D0L:10.13374f.issn1001-053x.2011.s1.007 第33卷增刊1 北京科技大学学报 Vol.33 Suppl.1 2011年12月 Journal of University of Science and Technology Beijing Dec.2011 210tRH浸渍管内钢液流动机理的水模型实验研究 郭汉杰李宁☒中甜甜 北京科技大学钢铁治金新技术国家重点实验室，北京100083 通信作者，E-mail:lining924@126.com 摘要采用1：4的比例建立水力学模型模拟210t多功能RH浸渍管内钢液流动装置，对钢液流态进行分析，并考察吹氩量、 浸渍管插入深度及吹氩孔个数对钢液流场和混匀时间的影响.结果表明：钢包内存在一主回流和大量小回流，并且来自下降 管的下降液流和其周围液体形成了液一液两相流，这种流动状态对钢包内的混合及传质起着决定性的作用：本文得到的关于 H钢包内液体的这种流动状态，否定了过程的早期研究中关于下降管和上升管间存在“短流”现象的结论.吹氩量、浸渍 管插入深度、上层和下层吹氩孔个数对钢液混匀时间的影响都非常明显，其中吹氩量及下层吹氩孔个数的变化对钢液混匀时 间的影响趋势较为强烈 关键词炼钢；精炼；相似原理：水模拟：流态 分类号TF062 Study on molten steel flow mechanism in 210t RH snorkels by water model ex- perimental GUO Hanijie,L Ning☒，SHEN Tian-tian State Key Laboratory of Advanced Metallurgy.University of Science and Technology Beijing.Beijing 100083.China Corresponding author,E-mail:lining924@126.com ABSTRACT A water model was builted by employing 1:4 ratio to simulate 210t multi-function RH devices.The flow pattern of mol- ten steel and the influence of argon blowing quantity,snorkel insertion depth and the number of argon blowing holes on the flow field of molten steel and mixing time were investigated by the water model.The results show that a main backflow and lots of small backflows exist in the steel ladle,and the decline fluid flow from the down tube forms a liquid-liquid two-phase flow,which plays a critical role in mixing and transforming in the steel ladle.The conclusion about 'short flow'that exists between the down tube and the offtake pipe in early studies is denied by the flow pattem in the RH steel ladle in this paper.The argon blowing quantity,snorkel insertion depth and the numbers of the upper and lower argon blowing holes influence the mixing time of molten steel obviously,but the argon blowing quantity and the number of lower argon blowing holes are stronger. KEY WORDS steelmaking:refining:similarity principle;water modeling:flow patterns 在RH精炼过程中，浸渍管内钢液的循环流动 动和混合，成分及温度的均匀化、精炼反应的速率及 及在真空状态下发生的剧烈化学反应，使浸渍管壁 效果等都与钢液的流动和混合相关)，国内外已做 受冲刷而损毁严重.钢液以30~80t·min-'的循环 过很多关于提高精炼反应效率的研究2-).同时，关 流量经上升管进入真空室，再经下降管进入钢包，钢 于钢液流动过程中对浸渍管的化学侵蚀缩短浸渍管 液运动产生的物理冲刷非常强烈，同时载气的冲刷 寿命的研究也有很多，但也不能忽略机械力冲 作用随着附加气体的喷吹而加剧，使得在通常的高 刷对浸渍管使用寿命的影响，钢液的循环流动和混 温、低压条件下，浸渍管使用到中后期形成喇叭口， 合特性是研究浸渍管受钢液机械力冲刷的关键因 危及到浸渍管的整体结构，只能下线停止使用. 素.因此，要研究浸渍管的寿命就必须研究整个RH RH精炼过程的关键性环节在于钢液的循环流 精炼过程中钢液的流动状况. 收稿日期：201105一17
