RH设备形状对钢液流动和混合特性的影响.doc

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1、RH设备形状对钢液流动和混合特性的影响贺庆，刘浏(钢铁研究总院，北京100081)摘要：采用水模拟和数值模拟方法对大真空室、椭圆浸渍管及常规RH模型的流场特性进行分析和比较。经过对循环流量和混匀时间的测定，得出椭圆管RH的流场特性参数最佳，大真空RH与普通RH相近。椭圆管RH增大循环流量后可促进脱碳，大真空RH则大大提高钢液表面反应层的脱碳效果，但其对提升气量和工艺操作条件有严格的要求。结合2种改进模型的特点，对RH设备进行几何和供气参数的优化匹配是提高精炼效率的关键。关键词：RH；浸渍管；真空室；水模拟；数值模拟近年来市场对低碳钢需求不断增加，对产品要

2、求也越加苛刻。RH在生产低碳钢领域具有显著优势，但如处理时间过长，也会带来钢水温降增大、耐火材料消耗增多等问题，因此改善RH钢液的动力学条件，提高钢水脱碳速度成为重要的研究内容。研究表明，增大循环流量或反应界面对钢水脱碳速度的提高、钢水温度和成分的均匀有利[1]。众多研究者进行了大量试验对浸渍管形状、尺寸、数量及真空室的形状、内径等参数进行改进，以增大环流量和改善流动状态，提高RH的脱碳效率[2—5]。2001—2012年，针对增大浸渍管、增大真空室和常规的RH装置进行比较研究，在相同的试验条件下分别对3种装置的钢液流动特性、循环流量和混匀时间进行测定、

3、计算和比较，为RH设备改进提供试验依据。1试验研究方法1．1水力学模拟为使模型与原型动力学相似需保证佛鲁德准数Fr相等，考虑到因静压力变化而引起的气体膨胀功在模型和实际钢液中不同，进行压力修正后可得式(1)。式(1)中，Q为提升气体流量，m3／h；λ为模型几何相似比；ρ1为液体密度，kg／m3；ρg为提升气体的标态密度，kg／m3；Pg为提升气体的标态压力，Pa；下标m和p分别表示模型和原型。水模拟试验装置主要包括有机玻璃模型、供气系统、抽真空系统和信号采集系统等，见图1。1．2数值模拟RH数值模拟研究已有多年历史，多采用均相流或两相流模型，均相流模型要

4、根据气液两相区的形状和位置对液相含气率进行修正和设定，影响因素复杂[6—8]，本文采用欧拉两相流模型。由于RH内钢液湍流流动复杂，受气泡、真空抽吸及温度等多重因素影响，为建立模型进行如下假设：不考虑温度场影响，即流动为等温流动；气液两相间的动量传输以相间作用力为主，且在壁面处无滑移；由气泡浮力驱动钢液进行循环流动。RH装置内钢液流动遵循的基本方程包括连续性方程、动量守恒及能量守恒方程。湍流模型采用基于湍流动能和扩散率推出的k—ε湍流模型方程[9—10]。对计算域进行三维六面体网格划分，各模型网格数量均在20万个以上，求解计算采用SIMPLE算法。模型初始

5、化时钢液完全处于大包中，通过抽真空与吹气使钢液提升到真空室里然后形成循环。对边界条件的设定如下：大包自由表面为压力入口，设定一个标准大气压101．325kPa；真空室熔池液面设为压力出口，即实际真空度；吹气孔为质量入口，对试验参数进行压力和温度换算后进行设定；由于近壁处需考虑湍流减弱和层流增强，壁面由壁面函数指定其行为。2试验装置及方案2．1模型设计当钢水ω(C)<0．02％后，钢水循环流量Q1与容积传质常数ak(a为反应界面积，k为碳的传质系数)对脱碳至关重要，Sumida建立的脱碳模型证明了提高循环流量Q1或容积传质常数ak均利于加快脱碳速度，使真空

6、脱碳反应趋于平衡[1]。k在脱碳过程中变化很小，因此试验设计2种改进模型，分别加大真空室或浸渍管来增加a和Q1。以170t钢包为原型，根据几何相似原理按4：1的比例建立物理模型，主要参数见表1。设计时，浸渍管的增大要保证其它设备不受影响。由于浸渍管间距很小，在两管中心连线方向上管径没有增大空间，因此设计成椭圆形。其长径的确定考虑真空室与管壁的相对位置及工人操作空间，最终按长短径比2：1的比例确定出长径1000mm，短径500mm，使浸渍管截面积增大70％。对应模型尺寸为长径250mm，短径125mm。确定大真空室的尺寸时考虑到真空处理钢水量增加较多，因此

7、根据设备最大提升气量以及与椭圆管的可比性确定出大真空室的表面积增大70％，即内径增大约30％。图2是模型俯视图。2．2试验参数及方法根据生产低碳钢的实际生产条件确定试验参数，对应深处理工艺确定真空度为67Pa，插入深度为520mm。提升气量由通常的60～120m3／h扩大至30～150m3／h。试验中的真空度、插入深度和提升气量依据修正Fr相等进行换算。主要试验工作如下。1)采用刺激—响应法测定混匀时间。向大包内加入定量饱和NaCl，通过电导仪和电脑采集数据，测定均混时间。2)采用电导率突变时间差法测量循环流量。根据不同位置电导电极相继发生电势突变的时间

8、差进行推算。数值模拟各模型的流场，分析流场的运动状态和特性。3试验结果3．1动力