RH浸渍管 邹宗树0821.doc

RH真空精炼法浸渍管结构的设计优化许涛，邱子龙，罗志国，邵磊，邹宗树（多金属共生矿生态化冶金教育部重点实验室，东北大学冶金学院，辽宁 沈阳 110819）摘 要：本文介绍了前人对RH浸渍管结构形式优化设计的研究。除了文献中报道的椭圆形截面浸渍管、多浸渍管结构、单嘴精炼炉外，本文还提出了弓形截面浸渍管和套筒式浸渍管两种新型的浸渍管结构形式的优化设计，并通过水模实验的方法比较了不同浸渍管结构在不同吹气量、浸入深度下的循环流量和均混时间。结果表明筒式浸渍管以及弓形截面浸渍管对RH循环流量提升作用最佳，在相同供气量或浸入深度的条件下，套筒式浸渍管的循环流量是圆形截面浸渍管的2.143.35倍，弓形截面浸渍管的循环流量是圆形截面浸渍管的7.1412.20倍；弓形截面浸渍管对RH均混时间的改善作用最佳，在相同吹气量或浸入深度条件下，弓形截面浸渍管是圆形截面浸渍管的0.40.8倍。关键词：RH精炼；浸渍管结构；循环流量；均混时间中图分类号: TF77717 文献标识码: A 文章编号: 167421048 (2009) 0220126205RH真空精炼技术是德国Rheinstahl和Hutlenwerke两家公司于1957年联合开发的，并与1959年正式投入工业生产的一种循环真空脱气技术。在RH精炼过程，最重要的行为之一是气体做功而产生的流体循环流动，它是其它各种复杂的物理化学反应的基础和先决条件，循环流量和均混时间是衡量这种循环流动的两个重要参数，要有效的提高RH精炼生产的生产效率，就必须增大循环流量和缩短均混时间1, 2。对于确定容量的钢包，提高RH循环效能的途径有增大浸渍管内径、增大提升气流量和减小真空室内气体压力37等几种形式，但是受到现有双圆形截面浸渍管结构的制约，循环效能的进一步提高具有相当的难度。有鉴于此，在RH工艺发展过程中，除了圆形截面浸渍管，1988年Kuwabara等8提出横截面为椭圆形的浸渍管，20世纪70年代中国自行研制单嘴精炼炉9，2000年东北大学李宝宽等10将RH精炼装置的单上升管-单下降管结构改为三上升管-单下降管的结构。为进一步提高RH的钢水循环流量，本文通过改变浸渍管形状结构，增大浸渍管面积，并通过水模实验来研究不同浸渍管RH的循环特性。1 浸渍管的设计优化一般来说，在确定的真空度和提升气体流量下，RH的钢水循环流量随浸渍管横截面积的增大而增大。为了充分利用真空室底面积，首先设计了弓形截面浸渍管。此类浸渍管分为两种：一种是上升管与下降管对称设计，另一种是上升管与下降管的非对称设计。图1给出的是上升管与下降管非对称设计的弓形截面浸渍管的RH精炼装置的示意图。同样出于充分利用真空室底面积，又设计了套筒式浸渍管。套筒式浸渍管主要是由上升管、下降管、隔墙、大梁组成。上升管和下降管的设定是可以变化的，可以将浸渍管中心圆管设置为上升管，也可以将浸渍管中心圆管设置成下降管。图2给出了套筒式浸渍管RH精炼装置的示意图。2 实验原理通过水模实验对所设计的浸渍管的性能进行研究，并与现有的浸渍管进行比较。2.1 几何相似根据实际RH精炼系统的相关尺寸，按照1:5.45的比例构建几何模型。几何模型与RH精炼系统以及钢包尺寸见表1，具体尺寸见图3。表1 原型与模型主要参数表(mm)Table 1 Dimensions and main parameters of ladle and RH prototype and model 装置钢包部分RH部分上口直径底部直径内高真空室直径浸渍管长度原型30772666360618001500模型564489661330275图1 弓形截面浸渍管Fig. 1 Schematics of arch-shaped snorkel图2 套筒式浸渍管Fig. 