CN102965475A - Rh精炼装置物理模型制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明的目的是突破冶金过程中高温等复杂性条件限制，通过物理模型来模拟冶金反应器实际工作过程，进而对反应器进行研究。为实现本发明目的而采用的技术方案是这样的，一种RH精炼装置物理模型制作方法，采用有机玻璃按照比例制作RH精炼炉原型的物理模型，所述RH精炼炉原型主要包括钢包、真空槽、两个浸渍管和吹气装置。采用水模拟所述钢包中的钢水，采用空气模拟所述吹气装置中吹出的氩气。所述空气与氩气的换算关系为：Q_Ar＝0.817·(1/λ)^5/2Q_空气。其中，Q_空气为物理模型中空气流量，单位为m³/h。Q_Ar为1600℃下RH精炼炉原型中Ar气体流量，单位为m³/h。λ为物理模型与原型的相似比。

Description

RH精炼装置物理模型制作方法

技术领域

本发明涉及RH冷态物理模型制作方法，具体涉及通过简化处理相关参数，制作与原型相似的用于实验的冷态模型。

背景技术

在炉外精炼方法中主要有RH、DH、VAD、VD、VOD、ASEA2SKF、LF等,其中RH法是最为重要的一种。RH脱气装置最初由两家德国公司开发，(RH)处理工艺具有精炼效率高、适应批量处理、装备投资少、易操作等一系列优点,在炼钢生产中获得了广泛应用和显著进展。它不仅提高钢产量,改善钢材质量,增加品种,降低成本,提高经济效益,而且极大地优化了现代炼钢工艺。RH精炼装置开发之初的目的是为了脱除钢水中的[H],目前，RH的主要功能已经由原来单一的脱气设备发展成为包含真空脱气脱碳、吹氧脱碳、喷粉脱硫、温度补偿、均匀温度和成分等的一种多功能炉外精炼设备。关于RH精炼设备及其方法作出的研究和改进极其繁多，目前已有三百多项国内专利申请。

由于RH精炼装置是一种真空循环冶金装置，在实际生产过程中，伴随着高温、高压等复杂条件，很难在实验室进行相关的研究并获得有关数据，且实验成本极高。采用物理模型对冶金反应器内的过程进行模拟，是本领域内理想的研究方法。但是，物理模型的可靠性和可验证依赖于完善的数学模型。迄今为止，还没有一种较为完善的模拟RH精炼过程的物理模型。

发明内容

本发明的目的是突破冶金过程中高温等复杂性条件限制，通过物理模型来模拟冶金反应器实际工作过程，进而对反应器进行研究。

为实现本发明目的而采用的技术方案是这样的，一种RH精炼装置物理模型制作方法，采用有机玻璃按照比例制作RH精炼炉原型的物理模型，所述RH精炼炉原型主要包括钢包、真空槽、两个浸渍管和吹气装置。采用水模拟所述钢包中的钢水，采用空气模拟所述吹气装置中吹出的氩气。所述空气与氩气的换算关系为：Q_Ar＝0.817·(1/λ)^5/2Q_空气。其中，Q_空气为物理模型中空气流量，单位为m³/h。Q_Ar为1600℃下RH精炼炉原型中Ar气体流量，单位为m³/h。λ为物理模型与原型的相似比。

本发明的模型制作材料采用有机玻璃。应该考虑以下两方面问题：

其一，应当考虑的是几何相似，即模型与原型形状相似。模型任一部分的尺寸与原型对应的尺寸之比都相同。一般来说模型按照一定的比例缩小，在这里按照5:1的比例。

其二，保持动力相似，即力相似，针对RH精炼模拟主要涉及钢液流动等方面，动力相似是重要的准则之一。

RH精炼装置需要吹入氩气作为驱动气体，气体在RH精炼装置内的高温环境下会膨胀，而实验条件下吹入的替代气体（通常为空气）是不会膨胀的。因此，我们通过修正弗鲁德准数相等，计算出实验时出入的替代气体流量与实际的氩流量之间的关系。

气相修正弗鲁德准数为Fr_g'，

即

其中ρ_g为气体密度，ρ_l为液体密度，v：气体的流速，m/min；L为长度，G为常数。

模型与原型中流量计处（流量计通常安装在下降管上）的气体流量的换算关系可以由RH系统的气相修正弗鲁德准数Fr_g'相等得到，具体如下：即工业用氩气和实验用空气的Fr_g'相等：