第 33 卷 增刊 1 2011 年 12 月 北京科技大学学报 Journal of University of Science and Technology Beijing Vol． 33 Suppl． 1 Dec． 2011 210 t RH 浸渍管内钢液流动机理的水模型实验研究 郭汉杰 李 宁 申甜甜 北京科技大学钢铁冶金新技术国家重点实验室，北京 100083 通信作者，E-mail: lining924@ 126． com 摘 要 采用 1∶ 4的比例建立水力学模型模拟 210 t 多功能 RH 浸渍管内钢液流动装置，对钢液流态进行分析，并考察吹氩量、 浸渍管插入深度及吹氩孔个数对钢液流场和混匀时间的影响． 结果表明: 钢包内存在一主回流和大量小回流，并且来自下降 管的下降液流和其周围液体形成了液--液两相流，这种流动状态对钢包内的混合及传质起着决定性的作用; 本文得到的关于 RH 钢包内液体的这种流动状态，否定了 RH 过程的早期研究中关于下降管和上升管间存在“短流”现象的结论． 吹氩量、浸渍 管插入深度、上层和下层吹氩孔个数对钢液混匀时间的影响都非常明显，其中吹氩量及下层吹氩孔个数的变化对钢液混匀时 间的影响趋势较为强烈． 关键词 炼钢; 精炼; 相似原理; 水模拟; 流态 分类号 TF062 Study on molten steel flow mechanism in 210 t RH snorkels by water model experimental GUO Han-jie，LI Ning ，SHEN Tian-tian State Key Laboratory of Advanced Metallurgy，University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083，China Corresponding author，E-mail: lining924@ 126． com ABSTRACT A water model was builted by employing 1∶ 4 ratio to simulate 210 t multi-function RH devices． The flow pattern of molten steel and the influence of argon blowing quantity，snorkel insertion depth and the number of argon blowing holes on the flow field of molten steel and mixing time were investigated by the water model． The results show that a main backflow and lots of small backflows exist in the steel ladle，and the decline fluid flow from the down tube forms a liquid-liquid two-phase flow，which plays a critical role in mixing and transforming in the steel ladle． The conclusion about‘short flow’that exists between the down tube and the offtake pipe in early studies is denied by the flow pattern in the RH steel ladle in this paper． The argon blowing quantity，snorkel insertion depth and the numbers of the upper and lower argon blowing holes influence the mixing time of molten steel obviously，but the argon blowing quantity and the number of lower argon blowing holes are stronger． KEY WORDS steelmaking; refining; similarity principle; water modeling; flow patterns 收稿日期: 2011--05--17 在 RH 精炼过程中，浸渍管内钢液的循环流动 及在真空状态下发生的剧烈化学反应，使浸渍管壁 受冲刷而损毁严重． 钢液以 30 ～ 80 t·min － 1 的循环 流量经上升管进入真空室，再经下降管进入钢包，钢 液运动产生的物理冲刷非常强烈，同时载气的冲刷 作用随着附加气体的喷吹而加剧，使得在通常的高 温、低压条件下，浸渍管使用到中后期形成喇叭口， 危及到浸渍管的整体结构，只能下线停止使用． RH 精炼过程的关键性环节在于钢液的循环流 动和混合，成分及温度的均匀化、精炼反应的速率及 效果等都与钢液的流动和混合相关［1］，国内外已做 过很多关于提高精炼反应效率的研究［2--4］． 同时，关 于钢液流动过程中对浸渍管的化学侵蚀缩短浸渍管 寿命的研究也有很多［5--6］，但也不能忽略机械力冲 刷对浸渍管使用寿命的影响，钢液的循环流动和混 合特性是研究浸渍管受钢液机械力冲刷的关键因 素． 因此，要研究浸渍管的寿命就必须研究整个 RH 精炼过程中钢液的流动状况． DOI:10.13374/j.issn1001-053x.2011.s1.007
