第38卷第1期2015年2月辽宁科技大学学报
Journal of University of Science and Technology Liaoning
V ol. 38No. 1Feb. 2015
180t RH 气体扩散行为物理模拟
魏春新1，孟凡童2，李胜利2，刘海啸2，王国承2，艾新港2
（1. 鞍钢集团朝阳钢铁有限公司，辽宁朝阳
122000；2. 辽宁科技大学冶金工程辽宁省重点实验室，辽宁鞍山
114051）
摘要：以某炼钢厂钢包和RH 真空精炼设备为原型，建立与原型尺寸比为1：4的物理模型，测量吹入CO 2后
NaOH 水溶液pH 值变化来研究供氧、脱碳等气体扩散行为。通过不同提气量和真空度条件下的对比试验，可以得出：吹气过程，真空度对CO 2浓度变化影响不大，提气量对CO 2浓度的影响较大，增加提气量能够提高CO 2浓度，提气量为5.2m 3/h时CO 2浓度比提气量为3.0m 3/h时高约7%；脱气过程，真空度对CO 2浓度的影响有所改善，提气量对CO 2浓度的影响趋势比真空度稍微明显一些。
关键词：RH 循环精炼；吹气及脱气；真空度；提气量
中图分类号：TF743文献标识码：A 文章编号：1674-1048（2015）01-0001-04DOI ：10.13988/j.ustl.2015.01.001
随着对钢产品质量要求越来越高，洁净钢冶炼技术研发已经成为国内外钢铁冶金领域的热点课题［1］。RH 真空循环精炼是最重要的提高钢液洁净度的炉外精炼装备［2］，在上升管吹气孔吹入氩气的气泡泵作用下，钢液由钢包经上升管流入真空室，再经下降管流回钢包，实现循环流动精炼［3］。许多研究者建立模型来模拟计算RH 循环流量［3-4］，还有研究者针对RH 吹氧和脱碳行为［5］及单腿RH 内的气泡行为进行了研究，但对常规RH 内部气
［6］
如表1所示。
表1Tab.1
钢包深度模型1107
钢包与RH 模型尺寸，mm Ladle and RH model size ，mm
钢水装40001000
真空室
高度963
浸入管长度415
内径560140
钢包内径上部811
下部入深度内径664
482.5
原型[***********]521660
1.1.2动力相似模型与原型修正Fr 数相等即
体扩散行为的研究不多［5-6］。
本文从RH 吹气和脱气过程中气体扩散这一基本现象着手，通过模拟实验研究改变提气量和真空度对吹氧、脱氢、脱氮、脱碳过程反应速度
［7］
［8］
可满足动力学相似，由修正Fr 数相等得出［9］
Q b =KQ s
Q b 为转子流量计所指示的表流量，式中：L/min；L/min；Q s 为标准状态下的气体流量，K 值与实际
′
真空室压力值P 2关系式［10］为
′
K =-0.004ln P 2+0.0487
的作用规律，揭示提气量和真空度与气体扩散速度之间的关系，为RH 工艺优化提供依据和参考。
′
K 值经计算，当P 2为0.1，0.5，1.0，5.0，10.0kPa 时，
分别为0.048，0.043，0.040，0.033，0.030。1.1.3
吹气及脱气过程相似
实验中，向NaOH
水溶液吹入CO 2气体生成NaHCO 3，NaHCO 3再分
1实验
1.11.1.1
相似原理几何相似
实验钢包以及RH 设备模型
解释放出CO 2，以此过程模拟钢液吹氧和脱碳等气体扩散行为［7］。通过测定NaOH 水溶液的pH 值来研究吹气过程中NaOH 水溶液对CO 2吸收过程，以及脱气过程中的NaHCO 3分解释放过程。
以某炼钢厂钢包和RH 真空设备作为原型，按模型与原型比例为1：4，用有机玻璃制成，其具体尺寸
收稿日期：2014-10-24。
基金项目：教育部2011年度高等学校博士学科点专项科研基金项目（20112120l20003）；辽宁省教育厅项目（L2012090）；辽宁省大学生创新
创业训练计划项目（[1**********]9）。
作者简介：魏春新（1973—），男，辽宁本溪人，高级工程师。通讯作者：艾新港（1978—），男，辽宁辽阳人，
副教授。
为寻求溶液pH 值与CO 2浓度关系，设NaOH 水溶液浓度为X (mol/L)，溶液吸收CO 2浓度为Y (mol/L)。NaOH 水溶液吸收CO 2气体离子表达式
及反应平衡常数［11］为
NaOH=Na++OH-K 1=［Na +］［OH -］［/NaOH ］=10-7.152
H 2CO 3＝H ++HCO3-K 2=［H +］［HCO 3-］［/H 2CO 3］＝10-6.352HCO 3-＝H ++CO32-K 3=［H +］［CO 32-］［/HCO 3-］＝10-10.329
H 2O ＝H ++OH-K 4=［H +］［OH -］＝10-14
由化学式可得到：X ＝［Na +］，Y ＝［HCO 3-］+
CO 32-］+［H 2CO 3］。考虑电荷平衡：［Na +］+［H +］＝HCO 3-］+2［CO 3
2-］+［OH -］，或X +［H +
］＝Y +2CO 32-］+［OH -］［-HCO 3-］，可以得出
Y =ìïüíK ï[+]2
îï
þK 2+
K ïX +[H +]+］＝10-PH 。
2K 3
式中：［H +实验通过测定不同时刻溶液pH 值计算得出不同时刻CO 2溶解浓度。1.2
