发布时间 : 星期四 文章(最新版)RH精炼去除微小夹杂物冶金专业本科毕业设计40设计41更新完毕开始阅读
2 实验原理及方法
2.1 实验原理
2.1.1 几何相似和动力相似
RH的操作过程是先对真空室抽真空，形成一定的真空度后，钢水由于室内外压差作用而上升进入真空室，由于上升管中的提升气体，气泡与钢水相混合，从下降管流出，钢水就这样循环流动。因此这是一个强迫流动，可以认为对于钢包内的流动状态和混合特性起决定性作用的是流体的惯性力和重力，所以就要保证模型及原型的几何相似和修正弗鲁德准数相等，就能基本保证它们的动力相似[16-18]。本实验是以鞍钢三炼钢厂钢包和RH设备为原型，对于175t精炼装置，本实验确定几何相似比例为1:4，用有机玻璃制成[20-21]，模型和原型的主要参数见表2.1:
表2.1 原型和模型的主要参数 单位：mm
钢水包深度 上部内径 下部内径 钢水装入深度 真空室直径 真空室高度 浸入管长度 浸入管直径
原型尺寸 4428 3244 2656 4000 1930 3852 1660 560
模型尺寸 1107 811 664 1000 482.5 963 415 140
2.1.2 微小气泡的产生
本实验产生微小气泡的原理有三个：
（1）NaHCO3溶液中既存在HCO3-的水解平衡，又存在HCO3-的电离平衡，其中水解平衡占主导地位，因此，NaHCO3水溶液呈碱性，反应式如下：
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HCO3-?H++ CO32- （2.1） HCO3-+H2O?H2CO3＋OH- （2.2）
H2CO3?H2O+CO2 （2.3）
H++OH-错误！未找到引用源。H2O （2.4）
由（2.1）、（2.2）、（2.3）、（2.4）可得总平衡：
2HCO-（aq）错误！未找到引用源。 CO32-（aq）+CO2（aq）+H2O（l） （2.
5）
此反应为吸热反应，随着CO2气体的排出，平衡移动，把NaCl溶液加热甚至沸腾，有利于碳酸氢钠的水解和电离，从而使CO2气体逸出。并且分解出来的CO2气体分压要比
空气中的CO2气体分压大，所以NaHCO3溶液分解放出CO2的反应能自发进行[22]。
（2）把微小固体颗粒投入水中，也会诱发产生微小气泡，而且微小气泡的尺寸与加入物质的颗粒大小有着密切的关系。通过控制固体颗粒尺寸来控制气泡尺寸的大小，此种方法所产生的气泡尺寸可达到微米级，甚至纳米级，夹杂物的直径越大，气泡越小，接触角越小，钢液表面张力越小，夹杂物的去除效率越高。这对去除钢中小颗粒夹杂物有非常好的效果[16]。
（3）NaHCO3在受热的情况下会分解，发生下面的反应：
2NaHCO3=Na2CO3+H2O+CO2↑ （2.6）
NaHCO3的分解温度大约是60°C，在热NaCl溶液中有一部分就会受热分解，产生气体进而产生气泡。
综合上述三点，那么选用颗粒微小的NaHCO3，一方面由于NaHCO3的水解和电离作用，一方面颗粒微小的NaHCO3还会诱发产生微小的气泡，另一方面在热NaCl溶液中就会受热分解，这三方面产生的微小气泡就可以研究微小气泡去夹杂物了。 2.1.3 模拟介质的确定
本实验中就采用NaCl溶液模拟钢液，上升腿中用空气模拟氩气，向钢水中投入CaCO3产生的微小气泡用NaHCO3在NaCl溶液中产生的微小气泡来代替，产生的CO2和原型中产生的气体相同。对于夹杂物的模拟，模型和原型中夹杂物的尺寸和夹杂物密度、溶液密度存在一个定量关系：
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??inc.p?1??Rinc.m?st??0.25????? （2.7） ?inc.mRinc.p?1???w????0.5式中，R半径；为几何相似比；密度；下标m、p分别代表模型、原型；inc代表夹杂；st、w分别代表钢液和NaCl溶液。