2 Schematics of annular图3 RH模型尺寸图Fig. 3 Model dimension of RH2.2 动力学相似为使模型与原型动力学相似需保证修正佛鲁德准数Fr相等，根据RH精炼炉与模型之间的修正Fr准数相等，应用式(1)计算出构建模型时实际RH精炼炉与模型的提升气体流量之间的关系(带为模型参数)。(1)式中，V0表示气体流量，D表示浸渍管管径，l表示液体密度，g表示气体密度，P表示提升气体表态压力，T表示温度。3 实验装置及方法3.1 实验装置整个装置由有机玻璃模型、真空泵、空压机、压力表、气体分配器、高速摄像机、电导率测定以等组成。设备装置的示意图见图4。实验中采用了四种不同浸渍管结构，截面尺寸如图5所示。(a) 圆形管(b) 椭圆形管(c) 多浸渍管结构(d) 弓形截面浸渍管图4 实验装备示意图Fig. 4 Experimental apparatus图5 不同浸渍管截面结构Fig. 5 The cross section structure of different snorkels3.2 实验方法3.2.1 循环流量本文利用红墨水示踪、高速摄像的方法，实验后通过逐帧观察红墨水的运动，测量出示踪剂自下降管上端加入至离开下降管的时间，多次示踪测量取平均值，得到流体的平均流速，计算得出RH模型的循环流量。3.2.2 均混时间均混时间就是衡量RH内均匀搅拌效果的一个重要指标。本文采用的测量均混时间的方法是电导率法，具体方法是：启动RH水模型实验装置，待流动稳定后，将200ml的饱和NaCl溶液瞬时加入RH精炼装置中，通过电导率仪观察钢包内水的电导率变化，直至电导率在稳定值上下5%处波动。记下电导率仪显示的时间，多次测量后，取平均值。4 实验结果与讨论实验选取不同的提升气量、浸入深度等参数，考察了不同参数、不同浸渍管结构下循环流量的变化。实验中选取钢包液面高度为510mm，选取提升气体流量范围0.62.5m3/h，浸入深度为40115mm。采用的实验方法是单因素变量法，当考察浸入深度对循环流量的影响时，各实验组吹气量设为1.38 m3/h，当考察吹气量对循环流量的影响时，各实验组浸入深度设置为70mm。由于三上升管-单下降管的形式前人已做了充分研究，因此在本实验中，采用的是三下降管-单上升管的结构。4.1 不同浸渍管结构RH循环流量的比较图6、图7表明了供气量、浸入深度对不同浸渍管结构RH循环流量的影响。在提升气量或浸入深度逐渐增大的情况下，图中所示的5种不同的浸渍管结构RH的循环流量随着提升气体流量或浸入的增大而增加。在所考察的浸渍管结构中，圆形浸渍管RH的循环流量最低，椭圆管的循环流量高于圆管，多浸渍管结构循环流量高于椭圆管，套筒式浸渍管以及弓形浸渍管在相同提升气流量或浸入深度的条件下，具有最高的循环流量，弓形浸渍管对提高循环流量的效果更显著。在相同浸入深度条件或浸入深度的条件下，与圆形截面浸渍管相比，椭圆管循环流量是1.11.4倍，多浸渍管结构的循环流量是1.83.0倍，套筒式浸渍管的循环流量是2.14.0倍，弓形截面浸渍管的循环流量是7.113.1倍。图6 供气量对不同结构浸渍管循环流量的影响Fig. 6 Effects of gas flow rate on circulation flow rate of RH with different type snorkels图7 浸入深度对不同结构浸渍管循环流量的影响Fig. 7 Effects of snorkel immersion depth on circulation flow rate of RH with different type snorkels4.2 不同浸渍管结构RH均混时间的比较图8、图9表明了提升气流量、浸入深度对不同浸渍管结构RH均混时间的影响。