增刊1 郭汉杰等：210tRH浸渍管内钢液流动机理的水模型实验研究 7· 本文根据相似理论，模拟210t多功能RH装 式中，u为流速(mmin1),Q为流量(m3h-),t为 置内钢液的循环流动和混合特性，考察各相关因 时间(s) 素的影响.通过模拟RH内各个部位的流速及流 1.2实验设备及实验方法 场分布，测定混匀时间，以期进一步了解浸渍管在 RH水模实验装置示意图如图1所示，图2为实 钢液中所受流场冲刷情况，并结合试验结果进行 物装置图.由氧气瓶提供的氧气来代替氩气作为驱 回归分析，为优化RH精炼过程，延长浸渍管寿命 动气体，钢包中使用自来水模拟钢液，在钢包底部采 提供依据. 用电导探头连接电导率仪，再将数据传输至计算机 1RH精炼过程水力学模型的建立 收集整理.最后通过计算机整理的钢包中水电导率 的变化情况计算出RH系统的混匀时间. 1.1相似原理 加人小踪剂 点窄举 人们研究自然现象一般采用两种方法：数学分 析法与以相似原理为基础的模型研究方法.相似原 压表 理是模型实验研究的理论基础.相似包括几何相 流量计 口00 似、时间相似、运动相似、动力相似和温度相似等 证气盘 儿导率仪 RH的基本物理现象是钢液的流动，不考虑热相似 0 和化学相似.动力相似，表现为所有的作用力都有 相对应的方向，它的大小相应地成比例.在这里，主 要考虑的是几何相似和动力相似. 心导探头 RH的设备是在脱气室下部设有与其相通的两 根环流管，脱气处理时，仅将环流管插入钢液，靠脱 气瓶 计算机 铜包 气室抽真空的压差使钢液由管子进入脱气室，同时 图1试验装置示意图 从两根管子之一的上升管吹入驱动气体一氩气， Fig.1 Scheme of the experimental device 利用气泡泵原理抽引钢液通过脱气室和下降管产生 循环运动，并在脱气室内脱除气体.由于钢液是从 上升管吸入真空室后从下降管流出，可以认为对于 钢包内的钢液流动状态和混合特性起决定作用的是 流体的惯性力和重力，因此必须保证以下准则)： 模型和原型的几何相似；模型和原型的Frouds准数 相等 因为影响钢包内钢液流动状态的作用力主要是 惯性力和重力，包含这些力的定性准数为弗劳德数 Fr,即 =惯性力/重力= gl 只需要考虑Fr准数相等.若相似比为入，则入=L/ 图2实验装置 L。:其中，L为特征长度(mm),下标m代表模型 Fig.2 Experimental device (model)p代表原型(prototype).由Fm=F.可得 4.=A4,…由Q=平fu得Q。=AQ,由t=L 整个实验过程主要考察吹氩量，浸渍管插入深 度，吹氩孔个数对钢液流场及混匀时间的影响.Ka- 得tm=入2t·根据RH原型及实验室实际情况，建 o在水模型研究RH一OB时认为喷嘴均布在一层或 立1：4有机玻璃模型.这样模型与原型相关参数的 两层的水平面上的效果相近，所以在此实验中忽 关系为： 略了堵塞吹氩孔所在层数对流场和混匀时间的影 L=4p4,=(1/41up, 响，只考虑堵塞个数. 实验的因素水平及正交试验设计见表1和 Qm=(1/4)5nQ。,tm=(1/4)12t。 表2
增刊 1 郭汉杰等: 210 t RH 浸渍管内钢液流动机理的水模型实验研究 本文根据相似理论，模拟 210 t 多功能 RH 装 置内钢液的循环流动和混合特性，考察各相关因 素的影响． 通过模拟 RH 内各个部位的流速及流 场分布，测定混匀时间，以期进一步了解浸渍管在 钢液中所受流场冲刷情况，并结合试验结果进行 回归分析，为优化 RH 精炼过程，延长浸渍管寿命 提供依据． 1 RH 精炼过程水力学模型的建立 1. 1 相似原理 人们研究自然现象一般采用两种方法: 数学分 析法与以相似原理为基础的模型研究方法． 相似原 理是模型实验研究的理论基础． 相似包括几何相 似、时间相似、运动相似、动力相似和温度相似等． RH 的基本物理现象是钢液的流动，不考虑热相似 和化学相似． 动力相似，表现为所有的作用力都有 相对应的方向，它的大小相应地成比例． 在这里，主 要考虑的是几何相似和动力相似． RH 的设备是在脱气室下部设有与其相通的两 根环流管，脱气处理时，仅将环流管插入钢液，靠脱 气室抽真空的压差使钢液由管子进入脱气室，同时 从两根管子之一的上升管吹入驱动气体———氩气， 利用气泡泵原理抽引钢液通过脱气室和下降管产生 循环运动，并在脱气室内脱除气体． 由于钢液是从 上升管吸入真空室后从下降管流出，可以认为对于 钢包内的钢液流动状态和混合特性起决定作用的是 流体的惯性力和重力，因此必须保证以下准则［7--8］: 模型和原型的几何相似; 模型和原型的 Frouds 准数 相等． 因为影响钢包内钢液流动状态的作用力主要是 惯性力和重力，包含这些力的定性准数为弗劳德数 Fr，即 Fr = 惯性力/重力 = u2 gl ， 只需要考虑 Fr 准数相等． 若相似比为 λ，则 λ = Lm / Lp ． 其中，L 为特征长度( mm) ，下标 m 代表模型 ( model) ，p 代表原型( prototype) ． 由 Frm = Frp可得 um = λ1 /2 up，由 Q = π 4 d2 u 得 Qm = λ5 /2 Qp，由 t = L /u 得 tm = λ1 /2 tp ． 根据 RH 原型及实验室实际情况，建 立 1∶ 4有机玻璃模型． 这样模型与原型相关参数的 关系为: Lm = 1 4 Lp，up = ( 1 /4) 1 /2 up， Qm = ( 1 /4) 5 /2 Qp，tm = ( 1 /4) 1 /2 tp ． 式中，u 为流速( m·min － 1 ) ，Q 为流量( m3 ·h － 1 ) ，t 为 时间( s) ． 1. 2 实验设备及实验方法 RH 水模实验装置示意图如图1 所示，图2 为实 物装置图． 由氧气瓶提供的氧气来代替氩气作为驱 动气体，钢包中使用自来水模拟钢液，在钢包底部采 用电导探头连接电导率仪，再将数据传输至计算机 收集整理． 最后通过计算机整理的钢包中水电导率 的变化情况计算出 RH 系统的混匀时间． 图 1 试验装置示意图 Fig． 1 Scheme of the experimental device 图 2 实验装置 Fig． 2 Experimental device 整个实验过程主要考察吹氩量，浸渍管插入深 度，吹氩孔个数对钢液流场及混匀时间的影响． Kato 在水模型研究 RH--OB 时认为喷嘴均布在一层或 两层的水平面上的效果相近［9］，所以在此实验中忽 略了堵塞吹氩孔所在层数对流场和混匀时间的影 响，只考虑堵塞个数． 实验的因素水平及正交试验设计见表 1 和 表 2． ·7·
