210吨RH精炼炉真空状态下夹杂物去除机理研究

赵 珉

（山东钢铁集团日照有限公司炼钢部，山东 日照 276800）

伴随着炼钢技术进步和相关设备的智能化，极大地提高了钢液的纯净度。在传统的纯净钢生产中，常配备LF精炼炉，主要原因在于LF精炼炉含有加热功能，可作为辅助补偿精炼时温度的损失，但是却增加了炼钢成本和周期。然而使用RH精炼炉生产纯净钢则具有相当重要的意义，是目前生产纯净钢相对较为有效的手段[1]。通常附加值高的钢材一般都会进行RH精炼处理，它不仅具有较为优异的脱碳作用，同时在夹杂物去除上具有举足轻重的作用[2,3]。然而在对RH精炼炉在真空状态下如何去除夹杂物的研究，相关领域的学者在此方面的研究则相对较少，通常取钢水进行分析则是相对较普遍的做法。然而研究RH精炼炉内夹杂物行为是相对繁杂的，采用物理模型来开展去除机理的研究则是较为可行的办法，本文将通过乳状液滴的方式模拟夹杂物去除的行为，探讨水模和原型介质相关参数的选取和对应关系，以便为RH精炼炉去除夹杂物提供借鉴。

1 试验原理和试验方法

1.1 试验原理

做水模试验要考虑到的是原型和模型之间要达到几何上的相似和动力上的相似。以210吨RH精炼炉为例，试验所确定的几何相似比λ=1:8，同时要确保动力上相似，则可推算出相应的原型的提升气体流量。本次试验钢水则采用氯化钠溶液作为模拟物质，氢气则采用空气作为模拟物质。

1.2 试验方法

模拟试验则是采取固定量的乳状液经由特别的方式均匀通入到RH试验装备中，接着往上升管送气体，并在这时从钢包的底部慢慢地通入与钢包内密度相似的氯化钠溶液，并伴随溢出的溶液，钢包中缓缓上升到表面的乳状液也会往外流出。

试验的相关工艺参数为：气量的提升值为5L/min～30L/min，处理的时间在5min～24min内，真空试验室内液面高度设定的值主要是32mm、48mm和60mm。通过改变3个参数的条件，定量分析夹杂物去除的效果，研究参数变化对夹杂物去除的影响规律，同时开展夹杂物碰撞、发生长大和上浮的试验研究。

2 试验结果与讨论

2.1 处理时间与夹杂物去除率关系

图1为试验所获得的不同处理时间区间内气量提升值与夹杂物去除率关系，由图可知，在不同的气量提升值内，在8min范围内夹杂物被去除的占比较大，大部分的夹杂物都在这个时间段内被去除。主要原因在于在夹杂物去除初期，夹杂物的数量较多，在液体中的密度自然就多，从而给夹杂物发生更多碰撞的几率，夹杂物就会发生碰撞聚集长大，并形成簇状物，随着簇状物的长大所产生的浮力自然就会加大，从而使得簇状物从钢水中上浮到液面上来。其总体的情况是在0min～4min时，是夹杂物集聚长大的关键期，其夹杂物上浮量继续上升，4min～8min时则是夹杂物形成簇状物上浮最关键的期间，也是夹杂物上浮量达到最大值的关键阶段。随着时间的继续推移，留滞在钢液中的夹杂物数量和尺寸也越来越小，主要原因在于在0min～8min这个时间段内，大多数尺寸较大的夹杂物通过碰撞、聚集、长大成簇状物并上浮到钢液表面而被去除。同时可观察到在8min～12min、12min～16min、16min～20min、20min～24min这四个区间内的夹杂物去除的效果越来约弱，并逐渐降低，综合图1的结果可知，夹杂物在真空状态下被去除主要发生在12min前，后面12min的夹杂物去除效果则相对较弱，从而可判断通过RH精炼炉去除夹杂物在24min之后基本已可去除绝大多数的夹杂物，从夹杂物去除的角度出发，若在加长RH精炼炉继续去除夹杂物已无多大的实际意义。

图1 不同处理时间与夹杂物去除率关系

2.2 气量提升值与夹杂物去除率关系

图2 为不同处理时间和气量提升值与夹杂物去除率关系图，通过图可知，在气量提升值较小时，且处理时间较短时，如气量在5L/min～10L/min，处理时间在2min～4min左右时，夹杂物的去除效果不够理想，随着气量提升值的增大，其夹杂物的去除效果越佳，尤其是当气量提升值在20L/min～25L/min时，其夹杂物的去除效果是最佳的，这个时候若继续加大气量提升值，反而夹杂物的去除效果会下降。主要原因在于，当气量提升值小时，RH精炼炉内的液体的湍动能相对小一些，对于夹杂物来说不易于碰撞和长大，同时由于钢水的流动相对缓慢，也会使得夹杂物集聚后向界面输运夹杂物的能力也会较弱。同样地，若气量提升值过大时，尽管夹杂物碰撞和长大的能力加强，当时由于过大的值使得夹杂物尽管被运输到界面，但是由于加速度过大，使得夹杂物再一次的被卷入到钢水中而影响了夹杂物的去除效果。

图2 不同处理时间和气量提升值与夹杂物去除率关系

2.3 真空试验室内液面高度对夹杂物去除效果的影响

图3 为气量提升值为20L/min时，液面高度与夹杂物去除率关系图，由图可知，液面高度与处理时间的关系是随着其值增加而增加。而液面高度直接反应的是RH精炼炉的真空度，因此，总体可以看出，当液面高度在48mm时，其夹杂物的去除效果是最佳的，高度太低或者是太高均达不到理想的夹杂物去除效果，从而反应出RH精炼炉内的真空度也是有一个最佳的值的。

3 试验结果与讨论

（1）从处理时间上看，夹杂物去除的最关键时间时前面的12min，总体来说24min的处理时间基本上可将夹杂物去除。

图3 液面高度与夹杂物去除率关系（气量提升值为20L/min）

（2）气量提升值存在一个较佳的范围，20L/min～25L/min则为最佳的气量提升值，提升值较小或过大均达不到较好的夹杂物去除效果。

（3）48mm的液面高度所对应的真空度值则是最佳的夹杂物去除效果最佳的值。