CN102645318A - 一种rh-mfb冶金反应模拟试验装置 - Google Patents

Abstract

一种RH-MFB冶金反应模拟试验装置，包括RH炉真空室、钢包、控制电柜和供气装置。RH炉真空室上部连接氧枪；RH炉真空室侧上方管路上安装有真空计和真空泵；RH炉真空室的下方分别有上升管和下降管；第二交流电动机拖动丝杠联结装置一端连接至钢包底部，另一端连接至控制电柜；第二电极和酸度计均浸入钢包内液体中，第二电极连接第二电导率仪；供气装置包括空气储气罐和CO₂储气罐，空气储气罐的输入管道与空气压缩机连接；CO₂储气罐的输出管道井第二质量流量控制器连接至氧枪。本装置可研究不同操作参数以及生产条件对RH钢包内钢液环流特性的影响、冶金反应器混合特性和传质特性；既可用于科研也可用于教学。

Description

一种RH-MFB冶金反应模拟试验装置

技术领域

本发明属于冶金技术领域，涉及RH-MFB真空精炼技术，特别涉及一种RH-MFB冶金反应模拟试验装置。

背景技术

RH-MFB多功能真空精炼设备是连铸连轧生产线的关键设备，为开发优质超低碳钢系列薄板等具有高附加值的品种，扩大市场占有率开辟了广阔前景，在产品开发和生产顺行中将起到不可估量的作用。它的顺行与否和效率高低直接关系到能否实现稳定提高钢质量和高效低耗的生产。

RH真空精炼过程中钢液脱碳速率的快慢直接影响真空精炼效率和精炼终点的成分，对稳定提高钢质量，实现高效低耗生产具有重要意义。另一方面，真空处理时间的长短，又影响到与连铸生产节奏的配合。而RH精炼反应速率与冶金反应器的结构特性和传质特性以及操作特性密切相关。反应动力学过程受到反应器混合特性和钢水传质等的限制，这些参数对脱碳、脱氧、脱氢、去夹杂及钢水混合效率起着重要作用。要开发优质超低碳钢系列薄板等具有高附加值品种、改善品种结构和扩大市场占有率，就必须寻求高效率、低消耗的精炼工艺，弄清操作过程中冶金反应动力学和流体力学复杂因素之间的相互关系，在此基础上进行过程分析，确立RH-MFB真空处理的基本工艺制度。

RH-MFB的精炼功能主要依靠真空气氛下循环流动结合顶吹氧来实现的。混合特性、环流特性和传质特性等动力学条件良好是RH精炼效果的保证，也是提高处理效率、降低成本的重要因素。因此详细讨论其不同冶金功能的影响因素以及反应速度的控制环节，对于设备的良好控制和生产顺行有重要的现实意义。

通过水模型RH-MFB冶金反应器物理模拟研究RH-MFB内钢液流动、混合与传质特性，认识精炼过程动力学规律。科研方面可以研究RH-MFB冶金反应器内钢液环流特性，主要包括不同操作参数以及生产条件对RH钢包内钢液环流特性的影响，在此研究的基础上，找出钢液循环流量与操作参数之间的关系，为实际生产提供指导并为RH处理过程数学模型的建立提供实验数据；冶金反应器混合特性，主要包括均混时间、平均停留时间、停留时间分布函数与流态评价的研究，从而找出熔池搅拌现象与操作参数之间的关系，为实际生产提供指导并为RH钢包处理过程数学模型的建立提供实验数据；冶金反应器传质特性，主要包括提升气体流量、插入管内径、浸入深度等对表观吸气速率和容量传质系数的影响，从而找出过程的某些主要参数之间的函数关系等。教学方面可以通过此套装置了解RH-MFB真空精炼技术的操作原理和流程，以便将理论知识和实际生产相结合，所以建立RH-MFB冶金反应器试验装置是非常必要的。

发明内容

本发明的目的是提供一种RH-MFB冶金反应模拟试验装置。

本发明的RH-MFB冶金反应模拟试验装置，包括RH炉真空室、钢包、控制电柜和供气装置。

所述RH炉真空室为压力容器，其材质为有机玻璃，模型尺寸可根据试验要求调整。RH炉真空室上部连接有氧枪，氧枪采用单孔拉瓦尔喷头，枪头材质为有机玻璃，枪身材质为无缝钢管，氧枪与RH炉真空室之间采用密封圈进行密封，氧枪与第一交流电动机拖动丝杠联结装置相连，控制氧枪升降；RH炉真空室侧上方依次在同一管路上安装有真空计和真空泵，真空计和真空泵之间设置有调节阀，控制真空泵抽取RH炉真空室内空气，用于抽真空；RH炉真空室的下方分别有上升管和下降管，其中，上升管设有示踪剂入口和气体入口，下降管接有第一电极和阿纽巴流量计，第一电极连接第一电导率仪。

