本科毕业设计---rh精炼去除微小夹杂物冶金专业.doc

第II页RH精炼去除微小夹杂物摘 要随着科技的进步对钢的洁净度就提出了更高的要求。控制夹杂物就成为了一个重要的研究项目，作为炉外精炼有效手段的RH精炼的研究就非常必要了。主要阐述了洁净钢概况、RH技术的发展、RH精炼夹杂物概况和去除夹杂物水模实验研究。实验模型在几何相似比=1:4、聚丙烯作为模拟夹杂物和NaHCO3作为模拟CaCO3的模型上进行水模实验，研究了上升腿中提升气量、上升腿浸入钢液深度和向钢包中加入NaHCO3的量对去夹杂物的影响，得出结论如下：1）较大提升气量的去夹杂物效果好于较小提升气量的，但是存在一个最优值。2）从去夹杂物的角度考虑，浸入深度存在一个最优值。3）从去夹杂角度，并考虑成本和引入新杂质量等因素。4）实验中向钢包中加入NaHCO3对夹杂物的去除有所提升，去除率从78.26%提升到85.41%，去除率提升了7.15%。关键字：洁净钢；RH真空精炼；夹杂物；水模ABSTRACTWith the progress of science and technology, advanced industrial products quality of high-end increasing, the cleanliness of steel puts forward higher request. Control inclusion is an important research target, as an effective means refining outside the furnace of RH is very necessary to study.This paper expounds the general situation, clean steel RH the progress of the technology, RH refining inclusion profile and removing water model experiment research inclusions. The experiment model in Ansteel the third factory 175t RH-TB as the prototype, the geometric similar ratio() is 1:4, polypropylene as simulation inclusion and NaHCO3 as simulation of CaCO3 on model of water model experiment, the air of the up leg into the liquid steel ladle depth and add to the amount of NaHCO3 to go to the influence of the inclusion, draw the conclusion is as follows:1) larger gas ascension to inclusion works better than a smaller gas ascension, but there is a mos.2) on the view point of inclusion, immersion depth exist a best value. 3) on the view point of inclusion, and consider the cost and introducing new miscellaneous quality factors, NaHCO3 optimal inputs is 120 mol, equivalent to 806 of the prototype data is mol CaCO3;4) add NaHCO3 to ladle in the experiment to remove the inclusions had increased, from the removal rate 78.26%, rising to 85.41%, removal rate up 7.15%.Key words:Clean steel；RH vacuum degasser；inclusions；NaHCO3；water modeling 目 录摘 要IABSTRACTII目 录I1 文献综述11.1 洁净钢的发展11.1.1 洁净钢概况11.1.2 生产洁净钢的主要技术21.1.3 