工程科学学报，第38卷，增刊1：27-31,2016年6月 Chinese Journal of Engineering,Vol.38,Suppl.1:27-31,June 2016 DOI:10.13374/j.issn2095-9389.2016.s1.005:http://journals.ustb.edu.cn 吹气孔堵塞对RH循环流量的影响 李怡宏12)，申小维》，唐德池》，黄庆学) 1)太原科技大学太原重型机械协同创新中心，太原0340022)北京科技大学钢铁治金新技术国家重点实验室，北京100083 3)首钢技术研究院，北京100043 ☒通信作者，E-mail:mm.liyh@163.com 摘要根据相似原理，以某厂300tRH为原型建立了1：4的水模型，集中研究了吹气孔堵塞对RH循环流量的影响.结果表 明，吹气孔堵塞时，气量偏差对循环流量影响最大：当吹气孔对称堵塞时，吹气孔堵塞位置的连线与环流方向成0°时循环流量 最小，呈90°时循环流量最大：当吹气孔集中堵塞时，随吹气孔堵塞个数的增加，气泡泵的作用机制由环状机制向簇群状机制 转变，循环流量增加 关键词RH精炼：水模型：循环流量：吹气孔堵塞 分类号TF769.4 Effect of nozzles blocking on the circulation flow rate in RH vacuum equipment LI Yi-hong,SHEN Xiao-e),TANG De-chi),HUANG Qing-xue) 1)Collaborative Innovation Center of Taiyuan Heavy Machinery Equipment,Taiyuan University of Science and Technology,Taiyuan 034002,China 2)State Key Laboratory of Advanced Metallurgy,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China 3)Shougang Research Institute of Technology,Beijing 100043.China Corresponding author,E-mail:mm.liyh@163.com ABSTRACT Based on the similarity principle,a water model with a scale of 1:4 of a 300 t RH unit was established to study the effect of different modes of nozzles blocking on the RH circulation flow rate.Results show that the deviation of gas volume is the main factor influencing the circulation flow rate in the case of nozzles blocking.In the situation of symmetrical blocking,the circulation flow rate is minimum when the angle of the attachment of the blocking position and circulation direction is 0,on the contrary,the circula- tion flow rate is maximum when the angle is 90.In the situation of concentrated blocking,with the increase of the number of blocked nozzles,the mechanism of bubble pump action shifts from the annular bubble pump mechanism to the cluster bubble pump mechanism and the circulation flow rate is increased. KEY WORDS RH refining:water model:circulation flow rate:nuzzles blocking H真空精炼是钢液在真空下受气泡泵作用不断 影响循环流量的因素有很多，如提升气体流量、浸 循环流动进行脱碳、脱气等各种反应的过程，每分钟通 渍管浸入深度、真空室压力、真空室液面高度、浸渍管 过真空室的钢液量即为循环流量，是评价RH设备性 内径、吹气孔孔径、吹气孔数量和分布等习.本文针 能和处理效果的重要指标田.增大循环流量，对钢液 对在生产过程中H经常发生吹气孔堵塞的情况，从 的脱碳、脱气速率，钢液成分和温度的均匀化及去除夹 而直接影响到生产能否继续进行，对吹气孔堵塞情况 杂物等都是有利的-. 进行了研究.以前的文献仅对吹气孔堵塞方式和个数 收稿日期：201601-16 基金项目：太原科技大学博士启动基金资助项目(20152008：20142001：20152013：20152018)：山西省青年科技研究基金资助项目 (2013021019-1):国家青年科学基金资助项目(51404159)
