RH精炼过程吹气对喷粉脱硫影响的数值模拟
孙亮
1
，孙宇
2
，陈威
3
，张立峰
3
(1. 北京首钢股份有限公司炼钢作业部， 河北 唐山 064404；2. 北京科技大学冶金与
生态工程学院， 北京 100083；3. 北方工业大学机械与材料工程学院， 北京 100144)
为研究RH精炼过程吹气参数对喷粉脱硫的影响规律，进而提高喷粉脱硫的效率，以实际230 t RH喷粉脱硫过程为研究对象，建立三维耦合的k-ε湍流模型、流体体积(VOF)模型、离散相模型(DPM)、用户自定义标量(User Defined Scaler，UDS)以及未反应核脱硫动力学模型，讨论了浸渍管吹气流量、真空室侧吹以及钢包底吹对钢液流速以及喷粉脱硫的影响。结果表明，脱硫剂在喷入真空室后主要集中在靠近下降管一侧的真空室相交界面上，并随着钢液循环流动从下降管进入钢包，钢包中脱硫剂也趋向于在下降管一侧聚集。钢液流速以及脱硫速率随着浸渍管吹气流量的增大而增大，但吹气流量(标准状况)从1 000 L/min增大至2 000 L/min时，钢液流速以及脱硫速率增大幅度较小；继续将吹气流量从2 000 L/min增大至3 000 L/min时，钢液流速增大明显，但终点脱硫效率只增加了4.0%。真空室侧吹流量为2 000 L/min时，钢液流速和脱硫速率略微增大。在上升管对应的钢包底部进行200 L/min的底吹时，钢包内钢液流速明显增大，但脱硫速率则由于钢包内脱硫剂停留时间的减小而发生了降低。本研究为提高RH精炼过程喷粉脱硫效率提供了理论基础。
RH精炼； 喷粉脱硫； 循环流量； 真空室侧吹； 钢包底吹； 未反应核模型； 数值模拟
无取向硅钢凭借其低铁损、高磁感等特点成为重要的功能材料之一，广泛应用于电动机、发电机等大型机械设备中，具有超低碳和超低硫的特点，其典型的冶炼工艺流程为KR-BOF-RH-CC-HR，部分电工钢也会采用CSP连铸连轧工艺。无取向硅钢作为超低碳钢，对钢液中C、N元素含量的要求非常高，LF精炼无法控制钢液中的C、N元素达到极低水平，而RH真空精炼的极限真空环境能够有效控制钢液中C、N元素并促进钢液的脱硫反应，因此无取向硅钢的冶炼一般不采用LF精炼工艺脱硫，而采用RH真空精炼工艺进行脱硫。RH脱硫工艺可分为喷粉法和投入法两大类，其中RH顶枪喷粉技术(RH-KTB)能够显著增大脱硫剂和钢液的接触面积，提高脱硫剂的利用率，稳定控制硫质量分数在0.002 0%以下，但是实际RH喷粉过程中最优操作参数难以确定，因此国内外许多学者对投入法和喷粉法脱硫过程的热力学和动力学原理进行了深入研究。
魏季和等根据双模理论建立了RH喷粉脱硫动力学模型，研究了不同初始硫含量和不同喷粉量对喷粉脱硫的影响。李素芹等建立了考虑持续接触反应和瞬时接触反应的脱硫动力学模型。胡汉涛等提出了脱硫模拟过程中脱硫剂粒子和钢液的硫分配比存在非稳态分布现象。ZHU C等在考虑温度对脱硫反应影响的基础上建立了脱硫反应模型，并通过物理模拟试验测量了脱硫剂的渗透比，研究了脱硫剂在钢液中的平均停留时间等喷粉脱硫参数对脱硫效果的影响。ZHAO Y等基于未反应核模型和三维流动数值模型，得到了脱硫剂在机械搅拌脱硫过程中的弥散分布以及硫含量随时间变化的规律等结果。
现有关于RH精炼过程脱硫的研究中，大部分均基于水模试验、动力学分析或者考虑整体流动状态(如钢液平均湍动能耗散率)对脱硫的影响，鲜有在钢液三维流动的基础上耦合脱硫动力学进行硫含量及脱硫剂分布的预测。因此，本研究在RH喷粉脱硫过程钢液三维多相流动模拟的基础上耦合基于未反应核的脱硫动力学模型，预测RH喷粉脱硫过程硫含量随三维空间以及时间的变化，并进一步讨论了不同浸渍管吹气流量、真空室侧吹以及钢包底吹对脱硫的影响，为提高脱硫效率提供指导依据。
1)通过建立耦合的k-ε湍流模型、VOF模型、DPM、UDS以及未反应核脱硫动力学模型，成功实现了考虑钢液三维流动下RH喷粉脱硫过程硫含量随时间和空间的分布预测。
2)RH喷粉脱硫过程钢液流速随着浸渍管吹气流量的增大而增大，吹气流量从1 000 L/min增大至2 000 L/min时钢液流速增大幅度较小，而流量继续增大至3 000 L/min时增幅明显。相应的，钢液脱硫速率随着浸渍管吹气流量的增大而增大，3 000 L/min吹气流量下终点脱硫效率为43.33%，比2 000 L/min吹气流量下终点脱硫效率增加了4.0%。
3)真空室侧吹流量2 000 L/min条件对钢液流速以及脱硫速率有略微增大的影响，但增大幅度有限。上升管对应的钢包底部进行200 L/min的底吹时，对上升管以下钢包内的钢液流速有明显影响，但脱硫速率则呈现明显降低的规律。这是由钢包底吹降低了钢包内脱硫剂的停留时间导致的。
孙亮, 孙宇, 陈威, 张立峰. RH精炼过程吹气对喷粉脱硫影响的数值模拟[J]. 中国冶金, 2023, 33(11): 127-137. SUN Liang, SUN Yu, CHEN Wei, ZHANG Lifeng. Numerical simulation of gas blowing effect on powder injection desulfurization during RH refining process[J]. China Metallurgy, 2023, 33(11): 127-137.
http://www.zgyj.ac.cn/CN/Y2023/V33/I11/127
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