中的去夾雜操作。

3.2 液面高度對攪拌功率的影響

攪拌功率與真空室液面高度關(guān)系如圖3所示。攪拌功率隨著真空室液面高度的增加而增加，且在真空室液面高度為36 cm時，攪拌功率達(dá)到最大值為492.62 W。采用線性回歸得到其線性關(guān)系式為：y=26.256x-470.432。

圖3 真空室液面高度與攪拌功率關(guān)系曲線Fig.3 Relationship between liquid level in vacuum chamber and stirring power

真空室液面高度越高，對應(yīng)的真空度越高，鋼包中的鋼液會有更大的牽引力進(jìn)入到真空室中，同時氣泡行程增加，液體有更多的重力勢能進(jìn)行轉(zhuǎn)化，攪拌動力變大，鋼液流動加劇，攪拌功率提高，加快混勻過程，減少混勻時間，同時，較高的真空度也能使得在真空室中進(jìn)行的脫氣操作效果更好。

3.3 吹氣量對攪拌功率的影響

攪拌功率與吹氣量的關(guān)系如圖4所示。攪拌功率隨著吹氣量的增加而增加，且在吹氣量為5.54 m3/h時，攪拌功率達(dá)到最大值1 332.6 W。線性回歸得到：y=279.205 65x-187.541 8。

圖4 吹氣量與攪拌功率關(guān)系Fig.4 Relationship between blowing volume and stirring power

當(dāng)吹氣量增加時，上升管中的氣泡會明顯增多。RH循環(huán)的主要動力之一就是上升的氣泡產(chǎn)生的浮力做功，氣泡的數(shù)量變多，氣泡所做的總功增加，從而會使得攪拌加劇，攪拌功率增加，裝置內(nèi)環(huán)流增加，混勻時間減少。當(dāng)吹氣量大于4.0 m3/h后，再增加吹氣量攪拌功率增大的幅度變小，為保證生產(chǎn)企業(yè)的效益最大化，生產(chǎn)現(xiàn)場的吹氣量應(yīng)當(dāng)控制在4.0 m3/h附近。

4 結(jié)論

本文以180 t RH真空精煉設(shè)備為原型，在實驗室按照模型與原型相似比為1：4建立物理模型，探究了RH真空精煉過程中不同因素對攪拌功率的影響。

（1）當(dāng)吹氣量為2.52 m3/h、真空室液面高度為36 cm、浸入管浸入深度為190 mm時，攪拌功率達(dá)到最大值為492.62 W。且在一定的范圍內(nèi)，攪拌功率與浸入管浸入深度呈線性關(guān)系：y=3.681 7x-212.504。攪拌功率與真空室液面高度呈線性關(guān)系：y=26.256x-470.432。

（2）當(dāng)浸入深度為190 mm、真空室液面高度為36 cm、吹氣量為5.54 m3/h時，攪拌功率最大為1 332.6 W。且在一定的范圍內(nèi)，攪拌功率與吹氣量呈線性關(guān)系：y=279.205 65x-187.541 8。