把上式通过变形可以得出：

由于Q=Av，

则有：

又因为：

$\frac{A_y}{A_m}={\left(\frac{D_y}{D_m}\right)}^2,$

所以：

代入参数可得：Q_Ar未修正＝5.64·(1/λ)^5/2·Q_空气，

考虑到实际生产与实验室实验时温度上的差异，现场高温引起了气体的急剧膨胀，需对Q_Ar未修正进行修正，根据理想气体的状态方程，可得到：

上式中温度t取1600℃，系数β=1/273，得：

进而可以得到修正后的：Q_Ar，即：

Q_Ar＝0.817·(1/λ)^5/2Q_空气，

上述各式中：

Q：气体流量，单位是m³/h；

A：吹氩小管的横截面积，单位是m²；

Q_空气：实验中空气流量，单位是m³/h；

Q_Ar：原型在1600℃下Ar气体流量，单位是m³/h；

Q_Ar未修正：常温下Ar气体流量，单位是m³/h；

L_y：原型中任意一段长度；

L_m：模型中与L_y对应的一段长度，L_y/L_m＝1/λ；

D_y：原型中任意一处内径直径；

D_m：模型中与D_y对应的内径直径，D_m/D_y＝λ；

A_m：模型吹氩小管的横截面积，单位是mm²；

A_y：原型吹氩小管的横截面积，单位是mm²；

v_空气：空气的流速，单位是m/min；

v_Ar：氩气的流速，单位是m/min；

t：原型生产现场温度，单位是℃；

λ：模型与原型的相似比；

ρ_空气：常温常压下空气的密度，取1.250kg/m³；

ρ_w：常温常压下水的密度，取1000kg/m³；

ρ_st：1600℃高温时钢水的密度，取7000kg/m³；

ρ_Ar：1600℃高温时氩气的密度，取0.275kg/m³。

对于真空度，我们知道模型与原型是几何相似的，那么应使模型内的真空室液体高度与原型内的钢液高度之比等于相似比。通过计算，可以得出模型真空室内的压强大小。

真空度的确定：模型与原型是几何相似的，那么模拟时应使模型内的真空室液体高度与原型内的钢液高度之比等于相似比。

模型（water）︰假设原型（steel）=λ(相似比)

那么模拟时应使h_w（模型真空室液体高度）︰h_s（原型真空室液体高度）=λ，根据伯努利方程：假设钢包液面和真空室表面速度都为零，大气压为P，真空室内压力为p；

对于钢液：ρ_sgh_s＝P-p_s

对于水：ρ_ωgh_ω＝P-p_ω

所以：h_s/h_w＝(P-p_s)ρ_w/(P-p_w)ρ_s＝1/λ        （2）

其中：P为大气压强，p_s原型的真空槽内的压强，ρ_w为模型内水的密度，p_w模型的真空槽内的压强。

根据上面公式就可以确定实验条件下真空度。

以下给出一个实施例以帮助理解：

根据几何相似，取原型与模型相似比5:1，可得模型参数，表1为原型与模型的尺寸参数。

表1原型与模型的尺寸参数

根据式1，可计算出实验模拟氩气的空气流量，某RH精炼装置吹入的氩气范围为90-150Nm³/h，那么模型的模拟吹空气量如表2所示。

表2原型吹氩量与水模型的吹空气量关系（Nm³/h）

对于真空度，当RH真空度为200pa时，大气压强P为1.013×10⁵pa，钢水的密度取7.0×10³Kg/m³，代入公式2可以得到，Pw=9.84×10⁴pa，即实验室条件下真空室内的压强。当RH真空度为10000pa时，模型真空度变化不大，也在9.84×10⁴pa左右。实际测量时用U型压力计测量真空室内为压差来表观真空室内的压强，那么U型压力计应该为2900pa，即可使模型与原型压力相似。

本发明有以下优点：

1、本发明使用于RH精炼装置，适用于不同吨位的RH精炼装置的模型制作。

2、本发明通过几何相似，动力相似，简单而准确的制作物理模型，使模型能够真实的反映原型情况。

3、本发明提供了模型中气体流量，真空度的计算方法，该方法不仅适用于RH精炼装置，对大多数冶金反应器同样适用。

附图说明

本发明的装置可以通过附图给出的非限定性实施例进一步说明。

图1为本发明模型的结构示意图；

图2为实施例1中钢包流场照片；

图3为实施例2中钢包流场照片；

图4为实施例4中吹氩小管顺序堵塞示意图；

图5为实施例4中吹氩小管对称堵塞示意图；

图6为实施例4中吹氩小管堵塞个数与循环流量之间的关系图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明，但不应该理解为本发明上述主题范围仅限于下述实施例。在不脱离本发明上述技术思想的情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段，作出各种替换和变更，均应包括在本发明范围内。

