2 工程科学学报，第44卷，第X期 KEY WORDS vacuum pressure;internal degassing reaction;argon flow rate;stirring power density:volumetric mass transfer coefficient 近年来，随着对高洁净钢需求的不断增加，各 动能密度（ε）的函数关系 种真空精炼工艺对真空脱气率的要求越来越高 1实验 了解真空条件下钢液的脱气机理，对于二次精炼 过程中的高效脱气是至关重要的-因此，许多冶 为研究负压条件下溶池内部的脱氧速率，设 金研究者通过采用数学模型或冷态水模型模拟了 计了如图1所示水模型装置.该装置的主体部分 钢液脱气行为 是一个采用加厚的透明丙烯酸树脂材质制成的封 在数值模拟方面，基于反应位点建立的脱碳 闭装置，由钢包和真空室两部分嵌套而成，其中钢 或脱气数学模型60，目前得到了广泛应用.该模 包的高度和内径均为0.38m,真空室的高度和内径 型假设反应主要发生在以下3个反应地点：注入 分别为0.40m和0.25m.实验涉及的主要设备包括 的氩气气泡表面、暴露在真空环境的熔池表面以 溶氧仪(HACH,HQ40d),压力计(Infitech,PVG550), 及钢液内部更加复杂的非均质形核脱气位点.对 质量流量计(MF5700),真空泵，气体控制阀，螺旋 于钢液内部脱氢反应，已有文献指出，它主要发生 桨搅拌器和数码相机等 于脱气的前期阶段，且对整个脱气过程的贡献相 -Air gas 对较低，0尽管如此，模型中关于钢液内部脱气 Vacuum pump- 反应位点的假设，尚未得到实验验证. Pa 在冷态水模型中，通过测量溶解在水溶液中 Pressure gauge Dissolved oxyg 的O2或CO2浓度的变化来模拟研究氩气气泡表 面和熔池表面的脱气反应，已有很多报道-图 Kitamura与Miyamoto2I在O2气体在水中的去除 实验中，通过改变熔池表面上方的气氛或在表面 Water Video camera 覆盖黏性油的方法估算熔池反应速率，并报道了 熔池表面反应速率与氩气流量的0.5次方成正比； Speed controller Maruoka等3-l采用类似的方法，在熔池表面覆盖 Gas valve 聚乙烯颗粒替代油，测定了底吹氩气过程中的脱 O,gas. ⑦ -Ar gas Mass flow controller 氧速率，阐明了熔池表面脱气反应主要发生在气 图1实验装置示意图 泡羽流区上方“渣眼”表面，建立了熔池表面反应 Fig.1 Schematic diagram of experimental apparatus 速率与渣眼面积的关系；Guo与Irons ns-通过碱 性溶液中去除CO2冷态实验发现，改变负压条件 基于之前钢液脱气的数学模型⑧0，假设在真 比单纯增加体积流量引起的脱气效果好，并拟合 空负压条件下，氧气-水系统中溶解氧(DO)的去 了熔池表面的脱气速率公式，指出常压下脱气速 除反应发生在氩气气泡表面、溶池自由表面以及 率约占总体脱气的20%~40%.Kim与Yi通过 内部反应位点，则三个脱气反应位点的速率可由 去除水中溶解氧模拟了RH内部反应脱气过程，认 公式(1)~(3)表示，即 为内部反应发生在超饱和状态，然而实验过程并 dCDo Ab.kb 未排除熔池表面对脱气速率的干扰.总之，大部分 、drb V .(CDo:-CDo.eq) (1) 冷态模拟研究过程是在常压下进行的，而对真空 dCDo As·ks .(Cpo.t-CDo.eq) (2) 负压条件下的脱气速率的研究甚少. V 此外，真空条件下的体积传质系数决定着整 dCDo dt in (3) 个脱气反应的难易程度.对于真空脱气精炼过程 中确定合理的工艺和操作参数有着重要的指导意 其中，A为气液界面面积，m2:k为传质系数，ms; 义.因此，本文采用饱和氧水溶液中释放溶解氧的 V为液态水的体积，m3;1为脱气反应时间，s;Hm为 水模型实验，通过测量不同负压下的体积传质系 形核位点到水溶液自由表面的距离，m:;CDo为水 数(k4),并进行回归分析，得到k与搅拌 中溶解氧质量浓度，mgL;下标b、s、in分别代表KEY  WORDS    vacuum  pressure； internal  degassing  reaction； argon  flow  rate； stirring  power  density； volumetric  mass  transfer coefficient 近年来，随着对高洁净钢需求的不断增加，各 种真空精炼工艺对真空脱气率的要求越来越高. 