180 t RH搅拌功率的水模实验研究

张家伟，刘海啸，高守祺，贲东阳，李明泽，张滨雁，艾新港

（辽宁科技大学 材料与冶金学院，辽宁 鞍山 114051）

RH真空精炼设备是生产超纯净钢的关键设备［1］，具有处理量最大、处理效果最好、功能最多、发展最快等一系列优点，在超纯净钢生产中获得了广泛应用［2-4］。搅拌功率是评估RH精炼技术优劣的一个重要指标。搅拌可以增强钢渣间的反应，加快钢液与物料的反应速率及传热效率，降低钢液中氧气含量，使杂质上浮，从而提高钢液的品质。搅拌功率表征了反应容器内搅拌能力的大小。如果搅拌功率太小，就没办法达到去除钢液中夹杂的作用。目前大多数学者还是着眼于如何利用钢口吹氩、底吹和微小气泡等［5］方法去除夹杂，研究搅拌功率的文献较少。本文以某钢厂的180 tRH真空精炼炉为原型，在实验室建立水力学模型，试验探究工艺参数对搅拌功率的影响。

1 实验方法

1.1 实验装置

水模设备主要有DDB-303A电导率仪、储气罐、空压机、气体流量计和真空泵。实验装置如图1所示。几何相似要求实验所用有机玻璃模型按某钢厂180 t RH精炼工艺设备比例缩小。本实验模型选用与原型相似比为1：4，具体尺寸见表1。

图1 RH水模实验装置Fig.1 Experimental configuration of RH water model

1.2 动力学相似

RH工作时，上升管吹入氩气使钢液循环，装置内的主要作用力是气泡的浮力、钢液自身的重力和湍流粘滞力。原型与模型中的流动均处于第二自模化区，保证流动相似；当模型和原型满足修正Fr准数相等时，即可认为满足动力学相似［6-7］。由此条件得

表1 钢包与RH的实际尺寸与模型尺寸，mmTab.1 Actual size and model size of ladle and RH，mm

式中：Qm是模型的体积流量，m3/h；Qp为实际体积流量，m3/h。

2 实验方案

2.1 搅拌功率与混匀时间

混匀时间是衡量其精炼效率的一个重要指标［9-11］，反映了RH精炼装置内钢液的搅拌和混匀效果。混匀时间一般表征加入合金元素与钢液的混合程度。而搅拌不仅仅加快混匀，还可以改善脱磷脱硫脱碳等热力学和动力学条件，更有利于夹杂物的碰撞长大。对于RH真空精炼去气去夹杂行为的研究而言，采用搅拌功率比混匀时间更有意义。实验时用水代替钢液并测量液体的混匀时间。单位搅拌功率计算式［12］

式中：ε为单位搅拌功率，W/t；τ为混匀时间，s。

2.2 混匀时间的测定

直接测定单位搅拌功率是困难的，可以利用式（2）计算搅拌功率。本文利用电导率法来测定混匀时间。在实验前，准备100 mL饱和KCl溶剂作为示踪剂。实验过程中，先打开真空泵，将真空室抽真空，待真空室液面达到实验条件后，打开气阀进行吹气，待模型内液体的流动状态趋于稳定，压力计的液面差趋于稳定时，快速打开示踪剂加入口的球阀加入示踪剂，通过DDB-303A电导率仪采集相关数据。当电导率仪中显示的电导率变化上下波动不超过5%时，认为该反应达到混匀状态。每个参数多次测量后取平均值作为最终的实验结果。