一种RH精炼装置物理模型制作方法，其特征在于：采用有机玻璃按照比例制作RH精炼炉原型的物理模型，所述RH精炼炉原型主要包括钢包、真空槽、两个浸渍管和吹气装置；

采用水模拟所述钢包中的钢水，采用空气模拟所述吹气装置中吹出的氩气；

所述空气与氩气的换算关系为：Q_Ar＝0.817·(1/λ)^5/2Q_空气；其中，Q_空气为物理模型中空气流量，单位为m³/h；Q_Ar为1600℃下RH精炼炉原型中Ar气体流量，单位为m³/h；λ为物理模型与原型的相似比。

本发明的4个实施例中，所述物理模型与原型的相似比为1︰5，即λ＝1/5。

进一步，所述RH精炼炉原型的真空槽液体高度为h_s，所述物理模型的真空槽液体高度为h_w，实验条件下真空度由以下关系确定：h_s/h_w＝(P-p_s)ρ_w/(P-p_w)ρ_S＝1/λ。由于根据上式，经过换算后的模型真空度在一个较小的数值范围，因此可以采用一个真空度定值。即所述物理模型的真空槽压强为9.84×10⁴Pa。一个实施例中，所述模型中空气流量Q_空气＝1.97Nm³/h。

实施例1：

本实施例采用1︰5的比例制作RH精炼炉原型的物理模型，所述RH精炼炉原型可以是传统的RH精炼炉，也可以是需要测试的改进型RH精炼炉。本实施例能够研究吹氩量对钢液流场的影响，以确定生产中最佳吹氩量。

原型与模型主要参数

对于RH精炼系统来说，其钢包内钢水均混状态对处理效果与产品质量有重要关系。为了探究装置内钢水的均混状态，现有技术是采用放射性示踪剂，观测难度和成本均高。本实施例是在模型的上升管内注入有颜色的墨水作为示踪剂，可以通过观察，直观地得知模型内钢水的均混状态（如图2、3所示）。

实施例的模型工作时，吹入空气流量在1.97m³/h～3.28m³/h范围内。通过观察即可以得知墨水在装置内均混的程度，即得知了装置内钢水的均混状态。钢包内均混程度可以通过观察图2中三幅照片或用“死区”面积来表征。所述“死区”面积即图片中无色的部分，可以采用计算机图像处理技术来量化。

1）吹入空气流量为：1.97m³/h，对应实际中氩气流量为：90m³/h。钢水流场照片如图2中第Ⅰ部分所示，均混程度低，死区面积约为：0.16m²；

2）吹入空气流量为：2.63m³/h，对应实际中氩气流量为：120m³/h  。钢水流场照片如图2中第Ⅱ部分所示，均混程度中等，死区面积约为：0.13m²；

3）吹入空气流量为：3.28m³/h，对应实际中氩气流量为：150m³/h。钢水流场照片如图2中第Ⅲ部分所示，均混程度高，死区面积约为：0.11m²。

从本实施例1）～3）的结果获知，吹入空气流量为：3.28m³/h，死区面积为最小。在采用该RH精炼模型的原型进行实际生产中，控制氩气流量为：120m³/h，获得了最优效果。

实施例2：

本实施例研究浸渍管浸入深度对钢液流场的影响，所采用的设备和手段同实施例1。钢包内均混程度用图3中三幅照片和“死区”面积来表征。

1）模型浸渍管浸入深度为：90mm，对应实际中浸渍管浸入深度为：450mm。钢水流场照片如图3中第Ⅳ部分所示，均混程度低，死区面积约为：0.15m2；

2）模型浸渍管浸入深度为：100mm，对应实际中浸渍管浸入深度为：500mm。钢水流场照片如图3中第Ⅴ部分所示，均混程度中，死区面积约为：0.13m2；

3）模型浸渍管浸入深度为：110mm，对应实际中浸渍管浸入深度为550mm。钢水流场照片如图3中第Ⅵ部分所示，均混程度高，死区面积约为：0.12m2。

从本实施例1）～3）的结果获知，模型浸渍管浸入深度为：110mm，死区面积为最小。在采用该RH精炼模型的原型进行实际生产中，浸渍管浸入深度为：550mm，获得了最优效果。

实施例3：

本实施例对均混时间进行测定。在生产中，影响RH精炼效率的因素有很多，其中吹氩量、浸入深度、真空度、钢水量影响最大，故对吹氩量、浸入深度、真空度、钢水量四个因素进行了分析。每个因素取三个水平，做正交实验，用空气替代氩气。实验时，往上升管内注入饱和食盐水，同时测定钢包内水的电导率，当其电导率稳定不再发生变化时，即认为是均混时间。