工程科学学报，第 38 卷，增刊 1: 27--31，2016 年 6 月 Chinese Journal of Engineering，Vol． 38，Suppl． 1: 27--31，June 2016 DOI: 10． 13374 /j． issn2095--9389． 2016． s1． 005; http: / /journals． ustb． edu． cn 吹气孔堵塞对 ＲH 循环流量的影响 李怡宏1，2) ，申小维2) ，唐德池3) ，黄庆学1) 1) 太原科技大学太原重型机械协同创新中心，太原 034002 2) 北京科技大学钢铁冶金新技术国家重点实验室，北京 100083 3) 首钢技术研究院，北京 100043 通信作者，E-mail: mm． liyh@ 163． com 摘 要 根据相似原理，以某厂 300 t ＲH 为原型建立了 1∶ 4的水模型，集中研究了吹气孔堵塞对 ＲH 循环流量的影响． 结果表 明，吹气孔堵塞时，气量偏差对循环流量影响最大; 当吹气孔对称堵塞时，吹气孔堵塞位置的连线与环流方向成 0°时循环流量 最小，呈 90°时循环流量最大; 当吹气孔集中堵塞时，随吹气孔堵塞个数的增加，气泡泵的作用机制由环状机制向簇群状机制 转变，循环流量增加． 关键词 ＲH 精炼; 水模型; 循环流量; 吹气孔堵塞 分类号 TF769. 4 Effect of nozzles blocking on the circulation flow rate in ＲH vacuum equipment LI Yi-hong1，2) ，SHEN Xiao-wei2) ，TANG De-chi3) ，HUANG Qing-xue1) 1) Collaborative Innovation Center of Taiyuan Heavy Machinery Equipment，Taiyuan University of Science and Technology，Taiyuan 034002，China 2) State Key Laboratory of Advanced Metallurgy，University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083，China 3) Shougang Ｒesearch Institute of Technology，Beijing 100043，China Corresponding author，E-mail: mm． liyh@ 163． com ABSTＲACT Based on the similarity principle，a water model with a scale of 1∶ 4 of a 300 t ＲH unit was established to study the effect of different modes of nozzles blocking on the ＲH circulation flow rate． Ｒesults show that the deviation of gas volume is the main factor influencing the circulation flow rate in the case of nozzles blocking． In the situation of symmetrical blocking，the circulation flow rate is minimum when the angle of the attachment of the blocking position and circulation direction is 0°，on the contrary，the circulation flow rate is maximum when the angle is 90°． In the situation of concentrated blocking，with the increase of the number of blocked nozzles，the mechanism of bubble pump action shifts from the annular bubble pump mechanism to the cluster bubble pump mechanism and the circulation flow rate is increased． KEY WOＲDS ＲH refining; water model; circulation flow rate; nuzzles blocking 收稿日期: 2016--01--16 基金项目: 太原 科 技 大 学 博 士 启 动 基 金 资 助 项 目 ( 20152008; 20142001; 20152013; 20152018 ) ; 山西省青年科技研究基金资助项目 ( 2013021019--1) ; 国家青年科学基金资助项目( 51404159) ＲH 真空精炼是钢液在真空下受气泡泵作用不断 循环流动进行脱碳、脱气等各种反应的过程，每分钟通 过真空室的钢液量即为循环流量，是评价 ＲH 设备性 能和处理效果的重要指标［1］． 增大循环流量，对钢液 的脱碳、脱气速率，钢液成分和温度的均匀化及去除夹 杂物等都是有利的［2--5］． 影响循环流量的因素有很多，如提升气体流量、浸 渍管浸入深度、真空室压力、真空室液面高度、浸渍管 内径、吹气孔孔径、吹气孔数量和分布等［6--9］． 本文针 对在生产过程中 ＲH 经常发生吹气孔堵塞的情况，从 而直接影响到生产能否继续进行，对吹气孔堵塞情况 进行了研究． 以前的文献仅对吹气孔堵塞方式和个数
