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【摘要】：提升RH精炼装置的循环流量，减小均混时间是生产过程中提高RH精炼效率的主要方式。只有充分了解RH精炼装置内液相流动过程及混合特性，才能发挥RH精炼装置的精炼能力，提高工作效率。本文以某钢厂的RH精炼装置为研究对象，取模型与原型的几何相似比为1：5.45，通过数值模拟的方式对RH精炼过程中的流动和混合特性进行研究，并优化浸渍管结构和操作条件。
本模型采用Eulerian模型计算RH精炼過程中气液两相流动，引入组分输运方程跟踪示踪剂浓度随时间变化从而确定均混时间。数值实验考察了不同浸渍管结构（截面积）、浸渍管浸入深度和提升气体流量对RH精炼过程中循环流量及均混时间的影响并得出：循环流量随浸渍管截面面积增大而增大；均混时间随着浸渍管浸入深度、浸渍管截面面积、提升气体流量的增加而减小。当浸渍管截面结构为大弓形，提升气体流量为33.16NL/min，浸渍管浸入深度为100mm时，均混时间最小，RH包内混合效率最高。
【关键词】：RH精炼；气液流动；浸渍管结构；循环流量；均混时间
目前中国市场的优质特殊钢材产量占钢材总量的7%～8%（工业发达国家一般占15%～20%），合金钢材的产量约占优质特殊钢材产量的50%。在品种方面，一些特殊钢材国内依然无法生产，需要从国外进口，如全球只有几个厂家可以制造出高铁轮的钢材。在品质方面，国内生产的特殊钢材内的质量稳定性、平均性、外表质量、尺寸精度等方面相比较钢铁大国还有很大差距，对设备的制造水平有很大的的影响。在技术方面，国内的工艺研发能力还很弱，部分特殊钢在冶炼过程中需要运用到炉外脱气精炼技术用以提高钢材的品质、生产出新钢、使生产流程更合理，控制钢水的成分、温度、纯净度达到连铸的需求。其中颇具有代表性的脱气精炼技术有RH真空循环脱气精炼法和VD真空脱气精炼法。
一、主要真空精炼工艺介绍
（一） RH真空循环脱气精炼法
RH真空脱气循环法是一种通过大气压差使钢液流动，发生复杂的物理化学反应的处理技术。在1956年由联邦德国鲁尔钢铁公司（Ruhrstahl）和贺利氏钢铁公司（Heraeus）共同研制，用两个公司的首字母命名——RH法。RH真空循环脱气法主要是利用了气泡泵原理，基本原理是从一个浸渍管侧壁吹入氩气，利用大气压的压力使钢液进入真空室，压差的作用使钢液中的气体排出，使钢水变为液滴，液滴与在真空室发生复杂的化学反应，从而实现钢液的脱氧、脱碳、脱气处理，经过处理后的液滴再沿着下降管回到钢包中，如此反复循环。
（二） VD真空底吹脱气精炼法
VD炉是钢厂中常见的脱气设备，用于要求条件低的冶炼，可以将钢水真空脱气和合金微调。VD真空脱气精炼法的主要是脱气、真空碳脱氧、脱硫。VD炉内没有热源，不需要造渣精炼，将钢包装入真空室，抽空后十几分钟后即可铸锭。
二、RH真空循环脱气精炼技术
Kubara等为了研究在RH真空精炼炉中的脱碳速率，对100tRH精炼炉为研究对象，采用在真空室底部吹氩条件下的脱碳速率。整个真空精炼炉中大块钢的碳含量是均匀的，溅射金属的碳含量几乎与散装钢的碳含量相同。在取得的结果的基础上，对几种脱碳机理进行了研究，并提出了一种新的脱碳模型。在该模型中，假设散装钢中的CO反应受到容器的静压和CO气泡的演化压力的影响，因此随着脱碳的进行，反应逐渐降低，该机理包括了脱碳最后阶段的低反应速率。该研究发现了一种测量钢水循环流量的新方法，并得出了能更精确地估计流量的新方程。在Hirohata Works的100t RH反应堆中进行了几项实验，以加速脱碳率。研究发现，使用椭圆形吸管有效的提高了钢水循环流量。
Kitamura等为了有效地生产超低碳钢，发明了一种新颖的真空脱气方法，其中包括一个大的浸渍管和一个底部鼓泡钢包。这个过程已经通过175t和350t钢包的工业规模试验证实，并命名为革命性脱气活化剂。在15～20分钟的处理中，含量由10ppm降低到4ppm，没有任何停滞。因为革命性脱气活化剂具备较大的气泡活化表面积和较深的喷射位置，因此需要有效地生产超低碳钢具有较低的气体流速。
李宝宽等利用空间变密度的均相流模型模拟上升管中的气液两相流动，依靠纯液相和气液两相之间的密度差作为系统中循环流动的驱动力，运用空度技术处理包括钢包、真空室、上升管和下降管在内的真空精炼装置的流场进行计算，完成构建多管真空循环脱气系统循环流动模型实验。实验中将RH精炼装置的单上升管搭配单下降管结构改进为三上升管搭配单下降管的结构，通过改变浸渍管形状结构，增大浸渍管面积来改善RH的循环性能。
