RH—MFB真空精煉過程的物理模擬.pdf

1、RH真空循環(huán)精煉自誕生以來，其冶金功能日益得以完善和發(fā)展。近50年的生產(chǎn)實踐證明，RH法是提高產(chǎn)品質(zhì)量、擴大品種、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)量意識和成本意識的增強使得高效精煉得以重視，RH真空循環(huán)精煉已經(jīng)朝功能多元化和過程高效化的方向發(fā)展。顯然，RH精煉反應速率與動力學條件密切相關(guān)，受到反應器內(nèi)鋼水流動、混合與傳質(zhì)的影響，這些動力學參數(shù)對脫碳、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過程

2、流體流動、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、混合與傳質(zhì)特性，以期對設(shè)備潛力的發(fā)揮和工藝優(yōu)化提供指導。 本研究在120t多功能RH-MFB裝置1：5.45的水模型中進行，主要內(nèi)容有：1)用皮托管測定下降管內(nèi)液體流速，從而測定循環(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)以電導法測定了鋼包內(nèi)流體的混合時間；用脈沖響應法獲得了RH真空室內(nèi)的停留時間分

3、布；進而研究RH-MFB體系鋼液流動的混合特性；3)采用NaOH稀溶液吸收CO2氣體實驗模擬研究了RH-MFB頂吹氧條件下真空脫碳反應過程的傳質(zhì)現(xiàn)象，用PH值法測定了容量傳質(zhì)系數(shù)?？疾炝嗽撘苯鸱磻髦饕Y(jié)構(gòu)參數(shù)和工藝操作因素，包括插入管內(nèi)徑、噴嘴個數(shù)與位置(氣泡行程)、驅(qū)動氣體流量、浸入深度、鋼水處理量以及頂吹氣體流量和槍位對循環(huán)流量、均混時間、停留時間分布和容量傳質(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)動氣體流量、插入管內(nèi)徑、浸入深度、驅(qū)動氣體引入點(氣泡行程)、鋼水處理量、噴嘴個數(shù)及其布置等。循環(huán)流量隨氣體流量、浸入深度、氣泡行程和噴嘴個數(shù)的增加而增大。當循環(huán)流量隨提升氣體流量增大而達到“飽和”時，可通過增加噴嘴個數(shù)和氣泡行程來解決。 (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，在實機狀態(tài)下，采用12個噴嘴工況布置、浸入深度400

5、mm和驅(qū)動氣體流量為110m3·h-1的工藝參數(shù)組合來處理120t鋼水時，其循環(huán)流量為84.37t·min-1，接近于設(shè)計規(guī)程中驅(qū)動氣體流量為120m3·h-1條件下的87t·min-1的最大循環(huán)流量。可以預見，該套RH-MEB設(shè)備能夠?qū)崿F(xiàn)87t·min-1的循環(huán)流量。 (4)RH-MFB精煉過程中流體混合的主要動能來源于經(jīng)下降管流出真空室的鋼液的動能，也就是循環(huán)流量。所以一切有利于改善流動、提高循環(huán)流量的措施對混合行為的作用也

6、應該是有效的。 均混時間隨噴嘴個數(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鋼水處理量時的均混時間都在60～80s之間，說明該套設(shè)備是能夠滿足處理110～120t鋼水生產(chǎn)需要的，并且具有一定的擴容條件。 實驗還得到了在水模型條件下

7、均混時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、噴嘴個數(shù)與浸入深度對鋼液平均停留時間的影響規(guī)律不是簡單的線性關(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的變化綜合作用的結(jié)果。 (6)根據(jù)實驗所測定的E(t)曲線的形態(tài)，對RH-MFB冶金反應器真空室

8、內(nèi)的流體流動可采用“全混流+活塞流+死區(qū)”的組合模型來分析，并且理論推導了各區(qū)體積比例的計算式。提高提升氣體流量、增加噴嘴個數(shù)及氣泡行程、擴大插入管內(nèi)徑和浸入深度都有利于擴大全混流體積比例，減小死區(qū)。 (7)該實驗體系下的停留時間分布函數(shù)的方差在0.3～0.5范圍內(nèi)。說明RH真空室內(nèi)的流體處于全混流與活塞流之間。運用槽列模型計算串聯(lián)槽數(shù)N為2～3，可進一步說明RH鋼包內(nèi)液體經(jīng)過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傳質(zhì)的影響是通過改變循環(huán)流量和流動狀態(tài)來實現(xiàn)的；而頂吹氣體流量對流動狀態(tài)改變甚微，其對傳質(zhì)的影響則是通過改變氣相分壓實現(xiàn)的。并且通過改變流體流動狀態(tài)來改變傳質(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)、噴嘴個數(shù)等反應器的結(jié)構(gòu)特性參數(shù)對其內(nèi)流體動力學和傳質(zhì)有影響，且不同結(jié)構(gòu)參數(shù)下的容量傳質(zhì)系數(shù)隨氣量變化的趨勢大體相似。就該實驗模擬的這套設(shè)備而言，12個噴嘴按原型工藝布置時的傳質(zhì)動力學條件較好。 (10)頂槍槍位對脫碳速度有很大影響。適當?shù)亟档蜆屛豢梢约訌妼φ婵帐覂?nèi)氣體流動形態(tài)和鋼液的流動狀態(tài)的擾動，促進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)動力學條件從而利于傳質(zhì)。實際RH-MFB操作中，