由式（2.7）可知，模型与原型中夹杂物密度不必严格满足相似第二定律要求，即模拟夹杂物与NaCl溶液的密度之比等于夹杂物与钢液的密度之比。本实验采用聚丙烯模拟夹杂物，原型与模型介质的有关参数见表2.2：
表2.2 原型和模拟介质的有关参数
项目 液体密度kg·m-3 夹杂物密度kg·m-3 提升气体密度L·min-1
微小气体物质
原型 7.0103(钢水) 3.9103（Al2O3） 或2.710（SiO2） 1.782（Ar，模型）
CO2
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模型
1.00103（NaCl溶液） 0.91103（聚丙烯）
1.292（空气，模型）
CO2
将=1:4及表2.2中有关数据代入式（2.7）可以得到模型与原型夹杂物尺寸的对应关系： 对于Al2O3夹杂：
，即 （2.8）
对于SiO2夹杂：
，即 （2.9）
式（2.8）和（2.9）中的D为直径。
实验中的聚丙烯的形态和在NaCl溶液中的状态如图2.1和图2.2所示，其当量直径为382μm，则由式（2.8）和（2.9）就可以得到聚丙烯可以模拟初始当量直径为107.9μm的
图2.1 聚丙烯的形态
图2.2 聚丙烯在NaCl溶液中的形态
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2.1.4 气泡去夹杂物机理
气泡带着夹杂物上浮有两种情况： （1）气泡粘附去除
我们以单个夹杂物颗粒和单个气泡为研究对象，那么单个夹杂物颗粒被单个气泡粘附去除的过程可分为六个微过程，分别是气泡与夹杂接近、液膜形成、夹杂在气泡表面振荡或滑移、液膜变薄并破裂、气泡与夹杂稳定的粘附在一起、气泡与夹杂一起上浮。 当固体颗粒与液体的接触角大于90°时，几乎所有到达气泡表面的固相颗粒都能被气泡粘附，而且与接触角的大小无关。钢液中常见的脱氧产物A12O3 和SiO2 与钢液的接触角分别是144°和115°，因此，对于A12O3和SiO2这样的夹杂物是很容易粘附在气泡上
图2.3 夹杂物与气泡碰撞粘附示意图
（2）大气泡尾流捕捉去除
大气泡后面存在尾流区，熔池中的夹杂物一方面随钢液流动，一方面由于自身密度与钢水密度差而做斯托克斯上浮，当夹杂物靠近快速上浮的大气泡尾流区时，由于此区压力比较低，夹杂物很容易被卷入尾流区，而且由于尾流区的湍流强度比较大，夹杂物做循环流动并同时随气泡一起上浮。可见，单个夹杂物颗粒被单个气泡尾流捕捉去除的过程可分为3个微过程，即夹杂靠近气泡尾流区、夹杂进入气泡尾流区、夹杂在气泡尾流区作循环流动并随起跑一起上浮[15,25]。气泡尾流的示意图如图2.4：
图2.4 气泡尾流示意图
在上升腿中的气泡基本都是较大的气泡，所以去除夹杂物是大气泡尾流去除，也会有一小部分是小气泡粘附去除。在钢包中投入NaHCO3微小颗粒，产生的气泡几乎全部都是小气泡，小气泡碰撞产生的大气泡数量微乎其微，所以就将大气泡忽略，故由于NaHCO3产生的气泡去除的夹杂物基本都是小气泡粘附去除，去除的夹杂物中还会有很多的微小夹杂物。即在有上升腿中提升气量中带着的大气泡的同时， NaHCO3颗粒产生的小气泡[15,16]。
在实验中，NaHCO3的加入可以在RH 精炼个过程中实现。当RH 真空室在3600Pa 以下时，投入NaHCO3，NaHCO3颗粒在下落过程中不断加速以至于球体在与NaCl溶液碰撞时能够侵入到NaCl溶液内部。由于RH循环过程中NaCl溶液的流速较高，进入NaCl溶液后的球体会随着NaCl溶液循环到钢包底部，在钢包的深处爆裂释放出细
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