了解真空条件下钢液的脱气机理，对于二次精炼 过程中的高效脱气是至关重要的[1−5] . 因此，许多冶 金研究者通过采用数学模型或冷态水模型模拟了 钢液脱气行为. 在数值模拟方面，基于反应位点建立的脱碳 或脱气数学模型[6−10] ，目前得到了广泛应用. 该模 型假设反应主要发生在以下 3 个反应地点：注入 的氩气气泡表面、暴露在真空环境的熔池表面以 及钢液内部更加复杂的非均质形核脱气位点. 对 于钢液内部脱氢反应，已有文献指出，它主要发生 于脱气的前期阶段，且对整个脱气过程的贡献相 对较低[1,10] . 尽管如此，模型中关于钢液内部脱气 反应位点的假设，尚未得到实验验证. 在冷态水模型中，通过测量溶解在水溶液中 的 O2 或 CO2 浓度的变化来模拟研究氩气气泡表 面和熔池表面的脱气反应 ，已有很多报道[11−18] . Kitamura 与 Miyamoto [12] 在 O2 气体在水中的去除 实验中，通过改变熔池表面上方的气氛或在表面 覆盖黏性油的方法估算熔池反应速率，并报道了 熔池表面反应速率与氩气流量的 0.5 次方成正比； Maruoka 等[13−14] 采用类似的方法，在熔池表面覆盖 聚乙烯颗粒替代油，测定了底吹氩气过程中的脱 氧速率，阐明了熔池表面脱气反应主要发生在气 泡羽流区上方“渣眼”表面，建立了熔池表面反应 速率与渣眼面积的关系；Guo 与 Irons [15−16] 通过碱 性溶液中去除 CO2 冷态实验发现，改变负压条件 比单纯增加体积流量引起的脱气效果好，并拟合 了熔池表面的脱气速率公式，指出常压下脱气速 率约占总体脱气的 20%～40%. Kim 与 Yi[17] 通过 去除水中溶解氧模拟了 RH 内部反应脱气过程，认 为内部反应发生在超饱和状态，然而实验过程并 未排除熔池表面对脱气速率的干扰. 总之，大部分 冷态模拟研究过程是在常压下进行的，而对真空 负压条件下的脱气速率的研究甚少. 此外，真空条件下的体积传质系数决定着整 个脱气反应的难易程度，对于真空脱气精炼过程 中确定合理的工艺和操作参数有着重要的指导意 义. 因此，本文采用饱和氧水溶液中释放溶解氧的 水模型实验，通过测量不同负压下的体积传质系 数（k·A·V −1），并进行回归分析，得到 k·A·V −1 与搅拌 动能密度（ε）的函数关系. 1    实验 为研究负压条件下溶池内部的脱氧速率，设 计了如图 1 所示水模型装置. 该装置的主体部分 是一个采用加厚的透明丙烯酸树脂材质制成的封 闭装置，由钢包和真空室两部分嵌套而成，其中钢 包的高度和内径均为 0.38 m，真空室的高度和内径 分别为 0.40 m 和 0.25 m. 实验涉及的主要设备包括 溶氧仪（HACH，HQ40d），压力计（Infitech, PVG550）， 质量流量计（MF5700），真空泵，气体控制阀，螺旋 桨搅拌器和数码相机等. Vacuum pump Dissolved oxygen meter DO sensor Water Speed controller O2 gas Mass flow controller Ar gas Air gas Gas valve Video camera Pressure gauge Porous plug 图 1    实验装置示意图 Fig.1    Schematic diagram of experimental apparatus 基于之前钢液脱气的数学模型[8,10] ，假设在真 空负压条件下，氧气−水系统中溶解氧（DO）的去 除反应发生在氩气气泡表面、溶池自由表面以及 内部反应位点，则三个脱气反应位点的速率可由 公式 (1)～(3) 表示，即 − ( dCDO dt ) b = Ab · kb V ·(CDO,t −CDO,eq) （1） − ( dCDO dt ) s = As · ks V ·(CDO,t −CDO,eq) （2） − ( dCDO dt ) in = As · kin V · w Hin 0 (CDO,t −CDO,eq)dh （3） 其中，A 为气液界面面积，m 2 ；k 为传质系数，m·s −1 ； V 为液态水的体积，m 3 ；t 为脱气反应时间，s；Hin 为 形核位点到水溶液自由表面的距离，m；CDO 为水 中溶解氧质量浓度，mg·L −1；下标 b、s、in 分别代表 · 2 · 工程科学学报，第 44 卷，第 X 期