RH—MFB真空精煉過(guò)程的物理模擬.pdf

1、RH真空循環(huán)精煉自誕生以來(lái)，其冶金功能日益得以完善和發(fā)展。近50年的生產(chǎn)實(shí)踐證明，RH法是提高產(chǎn)品質(zhì)量、擴(kuò)大品種、降低成本和提高生產(chǎn)率的重要手段之一。如今，由于人們質(zhì)量意識(shí)和成本意識(shí)的增強(qiáng)使得高效精煉得以重視，RH真空循環(huán)精煉已經(jīng)朝功能多元化和過(guò)程高效化的方向發(fā)展。顯然，RH精煉反應(yīng)速率與動(dòng)力學(xué)條件密切相關(guān)，受到反應(yīng)器內(nèi)鋼水流動(dòng)、混合與傳質(zhì)的影響，這些動(dòng)力學(xué)參數(shù)對(duì)脫碳、脫氧、脫氫、去夾雜及鋼水混合效率起著重要作用。因此，開展研究RH過(guò)程

2、流體流動(dòng)、混合和傳質(zhì)特性具有重要意義。本課題采用物理模擬研究的方法系統(tǒng)研究了某冶金企業(yè)具體的RH-MFB設(shè)備內(nèi)鋼液的流動(dòng)、混合與傳質(zhì)特性，以期對(duì)設(shè)備潛力的發(fā)揮和工藝優(yōu)化提供指導(dǎo)。 本研究在120t多功能RH-MFB裝置1：5.45的水模型中進(jìn)行，主要內(nèi)容有：1)用皮托管測(cè)定下降管內(nèi)液體流速，從而測(cè)定循環(huán)流量的方法，研究真空循環(huán)精煉中鋼液的環(huán)流特性；2)以電導(dǎo)法測(cè)定了鋼包內(nèi)流體的混合時(shí)間；用脈沖響應(yīng)法獲得了RH真空室內(nèi)的停留時(shí)間分

3、布；進(jìn)而研究RH-MFB體系鋼液流動(dòng)的混合特性；3)采用NaOH稀溶液吸收CO2氣體實(shí)驗(yàn)?zāi)M研究了RH-MFB頂吹氧條件下真空脫碳反應(yīng)過(guò)程的傳質(zhì)現(xiàn)象，用PH值法測(cè)定了容量傳質(zhì)系數(shù)?？疾炝嗽撘苯鸱磻?yīng)器主要結(jié)構(gòu)參數(shù)和工藝操作因素，包括插入管內(nèi)徑、噴嘴個(gè)數(shù)與位置(氣泡行程)、驅(qū)動(dòng)氣體流量、浸入深度、鋼水處理量以及頂吹氣體流量和槍位對(duì)循環(huán)流量、均混時(shí)間、停留時(shí)間分布和容量傳質(zhì)系數(shù)的影響。研究所獲得的主要結(jié)論如下。 (1)循環(huán)流量的影響因

4、素大致可歸結(jié)為驅(qū)動(dòng)氣體流量、插入管內(nèi)徑、浸入深度、驅(qū)動(dòng)氣體引入點(diǎn)(氣泡行程)、鋼水處理量、噴嘴個(gè)數(shù)及其布置等。循環(huán)流量隨氣體流量、浸入深度、氣泡行程和噴嘴個(gè)數(shù)的增加而增大。當(dāng)循環(huán)流量隨提升氣體流量增大而達(dá)到“飽和”時(shí)，可通過(guò)增加噴嘴個(gè)數(shù)和氣泡行程來(lái)解決。 (2)在水模型條件下，得出循環(huán)流量與提升氣體流量之間的關(guān)系為Q=154.8Vg0.321。 (3)根據(jù)相似原理推算，在實(shí)機(jī)狀態(tài)下，采用12個(gè)噴嘴工況布置、浸入深度400

5、mm和驅(qū)動(dòng)氣體流量為110m3·h-1的工藝參數(shù)組合來(lái)處理120t鋼水時(shí)，其循環(huán)流量為84.37t·min-1，接近于設(shè)計(jì)規(guī)程中驅(qū)動(dòng)氣體流量為120m3·h-1條件下的87t·min-1的最大循環(huán)流量?？梢灶A(yù)見，該套R(shí)H-MEB設(shè)備能夠?qū)崿F(xiàn)87t·min-1的循環(huán)流量。 (4)RH-MFB精煉過(guò)程中流體混合的主要?jiǎng)幽軄?lái)源于經(jīng)下降管流出真空室的鋼液的動(dòng)能，也就是循環(huán)流量。所以一切有利于改善流動(dòng)、提高循環(huán)流量的措施對(duì)混合行為的作用也

