RH真空精煉過程的氣液兩相流動及脫氫行為研究.pdf

1、隨著我國經(jīng)濟建設(shè)的快速發(fā)展以及對鋼材品種和質(zhì)量的要求日益苛刻，爐外精煉已成為現(xiàn)代鋼鐵生產(chǎn)工藝中必不可少的重要工序。RH真空精煉法由于其強大的處理功能和優(yōu)異的精煉效果被廣泛地運用于爐外精煉過程中。RH真空精煉過程是一個涉及傳熱、傳質(zhì)、化學(xué)反應(yīng)和多相流動的復(fù)雜冶金過程。為了充分地發(fā)揮RH的精煉效果，降低生產(chǎn)成本，必須對RH真空精煉過程中的氣液流動行為和影響因素進(jìn)行深入系統(tǒng)地研究。
　　本研究以某廠210t機械真空RH精煉裝置為原型，建

2、立了與RH精煉裝置原型1:5比例的水模型，模擬研究了RH精煉過程中流體的流動行為及不同工藝參數(shù)對RH精煉過程的影響。物理模擬研究結(jié)果表明，當(dāng)水模型裝置內(nèi)的流場穩(wěn)定后，裝置內(nèi)的氣液兩相會維持固有方式進(jìn)行循環(huán)流動。氣液兩相的流動行為主要受到吹氣流量、浸漬管浸入深度和真空度等工藝參數(shù)的影響。增大吹氣流量、浸入深度和真空室液面高度均有利于增加液體的循環(huán)流量，提高混合效果，從而縮短混勻時間。利用ANSYS-CFX商業(yè)軟件模擬研究了各相間力及其不同

3、組合方式對RH精煉裝置內(nèi)氣液兩相流動行為的影響。數(shù)值模擬研究結(jié)果表明，曳力是RH流場模擬的核心相間力，對鋼液循環(huán)流量的影響最大。虛擬質(zhì)量力由于改變了氣泡的運動軌跡，消除了氣泡的粘壁效應(yīng)，對鋼液的循環(huán)流量和上升管內(nèi)氣泡的含氣率分布都具有顯著影響。湍流擴散力雖然對鋼液循環(huán)流量的影響較小，但對上升管內(nèi)氣泡的含氣率徑向分布影響較大。壁面潤滑力與升力兩者對鋼液的循環(huán)流量和上升管內(nèi)氣泡的含氣率分布都無明顯影響。因此，基于RH流場模擬的最優(yōu)相間力模型

4、可由曳力、虛擬質(zhì)量力和湍流擴散力三者組成。根據(jù)獲得的最優(yōu)相間力模型，對建立的RH真空精煉數(shù)學(xué)模型進(jìn)行了優(yōu)化與驗證，分析研究了RH精煉裝置內(nèi)鋼液的流場、速度場、氣泡的含氣率分布特點以及鋼包最佳取樣位置。結(jié)果表明，優(yōu)化后的RH真空精煉數(shù)學(xué)模型能真實地反映RH精煉裝置內(nèi)氣液兩相流動的行為。影響RH精煉裝置內(nèi)各部分的流場、速度場及氣泡含氣率分布的主要因素是工藝條件、氣液兩相間的相互作用以及裝置結(jié)構(gòu)。通過對比鋼包內(nèi)各測試點“開始混勻時間”，分析鋼

5、液在鋼包內(nèi)的流動方式，能得到若干個基于RH精煉過程的最佳鋼包取樣位置。采用Higbie滲透模型和細(xì)胞渦流傳質(zhì)模型分別分析研究了RH精煉裝置內(nèi)不同區(qū)域的脫氫傳質(zhì)過程，通過耦合優(yōu)化的RH三維流場，建立了RH真空精煉脫氫數(shù)學(xué)模型。研究結(jié)果表明，該模型不僅能真實準(zhǔn)確地反映RH精煉裝置內(nèi)的兩相流動行為，也能較好地預(yù)測實際脫氫過程。RH真空脫氫反應(yīng)主要發(fā)生在上升管和真空室內(nèi)，上升管內(nèi)的脫氫反應(yīng)區(qū)域由氣泡的含氣率分布所決定；真空室內(nèi)的脫氫反應(yīng)區(qū)域由鋼