装置
以某炼钢厂180t 钢包和RH 为原型制作有机玻璃模型，实验装置见图1。主要设备有旋片式的单级油封真空泵、转子流量计、pH 酸度计、
皮托管等。
图1RH 水模实验装置示意图
Fig.1
RH water model experiment equipment
1.3吹气过程
实验使用的NaOH 水溶液浓度为0.02mol/L，
pH 值为12.22。实验过程为：开动真空泵抽真空，吹入提升气体（空气），在保证提气量恒定的前提下，通过控制供气阀调节真空室的压力至实验要
求的稳定值。将压力、流量等所有参数调整到要求值后，开始吹入CO 2。CO 2溶解到NaOH 溶液后，溶液的pH 会下降，用pH 酸度计来记录溶液pH 值的变化，以此来计算CO 2浓度与时间的关系。1.4
脱气过程
完成吹气实验后，停止吹入CO 2，此时NaOH 已经转化为NaHCO 3，继续开动真空泵抽真空，保证提气量恒定，控制供气阀调节真空室的压力至实验要求的稳定值。在实验过程中仅吹入空气作为提升气体，NaHCO 3会分解成为NaOH 和CO 2，此时溶液pH 值会上升。当溶液pH 值上升到8.02时，开始计时，每3min 记录一次pH 值，以此来计算CO 2浓度与时间的关系。
2实验结果及分析
2.1
真空度对RH 吹气过程的影响
设定提气量4.3m 3/h，浸深为200mm ，实验测量了真空度分别为3.600，3.440，3.263kPa 时，pH 随时间的变化情况，由此计算出不同真空度条件下CO 2浓度随时间变化，如图2a 所示。CO 2浓度随时间的增加而增加：前26min 增加较慢，而26min 后增加较快。26min 时CO 2浓度为0.54mol/L，60min 时CO 2浓度为达到3.50mol/L
。
图2不同真空度和提气量条件下CO 2浓度随时间变化
Fig.2CO 2concentration change with time under different
vacuum degree and gas extraction
［［［
不同真空度时，CO 2浓度随时间变化曲线几乎重合，说明当吹气孔位于液面下200mm ，吹气过程受真空度影响较小。
实验中吹气扩散行为分3个阶段：气体在液相内部扩散，气体在两相边界层之间的扩散，气体在气相内扩散。不同真空度CO 2浓度随时间变化曲线几乎重合的实验结果表明，吹气过程中气体在液相内部扩散对气体总体扩散行为影响较大。由扩散动力学［7］可知，外部环境真空度对气体在液相内部扩散影响极小，而气体在液相内部扩散是气体总体扩散速率的限制性环节。2.2
提气量对RH 吹气过程的影响
实验测量了RH 浸深管为200mm ，真空度压力为3.600kPa 时，提气量分别为3.0，4.3，5.2m 3/h的pH 变化情况，通过计算得出不同提气量条件下CO 2浓度随时间变化关系，如图2b 所示。提气量5.2m 3/h时，CO 2的浓度随时间的增加而增加，前25min 增加较慢，平均增长速率仅0.027mol/（L ·min ），25min 时CO 2浓度仅0.37mol/L；而25min 后增加较快，平均增长速率达0.078mol/（L ·min ）；60min 时CO 2浓度达3.53mol/L，而提气量为3.0m 3/h，60min 时CO 2浓度为3.3mol/L。
从图2b 可见，实验时间低于20min 时，提气量大小对CO 2浓度影响不大；随着实验时间的增加，三种提气量对CO 2浓度的影响出现差别，尽管影响趋势不是很明显，但从图中仍然可以看出，增加提气量后，溶液中CO 2浓度略有升高，60min 时，当提气量为5.2m 3/h时CO 2浓度比提气量为3.0m 3/h时提高近7%。
因为提气量增加会使循环流量增加，搅拌能也随之增加，能在一定程度上改善吹入气体在溶液中扩散的动力学条件。另外，在实验中发现，提升气量增加后，液相表面的波动会加剧，扩散层的面积增加，从而会加速溶质中CO 2的扩散速度。综合实验结果及成本考虑，本实验的提升气量选择4.3m 3/h较为合理。2.3
真空度对RH 脱气过程的影响
实验测量了提气量为4.3m 3
/h，真空度分别为
3.600，3.440，3.263kPa 情况下pH 值随时间变化情况，并以此计算浓度得到不同真空度条件下CO 2浓
度随时间变化，见图3a 。由图3a 可以得出，在前15min ，CO 2浓度下降很快，达到20.11mmol/L，15min 后浓度变化很小，即CO 2溶解主要发生在前期。当真空度为3.600kPa 时，CO 2浓度下降最快，15min 时CO 2浓度为20.11mmol/L；而真空度为3.263kPa 时，CO 2浓度下降最慢，15min 时CO 2浓度为20.13mmol/L
。
图3不同真空度和提气量条件下CO 2浓度随时间变化Fig.3
CO 2concentration change with time under different
vacuum degree and gas extraction
实验结果表明，脱气过程真空度影响较大。提高真空度加速了钢液表面气体扩散至真空室的速度，进而加速了液体内部气体向表面扩散的速度。因此，提高真空度改善RH 脱气过程的动力学条件，有利于气体扩散出钢液。