所述钢包模型材质亦为有机玻璃，模型尺寸可根据用户要求调整；钢包置于框架之上，框架由方管钢支架搭建而成；第二交流电动机拖动丝杠联结装置一端连接至钢包底部，控制钢包升降，另一端连接至控制电柜；第二电极和酸度计均浸入钢包内液体中，第二电极连接第二电导率仪。

所述供气装置包括空气储气罐和CO₂储气罐，空气储气罐输出管道经第一质量流量控制器一端连接至气体分配器，一端连接至计算机控制气体流量，空气储气罐内气体通过气体分配器经气体入口进入RH炉真空室，空气储气罐的输入管道与空气压缩机连接，经空气压缩机压缩后的空气储存在空气储气罐中；CO₂储气罐的输出管道经第二质量流量控制器一端连接至氧枪。

所述控制电柜采用现有技术中的成品，包括PLC控制系统和计算机。PLC系统由1套CPU、1台触摸屏组成，将压缩空气压力监测的信号处理、氧枪的升降、钢水包的升降、钢水包中电导率以及环流量的变化信号监测及处理等功能集成为一体控制，具有完成信号采集、控制、调节、逻辑控制、人机界面、数据记录处理等功能。第一电导率仪、第二电导率仪、酸度计、第一交流电动机拖动丝杠联结装置和第二交流电动机拖动丝杠联结装置均连接至计算机，将实验数据输出给计算机，计算机通过软件实现人机界面，包括5组基本画面：设备操作界面，包括所有集中操作设备的工艺参数设定、启动、运行、停止、故障或报警画面显示；实验数据实时记录与显示画面，包括瞬时值、趋势图；历史数据查询画面；根据工艺试验要求制作的画面，包括RH装置画面、RH生产工艺流程图等；参数设置画面，包括氧枪位置及流量设置画面、真空系统画面、RH炉内液位画面、流量变化画面、电导率变化画面以及钢包位置画面等。该系统可完成工艺工程压力、流量等过程参数检测、过程参数的显示与监视报警；自动流量调节控制；系统安全及工艺连锁、切断等控制；钢水包升降控制；过程及实验数据的保存和查询等。