6、應(yīng)該是有效的。 均混時(shí)間隨噴嘴個(gè)數(shù)與位置(氣泡行程)、提升氣量、插入管浸入深度及其內(nèi)徑的增大而減小。這種影響，尤以提升氣體流量的影響為最，并且有τ=95.95-20.7149Vg的關(guān)系。至于鋼水處理量，在提升氣體流量1.0～1.6m3/h范圍內(nèi)，物理模擬110～130t鋼水處理量時(shí)的均混時(shí)間都在60～80s之間，說(shuō)明該套設(shè)備是能夠滿足處理110～120t鋼水生產(chǎn)需要的，并且具有一定的擴(kuò)容條件。 實(shí)驗(yàn)還得到了在水模型條件下

7、均混時(shí)間與攪拌功率密度之間的關(guān)系為τ=131.8ε-0.287。 (5)RH真空室內(nèi)鋼液的平均停留時(shí)間隨氣泡行程、提升氣量、插入管內(nèi)徑的增大而減小。但是，鋼水處理量、噴嘴個(gè)數(shù)與浸入深度對(duì)鋼液平均停留時(shí)間的影響規(guī)律不是簡(jiǎn)單的線性關(guān)系，而是這些參數(shù)引起循環(huán)流量的變化對(duì)體系攪拌程度與它們所引起的真空室內(nèi)鋼液熔池深度變化而造成理論空時(shí)的變化綜合作用的結(jié)果。 (6)根據(jù)實(shí)驗(yàn)所測(cè)定的E(t)曲線的形態(tài)，對(duì)RH-MFB冶金反應(yīng)器真空室

8、內(nèi)的流體流動(dòng)可采用“全混流+活塞流+死區(qū)”的組合模型來(lái)分析，并且理論推導(dǎo)了各區(qū)體積比例的計(jì)算式。提高提升氣體流量、增加噴嘴個(gè)數(shù)及氣泡行程、擴(kuò)大插入管內(nèi)徑和浸入深度都有利于擴(kuò)大全混流體積比例，減小死區(qū)。 (7)該實(shí)驗(yàn)體系下的停留時(shí)間分布函數(shù)的方差在0.3～0.5范圍內(nèi)。說(shuō)明RH真空室內(nèi)的流體處于全混流與活塞流之間。運(yùn)用槽列模型計(jì)算串聯(lián)槽數(shù)N為2～3，可進(jìn)一步說(shuō)明RH鋼包內(nèi)液體經(jīng)過(guò)2～3次循環(huán)能夠?qū)崿F(xiàn)較好混合。 (8)表觀吸

9、氣速率(AkL/V)和容量傳質(zhì)系數(shù)(ak值)隨提升氣體流量、頂吹流量、氣相分壓浸入深度的增大而增大。提升氣體流量、插入管浸入深度和槍位對(duì)傳質(zhì)的影響是通過(guò)改變循環(huán)流量和流動(dòng)狀態(tài)來(lái)實(shí)現(xiàn)的；而頂吹氣體流量對(duì)流動(dòng)狀態(tài)改變甚微，其對(duì)傳質(zhì)的影響則是通過(guò)改變氣相分壓實(shí)現(xiàn)的。并且通過(guò)改變流體流動(dòng)狀態(tài)來(lái)改變傳質(zhì)的途徑效果更加明顯。容量傳質(zhì)系數(shù)ak與提升氣體流量和氣體分壓之間有如下關(guān)系ak=0.054Vg0.85PCO20.11。 (9)插入管內(nèi)徑

10、、噴嘴位置(氣泡行程)、噴嘴個(gè)數(shù)等反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)特性參數(shù)對(duì)其內(nèi)流體動(dòng)力學(xué)和傳質(zhì)有影響，且不同結(jié)構(gòu)參數(shù)下的容量傳質(zhì)系數(shù)隨氣量變化的趨勢(shì)大體相似。就該實(shí)驗(yàn)?zāi)M的這套設(shè)備而言，12個(gè)噴嘴按原型工藝布置時(shí)的傳質(zhì)動(dòng)力學(xué)條件較好。 (10)頂槍槍位對(duì)脫碳速度有很大影響。適當(dāng)?shù)亟档蜆屛豢梢约訌?qiáng)對(duì)真空室內(nèi)氣體流動(dòng)形態(tài)和鋼液的流動(dòng)狀態(tài)的擾動(dòng)，促進(jìn)氣流分布的均勻化和鋼液的攪拌，增加氣液接觸面積，改善傳質(zhì)動(dòng)力學(xué)條件從而利于傳質(zhì)。實(shí)際RH-MFB操作中，