RH真空室内气泡行为的研究

工程科学学报，第40卷，第4期：453-460,2018年4月 Chinese Journal of Engineering,Vol.40,No.4:453-460,April 2018 DOI:10.13374/j.issn2095-9389.2018.04.008:http://journals.ustb.edu.cn RH真空室内气泡行为的研究 赵立华)四，郭建龙》，徐佳亮》，张超杰) 1)北京科技大学治金与生态工程学院，北京1000832)北京科技大学钢铁治金新技术国家重点实验室，北京100083 ☒通信作者，E-mail:zhaolihua(@metall.ustb.edu.cn 摘要Ruhrstahl--Hereaeus(RH)上升管内的气液两相流是整个装置的重要动力源，并对钢液的流动、混匀及精炼过程有重 要影响.上升管及真空室内的气液两相流决定了钢包内钢液的流动状态，为了研究真空室及上升管内气液两相流，通过1：6的 3O0tRH的物理模型模拟了RH上升管及真空室内气泡行为过程，并测量了RH循环流量的变化用于计算上升管内含气率以 及气泡运动速度最终得到气泡在真空室内的停留时间，同时记录了气泡在真空室内的存在形式.气泡在真空室的存在形式的 主要影响因素为提升气体流量，研究发现了气泡从规则独立的大气泡经历聚合长大，碰撞破碎成小气泡，最后变成小气泡和 不规则大气泡共存的现象.液面高度达到80mm之后，气泡在真空室内的停留时间达到一个平衡值，不再随真空室液面高度 的增加而发生改变.当提升气体量达3000L·min',气泡停留时间减小趋势弱，对应3000L·min'情况下，真空室内气泡开始 聚合长大.研究认为对于300tRH的真空室液面高度应为80mm,提升气体量应在3500L·min1左右，优化后，脱碳时间由原 工艺的21.4min缩短至现工艺的17.5min. 关键词RH精炼：气泡行为；脱碳：真空室；含气率 分类号TF769.9 Complex bubble formation in the vacuum chamber and the up leg of the Rheinsahl- Heraeus ZHAO Li-hua,GUO Jian-long,XU Jia-liang?,ZHANG Chao-jie 1)School of Metallurgy and Ecological Engineering,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China 2)State Key Laboratory of Advanced Metallurgy,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China Corresponding author,E-mail:zhaolihua@metall.ustb.edu.cn ABSTRACT The gas-liquid two-phase flow in the up leg of the Ruhrstahl-Hereaeus (RH)unit is one of the main momentum sources of the whole device,and it affects the flow state of the molten steel in the ladle.A physical model of 300t RH in 1:6 ratio was set up to simulate the bubble behavior process and to measure the change of the RH circulation flow in the up leg and in the vacuum chamber.The gas-liquid fraction and the movement velocity of bubbles were measured to assess the residence time of the bubbles in the vacuum chamber.In addition,the formation of the bubbles at different values of the RH circulation flow and liquid-level height in the vacuum chamber were recorded by a high-speed camera.One of the main factors influencing the bubble formation is the increase of the lifting gas flow in the vacuum chamber.With the increase of blowing gas,the large independent bubbles undergo multiple colli- sions,break into small bubbles,and finally small and large irregular-sized bubbles coexist.When the liquid height is >80 mm,the residence time of the bubbles in the vacuum chamber achieves a stable value and cannot be further affected by the increase of the lig- uid-level height in the vacuum chamber.At a lifting gas flow of 3000L*min,a weak decreasing trend of the residence time of bub- bles is observed,and the bubbles start polymerizing in the vacuum chamber.In conclusion,for the 300t RH physical model,the liquid height in the vacuum chamber is recommended to be 80 mm,whereas the lifting gas flow should be set at 3500Lmin.After these 收稿日期：2017-09-07 基金项目：国家自然科学基金资助项目(51404022)