8 北京科技大学学报 第33卷 表1因素水平表 Table 1 Factor levels 因素 吹氢量/(L.min-1) 浸渍管插人深度/mm 吹氩孔堵塞个数 水平1 1000 500(125) 0 水平2 1200 600(150) 2(同一层) 水平3 1400 700(175) 2(分两层) 表2正交试验表 Table 2 Orthogonal test table 吹氩量 浸渍管插入深度/mm 吹氩孔个数 吹氩孔个数 试验编号 混匀时间，Y1s 原型(L·min模型(x)(m3h 原型 模型(x2) (上)，x3 (下)，4 1000 3.2 500 125 6 6 83.50068 T2 1000 3.2 600 150 5 今 101.0005 T3 1000 3.2 700 175 4 6 71.07532 以 1200 4.0 500 125 5 5 54.50036 6 1200 4.0 600 150 6 ￥ 78.00044 中 1200 4.0 700 175 6 6 97.0008 7 1400 5.2 500 125 4 6 59.50251 T8 1400 5.2 600 150 6 6 50.00034 多 1400 5.2 700 175 6 62.50076 1.2.1混匀时间的测定 确定钢包内水溶液浓度随时间的变化规律 本实验用DJ800型多功能监测系统，整个系统 上升管下部安装DDLY-2005型电导率仪（含 配置由计算机、电测仪、各种传感器及相应软件组成. 电导电极)，量程0~20mS·cm1,误差±0.5%.将 在真空室加人200mL饱和KCl示踪剂来研究 测得的示踪剂浓度信号传输至DJ8O0多功能监测系 混匀，加入饱和KCl的同时用电导探头由DJ8O0型 统进行采集和记录，然后通过电脑显示出来，整个系统 电导仪测量钢包内上升管下方接近钢包底部位置电 配置由计算机、电测仪、各种传感器及相应软件组成 导率的变化，以其偏差达到最终平均电导率的± 1.2.2钢包流态的显示 0.5%定为混合时间Tm,对每一工况重复测定2~3 进行流场显示实验时，需要在水模型中加入一 次，取所得结果的算数平均值作为该工况下的混匀 定的示踪粒子，以观察流场的流谱.钢包内流态的 时间，结果见表2.由于KCl水溶液的电导率与其浓 显示是通过示踪摄像实现的，本实验以墨汁为示踪 度成线性关系，由电导率随时间的变化曲线也可以 剂.如图3所示. 图3混匀过程图 Fig.3 Mixing process
北 京 科 技 大 学 学 报 第 33 卷 表 1 因素水平表 Table 1 Factor levels 因素 吹氩量/( L·min － 1 ) 浸渍管插入深度/mm 吹氩孔堵塞个数 水平 1 1 000 500 ( 125) 0 水平 2 1 200 600 ( 150) 2( 同一层) 水平 3 1 400 700 ( 175) 2( 分两层) 表 2 正交试验表 Table 2 Orthogonal test table 试验编号 吹氩量 浸渍管插入深度/mm 原型/( L·min － 1 ) 模型( x1 ) /( m3 ·h －1 ) 原型 模型( x2 ) 吹氩孔个数 ( 上) ，x3 吹氩孔个数 ( 下) ，x4 混匀时间，Y /s T1 1 000 3． 2 500 125 6 6 83. 500 68 T2 1 000 3. 2 600 150 5 5 101. 000 5 T3 1 000 3. 2 700 175 4 6 71. 075 32 T4 1 200 4. 0 500 125 5 5 54. 500 36 T5 1 200 4. 0 600 150 6 4 78. 000 44 T6 1 200 4. 0 700 175 6 6 97. 000 8 T7 1 400 5. 2 500 125 4 6 59. 502 51 T8 1 400 5. 2 600 150 6 6 50. 000 34 T9 1 400 5. 2 700 175 6 4 62. 500 76 1. 2. 1 混匀时间的测定 本实验用 DJ800 型多功能监测系统，整个系统 配置由计算机、电测仪、各种传感器及相应软件组成． 图 3 混匀过程图 Fig． 3 Mixing process 在真空室加入 200 mL 饱和 KCl 示踪剂来研究 混匀，加入饱和 KCl 的同时用电导探头由 DJ800 型 电导仪测量钢包内上升管下方接近钢包底部位置电 导率的变化，以其偏差达到最终平均电导率的 ± 0. 5% 定为混合时间 τm，对每一工况重复测定 2 ～ 3 次，取所得结果的算数平均值作为该工况下的混匀 时间，结果见表 2． 由于 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以 确定钢包内水溶液浓度随时间的变化规律． 上升管下部安装 DDLY--2005 型电导率仪( 含 电导电极) ，量程 0 ～ 20 mS·cm － 1 ，误差 ± 0. 5% ． 将 测得的示踪剂浓度信号传输至 DJ800 多功能监测系 统进行采集和记录，然后通过电脑显示出来，整个系统 配置由计算机、电测仪、各种传感器及相应软件组成． 1. 2. 2 钢包流态的显示 进行流场显示实验时，需要在水模型中加入一 定的示踪粒子，以观察流场的流谱． 钢包内流态的 显示是通过示踪摄像实现的，本实验以墨汁为示踪 剂． 如图 3 所示． ·8·
