自从第一台ＲＨ脱气装置于 1 959年问世和投产至今 ,ＲＨ精炼技术在世界范围内获得了广泛应用和迅速发展 ,已由最初单纯的脱气扩展为一种还能去除碳 ,氧 ,硫和夹杂 ,以及升高钢液温度和调整钢液成分等的多功能精炼技术 ,在众多的炉外精炼方法中占据了主导地位 从宏观上说 ,ＲＨ精炼反应的关键性限制环节在于钢液的循环流动和混合 成分和温度的均匀化 ,精炼反应的速度和效果等 ,都与钢液的流动和混合密切相关 钢液的循环流动和混合始终是ＲＨ精炼技术研究的重要课题 对此 ,国内外已作过很多有关的研究 ,例如 ,文献 <1～ 7>,但大多集中于功能较单一的ＲＨ过程 ,针对多功能ＲＨ装置的研究尚不多见<8> 本文利用水力学模拟研究了 90ｔ多功能ＲＨ装置内钢液的流动和混合特性 ,考察了有关因素的影响 ,以期对该过程获得进一步的理解 ,并为确定合理的过程工艺和操作参数提供必要的信息和依据 1 模型设计和模型装置1 1 模型的相似性所建的模型除保持与原型间的几何相似外 ,还保持两者液流的Ｆｒ(Ｆｒｏｕｄｅ数 )相等 ,以达到两者液流的相似性 根据实际情况和具体条件 ,设计和建立了线尺寸为原型 1 /5的ＲＨ ＫＴＢ/ＰＢ(真空循环处理 -顶吹氧 /喷粉 )模型装置 ,包括钢包模型 在这种情况下 ,模型及其原型下降管内液体的体积流量和速度的关系为 :Ｑｍ =( 1 /5) 2 5Ｑｐ,( 1 )Ｕｍ =( 1 /5) 0 5Ｕｐ,( 2 )式中 ,Ｑ是液体的体积流量 ,Ｕ为下降管内液体的速度 ,下标ｍ ,ｐ表示模型和原型 在原型的钢液环流量及下降管内径分别为 30ｔ/ｍｉｎ和 30ｃｍ的情况下 ,模型和原型下降管液流的主要参数列于表 1 表 1 模型和原型下降管液流的主要参数Ｔａｂｌｅ 1 Ｋｅｙｐａｒａｍｅｔｅｒｓｏｆｌｉｑｕｉｄｓｔｒｅａｍｓｉｎｄｏｗｎ ｓｎｏｒｋｅｌｓｏｆｍｏｄｅｌａｎｄｉｔｓｐｒｏｔｏｔｙｐｅ参 数原 型模型 (1∶5 )体积流量Ｑ/(Ｌ·ｍｉｎ-1) 4 2 86 76 7内径Ｄｄ/ｃｍ 30 6(平均 )速度 /(ｍ·ｓ-1) 1 0 10 45 2Ｆｒ(Ｆｒｏｕｄｅ数 ) 0 35 0 35Ｒｅ(Ｒｅｙｎｏｌｄ数 ) 3 4× 10 52 7× 10 41 2 模型装置图 1为本工作实验用ＲＨ ＫＴＢ/ＰＢ模型装置示意图 模型由有机玻璃制成 ,其尺寸示于图 2 上升管和下降管内径均取 5,6,7ｃｍ 3种规格 在上升管的入口区段置有上、下 2排进气孔 ,每排均布有4个孔 ,上、下孔交错排列 ,孔径为 0 8ｍｍ 管脚浸入钢包液体深度为 1 0ｃｍ ,采用经除湿处理的压缩空气为提升气体 按相似准则 ,模型真空室内的压力应为 9 84× 1 0 4 Ｐａ 但是 ,为防止在高的环流量下气泡被直接带入下降管而造成真空室内的短路 ,对全部实验均保持真空室内的压力为 9 79×1 0 4 Ｐａ 模型总水量为 1 0 7Ｌ ,相当于 1 0 0ｔ处理钢液 顶吹用喷枪为1 0ｍｍ× 1 5ｍｍ× 1 0 0 0ｍｍ的黄铜管图 1 水模拟实验用 90ｔ原型的ＲＨ ＫＴＢ/ＰＢ模型装置示意图Ｆｉｇ .1 ＳｃｈｅｍａｔｉｃｄｉａｇｒａｍｏｆｔｈｅＲＨ ＫＴＢ/ＰＢｍｏｄｅｌａｐｐａｒａｔｕｓｏｆａ 