脱气过程中不再通入CO 2气体，所以气相中CO 2浓度较低，此时CO 2气体总体扩散行为受气体在两相边界层中的扩散影响较大，受浓度梯度的影响，它将向浓度降低的方向迁移。实验结果表明真空度越大，浓度梯度越大，CO 2扩散越快。2.4
提气量对RH 脱气过程影响
实验模拟了真空度为3.440kPa ，提气量分别为3.0，4.3，5.2m 3/h情况下pH 随时间的变化情况，由此计算出不同提气量条件下CO 2浓度随时间变化曲线，如图3b 所示。在前20min ，CO 2浓度下降很快，之后浓度变化很小。因此认为CO 2溶解主要
参考文献：
发生在前期。20min 时，提气量为3.0m 3/h时CO 2浓度下降最慢，为20.11mmol/L；提气量为5.2m 3/h时CO 2浓度下降最快，达20.07mmol/L，提气量的增加有利于CO 2浓度的降低。
相界面的扩散与面积有关，面积越大扩散越快，且对流扩散中，流体的运动越快，分子扩散越快。提气量越大，循环流量越大，液相表面波动越剧烈，扩散层的面积越大，CO 2浓度越低。实验结果表明增加提气量能有效地改善界面反应面积和更新速率，从而利于CO 2的脱出。
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3结论
（1）在吹气过程中，真空度对CO 2浓度的影响不大，实验时间26min ，三种真空度时CO 2浓度基本都为0.45mol/L。（2）在吹气过程中，提气量对CO 2浓度的影响较大，增加提气量能够提高CO 2浓度，提气量为5.2m /h时CO 2浓度比提气量为3.0
3
m /h时高将近7%。（3）在脱气过程中，真空度对
3
CO 2浓度的影响有所改善，实验时间15min ，真空度为3.600kPa 时，CO 2浓度为20.11mmol/L；而真空度为3.263kPa 时，CO 2浓度为20.13mmol/L。（4）在脱气过程中，提气量对CO 2浓度的影响趋势比真空度稍微明显一些，实验时间20min ，提气量为3.0m 3/h时CO 2浓度降为20.11mmol/L；提气量为5.2m 3/h时CO 2浓度降为20.07mmol/L，提气量增加有利于CO 2浓度的降低
WEI ChunXin 1，MEN FanTong 2，LI ShengLi 2，LIU HaiXiao 2，WAN GouCheng 2，AI XinGang 2
（1.Chaoyang Iron and Steel Limited Company of Ansteel Group ，Chaoyang 122000，China ；
2.Key Laboratory of Chemical Metallurgy Engineering ，University of Science and Technology Liaoning ，Anshan 114051，China ）
Physical simulation of gas diffusion behavior with 180t RH
Abstract：A physical model of 1/4linear scale for ladle and RH vacuum degassing in one steelmaking plant is established ，it is used to study the gas diffusion behavior such as oxygen supply and decarburization by mea-suring pH changes in NaOH solution after CO 2insufflation. The contrast test for different gas flow with differ-ent vacuum degree indicates ：the vacuum degree has little effect on the change of CO 2concentration during the blowing process ，and the gas extraction has a great influence on CO 2concentration. Increasing the gas flow can increase the CO 2concentration ，and the CO 2concentration of 5.2m 3/hgas flow is about 7%higher than that of 3.0m 3/hgas flow. During the degassing process ，the effect of vacuum on CO 2concentration is im-proved ，and the effect tendency of gas flow is more evident than that of vacuum.
Keywords：RH circulation refining ；blowing and degassing ；vacuum degree ；gas extraction
（Received October 24，2014）