提升氣流量與浸漬管插入深度對(duì)RH精煉影響的研究

吳偉勤，董建鋒，韓寶臣，魏光升，朱 榮

(1.南京鋼鐵股份有限公司，江蘇 南京 210035；2.北京科技大學(xué) 冶金與生態(tài)工程學(xué)院，北京 100083)

鋼中氫含量超過(guò)白點(diǎn)臨界值時(shí)，會(huì)導(dǎo)致鋼材性能惡化甚至報(bào)廢，因此現(xiàn)代鋼材生產(chǎn)中必須把鋼中氫控制在一定數(shù)值以下[1]。為了獲得較好的脫氫效果，要合理地選擇循環(huán)因數(shù)，促使鋼水均勻混合，減少氣體濃度梯度值，增強(qiáng)脫氣效果[2]。 在運(yùn)行參數(shù)中，通過(guò)吹氣管吹入的氬氣流量是決定液體循環(huán)流量的主要因素，但當(dāng)氣體流量超過(guò)一定值時(shí)，存在飽和或最大循環(huán)速率[3-7]，過(guò)大的提升氣流量甚至破壞真空度反而使循環(huán)流量減小，脫氫效果變差。研究表明浸漬管插入深度對(duì)循環(huán)流量有一定的影響，在一定范圍內(nèi)隨著浸漬管插入深度的增加，氣泡上升到真空室液面行程增加，循環(huán)流量增加[8-10]。

南鋼RH存在脫氫處理時(shí)間長(zhǎng)，脫氫速率較慢的情況，本文通過(guò)水力學(xué)模擬研究提升氣流量和浸漬管插入深度對(duì)循環(huán)流量及混勻時(shí)間的影響，并根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)條件在150 tRH爐上選擇部分參數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)，研究提升氣流量和浸漬管插入深度對(duì)RH脫氫效果的影響。

1 水力學(xué)模擬實(shí)驗(yàn)

1.1 水模型的建立

實(shí)驗(yàn)以某150 tRH真空精煉裝置為原型，保證模型與原型的幾何相似，取模型與原型的幾何相似比為1∶4，原型與水模型主要尺寸及參數(shù)見(jiàn)表1。

由于RH真空精煉裝置內(nèi)的流動(dòng)狀態(tài)是流體的慣性力和重力起決定作用，因此可以通過(guò)保證模型與原型兩系統(tǒng)下降液流的修正Froude準(zhǔn)數(shù)相等來(lái)確定模型提升氣體流量與實(shí)際RH提升氣體流量的關(guān)系[6-7]，取上升管內(nèi)徑d為幾何特征參數(shù)。由于氣體壓力與流量計(jì)量表都是在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下標(biāo)定，則可根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程對(duì)氣體壓力、密度進(jìn)行修正，最后可得：

(1)

式中：ρ1為標(biāo)態(tài)下氬氣密度，kg·m-3；ρa(bǔ)ir為標(biāo)態(tài)下空氣密度，kg·m-3；ρsteel為鋼液密度，kg·m-3；ρwater為

表1 RH原型及模型尺寸主要參數(shù)

模擬用水密度，kg·m-3；VP為原型提升氣流量，m3/s；Vm為模型提升氣流量，m3/s；dP為原型浸漬管內(nèi)徑，m；dm為模型浸漬管內(nèi)徑，m；Pwater為水模型氣源壓力，MPa；Psteel為原型氣源壓力，MPa；Twater為水的溫度，K；Pwater為鋼液的溫度，K。

將表2物性參數(shù)帶入式(1)，可計(jì)算出水模型提升氣體流量與原型實(shí)際提升氣體流量之間的關(guān)系：

Vm=0.016 3VP

(2)

表2 主要物性參數(shù)

1.2 實(shí)驗(yàn)裝置

循環(huán)流量為單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)RH下降管或上升管的鋼液量，由于考慮到上升管內(nèi)氣泡含量較多，本研究所使用的超聲波流量計(jì)要求被測(cè)量液體含氣率低，因此選用下降管中的液體流量作為循環(huán)流量，超聲波流量計(jì)安裝在下降管側(cè)壁實(shí)時(shí)測(cè)量循環(huán)流量?；靹驎r(shí)間是用來(lái)直接描述反應(yīng)器混合效率的一個(gè)物理量，實(shí)驗(yàn)中，循環(huán)流量的測(cè)量采用TDS-100H手持式超聲波流量計(jì)，混勻時(shí)間的測(cè)量采用DDLY-2005型電導(dǎo)率儀。實(shí)驗(yàn)裝置示意圖見(jiàn)圖1。