·28 工程科学学报，第38卷，增刊1 对循环流量的影响做了研究，给出各种堵塞方式下 可连续读数，适合测量封闭圆形管路的动态流体流量， RH正常工作时吹气孔能承受的堵塞个数.本文不仅 它的传感器是非接触式的，避免了对流场的破坏，可以 大范围的研究了吹气堵塞个数和堵塞方式对循环流量 在测量循环流量的同时进行其他研究. 的影响，还进一步探讨了吹气孔堵塞方向对循环流量 本实验所研究的H上升管共有16个吹气孔，分 的影响，并分析了吹气孔堵塞不同个数时上升管气泡 上下两排交错布置，如图2所示，不带填充色的(1~ 泵的泵起机制 8)是上排吹气孔，距离真空室1075mm:带填充色的 1实验原理及方法 (9°~16)是下排吹气孔，距离真空室1275mm.在进 行吹气孔不同堵塞方式的实验时，H浸渍管浸入深 1.1实验原理 度保持450mm,真空室压力保持67Pa,提升气体流量 本文采用1：4的有机玻璃模型模拟现场300tRH, 保持2500NL·min,按与环流方向成一定的角度逐渐 用水模拟钢液，空气模拟氩气进行实验，模型与原型的 增加堵塞个数. 相关参数见表1.由相似第二定理可知，水模拟除了需 要保证几何相似之外，还必须保证模型与原型的决定 性准数相等，即雷诺数(R)和弗鲁德数(Fr)相等.经 估算原型和模型下降管中流体的雷诺数均在第二自模 化区，为湍流流动，因此在满足几何相似的条件下，以 模型和原型修正的弗鲁德数相等为基础进行H提升 压 气体流量和循环流量的换算，得到模型与原型提升气 计 体流量和循环流量的关系分别见式(1)和式(2) 表1RH精炼装置原型与模型尺寸 Table 1 Sizes of the prototype and the model of RH unit 参数名称 原型尺寸/mm 模型尺寸/mm 钢包深度 4200 1050 真空泵 钢包上部直径 3920 980 图1RH水模实验装置示意图 钢包下部直径 3638 909.5 Fig.1 Schematic of the RH water model test device 钢液装入深度 3915 978.75 0 真空室直径 2524 631 135 浸渍管内径 750 187.5 浸渍管外径 1500 375 浸渍管长度 1650 412.5 180 环流方向 Q A匹P+p:h至 0 (P。+psgH。)Tm' (1) 16 PAi Ps 8 15 14 Q PAP (2) PAPSH 图2RH上升管吹气孔分布示意图 式中：Q为标态下模型空气流量，L·minl:Q标态下 Fig.2 Schematic of nozzles distribution in the upleg of the RH de- 原型氩气流量，L·min:Q.和Q。分别为模型和原型 vice 的循环流量，m3h1:入为相似比p和p分别为空气 2 实验结果和分析 和氩气在标态下的密度，kgm3;P.和ps分别为水和 钢液的密度，kg°m3:P.和P。分别为模型和原型真空 2.1堵塞上排和下排 室的压力，Pa:g为重力加速度，ms2:Hm和H。分别 图3是与环流方向成0°方向分别对上升管上排 为模型和原型吹气孔距真空室液面的距离，m:T。和 和下排吹气孔进行逐个堵塞，得到了吹气孔堵塞不同 T。分别为钢液和水的温度，K 个数下的循环流量，可以看出在堵塞上排吹气孔时，随 1.2实验方法 吹气孔堵塞个数的增加，循环流量先增加，当4个时减 本实验采用TDS-100H手持超声波流量计测 小，然后再增加.上排吹气孔堵塞1个或2个对上升 量@，实验装置示意图如图1所示.该方法操作简单， 管气流分布影响不大，但吹气孔个数的减少导致剩余
工程科学学报，第 38 卷，增刊 1 对循环流量的影响做了研究，给出各种堵塞方式下 ＲH 正常工作时吹气孔能承受的堵塞个数． 本文不仅 大范围的研究了吹气堵塞个数和堵塞方式对循环流量 的影响，还进一步探讨了吹气孔堵塞方向对循环流量 的影响，并分析了吹气孔堵塞不同个数时上升管气泡 泵的泵起机制． 1 实验原理及方法 1. 1 实验原理 本文采用 1∶ 4的有机玻璃模型模拟现场 300 t ＲH， 用水模拟钢液，空气模拟氩气进行实验，模型与原型的 相关参数见表 1． 由相似第二定理可知，水模拟除了需 要保证几何相似之外，还必须保证模型与原型的决定 性准数相等，即雷诺数( Ｒe) 和弗鲁德数( Fr) 相等． 经 估算原型和模型下降管中流体的雷诺数均在第二自模 化区，为湍流流动，因此在满足几何相似的条件下，以 模型和原型修正的弗鲁德数相等为基础进行 ＲH 提升 气体流量和循环流量的换算，得到模型与原型提升气 体流量和循环流量的关系分别见式( 1) 和式( 2) ． 表 1 ＲH 精炼装置原型与模型尺寸 Table 1 Sizes of the prototype and the model of ＲH unit 参数名称 原型尺寸/mm 模型尺寸/mm 钢包深度 4200 1050 钢包上部直径 3920 980 钢包下部直径 3638 909. 5 钢液装入深度 3915 978. 75 真空室直径 2524 631 浸渍管内径 750 187. 5 浸渍管外径 1500 375 浸渍管长度 1650 412. 5 Q0 Ai Q0 Ar = λ5 ρ 0 Ar ρ 0 Ai ρW ρS ( Pm + ρW gHm ) ( Pp + ρS gHp ) TS 槡 TW ， ( 1) Qm Qp = ρArρW H5 m ρAiρSH 槡 5 p ． ( 2) 式中: Q0 Ai为标态下模型空气流量，L·min － 1 ; Q0 Ar标态下 原型氩气流量，L·min － 1 ; Qm 和 Qp 分别为模型和原型 的循环流量，m3 ·h － 1 ; λ 为相似比; ρ 0 Ai和 ρ 0 Ar分别为空气 和氩气在标态下的密度，kg·m － 3 ; ρW 和 ρS 分别为水和 钢液的密度，kg·m － 3 ; Pm 和 Pp 分别为模型和原型真空 室的压力，Pa; g 为重力加速度，m·s － 2 ; Hm 和 Hp 分别 为模型和原型吹气孔距真空室液面的距离，m; TS 和 TW 分别为钢液和水的温度，K． 1. 