雷 洪趙 巖耿佃橋張紅偉

(1.東北大學(xué) 材料電磁過(guò)程研究教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 遼寧 沈陽(yáng) 110819;2.東北大學(xué) 冶金學(xué)院， 遼寧 沈陽(yáng) 110819)

鋼液真空循環(huán)脫氣法(簡(jiǎn)稱(chēng)RH法)是大多數(shù)鋼鐵企業(yè)生產(chǎn)超低碳鋼的一種常規(guī)方法。傳統(tǒng)RH裝置具有上升管、下降管和真空槽三大部分。在真空精煉過(guò)程中，首先抽真空操作迫使鋼液進(jìn)入真空槽內(nèi)；然后在上升管側(cè)壁吹入惰性氣體(氬氣)，氬氣泡在上浮過(guò)程中會(huì)驅(qū)動(dòng)鋼液沿上升管、真空槽、下降管和鋼包作循環(huán)流動(dòng)。鋼液的脫碳可分為碳氧元素的傳輸、碳氧化學(xué)反應(yīng)的發(fā)生及CO氣體的產(chǎn)生和逸出三個(gè)步驟。在實(shí)際操作中，頂吹氣體流量、頂槍槍位和真空室的真空度是影響RH脫碳的重要因素。

為了縮短RH真空處理時(shí)間提高生產(chǎn)效率，我國(guó)多家鋼鐵企業(yè)自20世紀(jì)70年代開(kāi)始相繼嘗試開(kāi)發(fā)單管RH精煉爐裝置，并進(jìn)行了相關(guān)的工業(yè)實(shí)驗(yàn)[1]。1991年，日本八幡廠也建造了單管RH并投入工業(yè)生產(chǎn)[2]。工業(yè)實(shí)踐表明，相對(duì)于傳統(tǒng)雙管RH，單管RH具有精煉效率高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、容易維修等優(yōu)點(diǎn)。

雖然冶金學(xué)者在RH方面開(kāi)展了大量的水模型、數(shù)擬模型和工業(yè)實(shí)驗(yàn)等研究工作。但是大多數(shù)的研究集中于傳統(tǒng)雙管RH的脫碳行為，對(duì)單管RH的脫碳則較少涉及?；诖?，本文建立了幾何相似比為1∶5的單管RH水力學(xué)模型，將經(jīng)典的雙管RH真空溶氧及脫碳實(shí)驗(yàn)方案應(yīng)用于單管RH，并分析了多個(gè)工藝參數(shù)(氧槍槍位、頂吹氣體流量、底吹氣體流量等)的冶金效果。

1 水模型實(shí)驗(yàn)

1.1 物理模型

根據(jù)實(shí)驗(yàn)室的具體條件，確定水模型與單管RH原型的幾何相似比為1∶5。表1給出了水模型的關(guān)鍵幾何參數(shù)。在單筒RH精煉過(guò)程中，氣泡膨脹上浮是RH內(nèi)流體流動(dòng)的主要驅(qū)動(dòng)力。換言之，決定單管RH流體流動(dòng)特性的主要作用力是重力和慣性力[3]。這樣，單管RH水模型的相似準(zhǔn)數(shù)可采用修正弗勞德數(shù)。同時(shí)注意到水模型實(shí)驗(yàn)在常溫下進(jìn)行，因此水模型的實(shí)際氣體流量確定需要修正水模型中氣體的壓力和密度。

Qm=0.014 2Qp

(1)

式中：Q為氣體流量，m3/s,下標(biāo)m和p分別代表水模型及工業(yè)原型裝置。

表1 單筒RH水模型幾何參數(shù) mm

1.2 實(shí)驗(yàn)原理

以往研究表明，RH脫碳的制約環(huán)節(jié)是氧和碳元素在鋼液中傳質(zhì)，而氫氧化鈉溶液溶解和釋放二氧化碳?xì)怏w的制約環(huán)節(jié)是溶液中二氧化碳?xì)怏w的傳質(zhì)[4]。因此利用水模型實(shí)驗(yàn)中二氧化碳?xì)怏w的溶解和釋放過(guò)程來(lái)分析單筒RH中鋼液中氧氣的溶解和脫碳是切實(shí)可行的。

在氫氧化鈉溶液中，i時(shí)刻二氧化碳濃度與pH值之間的關(guān)系可用式(2)[5]表達(dá)。

(2)