工程科学学报，第 40 卷，第 4 期: 453--460，2018 年 4 月 Chinese Journal of Engineering，Vol． 40，No． 4: 453--460，April 2018 DOI: 10． 13374 /j． issn2095--9389． 2018． 04． 008; http: / /journals． ustb． edu． cn ＲH 真空室内气泡行为的研究 赵立华1) ，郭建龙2) ，徐佳亮2) ，张超杰2) 1) 北京科技大学冶金与生态工程学院，北京 100083 2) 北京科技大学钢铁冶金新技术国家重点实验室，北京 100083 通信作者，E-mail: zhaolihua@ metall． ustb． edu． cn 摘 要 Ｒuhrstahl--Hereaeus ( ＲH) 上升管内的气液两相流是整个装置的重要动力源，并对钢液的流动、混匀及精炼过程有重 要影响． 上升管及真空室内的气液两相流决定了钢包内钢液的流动状态，为了研究真空室及上升管内气液两相流，通过1∶ 6的 300 t ＲH 的物理模型模拟了 ＲH 上升管及真空室内气泡行为过程，并测量了 ＲH 循环流量的变化用于计算上升管内含气率以 及气泡运动速度最终得到气泡在真空室内的停留时间，同时记录了气泡在真空室内的存在形式． 气泡在真空室的存在形式的 主要影响因素为提升气体流量，研究发现了气泡从规则独立的大气泡经历聚合长大，碰撞破碎成小气泡，最后变成小气泡和 不规则大气泡共存的现象． 液面高度达到 80 mm 之后，气泡在真空室内的停留时间达到一个平衡值，不再随真空室液面高度 的增加而发生改变． 当提升气体量达 3000 L·min － 1，气泡停留时间减小趋势弱，对应 3000 L·min － 1情况下，真空室内气泡开始 聚合长大． 研究认为对于 300 t ＲH 的真空室液面高度应为 80 mm，提升气体量应在 3500 L·min － 1左右，优化后，脱碳时间由原 工艺的 21. 4 min 缩短至现工艺的 17. 5 min． 关键词 ＲH 精炼; 气泡行为; 脱碳; 真空室; 含气率 分类号 TF769. 9 收稿日期: 2017--09--07 基金项目: 国家自然科学基金资助项目( 51404022) Complex bubble formation in the vacuum chamber and the up leg of the Ｒheinsahl-- Heraeus ZHAO Li-hua1)  ，GUO Jian-long2) ，XU Jia-liang2) ，ZHANG Chao-jie2) 1) School of Metallurgy and Ecological Engineering，University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083，China 2) State Key Laboratory of Advanced Metallurgy，University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083，China Corresponding author，E-mail: zhaolihua@ metall． ustb． edu． cn ABSTＲACT The gas--liquid two-phase flow in the up leg of the Ｒuhrstahl--Hereaeus ( ＲH) unit is one of the main momentum sources of the whole device，and it affects the flow state of the molten steel in the ladle． A physical model of 300 t ＲH in 1∶ 6 ratio was set up to simulate the bubble behavior process and to measure the change of the ＲH circulation flow in the up leg and in the vacuum chamber． The gas--liquid fraction and the movement velocity of bubbles were measured to assess the residence time of the bubbles in the vacuum chamber． In addition，the formation of the bubbles at different values of the ＲH circulation flow and liquid-level height in the vacuum chamber were recorded by a