2 实验方法 本实验 采 用 TDS--100H 手持超声波流量计测 量［10］，实验装置示意图如图 1 所示． 该方法操作简单， 可连续读数，适合测量封闭圆形管路的动态流体流量， 它的传感器是非接触式的，避免了对流场的破坏，可以 在测量循环流量的同时进行其他研究． 本实验所研究的 ＲH 上升管共有 16 个吹气孔，分 上下两排交错布置，如图 2 所示，不带填充色的( 1# ～ 8# ) 是上排吹气孔，距离真空室 1075 mm; 带填充色的 ( 9# ～ 16# ) 是下排吹气孔，距离真空室 1275 mm． 在进 行吹气孔不同堵塞方式的实验时，ＲH 浸渍管浸入深 度保持 450 mm，真空室压力保持 67 Pa，提升气体流量 保持 2500 NL·min － 1，按与环流方向成一定的角度逐渐 增加堵塞个数． 图 1 ＲH 水模实验装置示意图 Fig． 1 Schematic of the ＲH water model test device 图 2 ＲH 上升管吹气孔分布示意图 Fig． 2 Schematic of nozzles distribution in the upleg of the ＲH device 2 实验结果和分析 2. 1 堵塞上排和下排 图 3 是与环流方向成 0°方向分别对上升管上排 和下排吹气孔进行逐个堵塞，得到了吹气孔堵塞不同 个数下的循环流量，可以看出在堵塞上排吹气孔时，随 吹气孔堵塞个数的增加，循环流量先增加，当 4 个时减 小，然后再增加． 上排吹气孔堵塞 1 个或 2 个对上升 管气流分布影响不大，但吹气孔个数的减少导致剩余 · 82 ·
李怡宏等：吹气孔堵塞对RH循环流量的影响 ·29 的各吹气孔吹出气体的气量和速度都有所增加.由于 量影响最大的因素是气量偏差，其次是气泡行程，气体 下排吹气孔比上排吹气孔的布置位置的低200mm,所 流速对循环流量影响很小 以堵塞上排吹气孔会使部分气泡的行程增加，气泡对 2.2对称堵塞 液体的做功也增加，循环流量增大.另外吹出气体流 图4为沿与RH环流方向成0°、45°、90°对称堵塞 速增加，气泡数量增多，气泡在上升管中的分布范围扩 0、2、4、6、8、10吹气孔时的循环流量.可以看出，在对 大，也促进了循环流量的增加.当上排吹气孔堵塞个 称堵塞10个吹气孔以内，循环流量是随吹气孔堵塞个 数增加到3个时，循环流量微微减小，增加到4个时， 数的增加而减小的.当吹气孔对称堵塞2个时，不同 循环流量急剧减小.上排吹气孔堵塞4个时，虽然总 方向堵塞方案的循环流量基本一致，相对于没有堵塞 的气泡行程有所增加，但此时上升管有吹气孔堵塞一 的方案，平均约减小3.7%.当吹气孔对称堵塞4个及 侧与无吹气孔堵塞一侧间的气量偏差达到最大，未堵 以上时，循环流量便开始急剧减小，并且沿不同方向堵 塞侧气量约为堵塞侧气量的两倍，未堵塞侧气泡产生 塞的循环流量减小程度也不一样.当吹气孔沿环流方 的液体流股涌入到真空室，形成强于右侧的波浪，形成 向对称堵塞时，剩下了R上升管前后两股气流，在气 涡流，阻碍了右侧液体流股沿环流方向流向下降管，导 泡泵的作用下，形成了两股处于环形通道两侧的液流， 致循环流量减小.当上排吹气孔堵塞个数增加到5个 上升到真空室后引起波浪相互碰撞，造成真空室液面 及以上时，左右两侧气量偏差又开始逐渐减小，所以循 剧烈波动，扰乱了真空室的环流通路，循环流量骤减， 环流量继续增加 在吹气孔对称堵塞个数为10个时，循环量减小了 200 44.6%.当吹气孔与环流方向成90°对称堵塞时，形成 190 了两股处于环流通道上相同强度的液流，它们上升到 180 真空室后也相互碰撞，但在环流抽引力的作用和右侧 170 真空室内壁的阻挡下，绝大部分液流直接沿环流通道 10 流入下降管，对循环流量的影响较小，在吹气孔对称堵 150 塞个数为10个时，循环量减小了28.6%.吹气孔与环 140 流方向成45°对称堵塞的方案介于前两种方案之间， 循环流量也介于两者之间，在吹气孔对称堵塞个数为 130 10个时，循环量减小了34.0% 120 012345678 180 吹气孔堵塞个数 170 图3吹气孔堵塞个数对循环流量的影响 160 Fig.3 Effect of the number of blocked nozzles on the circulation flow rate 目150 140 堵塞下排吹气孔时，随吹气孔堵塞个数增加，循环 130 90° 流量先减小，到4个时也降到最低，后增加，然后再减 120 45 小，与堵塞上排吹气孔时的循环流量曲线形状基本一 110 致，但是整体趋势向下，与堵塞上排吹气孔时相反.随 100 90 着下排吹气孔堵塞个数的增加，总的气泡行程是不断 6 减小的，所以循环流量的整体趋势是下降的.在吹气 吹气孔对称堵塞个数 孔堵塞3个和4个时，循环流量出现了急剧下降的现 图4吹气孔对称堵塞个数对循环流量的影响 象，同样是由于气量偏差造成的.而在吹气孔堵塞5 Fig.4 Effect of the number of blocked nozzles on the circulation flow rate in the situation of symmetric blocking 个和6个时，由于气量偏差减小而引起的循环流量的 增量大于因吹气孔个数增加而减少的循环流量，所以 2.3集中堵塞 循环流量又出现上升趋势.当吹气孔堵塞个数达到7 图5是沿与环流方向成0°、45°、90°、135°、180°对 个或8个时，气量偏差已经很小，对循环流量的影响很 吹气孔进行集中堵塞时，吹气孔堵塞个数对循环流量 小，所以循环流量又出现下降趋势.下排吹气孔堵塞8 的影响，可以看出循环流量随吹气孔集中堵塞个数的 个时的循环流量小于堵塞0个时的循环流量，说明气 增加呈现出先减小后增大的趋势.当吹气孔只堵塞1 泡行程减小对循环流量的影响要大于气体流速增加对 个时，对气量偏差基本没有影响，循环流量没有太大的 循环流量的影响 变化；当吹气孔堵塞个数增加到3个时，气量偏差增 综上所述，在堵塞上排或下排吹气孔时，对循环流 大，循环流量便开始急剧减小，相对于未堵塞情况平均