增刊1 郭汉杰等：210tRH浸渍管内钢液流动机理的水模型实验研究 9 1.2.3钢液的流态分析 2.69)2+2.67(x4-4.05)2+0.06(x1-4.1)(x2- 由图中明显看出：上升管处液面有明显的剧烈 1.16)-18.05(x1-4.1)(x3-2.69)+9.7(x1- 波动现象，由驱动气体带动上升管处流体上升，再由 4.1)(x4-4.05)+0.32(x2-1.16)(x3-2.69)- 下降管排出：当加入示踪剂（墨汁）后，首先是在真 0.15(x2-1.16)(x4-4.05)+2.85(x3- 空室中随流动扩散，沿流场方向从下降管进入钢包， 2.69)(x4-4.05),R=1.0. 再从下降区扩散至整个钢包，同时整个装置还在进 行循环，流体在真空室与钢包流体中的循环流动加 速了示踪剂的扩散，促进了整个装置中流体的混匀 由模型钢包两个纵断面的流态可以看到：从下 降管进入钢包的流股向下直冲钢包底部，沿包底，流 向四壁，再沿包壁上升，在钢包液高约23处形成大 量回流，随后该流的主体回流外，还在钢包其他部位 形成大量小涡流，大回流与小涡流决定着RH钢包 内的混合与精炼过程 图5浸渍管内及真空室底部流动情况 Fig.5 Flow condition in the snorkel and at the vacuum chamber bot- tom 图4浸渍管上升管内流动情况 Fig.4 Flow condition in the offtake pipe of the snorkel 图6H水力学模拟混匀过程瞬间 Fig.6 Moment of the blending process in RH hydraulic simulation 下降管液流与其周围液体间存在一界面层，为 借助matlab工具求解有约束非线性最优化问 典型的液一液两相区.在下降管液流和周围液体间 题，计算得出回归方程的混匀时间极小值为Y= 必定存在动量、能量和物质的交换，且其传递速率受 27.0233s,与其对应的各变量值分别为：吹氩量x1= 液一液两相流的规律所制约，必定小于整体上的紊 3.8684L~mim1,浸渍管插入深度x2=120mm,上层 流状态，这将影响整个钢包内的混匀过程.以往认 吹氩孔个数x3=4,下层吹氩孔个数x4=6. 为RH钢包内处于完全混合状态；而从本工作的 在此计算结果的基础上，结合实际操作条件，应 工作结果看，似乎并不合适 适当调整各参数，优化实际操作参数，缩短钢液混匀 本文得到的关于RH钢包内液体的这种流动状 时间，进而缩短精炼时间，提高精炼效果. 态，否定了H过程的早期研究中关于下降管和上 2.1吹氩量对混匀时间的影响 升管间存在“短流”山现象的结论 从图7中可以明显看出，在浸渍管插入深度、上 2实验结果及影响因素分析 层和下层吹氩孔个数不变的情况下，随着吹氩量的 增大，混匀时间逐渐缩短，当吹氩量增大到3.87m3· 由正交试验表2所得数据，利用非线性优化得 h1时，相当于原型吹氩量为1161L·min-1,此时混 到混匀时间模型为： 匀时间最短，为27.02s.但是，当吹氩量继续增大， Y=0.73+2.9(x1-4.1)-0.45(x2-1.16)- 混匀时间反而逐渐增加，且增加趋势较强，不利于 0.43(x3-2.69)+3.88(x4-4.05)+11.44(x1- RH精炼，还有可能由于钢液的不稳定流动对浸渍 4.1)2+0.004(x2-1.16)2-9.09(x3- 管及炉衬造成严重冲刷，从而使其使用寿命降低
增刊 1 郭汉杰等: 210 t RH 浸渍管内钢液流动机理的水模型实验研究 1. 2. 3 钢液的流态分析 由图中明显看出: 上升管处液面有明显的剧烈 波动现象，由驱动气体带动上升管处流体上升，再由 下降管排出; 当加入示踪剂( 墨汁) 后，首先是在真 空室中随流动扩散，沿流场方向从下降管进入钢包， 再从下降区扩散至整个钢包，同时整个装置还在进 行循环，流体在真空室与钢包流体中的循环流动加 速了示踪剂的扩散，促进了整个装置中流体的混匀． 由模型钢包两个纵断面的流态可以看到: 从下 降管进入钢包的流股向下直冲钢包底部，沿包底，流 向四壁，再沿包壁上升，在钢包液高约 2 /3 处形成大 量回流，随后该流的主体回流外，还在钢包其他部位 形成大量小涡流，大回流与小涡流决定着 RH 钢包 内的混合与精炼过程． 图 4 浸渍管上升管内流动情况 Fig． 4 Flow condition in the offtake pipe of the snorkel 下降管液流与其周围液体间存在一界面层，为 典型的液--液两相区． 在下降管液流和周围液体间 必定存在动量、能量和物质的交换，且其传递速率受 液--液两相流的规律所制约，必定小于整体上的紊 流状态，这将影响整个钢包内的混匀过程． 以往认 为 RH 钢包内处于完全混合状态［9］; 而从本工作的 工作结果看，似乎并不合适． 本文得到的关于 RH 钢包内液体的这种流动状 态，否定了 RH 过程的早期研究中关于下降管和上 升管间存在“短流”［11］现象的结论． 2 实验结果及影响因素分析 由正交试验表 2 所得数据，利用非线性优化得 到混匀时间模型为: Y = 0. 73 + 2. 9( x1 － 4. 1) － 0. 45( x2 － 1. 16) － 0. 43( x3 － 2. 69) + 3. 88( x4 － 4. 05) + 11. 44( x1 － 4. 1) 2 + 0. 004 ( x2 － 1. 16) 2 － 9. 09( x3 － 2. 69) 2 + 2. 67 ( x4 － 4. 05) 2 + 0. 06( x1 － 4. 1) ( x2 － 1. 16) － 18. 05( x1 － 4. 1) ( x3 － 2. 69) + 9. 7( x1 － 4. 1) ( x4 － 4. 05) + 0. 32( x2 － 1. 16) ( x3 － 2. 69) － 0. 15( x2 － 1. 16) ( x4 － 4. 05) + 2. 85( x3 － 2. 69) ( x4 － 4. 