式中：c(CO2)i是i時(shí)刻二氧化碳的摩爾濃度，mol/L；溶液的pH值采用[H+]來(lái)表征；c(NaOH)是氫氧化鈉溶液的初始摩爾濃度，mol/L，K(H2O)、K1和K2分別是水的離子積、碳酸的1級(jí)和2級(jí)電離常數(shù)。

在水模型中，二氧化碳的吸收和釋放速率可用下式表示：

(3)

式中：ηk為容積傳質(zhì)系數(shù)，ηk=AkL/V；A為氣液兩相間的接觸面面積，m2；V為鋼包中流體體積，m3；t為時(shí)間，s；kL為二氧化碳在溶液中的傳質(zhì)系數(shù)，m/s；c(CO2)e為二氧化碳的平衡濃度，mol/L。

對(duì)(3)式進(jìn)行積分，得

(4)

式中：c(CO2)0為二氧化碳的初始時(shí)刻的摩爾濃度，mol/L。

1.3 實(shí)驗(yàn)步驟

水模型實(shí)驗(yàn)包括氫氧化鈉溶液溶解和釋放二氧化碳?xì)怏w兩部分內(nèi)容。其中，氫氧化鈉溶液溶解二氧化碳?xì)怏w實(shí)驗(yàn)按以下步驟進(jìn)行。

(1)在鋼包中按比例注入清水。

(2)向清水中加入摩爾濃度為0.01 mol/L的氫氧化鈉溶液。

(3)給真空泵供電，利用三通閥調(diào)節(jié)真空室真空度，從而控制真空室液面到達(dá)指定位置。

(4) 給空氣壓縮機(jī)供電，采用鋼包底吹方式對(duì)溶液進(jìn)行充分?jǐn)嚢琛?/p>

(5)開(kāi)啟頂槍閥門(mén)，向真空室內(nèi)吹入二氧化碳?xì)怏w，并開(kāi)始計(jì)時(shí)。

(6)記錄pH計(jì)讀數(shù)，記錄間隔時(shí)間為10 s。

(7)當(dāng)pH計(jì)讀數(shù)小于6.8時(shí)，依次關(guān)閉頂槍閥門(mén)、真空泵和空氣壓縮機(jī)，氫氧化鈉溶液溶解二氧化碳?xì)怏w實(shí)驗(yàn)終止。

在氫氧化鈉溶液溶解二氧化碳?xì)怏w實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，可開(kāi)展溶解態(tài)的二氧化碳?xì)怏w釋放實(shí)驗(yàn)，步驟如下：

(1)關(guān)閉頂槍閥門(mén)，停止向真空室吹入二氧化碳?xì)怏w，保持向真空泵和空氣壓縮機(jī)進(jìn)行供電。

(2)調(diào)整底吹氣體流量，控制真空室液面到達(dá)指定位置，重新開(kāi)始計(jì)時(shí)。

(3) 記錄pH計(jì)讀數(shù)，記錄間隔時(shí)間為10 s。

(4)當(dāng)pH計(jì)讀數(shù)大于7.5以后，依次停止向真空泵和空氣壓縮機(jī)供，溶解態(tài)的二氧化碳?xì)怏w釋放實(shí)驗(yàn)停止。

2 結(jié)果分析及討論

2.1 單管RH頂吹氣量

圖1還表明，雖然二氧化碳的濃度隨著單管RH的頂吹氣體流量的增加而增大，但是二氧化碳的濃度增大速率卻不是保持不變，而是逐漸減小。這是由以下因素所決定的：

(1) 增加單管RH頂吹二氧化碳?xì)怏w流量，會(huì)增大溶液中的二氧化碳濃度，從而增大了單管RH傳質(zhì)的推動(dòng)力，有利于提高了傳質(zhì)速率；但是隨著單管RH頂吹二氧化碳?xì)怏w流量的不斷增加，單管RH真空室內(nèi)二氧化碳分壓逐漸接近真空室的真空度。這樣，雖然單管RH頂吹二氧化碳?xì)怏w流量繼續(xù)增加，但是單管RH真空室內(nèi)二氧化碳分壓不再增加，而是等于真空室的真空度，因此溶液中二氧化碳吸收速率維持不變。

(2) 在實(shí)際生產(chǎn)中，單管RH頂槍與真空室液面之間不是直接接觸的，而是存在一定的距離。這一距離導(dǎo)致單管RH頂槍的二氧化碳?xì)怏w流股在到達(dá)液面時(shí)會(huì)存在動(dòng)能損失，從而限制了對(duì)真空室內(nèi)鋼液的攪拌。單管RH頂吹二氧化碳?xì)怏w流量的增加難以使真空室中熔池流動(dòng)狀態(tài)產(chǎn)生線性變化，也不會(huì)大幅度地改變?nèi)莘e傳質(zhì)系數(shù)。在實(shí)際操作中，單管RH頂吹二氧化碳?xì)怏w流量過(guò)大會(huì)導(dǎo)致鋼液的過(guò)氧化。