李怡宏等: 吹气孔堵塞对 ＲH 循环流量的影响 的各吹气孔吹出气体的气量和速度都有所增加． 由于 下排吹气孔比上排吹气孔的布置位置的低 200 mm，所 以堵塞上排吹气孔会使部分气泡的行程增加，气泡对 液体的做功也增加，循环流量增大． 另外吹出气体流 速增加，气泡数量增多，气泡在上升管中的分布范围扩 大，也促进了循环流量的增加． 当上排吹气孔堵塞个 数增加到 3 个时，循环流量微微减小，增加到 4 个时， 循环流量急剧减小． 上排吹气孔堵塞 4 个时，虽然总 的气泡行程有所增加，但此时上升管有吹气孔堵塞一 侧与无吹气孔堵塞一侧间的气量偏差达到最大，未堵 塞侧气量约为堵塞侧气量的两倍，未堵塞侧气泡产生 的液体流股涌入到真空室，形成强于右侧的波浪，形成 涡流，阻碍了右侧液体流股沿环流方向流向下降管，导 致循环流量减小． 当上排吹气孔堵塞个数增加到 5 个 及以上时，左右两侧气量偏差又开始逐渐减小，所以循 环流量继续增加． 图 3 吹气孔堵塞个数对循环流量的影响 Fig． 3 Effect of the number of blocked nozzles on the circulation flow rate 堵塞下排吹气孔时，随吹气孔堵塞个数增加，循环 流量先减小，到 4 个时也降到最低，后增加，然后再减 小，与堵塞上排吹气孔时的循环流量曲线形状基本一 致，但是整体趋势向下，与堵塞上排吹气孔时相反． 随 着下排吹气孔堵塞个数的增加，总的气泡行程是不断 减小的，所以循环流量的整体趋势是下降的． 在吹气 孔堵塞 3 个和 4 个时，循环流量出现了急剧下降的现 象，同样是由于气量偏差造成的． 而在吹气孔堵塞 5 个和 6 个时，由于气量偏差减小而引起的循环流量的 增量大于因吹气孔个数增加而减少的循环流量，所以 循环流量又出现上升趋势． 当吹气孔堵塞个数达到 7 个或 8 个时，气量偏差已经很小，对循环流量的影响很 小，所以循环流量又出现下降趋势． 下排吹气孔堵塞 8 个时的循环流量小于堵塞 0 个时的循环流量，说明气 泡行程减小对循环流量的影响要大于气体流速增加对 循环流量的影响． 综上所述，在堵塞上排或下排吹气孔时，对循环流 量影响最大的因素是气量偏差，其次是气泡行程，气体 流速对循环流量影响很小． 2. 2 对称堵塞 图 4 为沿与 ＲH 环流方向成 0°、45°、90°对称堵塞 0、2、4、6、8、10 吹气孔时的循环流量． 可以看出，在对 称堵塞 10 个吹气孔以内，循环流量是随吹气孔堵塞个 数的增加而减小的． 当吹气孔对称堵塞 2 个时，不同 方向堵塞方案的循环流量基本一致，相对于没有堵塞 的方案，平均约减小 3. 7% ． 当吹气孔对称堵塞 4 个及 以上时，循环流量便开始急剧减小，并且沿不同方向堵 塞的循环流量减小程度也不一样． 当吹气孔沿环流方 向对称堵塞时，剩下了 ＲH 上升管前后两股气流，在气 泡泵的作用下，形成了两股处于环形通道两侧的液流， 上升到真空室后引起波浪相互碰撞，造成真空室液面 剧烈波动，扰乱了真空室的环流通路，循环流量骤减， 在吹 气 孔 对 称 堵 塞 个 数 为 10 个 时，循 环 量 减 小 了 44. 6% ． 当吹气孔与环流方向成 90°对称堵塞时，形成 了两股处于环流通道上相同强度的液流，它们上升到 真空室后也相互碰撞，但在环流抽引力的作用和右侧 真空室内壁的阻挡下，绝大部分液流直接沿环流通道 流入下降管，对循环流量的影响较小，在吹气孔对称堵 塞个数为 10 个时，循环量减小了 28. 6% ． 吹气孔与环 流方向成 45°对称堵塞的方案介于前两种方案之间， 循环流量也介于两者之间，在吹气孔对称堵塞个数为 10 个时，循环量减小了 34. 0% ． 图 4 吹气孔对称堵塞个数对循环流量的影响 Fig． 4 Effect of the number of blocked nozzles on the circulation flow rate in the situation of symmetric blocking 2. 3 集中堵塞 图 5 是沿与环流方向成 0°、45°、90°、135°、180°对 吹气孔进行集中堵塞时，吹气孔堵塞个数对循环流量 的影响，可以看出循环流量随吹气孔集中堵塞个数的 增加呈现出先减小后增大的趋势． 当吹气孔只堵塞 1 个时，对气量偏差基本没有影响，循环流量没有太大的 变化; 当吹气孔堵塞个数增加到 3 个时，气量偏差增 大，循环流量便开始急剧减小，相对于未堵塞情况平均 · 92 ·
·30· 工程科学学报，第38卷，增刊1 约减小25.3%.当吹气孔集中堵塞个数在7~9个之 间时，各方案的循环流量有极小值，并且堵塞方向与环 流方向的角度越小，其极小值也越小.其中沿与环流 方向成0°堵塞方案的循环流量明显小于其他方案，因 0 0 为上升管右侧的吹气孔堵塞后，只剩下了上升管左侧 0 0 0 o00 的一股气流，液流上升到真空室，形成涌泉，向四周流 0 0 0 0 0 动，涌泉左侧的直接流向下降管，而涌泉右侧的在流向 0 0 0 0 0 00009 上升管右侧时容易形成涡流，对上升管的液流形成了 0 阻碍：而与环流方向成180°堵塞的方案与沿0°方向堵 o 0 塞的方案刚好相反，因此相对其他方案有较大的循环 图6气泡泵的泵起机制示意图.()环状气泡泵：()簇群状 流量.综上可以得出，在吹气孔集中堵塞的情况下，堵 气泡泵 塞越靠近上升管右侧的吹气孔对循环流量的影响 Fig.6 View of the mechanism of bubble pump action:(a)annular 越大 bubble pump:(b)cluster bubble pump 200 塞少数吹气孔时的循环流量并不一致.