high-speed camera． One of the main factors influencing the bubble formation is the increase of the lifting gas flow in the vacuum chamber． With the increase of blowing gas，the large independent bubbles undergo multiple colli￾sions，break into small bubbles，and finally small and large irregular-sized bubbles coexist． When the liquid height is ＞ 80 mm，the residence time of the bubbles in the vacuum chamber achieves a stable value and cannot be further affected by the increase of the liq￾uid-level height in the vacuum chamber． At a lifting gas flow of 3000 L·min － 1，a weak decreasing trend of the residence time of bub￾bles is observed，and the bubbles start polymerizing in the vacuum chamber． In conclusion，for the 300 t ＲH physical model，the liquid height in the vacuum chamber is recommended to be 80 mm，whereas the lifting gas flow should be set at 3500 L·min － 1 ． After these

·454 工程科学学报，第40卷，第4期 optimization steps,the decarburization time decreases from 21.4 to 17.5 min KEY WORDS Rheinsahl-Heraeus refining:bubble behaviors:decarburization:vacuum chamber:gas fraction 随着人们对超低碳钢和高效生产力需求的提 为气泡，主要操作参数为液面层高度和吹气流量 高，Ruhrstahl--Hereaeus(RH)精炼过程近年来引起 同时作为驱动力的来源，氩气的成本很高.上升管 了广泛关注，迄今为止，大量研究工作主要集中于 内气体分数和真空室内气泡存在形式将影响氩气泡 RH精炼过程中钢液的流态、环流量、混合时间等特 带给钢液的能量.因此，气泡和真空室的研究应得 性的研究-).RH装置内上升管中的气液两相作 到重点关注. 为整个装置主要的动量源泉之一，对钢液的流动、混 本文通过不同工艺参数下真空室气液两相流流 合和精炼过程有着重要的影响，且真空室内钢液和 型以及真空室液面波动状态.利用表征反应器性能 上升管内气液两相流的流动决定了钢包内钢液的流 的关键参数，得到真空室气液两相流流型的转变条 动状态-).另外，脱碳过程主要发生在真空室和上 件.联系RH精炼过程中的脱碳反应，得到优化的 升管内.必须对真空室和上升管中的气液两相区进 提升气体流量及真空室液面高度，用于指导实际 行深入研究，然而与这方面直接相关的研究工作 生产 较少 1 实验原理和方法 大多数治金过程如RH脱碳过程的控制性步骤 均为气泡和钢液两相之间的质量传递，气泡的停留 1.1物理模型的建立 时间以及气泡在真空室内的运动都是非常关键 本文采用1：6有机玻璃模型模拟现场300tRH, 的-0 ·一般认为脱碳反应发生的位置主要 用水模拟钢液，空气模拟氩气进行试验.整个模型 为1-：钢液内部生成的C0气泡表面，Ar气泡表 体系包含三部分：RH物理模型、测量设备和摄像装 面及钢液自由表面.影响RH精炼过程的主要因素 置.模型与原型相关参数见表1. 表1RH原型与模型尺寸 Table 1 Size of the prototype and the model of the RH unit 钢包高度/ 钢包上口 钢包下口 钢包内钢液 真空室 浸渍管 浸渍管 浸渍管 原型与模型 mm 直径/mm 直径/mm 深度/mm 内径/mm 内径mm 外径/mm 长度/mmm 原型尺寸 4200 3920 3640 3920 2520 750 1500 1650 模型尺寸 700 980 610 650 420 130 250 280 根据相似第二定律可知，水模型除了需要保证 中吹入气体和钢液的温度，K:T为模型中吹入气体 几何相似外，还必须保证模型与原型的决定性准数 和水的温度，K.其中，模型气量与实际吹气量对应 相等，将修正弗洛德准数作为模型和原型之间关联 关系见表2. 气体流动速率的相似性指标，使用雷诺数保证模型 循环流动速率用超声波流量计装置在下降管处 和原型间的平行.实际提升气体流量和原型实际提 采用“Z”方法测量，并作为RH真空精炼过程描述 升气体流量之比为： 精炼效率的重要指标和计算上升管中钢液的主要参 心 数.水体流动稳定后，数据在3min的时间内每10s (1) Q. `Pace pir Pv.p+PaegH。Tn 进行测量 式中，Q为模型中吹入空气的标态流量，Lmin-: 1.2理论计算 在流体力学中，管内气体流量直接影响管内气 Q为原型中吹入氩气的标态流量，Lmin;入为模 液两相流的流动状态，含气率（气体在气液两相流 型相似比，I/6;pae为水的标态密度，kg"m3;paed 中所占的比例)可作为衡量两相流流型转变的指 为钢的标态密度，kg"m3:.为氩气的标态密度，kg 标.真空室内气泡的分布情况以及运动状态与上升 ·m3p为空气的标态密度，kgm3;Pm为模型真 管内气泡运动状态有直接关系，所以通过分析上升 空室压力，Pa;P,n为原型真空室压力，Pa;H为模型 管内含气率的变化规律可以得到气泡分布区域的形 吹气孔距真空室流体表面高度，m;H,为原型吹气孔 成原因.同时研究当吹气量达到一定程度，循环流 距真空室流体表面高度，m;g为重力常数；T,为原型 量不会增加甚至降低，可见上升管内的含气率会影