采用本发明RH-MFB冶金反应模拟试验装置可以进行如下物理模拟实验：

一、RH-MFB精炼过程中循环流量的实验研究

其步骤如下：

步骤1：调节钢水模拟液体高度、钢包位置及氧枪位置；

步骤2：启动真空泵；

步骤3：利用液位计判定钢包液面是否稳定；

步骤4：若钢包液面稳定，则利用阿纽巴流量计测量RH炉真空室下降管液体流速，进而计算循环流量；否则继续判定。

步骤5：实验结束。

二、RH-MFB内钢液混合特性的研究-均混时间和停留时间分布的实验研究

其步骤如下：

步骤1：调节钢水模拟液体高度、钢包位置及氧枪位置；

步骤2：启动真空泵；

步骤3：利用液位计判定钢包液面是否稳定；

步骤4：若钢包液面稳定，在吹气一定时间后，加入示踪剂，实时测量电导率，直至测得的电导率达到稳定的电导率值；

步骤5：利用“刺激-响应”技术测定示踪剂的停留时间分布；

步骤6：实验结束。

三、RH-MFB传质特性的实验研究

其步骤如下：

步骤1：调节钢水模拟液体高度、钢包位置及氧枪位置；

步骤2：启动真空泵；

步骤3：利用液位计判定钢包液面是否稳定；

步骤4：若钢包液面稳定，吹入CO₂，直至达到指定的初始PH值；

步骤5：记录各时刻CO₂浓度，计算传质系数；

步骤6：实验结束。

本发明的主要特点在于：

1、可研究不同操作参数以及生产条件对RH钢包内钢液环流特性的影响，明确钢液循环流量与操作参数之间的关系；

2、可研究冶金反应器混合特性，明确熔池搅拌现象与操作参数之间的关系；

3、可研究冶金反应器传质特性，明确过程的某些主要参数之间的函数关系；

4、可以直接输入工厂数据、原材料性质和工厂操作条件，计算机会对数据进行实验数据转换并对实验条件下达需要改进的指令；

5、实现人机互动，可以容易清晰的看到实时采集的数据，进而对实验进行实时改进；

6、容易实现机电一体化，从计算机的输入设备处控制实验的全部部分；

7、设备机构相对简单、成本低廉、操作方便直观、使用可靠、故障率低；

8、既可用于科研也可用于教学，科研方面可以用其研究结果为实际生产提供参考和指导；教学方面可以提供操作流程平台，加深对理论知识的理解。

附图说明

图1为本发明的RH-MFB冶金反应模拟试验装置结构示意图；

图2为本发明具体实施方式的实验流程图。

图中，1-第一交流电动机拖动丝杠联结装置，2-密封圈，3-真空计，4-真空泵，5-调节阀，6-液位计，7-下降管，8-第一电极，9-第一电导率仪，10-第二电导率仪，11-控制电柜，12-第二电极，13-PH-3G数字式酸度计，14-方管钢支架，15-氧枪，16-RH炉真空室，17-示踪剂入口，18-气体分配器，19-气体入口，20-上升管，21-阿纽巴流量计，22-钢包，23-第一质量流量控制器，24-空气储气罐，25-第二质量流量控制器，26-CO₂储气罐，27-空气压缩机，28-第二交流电动机拖动丝杠联结装置。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的RH-MFB冶金反应模拟试验装置做详细描述。

本发明的RH-MFB冶金反应模拟试验装置，结构如图1所示，包括RH炉真空室16、钢包22、控制电柜11和供气装置。

RH炉真空室16为压力容器，其材质为有机玻璃，模型尺寸可根据试验要求调整，本实施例模型按与实际RH炉真空室1∶5.45比例制作。RH炉真空室16上部连接有氧枪15，氧枪15采用单孔拉瓦尔喷头，枪头材质为有机玻璃，枪身材质为无缝钢管，氧枪15与RH炉真空室16之间采用密封圈2进行密封，本例中采用充气式密封圈，氧枪15与第一交流电动机拖动丝杠联结装置1相连，控制氧枪15升降；RH炉真空室16侧上方依次在同一管路上安装有真空计3和真空泵4，真空计3和真空泵4之间设置有调节阀5，控制真空泵4是否抽取RH炉真空室16内空气；RH炉真空室16的下方分别有上升管20和下降管7，其中，上升管20设有示踪剂入口17和气体入口19，下降管7接有第一电极8和阿纽巴流量计21，第一电极8连接第一电导率仪9，用于加入示踪剂和测量电导率以及液体流速。真空泵采用型号是2X-15型，用于抽真空；第一电极选用E-201型塑壳PH复合电极，即玻璃电极和甘汞电极，第一电导率仪选用型号为DDS-11C型。真空计采用型号是M298842，用于测量真空室内真空度。阿纽巴流量计选用规格DN50-DN5000(mm)，用于测量下降管内液体流速。

钢包22的模型材质亦为有机玻璃，模型按与实际钢包1∶5.45比例制作(该尺寸可根据用户要求调整)；钢包22置于框架之上，框架由方管钢支架14搭建而成；第二交流电动机拖动丝杠联结装置28一端连接至钢包22底部，实现控制钢包升降，另一端连接至控制电柜11；酸度计选用PH-3G数字式酸度计，第二电极12和PH-3G数字式酸度计13均浸入钢包22内液体中，第二电极12连接第二电导率仪10。第二电极选用E-201型塑壳PH复合电极，即玻璃电极和甘汞电极，第二电导率仪选用型号的DDS-11C型。

所述供气装置包括空气储气罐和CO₂储气罐，空气储气罐输出管道经第一质量流量控制器连接至气体分配器，空气储气罐内气体通过气体分配器经气体入口进入RH炉真空室，空气储气罐的输入管道与空气压缩机连接，经空气压缩机压缩后的空气储存在空气储气罐中；CO₂储气罐的输出管道经第二质量流量控制器连接至氧枪。第一和第二质量流量控制器选用型号是S49-33/MT，CO₂储气罐选用市购纯度99.5％。

