基于不同壁面润湿条件下的RH气液两相流流型及湍动模式对传质行为的影响机理研究

Decarburization of RH with high speed is energy-saving and effective technology for high-quality automotive steel production. Fundamental research on gas-liquid two phase flow and turbulent motion of the bath surface as well as mass transfer process with different wettability of the reactor wall in RH reactor are still insufficient. The preliminary work focusing on the flow behavior of molten steel in whole RH, indicates that the flow behavior in the vacuum chamber and gas behavior in upleg snorkel are mainly determinant of molten steel flow. It is necessary to analysis the two phase flow behavior in vacuum chamber and upleg in detail. On the basis of laboratory physical model which pressure in vacuum chamber is reduced to 25kpa or less and wettability is poor for more similar to the actual production conditions, flow pattern of the fluid as well as turbulent motion of the bath surface are systematically studied. The results will be much significance to establish effective system for evaluating gas-liquid flow, build the gas-liquid distribution spectrum with the changes of production conditions, reveal the relationship between the flow pattern and mass transfer characteristics and provide the superior mode of surface turbulent motion for fast decarburization or degassing. These lay a solid theoretical foundation for developing the technology of fast decarburization and auto-motive steel production of energy conservation and environmental protection.

RH是“零”能耗生产高强度汽车用钢的核心技术。目前缺乏对RH内气液两相流流型、反应器真空室内自由表面运动特性以及不同壁面润湿条件下循环流动过程中碳氧等元素传质行为的基础理论研究。本课题组的前期工作已发现真空室内钢液的流动行为和气体行为决定着整个RH内钢液的流动，非常有必要对真空室-上升管体系内的两相流运动行为进行深入研究。本项目在实验室物理模拟RH循环流动的基础上，通过系统研究降压下的不同壁面润湿性的流体流型和真空室自由表面湍动行为，以形成不同阶段传质性能的理论基础，构建更接近实际生产过程的流动行为模式。通过本项目的研究可建立能有效评价RH气液流动的指标；获得不同压降制度与吹气制度配合下的真空室气液两相流型图谱；揭示两相流流型与传质特性的对应关系；并确定有利于快速脱碳或脱气的自由表面湍动行为模式。在节能降耗的前提下，为获得快速连续深脱碳的关键技术奠定坚实的理论基础。

RH是“零”能耗生产高品质高性能钢的核心技术。然而，同等RH工作能力下，国内RH生产效果及稳定制造高强钢的水平与国际先进水平相比尚存在一定的差距，尤其是稳定生产超低碳和超低硫钢的差距较大。同时目前湍流流动研究仍然是流体流动研究方向的难题，因此，非常有必要更细致的分解并解析RH系真空室反应器内气液两相流的湍动行为和反应传质行为。.本项目采用物理模拟和数值模拟系统研究壁面润湿性影响下的气液两相流流型和真空室自由表面湍动行为，建立能有效评价RH气液流动的指标有：循环流量、混匀时间、真空室内钢液停留时间、含气率、传质速率、脱碳反应深度（真空室内反应界面面积）和混匀程度。通过研究不同压降制度与吹气制度配合下的上升管和真空室气液两相流行为发现：在真空度较低时，在气体吹入量达到3000L/min前，两相流流型主要为搅动湍动区；当气体达到3000L/min后，椭球形小气泡增多，气泡形状为椭球形和球冠型，两相流流型变为环状流区；低真空度下形成强喷溅的单波谷自由表面湍动模式；随着真空度的增加，单个气泡上升区域增加，气泡碰撞区减小，当真空室液面高度大于360mm后，流型在小于2000L/min时为鼓泡区，大于2500L/min后为搅动湍动区，2000~2500L/min气量下为鼓泡区和搅动湍动区间的过渡区；高真空度下，形成少量喷溅的波峰波谷波动模式；极限真空度下，若液面高度大于480mm，形成波峰波谷波峰的振荡模式。壁面润湿性仅在初期对加快上升管内液相速度较为明显，同时在吹气初期对上升管气相扩散影响显著，而对真空室内自由表面的波动模式影响较小。通过模拟吸气脱气过程获得RH反应器传质过程的定量描述。.根据本项目研究成果可预测RH黑箱精炼过程中钢液的流动形态和真空室自由表面的波动模式，给出最有利于获得碳含量或硫含量极低值的流动形态和波动模式，并提出获得该流动形态和波动模式的可具体施行的操作方法，使任何生产高品质高性能钢的RH系真空反应器高效运行，实现“零”能耗生产，获得巨大经济效益。