2.3 实验方案

本文主要考察浸入管浸入深度、真空室液面高度、吹气量等各种工艺参数对RH真空精炼装置的搅拌功率影响。通过改变参数，观察混匀时间的变化曲线。具体实验方案：

（1）吹气量为2.52 m3/h，真空室液面高度为36 cm时，浸渍管浸入深度分别为150、160、170、180、190 mm。

（2）浸渍管浸入深度为190 mm，吹气量为2.52 m3/h时，真空室液面高度分别为28、30、32、34、36 cm。

（3）浸渍管浸入深度为190 mm，真空室液面高度为36 cm时，选择的吹气量分别为2.52、3.276、4.032、4.788、5.54 m3/h。

3 实验结果分析

3.1 浸入深度对搅拌功率的影响

实验对不同浸入管浸入深度下的混匀时间进行测量，每组实验进行5次测量，通过式（1）计算搅拌功率。搅拌功率与浸入深度的关系曲线如图2所示。

图2 浸入深度与搅拌功率关系曲线Fig.2 Relationship between immersion depth and stirring power

随着浸入深度的增加，搅拌功率也随之增加。当浸入深度为190 mm时，搅拌功率达到最大值为492.62 W。搅拌功率和浸入深度呈线性关系，线性回归得到：y=3.671 8x-212.504。

这是由于浸入管浸入到钢包越深，气泡行程增加，气泡做功增多，钢包的内循环更加剧烈，搅拌加剧，从而使混匀时间减少，搅拌功率出现增加的趋势。搅拌可以改善去气去夹杂的动力学条件，有利于去气去夹杂的化学进程，尤其是在去除微小夹杂物方面，搅拌加大了微小夹杂物的碰撞几率，气泡行程增加，这些条件都有利于钢液在RH真空精炼过程中的去夹杂操作。

3.2 液面高度对搅拌功率的影响

搅拌功率与真空室液面高度关系如图3所示。搅拌功率随着真空室液面高度的增加而增加，且在真空室液面高度为36 cm时，搅拌功率达到最大值为492.62 W。采用线性回归得到其线性关系式为：y=26.256x-470.432。

图3 真空室液面高度与搅拌功率关系曲线Fig.3 Relationship between liquid level in vacuum chamber and stirring power

真空室液面高度越高，对应的真空度越高，钢包中的钢液会有更大的牵引力进入到真空室中，同时气泡行程增加，液体有更多的重力势能进行转化，搅拌动力变大，钢液流动加剧，搅拌功率提高，加快混匀过程，减少混匀时间，同时，较高的真空度也能使得在真空室中进行的脱气操作效果更好。

3.3 吹气量对搅拌功率的影响

搅拌功率与吹气量的关系如图4所示。搅拌功率随着吹气量的增加而增加，且在吹气量为5.54 m3/h时，搅拌功率达到最大值1 332.6 W。线性回归得到：y=279.205 65x-187.541 8。

图4 吹气量与搅拌功率关系Fig.4 Relationship between blowing volume and stirring power

当吹气量增加时，上升管中的气泡会明显增多。RH循环的主要动力之一就是上升的气泡产生的浮力做功，气泡的数量变多，气泡所做的总功增加，从而会使得搅拌加剧，搅拌功率增加，装置内环流增加，混匀时间减少。当吹气量大于4.0 m3/h后，再增加吹气量搅拌功率增大的幅度变小，为保证生产企业的效益最大化，生产现场的吹气量应当控制在4.0 m3/h附近。

4 结论

本文以180 t RH真空精炼设备为原型，在实验室按照模型与原型相似比为1：4建立物理模型，探究了RH真空精炼过程中不同因素对搅拌功率的影响。

（1）当吹气量为2.52 m3/h、真空室液面高度为36 cm、浸入管浸入深度为190 mm时，搅拌功率达到最大值为492.62 W。且在一定的范围内，搅拌功率与浸入管浸入深度呈线性关系：y=3.681 7x-212.504。搅拌功率与真空室液面高度呈线性关系：y=26.256x-470.432。

（2）当浸入深度为190 mm、真空室液面高度为36 cm、吹气量为5.54 m3/h时，搅拌功率最大为1 332.6 W。且在一定的范围内，搅拌功率与吹气量呈线性关系：y=279.205 65x-187.541 8。