所述控制电柜，包括PLC控制系统和计算机。PLC系统由1套CPU、1台触摸屏组成，将压缩空气压力监测的信号处理、氧枪的升降、钢水包的升降、钢水包中电导率以及环流量的变化信号监测及处理等功能集成为一体控制，具有完成信号采集、控制、调节、逻辑控制、人机界面、数据记录处理等功能。第一电导率仪、第二电导率仪、酸度计、第一交流电动机拖动丝杠联结装置和第二交流电动机拖动丝杠联结装置均连接至计算机，将实验数据输出给计算机，计算机通过软件实现人机界面，包括5组基本画面：设备操作界面，包括所有集中操作设备的工艺参数设定、启动、运行、停止、故障或报警画面显示；实验数据实时记录与显示画面，包括瞬时值、趋势图；历史数据查询画面；根据工艺试验要求制作的画面，包括RH装置画面、RH生产工艺流程图等；参数设置画面，包括氧枪位置及流量设置画面、真空系统画面、RH炉内液位画面、流量变化画面、电导率变化画面以及钢包位置画面等。该系统可完成工艺工程压力、流量等过程参数检测、过程参数的显示与监视报警；自动流量调节控制；系统安全及工艺连锁、切断等控制；钢水包升降控制；过程及实验数据的保存和查询等。

采用本发明RH-MFB冶金反应模拟试验装置可以进行如下物理模拟实验：

一、RH-MFB精炼过程中循环流量的实验研究

其步骤如下：

步骤1：调节钢水模拟液体高度、钢包位置及氧枪位置；

将钢包22装入高度为511mm的钢水模拟液体(水)，通过第二交流电动机拖动丝杠联结装置28将钢包22送至RH炉真空室16下部的处理位置，使RH真空室16的上升管20和下降管7浸入钢水到预定的深度108mm，将氧枪15通过第一交流电动机拖动丝杠联结装置1、控制电柜11将氧枪15调至距真空室液面距离为400mm处，通过氧枪15喷入模拟氧气的气体CO₂。

步骤2：启动真空泵；

上升管20以预定流速0.432～0.442m/s，喷吹氩气模拟气体(空气)，随着上升管20和下降管7完全浸入钢水，启动真空泵4。

步骤3：利用液位计6判定钢包液面是否稳定；

步骤4：若钢包液面稳定，则利用阿纽巴流量计测量RH炉真空室下降管液体流速，进而计算循环流量；否则继续判定。

在一定驱动气体流量和真空作用下，水流在装置中作稳定循环流动，液体下降时通过的唯一通道就是下降管7，选用下降管7中液体的体积流量作为循环流量，用阿纽巴流量计21测量液体流速。用阿纽巴流量计21测出RH下降管7内的水的平均线速度

然后根据速度

下降管7内径D与循环流量Q之间的关系式(11)计算出循环流量。

$Q=\frac{\mathrm{\π}}{4}\stackrel{\‾}{u}{D}^2---\left(1.1\right)$

不同插入管内径D下，下降管内的流速

如表1所示。

表1模拟120t钢水处理量时下降管内的流速(V_提升气体＝1.4m³·h^-1)

步骤5：实验结束。

二、RH-MFB内钢液混合特性的研究-均混时间和停留时间分布的实验研究

其步骤如下：

步骤1：调节钢水模拟液体高度、钢包位置及氧枪位置；

将钢包22装入高度为511mm的钢水模拟液体(水)，通过第二交流电动机拖动丝杠联结装置28将钢包22送至RH炉真空室16下部的处理位置，使RH真空室16的上升管20和下降管7浸入钢水到预定的深度108mm，将氧枪15通过第一交流电动机拖动丝杠联结装置1、控制电柜11将氧枪15调至距真空室液面距离为400mm处，通过氧枪15喷入模拟氧气的气体CO₂。

步骤2：启动真空泵；

上升管20以预定流速0.432～0.442m/s，喷吹氩气模拟气体(空气)，随着上升管20和下降管7完全浸入钢水，启动真空泵4。

步骤3：利用液位计6判定钢包液面是否稳定；

步骤4：若钢包液面稳定，在吹气一定时间后，加入示踪剂，实时测量电导率，直至测得的电导率达到稳定的电导率值；

人工判定装置内的液体流动状态达到稳定，快速通过示踪剂入口17向RH炉真空室16内加入定量的示踪剂。随着吹气的进行，装置内水溶液的电导率将发生变化，第一电极8和第二电极12获得的电信号也相应地发生变化。转化为数字信号后，由控制电柜11中的计算机将其记录下来形成数据文件。经过一段时间后，液体的电导数据波动趋于稳定，这个时间差即是均混时间。

步骤5：利用“刺激-响应”技术测定示踪剂的停留时间分布；

测定得到的不同浸入深度下均混时间和停留时间分布分别如表2、3所示。

表2不同浸入深度下的均混时间(12个喷嘴，模拟120t)

