·454 工程科学学报，第40卷，第4期 optimization steps,the decarburization time decreases from 21.4 to 17.5 min KEY WORDS Rheinsahl-Heraeus refining:bubble behaviors:decarburization:vacuum chamber:gas fraction 随着人们对超低碳钢和高效生产力需求的提 为气泡，主要操作参数为液面层高度和吹气流量 高，Ruhrstahl--Hereaeus(RH)精炼过程近年来引起 同时作为驱动力的来源，氩气的成本很高.上升管 了广泛关注，迄今为止，大量研究工作主要集中于 内气体分数和真空室内气泡存在形式将影响氩气泡 RH精炼过程中钢液的流态、环流量、混合时间等特 带给钢液的能量.因此，气泡和真空室的研究应得 性的研究-).RH装置内上升管中的气液两相作 到重点关注. 为整个装置主要的动量源泉之一，对钢液的流动、混 本文通过不同工艺参数下真空室气液两相流流 合和精炼过程有着重要的影响，且真空室内钢液和 型以及真空室液面波动状态.利用表征反应器性能 上升管内气液两相流的流动决定了钢包内钢液的流 的关键参数，得到真空室气液两相流流型的转变条 动状态-).另外，脱碳过程主要发生在真空室和上 件.联系RH精炼过程中的脱碳反应，得到优化的 升管内.必须对真空室和上升管中的气液两相区进 提升气体流量及真空室液面高度，用于指导实际 行深入研究，然而与这方面直接相关的研究工作 生产 较少 1 实验原理和方法 大多数治金过程如RH脱碳过程的控制性步骤 均为气泡和钢液两相之间的质量传递，气泡的停留 1.1物理模型的建立 时间以及气泡在真空室内的运动都是非常关键 本文采用1：6有机玻璃模型模拟现场300tRH, 的-0 ·一般认为脱碳反应发生的位置主要 用水模拟钢液，空气模拟氩气进行试验.整个模型 为1-：钢液内部生成的C0气泡表面，Ar气泡表 体系包含三部分：RH物理模型、测量设备和摄像装 面及钢液自由表面.影响RH精炼过程的主要因素 置.模型与原型相关参数见表1. 表1RH原型与模型尺寸 Table 1 Size of the prototype and the model of the RH unit 钢包高度/ 钢包上口 钢包下口 钢包内钢液 真空室 浸渍管 浸渍管 浸渍管 原型与模型 mm 直径/mm 直径/mm 深度/mm 内径/mm 内径mm 外径/mm 长度/mmm 原型尺寸 4200 3920 3640 3920 2520 750 1500 1650 模型尺寸 700 980 610 650 420 130 250 280 根据相似第二定律可知，水模型除了需要保证 中吹入气体和钢液的温度，K:T为模型中吹入气体 几何相似外，还必须保证模型与原型的决定性准数 和水的温度，K.其中，模型气量与实际吹气量对应 相等，将修正弗洛德准数作为模型和原型之间关联 关系见表2. 气体流动速率的相似性指标，使用雷诺数保证模型 循环流动速率用超声波流量计装置在下降管处 和原型间的平行.实际提升气体流量和原型实际提 采用“Z”方法测量，并作为RH真空精炼过程描述 升气体流量之比为： 精炼效率的重要指标和计算上升管中钢液的主要参 心 数.水体流动稳定后，数据在3min的时间内每10s (1) Q. `Pace pir Pv.p+PaegH。Tn 进行测量 式中，Q为模型中吹入空气的标态流量，Lmin-: 1.2理论计算 在流体力学中，管内气体流量直接影响管内气 Q为原型中吹入氩气的标态流量，Lmin;入为模 液两相流的流动状态，含气率（气体在气液两相流 型相似比，I/6;pae为水的标态密度，kg"m3;paed 中所占的比例)可作为衡量两相流流型转变的指 为钢的标态密度，kg"m3:.为氩气的标态密度，kg 标.真空室内气泡的分布情况以及运动状态与上升 ·m3p为空气的标态密度，kgm3;Pm为模型真 管内气泡运动状态有直接关系，所以通过分析上升 空室压力，Pa;P,n为原型真空室压力，Pa;H为模型 管内含气率的变化规律可以得到气泡分布区域的形 吹气孔距真空室流体表面高度，m;H,为原型吹气孔 成原因.同时研究当吹气量达到一定程度，循环流 距真空室流体表面高度，m;g为重力常数；T,为原型 量不会增加甚至降低，可见上升管内的含气率会影工程科学学报，第 40 卷，第 4 期 optimization steps，the decarburization time decreases from 21. 4 to 17. 