当与环流方向 180 成0堵塞15个吹气孔时，只剩下1吹气孔，气泡吹向 160 上升管中心线偏右处，带液体流股向上运动，如图6 (b)所示，上升到真空室后，在上升管靠近真空室右侧 0 120 135 壁面处形成涌泉，由于该涌泉处于环形通道上，且涌泉 右侧受真空室壁面阻挡，大部分液体都沿环形通道流 100 向下降管，循环流量最大.当与环流方向成180°堵塞 80 15个吹气孔时，剩下的8吹气孔引起的液流方向刚好 60 和1相反，但也处于环流通道上，由于形成的气泡流 01 3 579111315 偏向左侧占满了大部分上升管，仅有少量偏流流向真 吹气孔集中堵塞个数 图5吹气孔集中堵塞个数对循环流量的影响 空室右侧壁面引起扰动，绝大部分液体还是直接沿环 Fig.5 Effect of the number of blocked nozzles on the circulation flow 流通道流向下降管，因此也有较大的循环流量.在 rate in the situation of concentrated blocking 45°、90°、135°之中，随堵塞角度增加，循环流量逐渐减 小，因为它们产生的气流由真空室右侧逆时针逐渐向 当吹气集中堵塞个数增加到11个及以上时，循环 中心偏移，增大了上升到真空室涌泉的偏流，增加了对 流量又开始慢慢增加，因为此时气泡泵的泵起机制发 生了变化.当吹气孔不堵塞或堵塞个数较小时，从每 环流通道的干扰. 综上所述，在吹气孔集中堵塞的情况下，影响循环 个吹气孔吹出的气量较小，速度也比较小，它们沿上升 流量大小的因素主要有吹气孔的堵塞个数和堵塞方 管的壁面上升形成多路气泡泵，在气量达到一定程度 向，堵塞个数决定了气泡泵的作用机制，堵塞方向决定 时，各路气泡泵相连接，形成一个环形气泡泵通路，在 了上升液体的流动形态.循环流量随吹气孔集中堵塞 这种机制下，除了各路气泡泵本身引起的液流上升到 数量增加而先减小后增加是因为气泡泵的作用机制发 真空室外，还有处于环路中的液体由于受到环形气泡 生了变化，当吹气孔堵塞9个时，剩下的7个吹气孔气 流向上的剪切力作用，也会向上运动，如图6(a)所示. 量和流速增大，环状气泡泵作用机制向簇群状气泡作 当吹气孔堵塞的个数增加时，每个吹气孔吹出的气量 用机制转变，循环流量增大.簇群状气泡作用机制与 增加，出口流速变大，气泡不再沿上升管壁面上升，而 气流方向和簇群状大小及分散程度有关，当气流形成 是被吹到上升管中心或甚至是对面，形成大量气泡，带 大量气泡分散在上升管且靠近真空室右侧壁时，能产 动液体上升，这种机制下只有气泡泵本身的作用，没有 生比相同提升气体流量下环状气泡泵作用机制更大的 环形剪切力的作用.当吹气孔堵塞15个时，只剩下1 循环流量. 个吹气孔，该吹气孔的气体流量和气流速度急刷增加， 可以吹至上升管中心偏对面管壁，如图6(b)所示，上 3结论 升管中气泡分布范围增大，循环流量也显著增加 (1)吹气孔堵塞时，气量偏差对循环流量影响最 在只剩1个吹气孔吹气时，气泡泵的做功是相同 大.在堵塞4个吹气孔时循环流量达到最小值，堵上 的，但各方案循环流量并不一样，沿0°堵塞时最大，沿 排吹气孔时循环流量整体上呈增加趋势，而堵塞下排 180°堵塞时次之，然后依次是45°、90°、135°，与集中堵 吹气孔时循环流量整体上呈减小趋势
工程科学学报，第 38 卷，增刊 1 约减小 25. 3% ． 当吹气孔集中堵塞个数在 7 ～ 9 个之 间时，各方案的循环流量有极小值，并且堵塞方向与环 流方向的角度越小，其极小值也越小． 其中沿与环流 方向成 0°堵塞方案的循环流量明显小于其他方案，因 为上升管右侧的吹气孔堵塞后，只剩下了上升管左侧 的一股气流，液流上升到真空室，形成涌泉，向四周流 动，涌泉左侧的直接流向下降管，而涌泉右侧的在流向 上升管右侧时容易形成涡流，对上升管的液流形成了 阻碍; 而与环流方向成 180°堵塞的方案与沿 0°方向堵 塞的方案刚好相反，因此相对其他方案有较大的循环 流量． 综上可以得出，在吹气孔集中堵塞的情况下，堵 塞越靠近上升管右侧的吹气孔对循环流量的影响 越大． 图 5 吹气孔集中堵塞个数对循环流量的影响 Fig． 5 Effect of the number of blocked nozzles on the circulation flow rate in the situation of concentrated blocking 当吹气集中堵塞个数增加到 11 个及以上时，循环 流量又开始慢慢增加，因为此时气泡泵的泵起机制发 生了变化． 当吹气孔不堵塞或堵塞个数较小时，从每 个吹气孔吹出的气量较小，速度也比较小，它们沿上升 管的壁面上升形成多路气泡泵，在气量达到一定程度 时，各路气泡泵相连接，形成一个环形气泡泵通路，在 这种机制下，除了各路气泡泵本身引起的液流上升到 真空室外，还有处于环路中的液体由于受到环形气泡 流向上的剪切力作用，也会向上运动，如图 6( a) 所示． 当吹气孔堵塞的个数增加时，每个吹气孔吹出的气量 增加，出口流速变大，气泡不再沿上升管壁面上升，而 是被吹到上升管中心或甚至是对面，形成大量气泡，带 动液体上升，这种机制下只有气泡泵本身的作用，没有 环形剪切力的作用． 当吹气孔堵塞 15 个时，只剩下 1 个吹气孔，该吹气孔的气体流量和气流速度急剧增加， 可以吹至上升管中心偏对面管壁，如图 6( b) 所示，上 升管中气泡分布范围增大，循环流量也显著增加． 在只剩 1 个吹气孔吹气时，气泡泵的做功是相同 的，但各方案循环流量并不一样，沿 0°堵塞时最大，沿 180°堵塞时次之，然后依次是 45°、90°、135°，与集中堵 图 6 气泡泵的泵起机制示意图． ( a) 环状气泡泵; ( b) 簇群状 气泡泵 Fig． 