在提升气量或浸入深度逐渐增大的情况下，图中所示的5中不同的浸渍管结构RH的均混时间随着提升气体流量的增大而减小。在所考察的浸渍管结构中，相同提升气流量或浸入深度的条件下，弓形截面浸渍管RH的均混时间最低，多浸渍管的均混时间次之，圆形截面浸渍管的均混时间再次之，套筒式浸渍管以及椭圆形截面浸渍管在相同提升气流量下，具有最高的均混时间。在相同吹气量或浸入深度条件下，套筒式浸渍管的均混时间是圆形截面浸渍管的1.31.9倍，椭圆截面浸渍管的均混时间是圆形截面浸渍管的0.81.7倍，多浸渍管结构的均混时间是圆形截面浸渍管的0.51.2倍，弓形截面浸渍管是圆形截面浸渍管的0.40.8倍。图8 吹气量对不同结构浸渍管均混时间的影响Fig. 7 Effects of gas flow rate on mixing time of RH with different type snorkels图9 浸入深度对不同结构浸渍管均混时间的影响Fig. 9 Effects of snorkel immersion depth on mixing time of RH with different type snorkels5 结论本文在前人已有研究基础上，从改善RH精炼过程的循环流量和均混时间着手，提出套筒式和弓形截面浸渍管。通过水模实验将圆形截面、椭圆形截面、弓形截面、套筒式浸渍管以及多浸渍管结构在不同吹气量、浸入深度的循环流量和均混时间进行对比得到以下结论。(1) 相比于其他类型的浸渍管结构，弓形截面浸渍管以及套筒式浸渍管对RH循环流量的提高作用显著。在相同浸入深度条件下，随着提升气流量的增加，椭圆管循环流量是圆形截面浸渍管的1.11.4倍，多浸渍管结构的循环流量是圆形截面浸渍管的1.83.0倍，套筒式浸渍管的循环流量是圆形截面浸渍管的2.14.0倍，弓形截面浸渍管的循环流量是圆形截面浸渍管的7.113.1倍。(2) 相比于其他类型的浸渍管结构，套筒式浸渍管不能对RH均混时间起到改善作用，弓形截面浸渍管对RH均混时间的改善作用显著。在相同吹气量或浸入深度条件下，套筒式浸渍管的均混时间是圆形截面浸渍管的1.31.9倍，椭圆截面浸渍管的均混时间是圆形截面浸渍管的0.81.7倍，多浸渍管结构的均混时间是圆形截面浸渍管的0.51.2倍，弓形截面浸渍管是圆形截面浸渍管的0.40.8倍。参考文献：1 朱苗勇现代冶金工艺学钢铁冶金卷M，北京：冶金工业出版社，2011，317-3192 李麒RH真空精炼装置的发展J，现代冶金，2012，4(4)：1-33 迟云广，吕宏禹，王恒辉等 RH精炼过程中循环流量的物理模拟J，钢铁研究，2012，40(2)：21-244 欧洪林，包燕平，岳峰等RH真空精炼过程中循环流量的水模型研究J，特殊钢，2011，32(3)：9-115 丁中RH精炼炉数模研究与实践J，宽厚板，2012，18(4)：9-146 艾新港，包燕平，吴华杰等RH精炼循环流量优化的水模型研究J，特殊钢，2009，30(3)：1-37 孙亮，赵俊花，艾立群 RH喷嘴对钢液流动影响的数值模拟研究J，中国冶金，2010，20(7)：16-208 Taturo KUWABARA, Kzausige UMEZAWA, Kouji MORI. 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Compared with other types of snorkel structure by water model study, the arch-shaped snorkel and the annular-shaped snorkel perform the best in the way of improving the