RH真空室流型转变及低真空度下脱碳过程的物理模拟研究

Decarburization of RH with high speed is effective technology for low-carbon and high-quality steel production. Fundamental research on gas-liquid flow and physical simulation of decarburization with low pressure in vacuum chamber is still insufficient. The preliminary work focusing on the flow behavior of molten steel in whole RH equipment, indicates that the flow behavior in the vacuum chamber and gas behavior in upleg snorkel are mainly determinant of molten steel flow. It is necessary to analysis the fluid behavior in vacuum chamber in detail. On the basis of laboratory physical model which pressure in vacuum chamber is reduced to 20Kpa or less for more similar to the actual production conditions, the transformation process of the gas-liquid flow patterns, the relationship between the flow pattern of two phase flow and mass transfer characteristics, the decarburization reaction in different regions in vacuum chamber is monitored for obtaining the critical conditions of transition of decarburization area are studied. The results will be much significance for building the gas-liquid distribution spectrum with the changes of production conditions, providing the visualization technique of RH process and laying a solid theoretical foundation for developing the technology of fast decarburization and auto-motive steel production of energy conservation and environmental protection.

RH是生产高质量低碳纯净钢的核心装置。目前缺乏对RH真空室气液两相流动和降压下物理模拟循环流动过程中脱碳反应变化的基础理论研究。本课题组的前期工作对RH内钢液的流动行为进行了初步研究，发现真空室内钢液的流动行为和气体行为决定着整个RH内钢液的流动，非常有必要对真空室内的流体流动行为进行深入研究。本项目在实验室物理模拟RH循环流动的基础上，将模型真空室内压力降低至20Kpa以下，更贴近实际生产条件，系统研究了真空室内气液两相流流型的转变过程及其与液相传质特性的对应关系、气泡行为变化诱发流体行为变化的影响机制和反应过程中脱碳区域的临界转变条件。通过本项目研究成果可建立RH精炼中不同压降制度与吹气制度配合下的随生产条件变化的真空室气液两相分布谱图，将半黑箱的RH精炼过程可视化，为获得快速连续脱碳的关键技术和开发节能环保汽车板奠定坚实的理论基础。

RH作为生产高质量低碳纯净汽车板的核心设备被广泛采用，但目前基础理论研究水平与引进技术水平不均衡。亟需从真空室内气液两相流流型的转变过程及其与液相传质特性的对应关系、气泡行为变化诱发流体行为变化的影响机制和反应过程中脱碳区域的临界转变条件进行研究，从而到达控制RH内高效脱碳的目的，对实现RH高效脱碳以及高品质汽车钢生产具有重要意义。.本文以首钢京唐300 t RH及其生产工艺为原型，通过采用实验室水模拟研究流动行为、CO2-NaOH溶液模拟研究脱碳过程和高速摄像机研究两相流流体行为，对以下三个方面的内容进行了详细研究：真空室-上升管体系两相流流型分布区域图；降压下真空室液相传质性能的定量描述；降压下真空室脱碳区域的临界转变条件研究。.研究结果表明：对300 t大型RH而言，当真空室液面高度为300-480 mm时，真空室内气液两相流处于过渡流型，流体在真空室内的停留时间达到最大值，喷溅较少，且脱碳反应区域发生在整个真空室内。分析认为实际RH生产过程中，最有利于RH快速脱碳的真空室钢液状态为：随着脱碳时间的增加钢液由沸腾流动形态快速转变为过渡流动形态，且钢液在到达极限真空前尽量处于过渡流动形态，并将真空室最大液面高度控制在过渡流动形态与波动流动形态的临界点附近。.通过对气泡行为和上升管气液两相流流体行为进行试验研究可得：RH内气泡随着提升气体量的增加，经历从独立到聚合直到破碎的过程，由大气泡最终破碎成小气泡以及气泡聚集体。真空室液面高度决定真空室内气液两相流的存在形式，尤其影响真空室表面的流动状态，提升气体量会扩大气泡的存在区域以及真空室表面的波动幅度，但是不改变真空表面气液两相流的形式。当提升气体量达到3500L/min、真空室液面高度为60mm时，此时真空室表面波动状态最好，真空室内活跃区域越大超过50%，有利于表面脱碳的气量且此时RH内气泡的表面积较大。RH脱碳后期应将提升气体量控制在3500L/min 以上，缩短脱碳时间，提高精炼效率。