工程科学学报，第 40 卷，第 4 期 optimization steps，the decarburization time decreases from 21. 4 to 17. 5 min． KEY WOＲDS Ｒheinsahl--Heraeus refining; bubble behaviors; decarburization; vacuum chamber; gas fraction 随着人们对超低碳钢和高效生产力需求的提 高，Ｒuhrstahl--Hereaeus ( ＲH) 精炼过程近年来引起 了广泛关注，迄今为止，大量研究工作主要集中于 ＲH 精炼过程中钢液的流态、环流量、混合时间等特 性的研究［1--5］． ＲH 装置内上升管中的气液两相作 为整个装置主要的动量源泉之一，对钢液的流动、混 合和精炼过程有着重要的影响，且真空室内钢液和 上升管内气液两相流的流动决定了钢包内钢液的流 动状态［6--7］． 另外，脱碳过程主要发生在真空室和上 升管内． 必须对真空室和上升管中的气液两相区进 行深入研究，然而与这方面直接相关的研究工作 较少． 大多数冶金过程如 ＲH 脱碳过程的控制性步骤 均为气泡和钢液两相之间的质量传递，气泡的停留 时间以及气泡在真空室内的运动都是非常关键 的［8--10］． 一般认为脱碳反应发生的位置主要 为［11--12］: 钢液内部生成的 CO 气泡表面，Ar 气泡表 面及钢液自由表面． 影响 ＲH 精炼过程的主要因素 为气泡，主要操作参数为液面层高度和吹气流量． 同时作为驱动力的来源，氩气的成本很高． 上升管 内气体分数和真空室内气泡存在形式将影响氩气泡 带给钢液的能量． 因此，气泡和真空室的研究应得 到重点关注． 本文通过不同工艺参数下真空室气液两相流流 型以及真空室液面波动状态． 利用表征反应器性能 的关键参数，得到真空室气液两相流流型的转变条 件． 联系 ＲH 精炼过程中的脱碳反应，得到优化的 提升气体流量及真空室液面高度，用于指导实际 生产． 1 实验原理和方法 1. 1 物理模型的建立 本文采用 1∶ 6有机玻璃模型模拟现场 300 t ＲH， 用水模拟钢液，空气模拟氩气进行试验． 整个模型 体系包含三部分: ＲH 物理模型、测量设备和摄像装 置． 模型与原型相关参数见表 1． 表 1 ＲH 原型与模型尺寸 Table 1 Size of the prototype and the model of the ＲH unit 原型与模型 钢包高度/ mm 钢包上口 直径/mm 钢包下口 直径/mm 钢包内钢液 深度/mm 真空室 内径/mm 浸渍管 内径/mm 浸渍管 外径/mm 浸渍管 长度/mm 原型尺寸 4200 3920 3640 3920 2520 750 1500 1650 模型尺寸 700 980 610 650 420 130 250 280 根据相似第二定律可知，水模型除了需要保证 几何相似外，还必须保证模型与原型的决定性准数 相等，将修正弗洛德准数作为模型和原型之间关联 气体流动速率的相似性指标，使用雷诺数保证模型 和原型间的平行． 实际提升气体流量和原型实际提 升气体流量之比为: Q0 air Q0 Ar = λ5 ·ρwater ρsteel ·ρ 0 Ar ρ 0 air ·Pv，m + ρwatergHm Pv，p + ρsteelgHp ·Tp 槡 Tm ( 1) 式中，Q0 air为模型中吹入空气的标态流量，L·min － 1 ; Q0 Ar为原型中吹入氩气的标态流量，L·min － 1 ; λ 为模 型相似比，1 /6; ρwater 为水的标态密度，kg·m － 3 ; ρsteel 为钢的标态密度，kg·m － 3 ; ρ 0 Ar为氩气的标态密度，kg ·m － 3 ; ρ 0 air为空气的标态密度，kg·m － 3 ; Pv，m为模型真 空室压力，Pa; Pv，p为原型真空室压力，Pa; Hm为模型 吹气孔距真空室流体表面高度，m; Hp为原型吹气孔 距真空室流体表面高度，m; g 为重力常数; Tp为原型 中吹入气体和钢液的温度，K; Tm为模型中吹入气体 和水的温度，K． 其中，模型气量与实际吹气量对应 关系见表 2． 循环流动速率用超声波流量计装置在下降管处 采用“Z”方法测量，并作为 ＲH 真空精炼过程描述 精炼效率的重要指标和计算上升管中钢液的主要参 数． 水体流动稳定后，数据在 3 min 的时间内每 10 s 进行测量． 1. 2 理论计算 在流体力学中，管内气体流量直接影响管内气 液两相流的流动状态，含气率( 气体在气液两相流 中所占的比例) 可作为衡量两相流流型转变的指 标． 真空室内气泡的分布情况以及运动状态与上升 管内气泡运动状态有直接关系，所以通过分析上升 管内含气率的变化规律可以得到气泡分布区域的形 成原因． 同时研究当吹气量达到一定程度，循环流 量不会增加甚至降低，可见上升管内的含气率会影 · 454 ·