90ｔｐｒｏｔｏｔｙｐｅｕｓｅｄｆｏｒｗａｔｅｒｍｏｄｅｌｌｉｎｇｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ图 2 水模拟实验用ＲＨ ＫＴＢ/ＰＢ模型的尺寸 (×ｍｍ)Ｆｉｇ .2 Ｄｉｍｅｎｓｉｏｎｓ(×ｍｍ)ｏｆｔｈｅＲＨ ＫＴＢ/ＰＢｍｏｄｅｌ2 测试方法2 1 环流量的测定采用图 3所示的系统直接测定环流量 在模型钢包内下降管下方设置一有机玻璃筒 ,待真空度及吹气量稳定后 ,调节阀门以调整水流量 当该筒内的液面与模型钢包内液面相平时 ,转子流量计显示的流量即为该工况下的环流量 这种测定方法比包括溢流法在内的其它方法更为精确、可靠 图 3 环流量测定系统示意图Ｆｉｇ .3 Ｓｃｈｅｍａｔｉｃｄｉａｇｒａｍｏｆｔｈｅｓｙｓｔｅｍｆｏｒｄｅｔｅｒｍｉｎａｔｉｏｎｏｆｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎｒａｔｅ1 真空室 ;2 钢包 ;3 水泵 ;4 调节阀 ;5 液体流量计 ;6 有机玻璃筒2 2 钢包内液体流态显示以聚苯乙烯塑料颗粒 (直径 1ｍｍ ,密度 0 97ｇ/ｍ3)为示踪剂 ,由ＳＬＶ - 2 0型扫频可调激光发生器提供红外激光片光源 在这些条件下 ,显示和拍摄了钢包内液体的流态 ,并可得相应的速度分量 为消除因圆柱和圆锥体折光引起的对钢包内流场的观察变形 ,在模型钢包外套一敞口 (无盖 )的长方体有机玻璃水箱 ,其中的液面与钢包液面齐平 2 3 混合时间的测定采用电导法测定混合时间 在不破坏真空室真空的条件下 ,从真空室顶部喷枪位置加入 2 0～30ｍＬ饱和ＫＣｌ水溶液 电导探头被置于下降管下方离底部约 1 0ｍｍ处 (见图 4) 利用该探头由ＤＳＳ -ＩＩＡ型电导仪监测水的电导率的变化 ,并由Ｘ -Ｙ记录仪自动记录 混合时间定义为τｍ,即取电导率的变化不超过稳定值的± 5% 对每种工况下的每个实验点 ,至少重复测定 5～ 6次 ,取所得结果的算术平均值作为该工况下的混合时间 鉴于ＫＣｌ水溶液的电导率与其浓度成线性关系 ,由电导率随时间的变化曲线也可确定钢包内水溶液浓度随时间的变化规律 图 4 混合时间测定位置示意图Ｆｉｇ .4 Ｓｃｈｅｍａｔｉｃｏｆｐｏｓｉｔｉｏｎｆｏｒｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｏｆｍｉｘｉｎｇｔｉｍｅ3 实验结果讨论3 1 环流量计算式 图 5为实验测得的给定上升管和下降管内径下环流量与提升气体流量的关系 对实验数据进行三元回归得Ｑｌ =ＫＱｇ0 2 6Ｄｕ0 69Ｄｄ0 80 (Ｌ/ｍｉｎ) ,( 3)式中 ,Ｑｌ 是环流量 ,Ｌ/ｍｉｎ ;Ｑｇ 为提升气体流量 ,ＮＬ/ｍｉｎ ;Ｄｕ 和Ｄｄ 分别为上升管和下降管内径 ,ｃｍ ;Ｋ系常数 ,对水模型等于 1 88 根据原型的工艺条件 ,并与实际精炼过程的数学模拟相结合 ,对原型可得Ｋ=0 0 333 由此 ,对该模型及其 90ｔＲＨ原型装置的环流量计算式分别为Ｑｌ=1 88Ｑｇ0 2 6Ｄｕ0 69Ｄｄ0 80 (Ｌ/ｍｉｎ) ,( 4 )Ｑｌｐ =0 0 333Ｑｇ0 2 6Ｄｕ0 69Ｄｄ0 80 (ｔ/ｍｉｎ) ,( 