5 min． KEY WOＲDS Ｒheinsahl--Heraeus refining; bubble behaviors; decarburization; vacuum chamber; gas fraction 随着人们对超低碳钢和高效生产力需求的提 高，Ｒuhrstahl--Hereaeus ( ＲH) 精炼过程近年来引起 了广泛关注，迄今为止，大量研究工作主要集中于 ＲH 精炼过程中钢液的流态、环流量、混合时间等特 性的研究［1--5］． ＲH 装置内上升管中的气液两相作 为整个装置主要的动量源泉之一，对钢液的流动、混 合和精炼过程有着重要的影响，且真空室内钢液和 上升管内气液两相流的流动决定了钢包内钢液的流 动状态［6--7］． 另外，脱碳过程主要发生在真空室和上 升管内． 必须对真空室和上升管中的气液两相区进 行深入研究，然而与这方面直接相关的研究工作 较少． 大多数冶金过程如 ＲH 脱碳过程的控制性步骤 均为气泡和钢液两相之间的质量传递，气泡的停留 时间以及气泡在真空室内的运动都是非常关键 的［8--10］． 一般认为脱碳反应发生的位置主要 为［11--12］: 钢液内部生成的 CO 气泡表面，Ar 气泡表 面及钢液自由表面． 影响 ＲH 精炼过程的主要因素 为气泡，主要操作参数为液面层高度和吹气流量． 同时作为驱动力的来源，氩气的成本很高． 上升管 内气体分数和真空室内气泡存在形式将影响氩气泡 带给钢液的能量． 因此，气泡和真空室的研究应得 到重点关注． 本文通过不同工艺参数下真空室气液两相流流 型以及真空室液面波动状态． 利用表征反应器性能 的关键参数，得到真空室气液两相流流型的转变条 件． 联系 ＲH 精炼过程中的脱碳反应，得到优化的 提升气体流量及真空室液面高度，用于指导实际 生产． 1 实验原理和方法 1. 1 物理模型的建立 本文采用 1∶ 6有机玻璃模型模拟现场 300 t ＲH， 用水模拟钢液，空气模拟氩气进行试验． 整个模型 体系包含三部分: ＲH 物理模型、测量设备和摄像装 置． 模型与原型相关参数见表 1． 表 1 ＲH 原型与模型尺寸 Table 1 Size of the prototype and the model of the ＲH unit 原型与模型 钢包高度/ mm 钢包上口 直径/mm 钢包下口 直径/mm 钢包内钢液 深度/mm 真空室 内径/mm 浸渍管 内径/mm 浸渍管 外径/mm 浸渍管 长度/mm 原型尺寸 4200 3920 3640 3920 2520 750 1500 1650 模型尺寸 700 980 610 650 420 130 250 280 根据相似第二定律可知，水模型除了需要保证 几何相似外，还必须保证模型与原型的决定性准数 相等，将修正弗洛德准数作为模型和原型之间关联 气体流动速率的相似性指标，使用雷诺数保证模型 和原型间的平行． 实际提升气体流量和原型实际提 升气体流量之比为: Q0 air Q0 Ar = λ5 ·ρwater ρsteel ·ρ 0 Ar ρ 0 air ·Pv，m + ρwatergHm Pv，p + ρsteelgHp ·Tp 槡 Tm ( 1) 式中，Q0 air为模型中吹入空气的标态流量，L·min － 1 ; Q0 Ar为原型中吹入氩气的标态流量，L·min － 1 ; λ 为模 型相似比，1 /6; ρwater 为水的标态密度，kg·m － 3 ; ρsteel 为钢的标态密度，kg·m － 3 ; ρ 0 Ar为氩气的标态密度，kg ·m － 3 ; ρ 0 air为空气的标态密度，kg·m － 3 ; Pv，m为模型真 空室压力，Pa; Pv，p为原型真空室压力，Pa; Hm为模型 吹气孔距真空室流体表面高度，m; Hp为原型吹气孔 距真空室流体表面高度，m; g 为重力常数; Tp为原型 中吹入气体和钢液的温度，K; Tm为模型中吹入气体 和水的温度，K． 其中，模型气量与实际吹气量对应 关系见表 2． 循环流动速率用超声波流量计装置在下降管处 采用“Z”方法测量，并作为 ＲH 真空精炼过程描述 精炼效率的重要指标和计算上升管中钢液的主要参 数． 水体流动稳定后，数据在 3 min 的时间内每 10 s 进行测量． 1. 2 理论计算 在流体力学中，管内气体流量直接影响管内气 液两相流的流动状态，含气率( 气体在气液两相流 中所占的比例) 可作为衡量两相流流型转变的指 标． 真空室内气泡的分布情况以及运动状态与上升 管内气泡运动状态有直接关系，所以通过分析上升 管内含气率的变化规律可以得到气泡分布区域的形 成原因． 同时研究当吹气量达到一定程度，循环流 量不会增加甚至降低，可见上升管内的含气率会影 · 454 ·