赵立华等：RH真空室内气泡行为的研究 ·455· 表2不同真空室液面高度下模型气量与实际吹气量对应关系 Table 2 Relation between the model and the actual lifting gas flow under different liquid level in vacuum chamber 模型气量/(L~miml) 真空室液面 实际气量 实际气量 实际气量 实际气量 实际气量 实际气量 实际气量 高度/mm 1500L·mim-1 2000L.·min-1 2500 Lmin-! 3000L·min-1 3500 L.min-1 4000Lmin-1 4500L·min-l 30 3.25 4.33 5.41 6.49 7.57 8.65 3.25 40 3.18 4.25 5.31 6.37 7.43 8.49 3.18 50 3.13 4.17 5.21 6.25 7.30 8.34 3.13 60 3.07 4.10 5.12 6.15 7.17 8.20 3.07 言 3.02 4.03 5.04 6.04 7.05 8.06 3.02 80 2.97 3.96 4.95 5.94 6.94 7.93 2.97 90 2.93 3.90 4.88 5.85 6.83 7.80 2.93 100 2.88 3.84 4.80 5.76 6.72 7.68 2.88 110 2.84 3.78 4.73 5.68 6.62 7.57 2.84 响RH的循环效果 0.44 (7) 通过上升管与下降管中钢液流速的关系以及含 气率与液体流速之间的经验公式，可以推导出上升 气泡从脱离到上升过程中在几个气泡直径的高 管内含气率与下降管流速之间的关系，上升管中钢 度内就能达到气泡终速度，并以此速度继续上升 液与下降管中液体间的速度关系如下： 所以气泡的停留时间可以由气泡行程H,与气泡速 1 1- (2) 度的比值近似获取.不同吹气量下，气泡停留时 间可以由下式计算： 0.68 B=0.647 v+v (u.)04 (3) (8) 4Q= (4) 式中，H为气泡行程，m;,为气泡上升稳定速度， 0= m·s-l 0.68 B=0.647 40. .34 2实验结果与讨论 "+ 40×(1-B 有学者研究表明在H内气泡上升后期未到达 (5) 真空室表面阶段，气泡速度稳定，匀速上升的.而 式中，，为下降管中液体流速，m·s1;为上升管中 且在上升阶段后期，气泡匀速上升，与钢液间相对黏 液体流速，ms1;,为真空室内液体流速，ms:Q。 性力较小 为吹入的气体量，msl;d,为上升管直经，m;B为上 真空室内气体主要来自于上升管内，气液两相 升管含气率. 流从管内到真空室表面的运动过程，类似于喷泉涌 气泡通常不是刚体，运动过程中在力的作用下 动，在钢液表面向四周运动，上升管侧真空室内壁距 会发生形变，因此气泡在上升过程中主要受到流体 离上升中心较近，钢液撞击真空室上升管侧内壁，产 浮力、黏性力和变形阻力的作用，当这些作用力的合 生改变运动方向的反作用力，沿着真空室环形壁面 力为零时，气泡以匀速上升，由于气泡向上运动提 进行流动.从真空室正面的主视图可以观察到，真 供RH内循环的动力，所以当气泡稳定运行过后，气 空室壁面附近的两相流随着钢液的运动逐渐减少， 泡与钢液间的黏性阻力是一定的，这与当液体不流 当越过真空室中部时逐渐消失. 动时，气泡所受的向下的阻力是一样的.有学者研 随着提升气体量的不断增加，气泡的种类发生 究表明当上升管中气液两相流处于雷诺数R> 改变，当提升气体量较低时，气泡主要存在形式为球 5000,奥托斯数大于18时，气泡的相对上升速度可 帽形大气泡，存在极少量球形小气泡.图1中(1)~ 以表示为如下所示，式中d,为气泡的直径： (6)分别对应真空室液面高度为80mm时，提升气 =1.02x(学) 体流量为1500、2000、2500、3000、3500和4000L· (6) min-时真空室内气泡的存在形式，随着气体量的增

赵立华等: ＲH 真空室内气泡行为的研究 表 2 不同真空室液面高度下模型气量与实际吹气量对应关系 Table 2 Ｒelation between the model and the actual lifting gas flow under different liquid level in vacuum chamber 真空室液面 高度/mm 模型气量/( L·min － 1 ) 实际气量 1500 L·min － 1 实际气量 2000 L·min － 1 实际气量 2500 L·min － 1 实际气量 3000 L·min － 1 实际气量 3500 L·min － 1 实际气量 4000 L·min － 1 实际气量 4500 L·min － 1 30 3. 25 4. 33 5. 41 6. 49 7. 57 8. 65 3. 25 40 3. 18 4. 25 5. 31 6. 37 7. 43 8. 49 3. 18 50 3. 13 4. 17 5. 21 6. 25 7. 30 8. 34 3. 13 60 3. 07 4. 10 5. 12 6. 15 7. 17 8. 20 3. 07 70 3. 02 4. 03 5. 04 6. 04 7. 05 8. 06 3. 02 80 2. 97 3. 96 4. 95 5. 94 6. 94 7. 93 2. 97 90 2. 93 3. 90 4. 88 5. 85 6. 83 7. 80 2. 93 100 2. 88 3. 84 4. 80 5. 76 6. 72 7. 68 2. 88 110 2. 84 3. 78 4. 73 5. 68 6. 62 7. 57 2. 84 响 ＲH 的循环效果． 通过上升管与下降管中钢液流速的关系以及含 气率与液体流速之间的经验公式，可以推导出上升 管内含气率与下降管流速之间的关系，上升管中钢 液与下降管中液体间的速度关系如下［13］: v'l = vl 1 － β ( 2) β = 0. 647 ( vl vl + v ) s 0. 68 ( vs) 0. 34 ( 3) vs = 4Qg πd2 0 ( 4) β ( = 0. 