6 View of the mechanism of bubble pump action: ( a) annular bubble pump; ( b) cluster bubble pump 塞少数吹气孔时的循环流量并不一致． 当与环流方向 成 0°堵塞 15 个吹气孔时，只剩下 1# 吹气孔，气泡吹向 上升管中心线偏右处，带液体流股向上运动，如图 6 ( b) 所示，上升到真空室后，在上升管靠近真空室右侧 壁面处形成涌泉，由于该涌泉处于环形通道上，且涌泉 右侧受真空室壁面阻挡，大部分液体都沿环形通道流 向下降管，循环流量最大． 当与环流方向成 180°堵塞 15 个吹气孔时，剩下的 8# 吹气孔引起的液流方向刚好 和 1# 相反，但也处于环流通道上，由于形成的气泡流 偏向左侧占满了大部分上升管，仅有少量偏流流向真 空室右侧壁面引起扰动，绝大部分液体还是直接沿环 流通道流向下降管，因此也有较大的循环流量． 在 45°、90°、135°之中，随堵塞角度增加，循环流量逐渐减 小，因为它们产生的气流由真空室右侧逆时针逐渐向 中心偏移，增大了上升到真空室涌泉的偏流，增加了对 环流通道的干扰． 综上所述，在吹气孔集中堵塞的情况下，影响循环 流量大小的因素主要有吹气孔的堵塞个数和堵塞方 向，堵塞个数决定了气泡泵的作用机制，堵塞方向决定 了上升液体的流动形态． 循环流量随吹气孔集中堵塞 数量增加而先减小后增加是因为气泡泵的作用机制发 生了变化，当吹气孔堵塞 9 个时，剩下的 7 个吹气孔气 量和流速增大，环状气泡泵作用机制向簇群状气泡作 用机制转变，循环流量增大． 簇群状气泡作用机制与 气流方向和簇群状大小及分散程度有关，当气流形成 大量气泡分散在上升管且靠近真空室右侧壁时，能产 生比相同提升气体流量下环状气泡泵作用机制更大的 循环流量． 3 结论 ( 1) 吹气孔堵塞时，气量偏差对循环流量影响最 大． 在堵塞 4 个吹气孔时循环流量达到最小值，堵上 排吹气孔时循环流量整体上呈增加趋势，而堵塞下排 吹气孔时循环流量整体上呈减小趋势． · 03 ·
李怡宏等：吹气孔堵塞对RH循环流量的影响 ·31 (2)吹气孔对称堵塞时，堵塞10个吹气孔以内， (8):31 循环流量随吹气孔堵塞个数增加而减小.吹气孔与环 [5]Geng DQ,Lei H,He JC.Three-dimensional numerical simula- 流方向成0°堵塞时循环流量最小，呈90°堵塞时循环 tion of coalescence and removal of inclusions in RH degasser.J Iron Steel Res,2009,21(12)10 流量最大，呈45°堵塞时循环流量介于两者之间. (耿佃桥，雷洪，赫冀成.H装置内夹杂物聚合与去除的三维 (3)吹气孔集中堵塞时，循环流量随堵塞个数的 数值模拟.钢铁研究学报，2009,21(12)：10) 增加呈现先减小再增加的趋势，在吹气孔堵塞7~9个 [6] Ai X G,Bao Y P,Wu H J,et al.A study on water model for cir- 时，达到最小值，靠近上升管右侧的吹气孔堵塞对循环 culation flow rate optimization in RH degassing refining.Spec 流量的影响较大.同时，随吹气孔堵塞个数的增加，气 Steel,2009,30(3):1 泡泵的作用机制由环状机制向簇群状机制转变，循环 (艾新港，包燕平，吴华杰，等.H精炼循环流量优化的水模型 研究.特殊钢，2009,30(3)：1) 流量增加 7]Sun L,Ai LQ,Zhao J H,et al.Numerical simulation on molten steel flow and circulation flow rate in RH vacuum degassing 参考文献 process.Iron Steel Vanadium Titanium,2009,30(2):28 ]Zhang J.Theory and Practice of Secondary Refining.Beijing: (孙亮，艾立群，赵俊花，等.RH精炼过程钢液流动行为与循环 Metallurgical Industry Press,1993 流量数值模拟.钢铁钒钛，2009,30(2)：28) (张鉴.炉外精炼的理论与实践.北京：治金工业出版社，1993) 8] Shu H F,Song C,Zhang X F,et al.Study on circulation flow 2]Qu T.Increment of refining efficiency for RH vacuum treatment. rate in water model of RH-MFB vacuum refining process.J Mater Iron Steel,1996,31(5):17 Metall,2004,3(2):107 (区铁提高RH真空处理的精炼效率.钢铁，1996,31(5)： (舒宏宫，宋超，张晓峰，等.RH-MFB真空精炼过程中循环流 17) 量的物理模拟研究.材料与治金学报，2004,3(2)：107) 3]Huang C H,Yu X B.Studies on homogenization of compositions ] Frank A,Wordgang P.Circulation rate of liquid steel in RH de- and temperature of liquid steel in RH refining.Steelmaking, gassers.Steel Res,1998,69(2):54 2005,21(2):22 [10]Qi F S,Wang C Y,Li B K.Experimental analysis of circulation (黄成红，于学斌.H精炼过程中钢液成分和温度均匀化的 flow rate in water model of RH vacuum degassing vessel.J Mater 研究.