1.3 實(shí)驗(yàn)方案

結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)情況，在原型插入深度為550 mm時(shí)，研究原型提升氣流量為80、100、120和140 m3/h(標(biāo)準(zhǔn))時(shí)提升氣流量對(duì)循環(huán)流量和混勻時(shí)間的影響；在原型提升氣流量為100 m3/h(標(biāo)準(zhǔn))時(shí)，研究原型插入深度350、450、550和650 mm對(duì)循環(huán)流量和混勻時(shí)間的影響。對(duì)應(yīng)的模型插入深度為原型插入深度除以4。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

1.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

1.4.1 提升氣流量的影響

從圖2可看出，提升氣流量對(duì)循環(huán)流量影響很大，隨著提升氣流量的增加，循環(huán)流量持續(xù)增加，但隨著對(duì)應(yīng)的原型流量從120 m3/h增加至140 m3/h，循環(huán)流量從7.45 m3/h增至7.72 m3/h，增加幅度有所下降，說(shuō)明上升管內(nèi)含氣率過(guò)高，在上升管內(nèi)徑限制的條件下提升氣流量對(duì)循環(huán)流量的影響慢慢接近限度。

隨著提升氣流量的增加，混勻時(shí)間持續(xù)減小，當(dāng)原型流量從120 m3/h增加至140 m3/h，混勻時(shí)間從70.3 s降低至42.1 s，可見(jiàn)增加提升氣流量可顯著減少混勻時(shí)間，增加循環(huán)流量。單從水模擬來(lái)說(shuō)原型提升氣流量為140 m3/h時(shí)循環(huán)流量最大、混勻時(shí)間最小，效果最好。

圖2 原型浸漬管插入深度550 mm時(shí)原型提升氣流量對(duì)循環(huán)流量和混勻時(shí)間的影響

1.4.2 浸漬管插入深度的影響

從圖3可看出，4種插入深度對(duì)循環(huán)流量影響不大，極差僅為0.1，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于提升氣流量對(duì)循環(huán)流量的影響。隨插入深度的增加，混勻時(shí)間先減小后增大。在原型插入深度由350 mm增加至550 mm時(shí)，對(duì)應(yīng)的混勻時(shí)間由57.9 s降低到50.3 s，繼續(xù)增加原型插入深度，混勻時(shí)間增至62.1 s。插入深度的增加雖增加氣泡行程，但使液體向下流動(dòng)的行程減小，對(duì)鋼包內(nèi)液體混勻作用減弱，可見(jiàn)插入深度并不是越大越好。

圖3 原型提升氣流量120 m3/h(標(biāo)準(zhǔn))時(shí)浸漬管插入深度對(duì)循環(huán)流量和混勻時(shí)間的影響

將循環(huán)流量和混勻時(shí)間結(jié)果綜合來(lái)看，提升氣流量為影響兩者的最主要因素，隨著提升氣流量的增加，兩指標(biāo)均往好的方向發(fā)展，插入深度對(duì)混勻時(shí)間影響較明顯，對(duì)循環(huán)流量影響不明顯。

2 工業(yè)試驗(yàn)

2.1 研究方法

根據(jù)水模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果，隨提升氣流量的增加循環(huán)流量增加，混勻時(shí)間降低，而浸漬管插入深度對(duì)循環(huán)流量影響很小，且插入深度為650 mm時(shí)混勻時(shí)間明顯升高?？紤]到現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的可行性和水模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果，工業(yè)試驗(yàn)方案為：提升氣流量試驗(yàn)—浸漬管插入深度550 mm，提升氣流量100、120和140 m3/h(標(biāo)準(zhǔn))。浸漬管插入深度試驗(yàn)—提升氣流量100 m3/h(標(biāo)準(zhǔn))，浸漬管插入深度450和550 mm。

除浸漬管插入深度450 mm試驗(yàn)為16 min高真空處理時(shí)間外，其余方案均為20 min高真空處理時(shí)間(真空室內(nèi)壓力為500 Pa時(shí)認(rèn)為達(dá)到高真空)。試驗(yàn)過(guò)程中利用Heraeus Multi-lab Hydris在線測(cè)定不同處理時(shí)間時(shí)鋼水中的氫含量。