圖1 不同頂吹氣量下溶液中二氧化碳濃度隨時(shí)間變化

2.2 單管RH頂槍槍位

圖2表明，隨著單管RH的頂槍槍位的升高，溶液二氧化碳濃度呈現(xiàn)先增大后減小的規(guī)律，然而容積傳質(zhì)系數(shù)的變化規(guī)律相反，出現(xiàn)先減小后增大的規(guī)律。這取決于以下兩個(gè)作用相反的原因：

(1) 降低單管RH頂槍槍位能夠減少二氧化碳流股在到達(dá)單管RH真空室鋼液液面界面時(shí)的動(dòng)能損失，從而增強(qiáng)了對(duì)真空室熔池的攪動(dòng)。這能加快傳質(zhì)。

(2)隨著單管RH槍位的降低，高速的二氧化碳?xì)怏w流股在到達(dá)單管RH真空室液面后來(lái)不及展開(kāi)，導(dǎo)致了液面沖擊坑面積的縮小，在實(shí)際生產(chǎn)中，氧槍對(duì)單管RH的真空室液面的攪動(dòng)僅僅局限于一個(gè)較小區(qū)域，因此，頂槍槍位的降低減弱了對(duì)單管RH真空室整個(gè)液面的攪拌。

槍位過(guò)低不但會(huì)減小氫氧化鈉溶液吸收二氧化碳的速率和容積傳質(zhì)系數(shù)，而且高速氣流會(huì)直接沖擊真空室的液面，造成鋼液過(guò)氧化和噴濺[6]。在實(shí)際生產(chǎn)中，氧槍的最終槍位是由氧氣射流的動(dòng)能損失、單管RH真空室液面沖擊凹坑直徑和一氧化碳的二次燃燒等多個(gè)因素共同決定。

圖2 不同氧槍槍位下溶液中二氧化碳濃度隨時(shí)間變化

2.3 單管RH真空度

圖3(a)表明，隨著單管RH真空度的增加，二氧化碳的吸收速率和容積傳質(zhì)系數(shù)既不是單調(diào)增加也不是單調(diào)減小，而是出現(xiàn)先增大后減小的規(guī)律。這說(shuō)明存在兩個(gè)作用相反的影響因素：

(1) 單管RH真空度的增加會(huì)提升單管RH真空室內(nèi)鋼液液面的高度，延長(zhǎng)氣泡的運(yùn)動(dòng)行程，導(dǎo)致在相同氣體流量下氣泡對(duì)鋼液所做的功增加，有效地提高了單筒RH的循環(huán)流量，促進(jìn)了傳質(zhì)，從而提高了氫氧化鈉溶液吸收二氧化碳的速率和容積傳質(zhì)系數(shù)。

(2) 單管RH真空度的增加，會(huì)降低真空室內(nèi)二氧化碳的分壓，減小溶液中二氧化碳的溶解度并降低溶液中二氧化碳的濃度梯度。從而這樣降低氫氧化鈉溶液吸收二氧化碳的速率和容積傳質(zhì)系數(shù)[7]。

圖3 不同真空度下溶液中二氧化碳濃度隨時(shí)間變化

圖3(b)表明，氫氧化鈉溶液釋放二氧化碳的速率隨著單管RH真空室真空度的增加而增大。這是因?yàn)殡S著真空度的提高，會(huì)提升單管RH真空室液面，增加單管RH的循環(huán)流量，加劇真空室自由液面波動(dòng)，加強(qiáng)二氧化碳的傳質(zhì)。同時(shí)，單管RH真空室真空度越大，真空室內(nèi)二氧化碳的分壓就會(huì)越小，這會(huì)加速二氧化碳的釋放。