炼钢，2005,21(2)：22) Metall,2002,1(4):271 4]Miki Y,Thomas B G,Denissov A,et al.Model of inclusion re- (齐风升，王承阳，李宝宽.H真空循环脱气装置水模型循流 moval during RH degassing of steel.Iron Steelmaker,1997,24 量的实验分析.材料与治金学报，2002,1(4)：271)
李怡宏等: 吹气孔堵塞对 ＲH 循环流量的影响 ( 2) 吹气孔对称堵塞时，堵塞 10 个吹气孔以内， 循环流量随吹气孔堵塞个数增加而减小． 吹气孔与环 流方向成 0°堵塞时循环流量最小，呈 90°堵塞时循环 流量最大，呈 45°堵塞时循环流量介于两者之间． ( 3) 吹气孔集中堵塞时，循环流量随堵塞个数的 增加呈现先减小再增加的趋势，在吹气孔堵塞 7 ～ 9 个 时，达到最小值，靠近上升管右侧的吹气孔堵塞对循环 流量的影响较大． 同时，随吹气孔堵塞个数的增加，气 泡泵的作用机制由环状机制向簇群状机制转变，循环 流量增加． 参 考 文 献 ［1］ Zhang J． Theory and Practice of Secondary Ｒefining． Beijing: Metallurgical Industry Press，1993 ( 张鉴． 炉外精炼的理论与实践． 北京: 冶金工业出版社，1993) ［2］ Qu T． Increment of refining efficiency for ＲH vacuum treatment． Iron Steel，1996，31( 5) : 17 ( 区铁． 提高 ＲH 真空处理的精炼效率． 钢铁，1996，31 ( 5) : 17) ［3］ Huang C H，Yu X B． Studies on homogenization of compositions and temperature of liquid steel in ＲH refining． Steelmaking， 2005，21( 2) : 22 ( 黄成红，于学斌． ＲH 精炼过程中钢液成分和温度均匀化的 研究． 炼钢，2005，21( 2) : 22) ［4］ Miki Y，Thomas B G，Denissov A，et al． Model of inclusion removal during ＲH degassing of steel． Iron Steelmaker，1997，24 ( 8) : 31 ［5］ Geng D Q，Lei H，He J C． Three-dimensional numerical simulation of coalescence and removal of inclusions in ＲH degasser． J Iron Steel Ｒes，2009，21( 12) : 10 ( 耿佃桥，雷洪，赫冀成． ＲH 装置内夹杂物聚合与去除的三维 数值模拟． 钢铁研究学报，2009，21( 12) : 10) ［6］ Ai X G，Bao Y P，Wu H J，et al． A study on water model for circulation flow rate optimization in ＲH degassing refining． Spec Steel，2009，30( 3) : 1 ( 艾新港，包燕平，吴华杰，等． ＲH 精炼循环流量优化的水模型 研究． 特殊钢，2009，30( 3) : 1) ［7］ Sun L，Ai L Q，Zhao J H，et al． Numerical simulation on molten steel flow and circulation flow rate in ＲH vacuum degassing process． Iron Steel Vanadium Titanium，2009，30( 2) : 28 ( 孙亮，艾立群，赵俊花，等． ＲH 精炼过程钢液流动行为与循环 流量数值模拟． 钢铁钒钛，2009，30( 2) : 28) ［8］ Shu H F，Song C，Zhang X F，et al． Study on circulation flow rate in water model of ＲH--MFB vacuum refining process． J Mater Metall，2004，3( 2) : 107 ( 舒宏富，宋超，张晓峰，等． ＲH--MFB 真空精炼过程中循环流 量的物理模拟研究． 材料与冶金学报，2004，3( 2) : 107) ［9］ Frank A，Wordgang P． Circulation rate of liquid steel in ＲH degassers． Steel Ｒes，1998，69( 2) : 54 ［10］ Qi F S，Wang C Y，Li B K． Experimental analysis of circulation flow rate in water model of ＲH vacuum degassing vessel． J Mater Metall，2002，1( 4) : 271 ( 齐凤升，王承阳，李宝宽． ＲH 真空循环脱气装置水模型循流 量的实验分析． 材料与冶金学报，2002，1( 4) : 271) · 13 ·