三、物理模拟和数值模拟在RH真空精炼中的应用
通常研究RH真空精炼装置主要有两种方法，一个是基于相似原理的物理模拟，一个是数值模拟方法。通过物理模拟可研究RH精炼设备内的钢水的流流动行为，其物理模拟结果直观可靠。但物理模拟得到的信息比较宏观，难以了解细致的流动状态，而数值模拟作为冶金过程研究的重要手段之一，可以对精炼过程全程直接模拟，并且通过流场可得到真空室液面高度和形状、特征流速、表面更新速率、循环流量等指标参数。数值模拟可以广泛地设定条件对任何情况进行模拟，因此该法对冶金过程的各种流场、浓度场、温度场的研究是非常有效的。采用数值模拟的成本低、速度快、灵活、直观并且容易理解，是利用计算机对实际过程进行“数值实验”的计算流体力学方法。经过数值计算的方式求解冶金过程的质量、动量、能量及组分输运的偏微分方程，通过数学剖析，预测流动、传热及各种复杂的物理化学过程。但是需要指出的是，数值模拟的可靠性仍需要物理模拟验证。
结束语
RH真空精炼法的实质是借助大气压力的作用使钢液循环流动，从而在真空室中实现各种复杂的物理化学反应的过程。RH真空精炼法的特点是生产周期短、生产能力大、精炼效果好、容易操作等，其中代表性的流程主要有RH-OB、日本的RH-KTB。然而，上述工艺又都存在各自的一些难以解决的问题。例如：RH-OB精炼炉的OB水冷喷嘴寿命低（减小了RH设备作业率）；喷溅问题严重，真空室结瘤问题严重，增加了辅助作业时间等阻碍其进一步应用。RH-KTB脱碳速度慢，难以达到极低程度；过程温降大，时间长，影响工艺间的配合；对真空抽气系统抽气性能要求较高等问题也影响其规模进一步扩大。为此，众多学者对RH真空精炼技术进行了大量研究。
参考文献：
[1]芮莎，程琳.我国钢铁行业研究[J].合作经济与科技，2011（14）：19-20.
[2]Frank Bekaert， Christophe Francois， Ruben Verhoeven等.全球钢铁需求的中国因素[J].麦肯锡高层管理论丛，2004（2）：39-42.
[3]董瀚.对发展高品质特殊钢产业的认识[J].中国钢铁业，2011（10）：10-13.
[4]刘川俊.RH真空精炼技术[J].柳钢科技，2011（2）：60-60.
[5]李福明.浅析炉外精炼技术的应用和发展[J].中小企业管理与科技旬刊， 2012（3）：215-216.
本模型采用Eulerian模型计算RH精炼過程中气液两相流动，引入组分输运方程跟踪示踪剂浓度随时间变化从而确定均混时间。数值实验考察了不同浸渍管结构（截面积）、浸渍管浸入深度和提升气体流量对RH精炼过程中循环流量及均混时间的影响并得出：循环流量随浸渍管截面面积增大而增大；均混时间随着浸渍管浸入深度、浸渍管截面面积、提升气体流量的增加而减小。当浸渍管截面结构为大弓形，提升气体流量为33.16NL/min，浸渍管浸入深度为100mm时，均混时间最小，RH包内混合效率最高。
【关键词】：RH精炼；气液流动；浸渍管结构；循环流量；均混时间
目前中国市场的优质特殊钢材产量占钢材总量的7%～8%（工业发达国家一般占15%～20%），合金钢材的产量约占优质特殊钢材产量的50%。在品种方面，一些特殊钢材国内依然无法生产，需要从国外进口，如全球只有几个厂家可以制造出高铁轮的钢材。在品质方面，国内生产的特殊钢材内的质量稳定性、平均性、外表质量、尺寸精度等方面相比较钢铁大国还有很大差距，对设备的制造水平有很大的的影响。在技术方面，国内的工艺研发能力还很弱，部分特殊钢在冶炼过程中需要运用到炉外脱气精炼技术用以提高钢材的品质、生产出新钢、使生产流程更合理，控制钢水的成分、温度、纯净度达到连铸的需求。其中颇具有代表性的脱气精炼技术有RH真空循环脱气精炼法和VD真空脱气精炼法。
一、主要真空精炼工艺介绍
（一） RH真空循环脱气精炼法
RH真空脱气循环法是一种通过大气压差使钢液流动，发生复杂的物理化学反应的处理技术。在1956年由联邦德国鲁尔钢铁公司（Ruhrstahl）和贺利氏钢铁公司（Heraeus）共同研制，用两个公司的首字母命名——RH法。RH真空循环脱气法主要是利用了气泡泵原理，基本原理是从一个浸渍管侧壁吹入氩气，利用大气压的压力使钢液进入真空室，压差的作用使钢液中的气体排出，使钢水变为液滴，液滴与在真空室发生复杂的化学反应，从而实现钢液的脱氧、脱碳、脱气处理，经过处理后的液滴再沿着下降管回到钢包中，如此反复循环。