5)据此 ,在 60 0 ,80 0 ,90 0ＮＬ/ｍｉｎ的提升气体流量下 ,Ｄｕ =Ｄｄ =30ｃｍ时 ,该 90ｔＲＨ装置相应的环流量分别约为 2 7 9,30和 31ｔ/ｍｉｎ 式 ( 3)～ ( 5)中 ,Ｑｇ 的指数略小于文献中给出的值 但是 ,从总体上说 ,环流量的变化规律彼此相似 ,并无明显的差异 ,随提升气体流量和上升管及下降管内径的增大而增大 当提升气体流量增大到一定值时 ,环流量会相应达到“饱和”值 在实际情况下 ,上升管和下降管内径同为 30ｃｍ ,气体流量为90 0ＮＬ/ｍｉｎ时 ,由图 5以及式 ( 1 )和 ( 5)可得相应的钢液“饱和”环流量约为 31ｔ/ｍｉｎ 图 5 给定上升管和下降管内径下环流量随提升气体流量的变化Ｆｉｇ .5 Ｃｈａｎｇｅｓｉｎｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎｒａｔｈｌｉｆｔｉｎｇｇａｓｆｌｏｗｒａｔｅａｔｔｈｅｇｉｖｅｎｉｎｎｅｒｄｉａｍｅｔｅｒｓｏｆｕｐ ａｎｄｄｏｗｎ ｓｎｏｒｋｅｌｓ 本工作的结果还表明 ,如同ＫＴＢ操作那样经顶枪向真空室吹入气体 ,环流量的变化不大 这可能与水力学模拟因自身的局限和不足无法对实际ＲＨ精炼过程中发生的化学反应进行模拟有关 此外 ,实验所用的顶枪气体流量相对较小 ,真空室内的压力未明显改变 对此 ,还需进一步研究3 2 ＲＨ钢包内液体的流态ＲＨ模型钢包 2个相互垂直的纵断面上液体的流态示于图 6 相应的实验条件相当于原型 30ｃｍ的上升管及下降管内径和 30ｔ/ｍｉｎ的环流量 可以看到 ,从下降管进入钢包的液流向下直冲钢包底部 ,而后沿包底流向四壁 ,再沿包壁上升 ,在钢包内约 2 /3的液高处形成大量回流 ,随后 ,该流的主体流向上升管入口端 ,从而完成所处理钢液的循环流动 下降管液流除形成大的主回流外 ,还形成大量小涡流 大回流和小涡流决定着ＲＨ钢包内的混合和传质 图 6 精炼过程中ＲＨ模型钢包内液体的流动状态 (Ｄｕ=Ｄｄ=6ｃｍ ,Ｑｌ=6 6 7Ｌ/ｍｉｎ)Ｆｉｇ .6 ＬｉｑｕｉｄｆｌｏｗｐａｔｔｅｒｎｓｉｎｔｈｅＲＨｍｏｄｅｌｌａｄｌｅｄｕｒｉｎｇｂｌｏｗｉｎｇ(Ｄｕ=Ｄｄ=6ｃｍ ,Ｑｌ=6 6 7Ｌ/ｍｉｎ) 由图 6还可以清楚地看到 ,在下降管液流和其周围的液体间存在一界面层 ,为典型的液 -液两相流 在下降管液流和其周围的液体间必定存在动量、能量和物质的交换 ,且其传递速率受液 -液两相流的规律制约 ,必定小于整体上呈完全紊流状态时的传递速率 以往通常认为ＲＨ钢包内的液体处于完全混合的紊流状态 从本工作的结果来看 ,这似乎并不合适 得到的ＲＨ钢包内液体的这种流动状态再次否定了在对ＲＨ过程的早期研究中得出的关于上升管和下降管之间存在“路短”现象的结论<9,1 0 > 就流场的数学模拟而言 ,必须采用三维数学模型才能较好地模拟钢包内的流动现象 表 2给出的数据表明 ,ＲＨ钢包内液体的回流速度与离下降液流的距离有关 ,靠近下降液流的液体速度较大 另外 ,将模型中的值折合成实际装置中的数据 ,达到钢包底部时液流的
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