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 bot￾tom 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·