647 vl vl + 4Qg πd2 0 × ( 1 － β ) ) ( 0. 68 4Qg πd2 ) 0 0. 34 ( 5) 式中，vl为下降管中液体流速，m·s － 1 ; v' l为上升管中 液体流速，m·s － 1 ; vs为真空室内液体流速，m·s － 1 ; Qg 为吹入的气体量，m·s － 1 ; d0为上升管直经，m; β 为上 升管含气率． 气泡通常不是刚体，运动过程中在力的作用下 会发生形变，因此气泡在上升过程中主要受到流体 浮力、黏性力和变形阻力的作用，当这些作用力的合 力为零时，气泡以匀速上升． 由于气泡向上运动提 供 ＲH 内循环的动力，所以当气泡稳定运行过后，气 泡与钢液间的黏性阻力是一定的，这与当液体不流 动时，气泡所受的向下的阻力是一样的． 有学者研 究表明当上升管中气液两相流处于雷诺数 Ｒe ＞ 5000，奥托斯数大于 18 时，气泡的相对上升速度可 以表示为如下所示［14］，式中 db为气泡的直径: vb = 1. 02 × ( gdb ) 2 0. 5 ( 6) db = 6. 9·( σ ρ ) water 0. 5 ·( 4Qg πd2 ) 0 0. 44 ( 7) 气泡从脱离到上升过程中在几个气泡直径的高 度内就能达到气泡终速度，并以此速度继续上升． 所以气泡的停留时间可以由气泡行程 Hb与气泡速 度 vb的比值近似获取． 不同吹气量下，气泡停留时 间可以由下式计算: tb = Hb vb ( 8) 式中，Hb 为气泡行程，m; vb 为气泡上升稳定速度， m·s － 1 ． 2 实验结果与讨论 有学者研究表明在 ＲH 内气泡上升后期未到达 真空室表面阶段，气泡速度稳定，匀速上升［15］． 而 且在上升阶段后期，气泡匀速上升，与钢液间相对黏 性力较小． 真空室内气体主要来自于上升管内，气液两相 流从管内到真空室表面的运动过程，类似于喷泉涌 动，在钢液表面向四周运动，上升管侧真空室内壁距 离上升中心较近，钢液撞击真空室上升管侧内壁，产 生改变运动方向的反作用力，沿着真空室环形壁面 进行流动． 从真空室正面的主视图可以观察到，真 空室壁面附近的两相流随着钢液的运动逐渐减少， 当越过真空室中部时逐渐消失． 随着提升气体量的不断增加，气泡的种类发生 改变，当提升气体量较低时，气泡主要存在形式为球 帽形大气泡，存在极少量球形小气泡． 图 1 中( 1) ～ ( 6) 分别对应真空室液面高度为 80 mm 时，提升气 体流量为 1500、2000、2500、3000、3500 和 4000 L· min － 1时真空室内气泡的存在形式，随着气体量的增 · 554 ·

·456· 工程科学学报，第40卷，第4期 图1不同提升气体流量下真空室内的气泡存在形式.(1)1500Lmin1:(2)2000L·mim1:(3)2500L·min1:(4)3000L·min1:(5) 3500 Lmin-:(6)4000Lmin-1 Fig.1 Types of bubbles in different lifting gas flows:(1)1500L.min-(2)2000 L.min-:(3)2500 L.min-1:(4)3000L*min-1:(5)3500 L'min-1:(6)4000 L.min-1 加在2000L·min-1时气泡开始出现聚合，聚合后的 26 气泡仍具有单独气泡的形状.当提升气体量进一步 25 增加达到2500L·min-时气泡进一步聚合在一起， 24 真空室内小气泡数量增多.在3000Lmin1时，大气 23 泡聚集在一起形状开始发生显著改变.当提升气体 量达到3500L·min-1后，大气泡破碎带来真空室内 21 20 提并汽体流量 扰动.提升气体量进一步增加，真空室内气泡间碰 1500Lmin ◆-2500L·min 撞破碎越剧烈. 9 -▲-3500L·minl 2.1上升管含气率 18 随着真空室液面高度升高，气泡上升空间增加， 40 80 100 120 真空室液面高度mm 上升速度增加，易脱离上升管.所以上升管内的含 图2上升管内的含气率与真空室液面高度间的关系 气率会不断下降，但是变化幅度较小，在1.5%以 Fig.2 Relation between the liquid level and gas fraction in the up 内.并且在不同液面高度范围内，含气率变化趋势 leg 也不同. H循环反应器内气泡在上升管内的运动状态 从表3中可以看出，当真空室液面高于80mm 是两相流在圆管的流动过程的延续，会随含气量的 时，真空室液面的高度不再是影响上升管内气液两 变化发生碰撞和聚合.当气泡进入真空室中，气泡 相流状态的主要因素.而吹气量作为影响含气率的 的运动状态与上升管内的运动状态同步.由图2可 主要因素，会直接影响上升管内气液两相流的状态 以看出随着真空室液面的增加，上升管内的含气率 真空室液面高度在50~80mm范围内，对上升管内 逐渐减少.但是真空室液面增高，气泡运动行程可 含气率的影响比较显著.所以在控制优化Ar气泡 以分布的区域增加，与钢液作用时间增加.而在上脱碳过程时，应控制真空室液面高度在此范围内，配 升管内停留时间降低，则引起含气率下降.50mm 合吹气量，寻找最优的精炼参数. 和80mm是两个分界点，含气率在两处的变化曲线 图3为真空室液面高度为50、80和110mm条 斜率发生改变，对应真空室内气液两相流的流动形 件下时吹气量对上升管内含气率的影响.从图中可 式也发生改变.表3总结归纳真空室内液面高度对 以看出，随着吹气量增加上升管内的含气率逐渐上 含气率及气液两相流分布规律的影响关系. 升，上升管内的含气率的变化范围为16%~22%