2.4 單管RH底吹氣體流量

圖4 不同底吹氣體流量下溶液中二氧化碳濃度隨時(shí)間變化

圖4(a)表明，隨著單管RH底吹氣體流量的增加，氫氧化鈉溶液對(duì)二氧化碳的吸收速率和傳質(zhì)系數(shù)既不是單調(diào)增加也不是單調(diào)減小，而是出現(xiàn)先增大后保持不變的規(guī)律。這一規(guī)律是由如下因素決定的：①式(3)指出濃度差、氣液反應(yīng)面積和傳質(zhì)系數(shù)這三個(gè)因素決定了單管RH內(nèi)氫氧化鈉溶液吸收二氧化碳的速率，其中，傳質(zhì)系數(shù)與單管RH內(nèi)流體的流動(dòng)狀態(tài)密切相關(guān)[8-9]；②底吹氣體流量的增加有助于增大單管RH的循環(huán)流量，加快單管RH真空室液面更新速度，縮短流體的停留時(shí)間；③底吹氣體流量的增加，加劇了因氣泡在逸出液面過(guò)程中破裂而造成的液面波動(dòng)，擴(kuò)大了氣液之間的反應(yīng)面積；④底吹氣體流量的增大會(huì)降低單管RH真空室中二氧化碳的分壓；⑤單管RH循環(huán)流量存在一個(gè)飽和值。

圖4(b)表明，單管RH底吹氣體流量的增加能夠促進(jìn)氫氧化鈉溶液對(duì)二氧化碳的釋放。這是因?yàn)閱喂躌H底吹氣體流量會(huì)產(chǎn)生三個(gè)效應(yīng):① 底吹氣體流量的增加會(huì)提高單管RH的循環(huán)流量大，從而提高二氧化碳的傳質(zhì)速率[10-11]；②底吹氣體流量的增加會(huì)加劇單管RH真空室內(nèi)熔池液面波動(dòng)，促進(jìn)傳質(zhì)[12-13]；③底吹氣體流量的增加會(huì)減小單管RH真空室內(nèi)二氧化碳的分壓，導(dǎo)致二氧化碳的溶解度的下降，從而促進(jìn)溶解態(tài)二氧化碳的釋放。

2.5 不同噴吹方式下單管RH與傳統(tǒng)雙管RH的對(duì)比

圖5 不同精煉工藝下二氧化碳 濃度隨時(shí)間變化圖

圖5表明，單管雙噴嘴RH內(nèi)氫氧化鈉溶液吸收和釋放二氧化碳的速率和容積傳質(zhì)速率要比傳統(tǒng)雙管側(cè)吹RH分別增大26%、14%和32%。其中，單管RH雙噴嘴方式要優(yōu)于單管RH單噴嘴方式，傳統(tǒng)雙管RH中側(cè)底復(fù)吹方式要優(yōu)于側(cè)吹方式。這取決于如下原因：①相對(duì)于雙管RH的浸漬管橫截面而言，單管RH具有更大的浸漬管橫截面面積，因此單管RH的循環(huán)流量明顯大于雙管RH的循環(huán)流量；②相對(duì)于雙管RH的側(cè)吹和側(cè)底復(fù)吹而言，單管RH采取底吹方式，這樣，氣泡上升路徑更長(zhǎng)，做功更多，對(duì)鋼液的攪拌也更充分，因此單管RH傳質(zhì)速度更快；③對(duì)于單管RH，在相同底吹氣體流量的情況下，噴嘴數(shù)量的增加可以提高氣泡的彌散程度，減小氣泡尺寸，增加氣泡數(shù)量，擴(kuò)大氣液接觸面積，促進(jìn)傳質(zhì)；④對(duì)于雙管RH，在總氣體流量不變的情況下，相對(duì)于側(cè)吹方式，側(cè)底復(fù)吹方式引入了鋼包底部吹氬，增加氣泡上升行程，氣泡對(duì)鋼液能做更多的功，提高了氣體驅(qū)動(dòng)鋼液的能力。

3 結(jié) 論

(1)隨著底吹氣體流量的增加，單筒RH內(nèi)氫氧化鈉溶液吸收二氧化碳的速率和容積傳質(zhì)系數(shù)呈現(xiàn)先增大后保持不變的規(guī)律，氫氧化鈉溶液釋放二氧化碳的速率增加。

(2)隨著頂吹氣量的增大，單筒RH的容積傳質(zhì)系數(shù)增大，但增大幅度逐漸減小。

(3) 增加單筒RH的真空度，可以提高單筒RH內(nèi)氫氧化鈉溶液吸收和釋放二氧化碳的速率。

(4) 降低單筒RH氧槍槍位可以促進(jìn)傳質(zhì)。

(5) 單管RH的溶氧和脫碳效率要比傳統(tǒng)雙管RH高出26%和32%；對(duì)于單管RH，雙噴嘴方式的脫碳效率要優(yōu)于單噴嘴方式；對(duì)于雙管RH，采用側(cè)底復(fù)吹方式能提高脫碳效率。