05) ，R = 1. 0． 图 5 浸渍管内及真空室底部流动情况 Fig． 5 Flow condition in the snorkel and at the vacuum chamber bottom 图 6 RH 水力学模拟混匀过程瞬间 Fig． 6 Moment of the blending process in RH hydraulic simulation 借助 matlab 工具求解有约束非线性最优化问 题，计算得出回归方程的混匀时间极小值为 Y = 27. 023 3 s，与其对应的各变量值分别为: 吹氩量x1 = 3. 868 4 L·min － 1 ，浸渍管插入深度 x2 = 120 mm，上层 吹氩孔个数 x3 = 4，下层吹氩孔个数 x4 = 6． 在此计算结果的基础上，结合实际操作条件，应 适当调整各参数，优化实际操作参数，缩短钢液混匀 时间，进而缩短精炼时间，提高精炼效果． 2. 1 吹氩量对混匀时间的影响 从图 7 中可以明显看出，在浸渍管插入深度、上 层和下层吹氩孔个数不变的情况下，随着吹氩量的 增大，混匀时间逐渐缩短，当吹氩量增大到 3. 87 m3 · h － 1 时，相当于原型吹氩量为 1 161 L·min － 1 ，此时混 匀时间最短，为 27. 02 s． 但是，当吹氩量继续增大， 混匀时间反而逐渐增加，且增加趋势较强，不利于 RH 精炼，还有可能由于钢液的不稳定流动对浸渍 管及炉衬造成严重冲刷，从而使其使用寿命降低． ·9·
10· 北京科技大学学报 第33卷 因此，可以认为210tRH钢包的临界吹氩量约为 与回归结果一致.当上层吹氩孔个数增加到5个 1161Lmin1. 时，混匀时间明显增大，但随着上层吹氩孔个数的继 2.2浸渍管插入深度对混匀是时间的影响 续增加至6个时，混匀时间又呈现减小的趋势，但趋 当吹氩量、上层和下层吹氩孔个数固定不变时， 势较为平缓.由此可认为，上层吹氩孔个数不宜过 从图8中可以看出，浸渍管插入深度对混匀时间的 多，应合理分布. 影响趋势与图7中吹氩量对混匀时间的影响趋势相 45 似，都呈抛物线形，但图8的变化趋势较图7平缓. 鉴于图7的分析，从图8中可以得到浸渍管临界插 入量为43.4mm,相当于原型浸渍管插入深度为195 35 mm.此值与回归结果求出的混匀时间极小值对应 的浸渍管插入深度120mm相差较大，这是由于考虑 到实际操作的需要，在实际操作中，浸渍管插入深度 不能过浅，否则会对现场操作造成危险.由图8中 分析得出的浸渍管插入深度虽然可以使钢液混匀时 上尽吹氩孔个数 间达到较短，但是不符合实际操作要求，因此不能作 图9上层吹氩孔个数与混匀时间的关系 为混匀时间的参考依据.综合各因素的影响，回归 Fig.9 Relationship between the number of upper argon blowing holes and mixing time 结果及matlab程序运算，模型中浸渍管最佳插入深 度为120mm,则折合实际210tRH浸渍管最佳插入 2.4下层吹氩孔数量对混匀时间的影响 深度为540mm. 在吹氩量、浸渍管插入深度及上层吹氩孔个数 140 不变的条件下，图10中下层吹氩孔个数对混匀时间 120 的影响趋势与图7非常相似.从图10中分析可知： 随着下层吹氩孔个数的增加，混匀时间明显缩短，当 下层吹氩孔达到6个时，混匀时间为27.37s接近最 小值：继续增加下层吹氩孔个数，则混匀时间急剧增 加.因此，可以认为在其他三因素不变的情况下，下 20 层临界吹氩孔为6个. 2 3456 120 吹城量/m·h) 100 图7吹氩量与混匀时间的关系 Fig.7 Relationship between blow argon quantity and mixing time 80 60 60 50F 40 0 2 4681012 30 卜层吹氧孔个数 实际探作区 图10下层吹氩孔个数与混匀时间的关系 10 Fig.10 Relationship between the number of lower argon blowing holes and mixing time 020406080100120140160180 浸清管析入深度mm 综上所述，吹氩量、浸渍管插入深度、上层和 图8浸渍管插入深度与混匀时间的关系 下层吹氩孔个数对钢液混匀时间的影响都非常明 Fig.8 Relationship between snorkel insertion depth and mixing time 显，其中吹氩量及下层吹氩孔个数的变化对钢液 2.3上层吹氩孔数量对混匀时间的影响 混匀时间的影响趋势较为强烈.在实际操作中应 结合实际操作情况，在吹氩量、浸渍管插入深度 着重调整吹氩量，及下层吹氩孔的设计，以缩短精 及下层吹氩孔个数不变的条件下，模型设计实验中 炼时间，减轻对浸渍管和炉衬的冲刷侵蚀，并提高 当上层吹氩孔为4个时，混匀时间最短为27.02s, 精炼效果
北 京 科 技 大 学 学 报 第 33 卷 因此，可以认为 210 t RH 钢包的临界吹氩量约为 1 161 L·min － 1 ． 2. 2 浸渍管插入深度对混匀是时间的影响 当吹氩量、上层和下层吹氩孔个数固定不变时， 从图 8 中可以看出，浸渍管插入深度对混匀时间的 影响趋势与图 7 中吹氩量对混匀时间的影响趋势相 似，都呈抛物线形，但图 8 的变化趋势较图 7 平缓． 鉴于图 7 的分析，从图 8 中可以得到浸渍管临界插 入量为 43. 4 mm，相当于原型浸渍管插入深度为 195 mm． 此值与回归结果求出的混匀时间极小值对应 的浸渍管插入深度 120 mm 相差较大，这是由于考虑 到实际操作的需要，在实际操作中，浸渍管插入深度 不能过浅，否则会对现场操作造成危险． 由图 8 中 分析得出的浸渍管插入深度虽然可以使钢液混匀时 间达到较短，但是不符合实际操作要求，因此不能作 为混匀时间的参考依据． 