工程科学学报，第 40 卷，第 4 期 图 1 不同提升气体流量下真空室内的气泡存在形式． ( 1) 1500 L·min － 1 ; ( 2) 2000 L·min － 1 ; ( 3) 2500 L·min － 1 ; ( 4) 3000 L·min － 1 ; ( 5) 3500 L·min － 1 ; ( 6) 4000 L·min － 1 Fig． 1 Types of bubbles in different lifting gas flows: ( 1) 1500 L·min － 1 ; ( 2) 2000 L·min － 1 ; ( 3) 2500 L·min － 1 ; ( 4) 3000 L·min － 1 ; ( 5) 3500 L·min － 1 ; ( 6) 4000 L·min － 1 加在 2000 L·min － 1时气泡开始出现聚合，聚合后的 气泡仍具有单独气泡的形状． 当提升气体量进一步 增加达到 2500 L·min － 1时气泡进一步聚合在一起， 真空室内小气泡数量增多． 在 3000 L min － 1时，大气 泡聚集在一起形状开始发生显著改变． 当提升气体 量达到 3500 L·min － 1后，大气泡破碎带来真空室内 扰动． 提升气体量进一步增加，真空室内气泡间碰 撞破碎越剧烈． 2. 1 上升管含气率 随着真空室液面高度升高，气泡上升空间增加， 上升速度增加，易脱离上升管． 所以上升管内的含 气率会不断下降，但是变化幅度较小，在 1. 5% 以 内． 并且在不同液面高度范围内，含气率变化趋势 也不同． ＲH 循环反应器内气泡在上升管内的运动状态 是两相流在圆管的流动过程的延续，会随含气量的 变化发生碰撞和聚合． 当气泡进入真空室中，气泡 的运动状态与上升管内的运动状态同步． 由图 2 可 以看出随着真空室液面的增加，上升管内的含气率 逐渐减少． 但是真空室液面增高，气泡运动行程可 以分布的区域增加，与钢液作用时间增加． 而在上 升管内停留时间降低，则引起含气率下降． 50 mm 和 80 mm 是两个分界点，含气率在两处的变化曲线 斜率发生改变，对应真空室内气液两相流的流动形 式也发生改变． 表 3 总结归纳真空室内液面高度对 含气率及气液两相流分布规律的影响关系． 图 2 上升管内的含气率与真空室液面高度间的关系 Fig． 2 Ｒelation between the liquid level and gas fraction in the up leg 从表 3 中可以看出，当真空室液面高于 80 mm 时，真空室液面的高度不再是影响上升管内气液两 相流状态的主要因素． 而吹气量作为影响含气率的 主要因素，会直接影响上升管内气液两相流的状态． 真空室液面高度在 50 ～ 80 mm 范围内，对上升管内 含气率的影响比较显著． 所以在控制优化 Ar 气泡 脱碳过程时，应控制真空室液面高度在此范围内，配 合吹气量，寻找最优的精炼参数． 图 3 为真空室液面高度为 50、80 和 110 mm 条 件下时吹气量对上升管内含气率的影响． 从图中可 以看出，随着吹气量增加上升管内的含气率逐渐上 升，上升管内的含气率的变化范围为 16% ～ 22% · 654 ·

赵立华等：RH真空室内气泡行为的研究 ·457· 表3气液两相流分布规律 Table 3 Regularities of the gas-liquid two-phase flow distribution 真空室液面高度/mm 上升管内含气率 真空室内气液两相流分布 上升管上方，不再呈现圆柱形，受真空室表面液体流动影 <40 上升管内含气率基本不改变 响，改变分布区域 含气率开始出现减小趋势，此阶段真空室液面高度开始上升管上方，不再呈现圆柱形，受真空室表面液体流动影 40-50 影响上升管内含气率，但仍然不稳定 响，改变分布区域 上升管上方及真空室表面，开始受真空室表面液体波动 50-80 含气率线性降低 影响 >80 基本不发生改变，含气率变化范围小于0.2% 上升管上方及真空室表面，受真空室液面高度影响减弱 时，增加量逐渐减小，含气率增加趋势减缓.从拟合 幅度发生变化，当超过4000L·min-1后，波动幅度增 曲线中可以看出增大吹气量，含气率不会明显增加， 加明显，意味着对真空槽内壁的侵蚀更加严重.因 并且拟合曲线R>0.99,拟合度较高.随着吹气量 此从含气率角度考虑，模型真空室液面高度为80 的增加，含气率不断增加，但是提升幅度开始减小， mm,提升气体流量为3500L·min-,而在实际生产 并不呈正比例增加.随着提升气体量的增加，上升 过程中对应真空室液面高度为480mm,提升气体流 管内的气泡量增多，真空室内气泡间的碰撞不断加 量为3500L·min1 剧，可见上升管内的含气率与提升气体量间的关系 2.2气泡在真空室内的停留时间 不是线性关系.气体量随着上升管内的含气率增加 图5为真空室液面高度与真空室内钢液停留时 而增加，在同一真空液面高度下，真空室内及上升管 间的关系，从图中可以看出，随着真空室液面高度的 内的气液两相流分布区域未发生改变 增加，钢液在真空室内的停留时间呈现先增大后减 少的规律.在30~80mm范围内，由于气泡行程增 26 真空室液面高度 ■50mm 加，而提升气体量带来的气泡速度基本不变，所以不 。80mm 24 ▲110mm 同高度下，气泡的停留时间不断增加.但当液面高 度超过80mm之后，气泡运动行程增加，但由此引起 22 的气泡上升浮力做功的增加，能量的改变带来后期 气泡速度增加，虽然气泡行程有所改变，但是气泡在 真空室内的停留时间达到一个平衡值，不再随真空 室液面高度的增加而变化.