表3喷嘴为12个模拟120t处理量时不同浸入深度下混合特性的测定

其中

为平均停留时间。

步骤6：实验结束。

三、RH-MFB传质特性的实验研究

本实施例采用NaOH稀溶液吸收CO₂实验来模拟顶吹O₂条件下RH真空脱碳反应过程中的传质现象，步骤如下：

步骤1：调节钢水模拟液体高度、钢包位置及氧枪位置；

将钢包22装入高度为511mm的钢水模拟液体(水)，通过第二交流电动机拖动丝杠联结装置28将钢包22送至RH炉真空室16下部的处理位置，使RH真空室16的上升管20和下降管7浸入钢水到预定的深度108mm，将氧枪15通过第一交流电动机拖动丝杠联结装置1、控制电柜11将氧枪15调至距真空室液面距离为400mm处，通过氧枪15喷入模拟氧气的气体CO₂。

步骤2：启动真空泵；

上升管20以预定流速0.432～0.442m/s，喷吹氩气模拟气体(空气)，随着上升管20和下降管7完全浸入钢水，启动真空泵4。

步骤3：利用液位计6判定钢包液面是否稳定；

步骤4：若钢包液面稳定，吹入CO₂，直至达到指定的初始PH值；

步骤5：记录各时刻CO₂浓度，计算传质系数；

步骤6：实验结束。

根据CO₂吹入NaOH稀溶液时，溶液的PH值将发生变化，得出CO₂浓度与PH值之间的关系，NaOH稀溶液的浓度变化类似于钢液中碳含量的变化，而CO₂的浓度变化可近似于溶解氧的变化。实验时预先在钢包22中配制好NaOH稀溶液(浓度：0.01mol/L)，启动真空泵2，通过空气压缩机26吹压缩空气使其充分溶解、稳定循环，然后由氧枪15吹入CO₂气体，用PH-3G数字式酸度计13测定钢包22中溶液的PH值，为统一各实验条件下的起始PH值，待PH值降至11.87(此时对应的CO₂初始浓度C₀＝0.0013mol·L^-1)开始计时，之后每隔1分钟记录一个数据，作为计算i时刻CO₂浓度的依据。测得各CO₂浓度下的PH值如表4所示。

表4各CO₂浓度下的PH值(12个喷嘴，D₁＝91.7mm，V_提升＝0.4m³·h^-1)

其中V_CO2为顶吹气体流量。

利用本发明的RH-MFB冶金反应模拟试验装置，在实验室内可明晰不同操作参数以及生产条件对RH钢包内钢液环流特性的影响以及冶金反应器混合特性和传质特性，从而找出过程的某些主要参数之间的函数关系等。

利用本发明的RH-MFB冶金反应模拟试验装置，在科研方面可以用其研究结果为实际生产提供参考和指导，在教学方面可以提供操作流程平台，加深对理论知识的理解。

本发明的RH-MFB冶金反应模拟试验装置的工作流程图，如图2所示。

Claims (3)

1.一种RH-MFB冶金反应模拟试验装置，其特征在于：包括RH炉真空室、钢包、控制电柜和供气装置；

所述RH炉真空室上部连接有氧枪，氧枪采用单孔拉瓦尔喷头，氧枪与第一交流电动机拖动丝杠联结装置相连；RH炉真空室侧上方依次在同一管路上安装有真空计和真空泵，真空计和真空泵之间设置有调节阀；RH炉真空室的下方分别有上升管和下降管，其中，上升管设有示踪剂入口和气体入口，下降管接有第一电极和阿纽巴流量计，第一电极连接第一电导率仪；

所述钢包置于框架上，第二交流电动机拖动丝杠联结装置一端连接至钢包底部，另一端连接至控制电柜；第二电极和酸度计均浸入钢包内液体中，第二电极连接第二电导率仪；

所述供气装置包括空气储气罐和CO₂储气罐，空气储气罐输出管道经第一质量流量控制器连接至气体分配器，空气储气罐内气体通过气体分配器经气体入口进入RH炉真空室，空气储气罐的输入管道与空气压缩机连接，经空气压缩机压缩后的空气储存在空气储气罐中；CO₂储气罐的输出管道经第二质量流量控制器连接至氧枪；

所述控制电柜包括PLC控制系统和计算机，第一电导率仪、第二电导率仪、酸度计、第一交流电动机拖动丝杠联结装置和第二交流电动机拖动丝杠联结装置均连接至计算机。

2.根据权利要求1所述的RH-MFB冶金反应模拟试验装置，其特征在于：所述氧枪的枪头材质为有机玻璃，枪身材质为无缝钢管。

3.根据权利要求1所述的RH-MFB冶金反应模拟试验装置，其特征在于：所述氧枪与RH炉真空室之间采用密封圈进行密封。

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