综合各因素的影响，回归 结果及 matlab 程序运算，模型中浸渍管最佳插入深 度为 120 mm，则折合实际 210 t RH 浸渍管最佳插入 深度为 540 mm． 图 7 吹氩量与混匀时间的关系 Fig． 7 Relationship between blow argon quantity and mixing time 图 8 浸渍管插入深度与混匀时间的关系 Fig． 8 Relationship between snorkel insertion depth and mixing time 2. 3 上层吹氩孔数量对混匀时间的影响 结合实际操作情况，在吹氩量、浸渍管插入深度 及下层吹氩孔个数不变的条件下，模型设计实验中 当上层吹氩孔为 4 个时，混匀时间最短为 27. 02 s， 与回归结果一致． 当上层吹氩孔个数增加到 5 个 时，混匀时间明显增大，但随着上层吹氩孔个数的继 续增加至 6 个时，混匀时间又呈现减小的趋势，但趋 势较为平缓． 由此可认为，上层吹氩孔个数不宜过 多，应合理分布． 图 9 上层吹氩孔个数与混匀时间的关系 Fig． 9 Relationship between the number of upper argon blowing holes and mixing time 2. 4 下层吹氩孔数量对混匀时间的影响 在吹氩量、浸渍管插入深度及上层吹氩孔个数 不变的条件下，图 10 中下层吹氩孔个数对混匀时间 的影响趋势与图 7 非常相似． 从图 10 中分析可知: 随着下层吹氩孔个数的增加，混匀时间明显缩短，当 下层吹氩孔达到 6 个时，混匀时间为 27. 37 s 接近最 小值; 继续增加下层吹氩孔个数，则混匀时间急剧增 加． 因此，可以认为在其他三因素不变的情况下，下 层临界吹氩孔为 6 个． 图 10 下层吹氩孔个数与混匀时间的关系 Fig． 10 Relationship between the number of lower argon blowing holes and mixing time 综上所述，吹氩量、浸渍管插入深度、上层和 下层吹氩孔个数对钢液混匀时间的影响都非常明 显，其中吹氩量及下层吹氩孔个数的变化对钢液 混匀时间的影响趋势较为强烈． 在实际操作中应 着重调整吹氩量，及下层吹氩孔的设计，以缩短精 炼时间，减轻对浸渍管和炉衬的冲刷侵蚀，并提高 精炼效果． ·10·
增刊1 郭汉杰等：210tRH浸渍管内钢液流动机理的水模型实验研究 11· [2]Kuwabara T.Umezawa K.Mori K.et al.Investigation of decar- 3结论 burization behavior in RH reactor and its operation improvement. (1)钢包内存在一主回流和大量小回流，并且 Trans Iron Steel Inst Jpn.1988.28(4):305 [3]Hanna R K.Jones T.Blake R I,et al.Water modeling to aid im- 来自下降管的下降液流和其周围液体形成了液一液 provement of degasser performance for production of ultralow car- 两相流，这种流动状态对钢包内的混合及传质起着 bon interstitial free steels.fronmaking Steelmaking,1994,21 决定性的作用. (1):37 (2)上升管中吹入的提升气体主要是沿着接近 [4]Frank A,Wolfgang P.Circulation rate of liquid steel in RH degas- sers.Steel Res,1998,69(2)54 于管壁上升，高速上升气体的冲刷加剧了上升管内 [5]Zhao X H.Xu H L.Wang J.et al.Research and application of 径的物理冲刷损毁 longevity technology of RH-TB snorkel.China Metall,2009.19 (3)下降管液流与其周围液体间存在一界面 (2):28 层，为典型的液一液两相区，其传递速率受液一液两 (赵素华，许海亮，王军，等.H一B浸渍管长寿技术研究与 相流的规律所制约，小于整体上的紊流状态 应用.中国冶金，2009,19(2)：28) [6]Haldar M K.Tripathi H S.Das S K.et al.Effect of compositional (4)本文得到的关于RH钢包内液体的这种流 variation on the synthesis of magnesite-chrome composite refracto- 动状态，否定了RH过程的早期研究中关于下降管 y.Ceram Int,2004.30:911 和上升管间存在“短流”现象的结论 [7]Xiao X G.Metallurgical Reaction Engineering.Shenyang:North- (5)吹氩量、浸渍管插入深度、上层和下层吹氩 east University of Technology Press,1992 孔个数对钢液混匀时间的影响都非常明显，其中吹 (肖兴国.冶金反应工程学.沈阳：东北工学院出版社，1992) 氩量及下层吹氩孔个数的变化对钢液混匀时间的影 [8]Sun Q X.Numerical analysis.Shenyang:Northeast University of Technology Press,1993 响趋势较为强烈. (孙庆新.数值分析.