因此，真空室内液面高 度存在较优区间，当模型真空室液面高度在70~90 15002000 25003000350040004500 mm范围内时，钢液在真空室内停留时间达到最大 提升气体流量·min 值，达到0.74s:而在模型真空室液面高度超过90 图3上升管内的含气率与吹气量之间的关系 Fig.3 Relation between the blowing gas and gas fraction in the up mm后，真空室停留时间逐渐趋于稳定，但较高的真 leg 空室液面高度会导致钢液对真空室内壁的侵独 在李怡宏的研究中己经得到在不同的真空 图4为不同提升气体流量下真空室液面高度分 室液面高度下存在不同的流动形态，并可以利用刺 别为50、80及110mm时真空室正面气液两相流分 激响应曲线分析不同真空室液面高度下钢液在真 布情况.从图中可以明显看出，气泡数量随着提升 空室内的流动情况，包括正常的分布曲线形状，相较 气体流量的增加而增加，并在上升管侧真空室内壁 于正常曲线出峰较早的分布曲线形状以及流动中存 气泡分布区域不断扩大，含气率不断增加，提升气体 在的内循环曲线形状.图6为本模型得到的不同真 带入H内的动能增加，达到平衡时，气泡速度也随 空室液面高度随时间变化的刺激一响应曲线，从曲 之增加.在真空室内钢液表面，气液两相流上升管 线形状上分析，当真空室液面高度为40mm和60 上方处流向真空室内壁所导致的反向作用力，不断 mm时，停留时间分布曲线可能出现早出峰情况，存 增加.沿着真空室内壁的气液两相流范围增加.同 在短路流情况，其流动轨迹示意图如图7(1)所示； 时真空室内液面的波动在同一液面高度下，波动形 当真空室液面高度为100mm和120mm时，钢液量 式随着提升气体量的增加没有发生改变，但是波动 增多，流动情况复杂，停留时间分布曲线出现内循环

赵立华等: ＲH 真空室内气泡行为的研究 表 3 气液两相流分布规律 Table 3 Ｒegularities of the gas--liquid two-phase flow distribution 真空室液面高度/mm 上升管内含气率 真空室内气液两相流分布 ＜ 40 上升管内含气率基本不改变 上升管上方，不再呈现圆柱形，受真空室表面液体流动影 响，改变分布区域 40 ～ 50 含气率开始出现减小趋势，此阶段真空室液面高度开始 影响上升管内含气率，但仍然不稳定 上升管上方，不再呈现圆柱形，受真空室表面液体流动影 响，改变分布区域 50 ～ 80 含气率线性降低 上升管上方及真空室表面，开始受真空室表面液体波动 影响 ＞ 80 基本不发生改变，含气率变化范围小于 0. 2% 上升管上方及真空室表面，受真空室液面高度影响减弱 时，增加量逐渐减小，含气率增加趋势减缓． 从拟合 曲线中可以看出增大吹气量，含气率不会明显增加， 并且拟合曲线 Ｒ2 ＞ 0. 99，拟合度较高． 随着吹气量 的增加，含气率不断增加，但是提升幅度开始减小， 并不呈正比例增加． 随着提升气体量的增加，上升 管内的气泡量增多，真空室内气泡间的碰撞不断加 剧，可见上升管内的含气率与提升气体量间的关系 不是线性关系． 气体量随着上升管内的含气率增加 而增加，在同一真空液面高度下，真空室内及上升管 内的气液两相流分布区域未发生改变． 图 3 上升管内的含气率与吹气量之间的关系 Fig． 3 Ｒelation between the blowing gas and gas fraction in the up leg 图 4 为不同提升气体流量下真空室液面高度分 别为 50、80 及 110 mm 时真空室正面气液两相流分 布情况． 从图中可以明显看出，气泡数量随着提升 气体流量的增加而增加，并在上升管侧真空室内壁 气泡分布区域不断扩大，含气率不断增加，提升气体 带入 ＲH 内的动能增加，达到平衡时，气泡速度也随 之增加． 在真空室内钢液表面，气液两相流上升管 上方处流向真空室内壁所导致的反向作用力，不断 增加． 沿着真空室内壁的气液两相流范围增加． 同 时真空室内液面的波动在同一液面高度下，波动形 式随着提升气体量的增加没有发生改变，但是波动 幅度发生变化，当超过 4000 L·min － 1后，波动幅度增 加明显，意味着对真空槽内壁的侵蚀更加严重． 因 此从含气率角度考虑，模型真空室液面高度为 80 mm，提升气体流量为 3500 L·min － 1，而在实际生产 过程中对应真空室液面高度为 480 mm，提升气体流 量为 3500 L·min － 1 ． 2. 2 气泡在真空室内的停留时间 图 5 为真空室液面高度与真空室内钢液停留时 间的关系，从图中可以看出，随着真空室液面高度的 增加，钢液在真空室内的停留时间呈现先增大后减 少的规律． 在 30 ～ 80 mm 范围内，由于气泡行程增 加，而提升气体量带来的气泡速度基本不变，所以不 同高度下，气泡的停留时间不断增加． 但当液面高 度超过 80 mm 之后，气泡运动行程增加，但由此引起 的气泡上升浮力做功的增加，能量的改变带来后期 气泡速度增加，虽然气泡行程有所改变，但是气泡在 真空室内的停留时间达到一个平衡值，不再随真空 室液面高度的增加而变化． 因此，真空室内液面高 度存在较优区间，当模型真空室液面高度在 70 ～ 90 mm 范围内时，钢液在真空室内停留时间达到最大 值，达到 0. 74 s; 而在模型真空室液面高度超过 90 mm 后，真空室停留时间逐渐趋于稳定，但较高的真 空室液面高度会导致钢液对真空室内壁的侵蚀． 在李怡宏［16］的研究中已经得到在不同的真空 室液面高度下存在不同的流动形态，并可以利用刺 激--响应曲线分析不同真空室液面高度下钢液在真 空室内的流动情况，包括正常的分布曲线形状，相较 于正常曲线出峰较早的分布曲线形状以及流动中存 在的内循环曲线形状． 图 6 为本模型得到的不同真 空室液面高度随时间变化的刺激--响应曲线，从曲 线形状上分析，当真空室液面高度为 40 mm 和 60 mm 时，停留时间分布曲线可能出现早出峰情况，存 在短路流情况，其流动轨迹示意图如图 7( 1) 所示; 当真空室液面高度为 100 mm 和 120 mm 时，钢液量 增多，流动情况复杂，停留时间分布曲线出现内循环 · 754 ·