（二） VD真空底吹脱气精炼法
VD炉是钢厂中常见的脱气设备，用于要求条件低的冶炼，可以将钢水真空脱气和合金微调。VD真空脱气精炼法的主要是脱气、真空碳脱氧、脱硫。VD炉内没有热源，不需要造渣精炼，将钢包装入真空室，抽空后十几分钟后即可铸锭。
二、RH真空循环脱气精炼技术
Kubara等为了研究在RH真空精炼炉中的脱碳速率，对100tRH精炼炉为研究对象，采用在真空室底部吹氩条件下的脱碳速率。整个真空精炼炉中大块钢的碳含量是均匀的，溅射金属的碳含量几乎与散装钢的碳含量相同。在取得的结果的基础上，对几种脱碳机理进行了研究，并提出了一种新的脱碳模型。在该模型中，假设散装钢中的CO反应受到容器的静压和CO气泡的演化压力的影响，因此随着脱碳的进行，反应逐渐降低，该机理包括了脱碳最后阶段的低反应速率。该研究发现了一种测量钢水循环流量的新方法，并得出了能更精确地估计流量的新方程。在Hirohata Works的100t RH反应堆中进行了几项实验，以加速脱碳率。研究发现，使用椭圆形吸管有效的提高了钢水循环流量。
Kitamura等为了有效地生产超低碳钢，发明了一种新颖的真空脱气方法，其中包括一个大的浸渍管和一个底部鼓泡钢包。这个过程已经通过175t和350t钢包的工业规模试验证实，并命名为革命性脱气活化剂。在15～20分钟的处理中，含量由10ppm降低到4ppm，没有任何停滞。因为革命性脱气活化剂具备较大的气泡活化表面积和较深的喷射位置，因此需要有效地生产超低碳钢具有较低的气体流速。
李宝宽等利用空间变密度的均相流模型模拟上升管中的气液两相流动，依靠纯液相和气液两相之间的密度差作为系统中循环流动的驱动力，运用空度技术处理包括钢包、真空室、上升管和下降管在内的真空精炼装置的流场进行计算，完成构建多管真空循环脱气系统循环流动模型实验。实验中将RH精炼装置的单上升管搭配单下降管结构改进为三上升管搭配单下降管的结构，通过改变浸渍管形状结构，增大浸渍管面积来改善RH的循环性能。
三、物理模拟和数值模拟在RH真空精炼中的应用
通常研究RH真空精炼装置主要有两种方法，一个是基于相似原理的物理模拟，一个是数值模拟方法。通过物理模拟可研究RH精炼设备内的钢水的流流动行为，其物理模拟结果直观可靠。但物理模拟得到的信息比较宏观，难以了解细致的流动状态，而数值模拟作为冶金过程研究的重要手段之一，可以对精炼过程全程直接模拟，并且通过流场可得到真空室液面高度和形状、特征流速、表面更新速率、循环流量等指标参数。数值模拟可以广泛地设定条件对任何情况进行模拟，因此该法对冶金过程的各种流场、浓度场、温度场的研究是非常有效的。采用数值模拟的成本低、速度快、灵活、直观并且容易理解，是利用计算机对实际过程进行“数值实验”的计算流体力学方法。经过数值计算的方式求解冶金过程的质量、动量、能量及组分输运的偏微分方程，通过数学剖析，预测流动、传热及各种复杂的物理化学过程。但是需要指出的是，数值模拟的可靠性仍需要物理模拟验证。
结束语
RH真空精炼法的实质是借助大气压力的作用使钢液循环流动，从而在真空室中实现各种复杂的物理化学反应的过程。RH真空精炼法的特点是生产周期短、生产能力大、精炼效果好、容易操作等，其中代表性的流程主要有RH-OB、日本的RH-KTB。然而，上述工艺又都存在各自的一些难以解决的问题。例如：RH-OB精炼炉的OB水冷喷嘴寿命低（减小了RH设备作业率）；喷溅问题严重，真空室结瘤问题严重，增加了辅助作业时间等阻碍其进一步应用。RH-KTB脱碳速度慢，难以达到极低程度；过程温降大，时间长，影响工艺间的配合；对真空抽气系统抽气性能要求较高等问题也影响其规模进一步扩大。为此，众多学者对RH真空精炼技术进行了大量研究。
参考文献：
[1]芮莎，程琳.我国钢铁行业研究[J].合作经济与科技，2011（14）：19-20.
[2]Frank Bekaert， Christophe Francois， Ruben Verhoeven等.全球钢铁需求的中国因素[J].麦肯锡高层管理论丛，2004（2）：39-42.
[3]董瀚.对发展高品质特殊钢产业的认识[J].中国钢铁业，2011（10）：10-13.
[4]刘川俊.RH真空精炼技术[J].柳钢科技，2011（2）：60-60.
[5]李福明.浅析炉外精炼技术的应用和发展[J].中小企业管理与科技旬刊， 2012（3）：215-216.