研究表明鋼液中脫氫過(guò)程由鋼液邊界層中的傳質(zhì)控制[11]，對(duì)組元i，傳質(zhì)速率

(3)

[H]=ae-bt+c

(4)

式中：a、b、c均為常數(shù)。

2.2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

將所得試驗(yàn)結(jié)果帶入式(4)進(jìn)行擬合分析，并設(shè)y=f(x)，則-f′(x)為各個(gè)方案擬合結(jié)果在時(shí)刻為x時(shí)的脫氫速率。

2.2.1 提升氣流量的影響

從圖4中各擬合曲線可以看出，隨提升氣流量的增加，脫氫效果先增大后減小，要想氫達(dá)到2.0×10-6提升氣流量100、120和140 m3/h(標(biāo)準(zhǔn))方案分別需要16.71、8.5和10.07 min，在氫為2.0×10-6時(shí)，3個(gè)方案的脫氫速率分別為0.036、0.115和0.093×10-6/min。高真空處理8 min后不同流量間脫氫速率差別不大，25 min后3種流量方案脫氫速率基本接近0，不同流量對(duì)脫氫的影響主演在高真空處理前期。與水模擬實(shí)驗(yàn)不同的是試驗(yàn)條件下提升氣流量120 m3/h(標(biāo)準(zhǔn))時(shí)脫氫效果最優(yōu)，相同氫含量條件下脫氫速率最大，這可能是因?yàn)檩^大的提升氣流量雖可增加循環(huán)流量，但過(guò)大的循環(huán)流量使得鋼液在真空室內(nèi)的停留時(shí)間過(guò)短，反而使得脫氫效果變差。

除此之外，試驗(yàn)時(shí)觀察到提升氣流量100及120 m3/h(標(biāo)準(zhǔn))方案真空槽內(nèi)鋼液噴濺現(xiàn)象不明顯，但提升氣流量140 m3/h(標(biāo)準(zhǔn))方案真空槽內(nèi)鋼液噴濺十分嚴(yán)重，幾爐試驗(yàn)后真空槽結(jié)瘤嚴(yán)重，形狀發(fā)生改變。

2.2.2 插入深度的影響

結(jié)合圖4，從圖5中可以看出插入深度相比于提升氣流量對(duì)脫氫的影響不明顯。插入深度450 mm方案氫達(dá)到2.0×10-6需13.14 min，但其初始?xì)浜康陀?50 mm方案，假設(shè)其初始?xì)浜繛?50 mm插入深度方案的5.9×10-6，脫氫速率以0 min時(shí)的0.54×10-6/min計(jì)算，在其相同初始?xì)浜織l件下計(jì)算得450 mm插入深度氫脫除至2.0×10-6時(shí)需14.81 min，低于16.71 min。從脫氫速率來(lái)看，插入深度450 mm方案在氫為2.0×10-6時(shí)脫氫速率為0.068×10-6/min，同樣優(yōu)于550 mm插入深度方案。兩種插入深度方案在高真空處理12 min后脫氫速率基本相同，且在25 min后脫氫速率也接近0。

3 結(jié) 論

(1)提升氣流量對(duì)循環(huán)流量、混勻時(shí)間和工業(yè)生產(chǎn)中實(shí)際脫氫效果均比較明顯，隨提升氣流量的增加，循環(huán)流量增加但增幅降低、混勻時(shí)間降低，但實(shí)際生產(chǎn)中的脫氫效果先變好后變差。

(2)浸漬管插入深度對(duì)循環(huán)流量影響不大，對(duì)混勻時(shí)間有一定影響，且隨插入深度的增加混勻時(shí)間先減小后增加，實(shí)際生產(chǎn)中較小的450 mm插入深度相比于550 mm，脫氫效果略優(yōu)。

圖4 不同提升氣流量方案氫含量和脫氫速率隨真空處理時(shí)間變化

圖5 不同插入深度方案氫含量和脫氫速率隨真空處理時(shí)間變化

(3)提升氣流量與插入深度對(duì)脫氫的影響主要在高真空處理前期，試驗(yàn)條件下8 min后不同方案間脫氫速率差別不大，25 min后脫氫速率基本相同且基本為0。