沈阳：东北工学院出版社，1993) [9]Kato Y.Nakato H,Fujii T.et al.Fluid flow in ladle and its 参考文献 effect on decarburization rate in RH degasser.IS/Int,1993.33 [1]Shu H F,Song C.Zhang X F.et al.Study on circulation flow (10):1088 rate in water model of RH-MFB vacuum refining process.Mater [10]Wei J H.Physical modeling of the vacuum circulation refining Metall,.2004,3(2):107 process of molten steel.J Shanghai Unir Engl Ed,2003.7(1):1 (舒宏富，宋超，张晓峰，等.H一MFB真空精炼过程中循环 [11]Tsujino R,Nakashima J.Hirai M,et al.Numerical analysis of 流量的物理模拟研究.材料与治金学报，2004,3(2)：107 molten steel flow in ladle of RH process.IS//Int,1989,29(7):589
增刊 1 郭汉杰等: 210 t RH 浸渍管内钢液流动机理的水模型实验研究 3 结论 ( 1) 钢包内存在一主回流和大量小回流，并且 来自下降管的下降液流和其周围液体形成了液--液 两相流，这种流动状态对钢包内的混合及传质起着 决定性的作用． ( 2) 上升管中吹入的提升气体主要是沿着接近 于管壁上升，高速上升气体的冲刷加剧了上升管内 径的物理冲刷损毁． ( 3) 下降管液流与其周围液体间存在一界面 层，为典型的液--液两相区，其传递速率受液--液两 相流的规律所制约，小于整体上的紊流状态． ( 4) 本文得到的关于 RH 钢包内液体的这种流 动状态，否定了 RH 过程的早期研究中关于下降管 和上升管间存在“短流”现象的结论． ( 5) 吹氩量、浸渍管插入深度、上层和下层吹氩 孔个数对钢液混匀时间的影响都非常明显，其中吹 氩量及下层吹氩孔个数的变化对钢液混匀时间的影 响趋势较为强烈． 参 考 文 献 ［1］ 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) ［2］ Kuwabara T，Umezawa K，Mori K，et al． Investigation of decarburization behavior in RH reactor and its operation improvement． Trans Iron Steel Inst Jpn，1988，28( 4) : 305 ［3］ Hanna R K，Jones T，Blake R I，et al． Water modeling to aid improvement of degasser performance for production of ultralow carbon interstitial free steels． Ironmaking Steelmaking，1994，21 ( 1) : 37 ［4］ Frank A，Wolfgang P． Circulation rate of liquid steel in RH degassers． Steel Res，1998，69( 2) : 54 ［5］ Zhao X H，Xu H L，Wang J，et al． Research and application of longevity technology of RH-TB snorkel． China Metall，2009，19 ( 2) : 28 ( 赵素华，许海亮，王军，等． RH--TB 浸渍管长寿技术研究与 应用． 中国冶金，2009，19( 2) : 28) ［6］ Haldar M K，Tripathi H S，Das S K，et al． Effect of compositional variation on the synthesis of magnesite-chrome composite refractory． Ceram Int，2004，30: 911 ［7］ Xiao X G． Metallurgical Reaction Engineering． Shenyang: Northeast University of Technology Press，1992 ( 肖兴国． 冶金反应工程学． 沈阳: 东北工学院出版社，1992) ［8］ Sun Q X． Numerical analysis． Shenyang: Northeast University of Technology Press，1993 ( 孙庆新． 数值分析． 沈阳: 东北工学院出版社，1993) ［9］ Kato Y，Nakato H，Fujii T，et al． Fluid flow in ladle and its effect on decarburization rate in RH degasser． ISIJ Int，1993，33 ( 10) : 1088 ［10］ Wei J H． Physical modeling of the vacuum circulation refining process of molten steel． J Shanghai Univ Engl Ed，2003，7( 1) : 1 ［11］ Tsujino R，Nakashima J，Hirai M，et al． Numerical analysis of molten steel flow in ladle of RH process． ISIJ Int，1989，29( 7) : 589 ·11·