由Fr_m＝Fr_R，即 $\frac{{v^2}_m}{{\mathrm{gl}}_m}=\frac{{v^2}_R}{{\mathrm{gl}}_R},$

可得 $\frac{v_m}{v_R}=\sqrt{\frac{l_m}{l_R}}=\sqrt{\frac{1}{5}}=0.45,$

那么均混时间比为： $\frac{t_m}{t_R}=\frac{l_m/v_m}{l_R/v_R}=\frac{l_m{v}_R}{l_R{v}_m}=\frac{1}{5}\×\frac{1}{0.45}=0.44,$

即t_m=0.44t_R，

其中，下标m代表模型，下标R代表原型

Fr_m：模型弗鲁德准数

Fr_R：原型弗鲁德准数

g：重力加速度,9.81m/s²

l_m：模型任一长度尺寸

l_R：与模型对应的原型任一长度尺寸，单位为m，

v_m：模型内流体速度，单位为m/s，

v_R：原型内流体速度，单位为m/s，

Q：流体流量，单位为m³，

t_m：模型的均混时间，单位为s，

t_R：原型的均混时间，单位为s。

结果如下：

均混时间越小，说明钢水均混越均匀，由图我们可知第五组均混时间是最小的，时间为62秒，均混时间最大的是第一组，为100S。可知，在第五组条件下，各个因素之间的组合为最佳值。

实施例4：

本实施例对吹氩小管堵塞研究。通常的RH精炼设备具有若干个吹氩小管，本实施例模拟了具有12个吹氩小管的RH精炼设备。通常认为吹氩小管的堵塞被认为都会严重影响RH处理时间与效果，需要及时处理。

如图4中A～E部分表示5个安装有吹氩小管的浸渍管的剖面，图5中F～J部分同样表示5个安装有吹氩小管的浸渍管的剖面。同一个浸渍管上安装的吹氩小管采用阿拉伯数字1～12标注。如果在吹氩小管上加了特殊符号

就表示该吹氩小管发生堵塞。如图4中A部分表示了编号为3和4的吹氩小管发生堵塞，其余正常。图5中F部分表示了编号为3和9的吹氩小管发生堵塞，其余正常。

进一步，图4中均是相邻的吹氩小管发生堵塞，称为“顺堵塞”。图5中均是相间的吹氩小管发生堵塞，称为“对称堵”。

本实施例采用超声波流量计测定模型中的循环流量。结果如图6所示，靠上的曲线表明了“对称堵”时吹氩小管堵塞个数与循环流量之间的关系；靠下的曲线表明了“顺堵塞”时吹氩小管堵塞个数与循环流量之间的关系。其结果表明了顺堵塞相比于对称堵时，循环流量下降更快。当堵塞个数为4个时，在顺堵塞情况下，曲线上出现个拐点，循环流量急剧下降，下降幅度为29%，不利于精炼的进行，要考虑浸渍管下线。当吹氩小管对称堵时，循环流量下降幅度则为13%，而当堵塞个数为6个时，其循环流量下降幅度也只为19%，因此对称堵对循环流量的影响相对较小。

故建议：1）当吹氩小管堵塞比较均匀时，即“对称堵”,堵塞个数为6个及其以内，可以不考虑下线；

2）当吹氩小管堵塞比较集中时，即“顺堵塞”，若堵塞个数大于4个，需要考虑下线。

Claims (5)

1.一种RH精炼装置物理模型制作方法，其特征在于：采用有机玻璃按照比例制作RH精炼炉原型的物理模型，所述RH精炼炉原型主要包括钢包、真空槽、两个浸渍管和吹气装置；

采用水模拟所述钢包中的钢水，采用空气模拟所述吹气装置中吹出的氩气；

所述空气与氩气的换算关系为：Q_Ar＝0.817·(1/λ)^5/2Q_空气；其中，Q_空气为物理模型中空气流量，单位为m³/h；Q_Ar为RH精炼炉原型中Ar气体流量，单位为m³/h；λ为所述物理模型与原型的相似比。

2.根据权利要求1所述的RH精炼装置物理模型制作方法，其特征在于：所述物理模型与原型的相似比为1︰5。

3.根据权利要求1或2所述的RH精炼装置物理模型制作方法，其特征在于：所述物理模型的真空槽压强为9.84×10⁴Pa。

4.根据权利要求1或2所述的RH精炼装置物理模型制作方法，其特征在于：所述模型中空气流量Q_空气＝1.97Nm³/h。

5.根据权利要求1或2所述的RH精炼装置物理模型制作方法，其特征在于：所述RH精炼炉原型的真空槽液体高度为h_s，所述物理模型的真空槽液体高度为h_w，实验条件下真空度由以下关系确定：h_s/h_w＝(P-p_s)ρ_w/(P-p_w)ρ_S＝1/λ，其中：P为大气压强，p_s为原型的真空槽内的压强，ρ_S为原型内钢水的密度，p_w为模型的真空槽内的压强，ρ_w为模型内水的密度。

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