RH精炼炉概况31.2 RH精炼的发展51.2.1 RH精炼技术发展51.2.2 我国RH精炼技术61.2.3 RH精炼技术的完善81.3 生产中RH夹杂物概况101.3.1 夹杂物的来源101.3.2 夹杂物去除途径111.3.3 影响夹杂物去除的因素111.3.4 钢中夹杂物去除技术121.4 课题由来132 实验原理及方法152.1 实验原理152.1.1 几何相似和动力相似152.1.2 微小气泡的产生152.1.3 模拟介质的确定162.1.4 气泡去夹杂物机理192.2 实验设备与参数212.2.1 实验装置及材料212.2.2 实验参数的选定222.3 实验方案302.3.1 提升气量对夹杂物去除率影响的实验312.3.2 浸入深度对夹杂物去除率影响的实验322.3.3 加入量对夹杂物去除率影响的实验323 实验结果与分析343.1 提升气量实验的结果与分析343.2 浸入深度实验的结果与分析353.3 加入量实验的结果与分析363.3.1 实验过程分析363.3.2 实验结果与分析43结 论45致 谢46参考文献47附 录50 第46页1 文献综述1.1 洁净钢的发展到了21世纪，科学技术和经济都发展到了比较高端的程度，随之而来的就是先进高端质量的工业产品日益增多，人们对于钢材质量的要求更加严格。为了改善钢材的质量， 必须提高钢水的洁净度。在建筑、汽车、机械制造、石油等工业方面都呈现出新的发展趋势，高质量、超洁净的钢铁设备产品的应用日益增多，并且钢铁面临着新材料产品的严峻挑战，例如塑料制品、铝合金、璃等。加之当前世界钢铁市场已趋于饱和，竞争十分激烈，国外一些钢铁厂为了占据钢铁市场，纷纷采取技术措施，生产高附加值的产品，例如优质深冲钢，超低硫钢等1-2。因此，进入90年代，洁净钢的生产技术是世界炼钢界的一个热点。国内外一些钢铁企业都在积极地开发、应用洁净钢的生产技术，并取得了明显的经济效益，例如日本新日铁的吨钢销售额为707美元，但是我国比较先进的钢铁厂的吨钢销售额仅为295美元。我国已经是世界第一产钢国，但我国大多数钢铁厂尚未很好的掌握洁净钢的生产技术，每年都要从国外进口大量钢材。因此，开发、应用洁净钢的生产技术势在必行，这对于我国由钢铁大国转变成钢铁强国具有十分重要的意义1,3。1.1.1 洁净钢概况1962年Kieshng在给英国钢铁学会起草的特别报告中，首次提出了洁净钢（clean steel）一词，泛指O、S、P、H、N以及Pb、As、Cu、Zu等杂质元素含量低的钢。提出洁净钢的概念是为了能够高效率、低成本、成批地生产出可以稳定地满足用户加工和使用要求的优质商品钢材5。在洁净钢中洁净度是一个非常重要的概念。洁净度可这样理解，在钢中要尽量地去除有害组元，而且在冶金熔体、铸坯和钢材中要求有非常均匀的分布。有了钢材的高洁净度才能获得令人满意的微观组织，从而保证了钢的使用性能。钢的洁净度是反映钢的总体质量水平的重要标志，是钢的内在质量的保证指标。钢的洁净度通常由钢中有害元素含量以及非金属夹杂物的数量、形态和尺寸来评价。“洁净钢”和“纯净钢”是两个不同的概念。洁净钢并不意味着越纯越好，洁净钢应定义为: 当钢中的非金属夹杂物或其它有害物质直接或间接地影响产品的加工性能或使用性能时，该钢就不是洁净钢；而如果钢中的非金属夹杂物和有害杂物的数量、尺寸或分布对产品的加工性能、使用性能都没有不良影响，则这种钢就可以被认为是洁净钢，这一定义是比较恰当而准确的，因为不同钢种的钢材，在不同加工过程和使用过程中，对其所要求的性能以及与之相应的洁净度是不同的3,6。五十多年的科学技术的不断进步，钢铁产品面临被新型工程材料如铝、塑料、玻璃等取代的巨大压力，提高钢的洁净度越来越成为钢铁冶金技术研究的重要课题，提高钢的洁净度已成为每一个钢铁产品的任务。比如，为了满足管线钢不断提高的韧性要求，特别是酸性气体输送管道抗HIC性能的提高，在过去40年里，对钢中S含量有不断降低的要求。对汽车板（轿车外壳）则要求C、N、T.O都小于2010-6，而饮料罐不仅要求T.O小于2010-6，同时要求夹杂物直径必须小于20µm，轮胎钢芯线、夹杂物直径要求小于10µm，而电视机屏幕荫罩钢则要求夹杂物直径更小，即5µm。又如对于滚珠轴承钢来说，为了提高接触疲劳性能，使钢中全氧降低到1010-6以下，甚至更低。正是由于这种巨大的压力，使提高钢的洁净度的冶金技术得以飞速发展，至80年代末，钢中P、C、S、N、T.O、H已可降低到5010-6左右2,4,6。1.1.2 生产洁净钢的主要技术洁净钢生产技术涉及多个工序环节，以转炉流程为例，通常由铁水脱硫处理、顶底复吹转炉吹炼、出钢挡渣、脱氧、钢水包内沪渣改性、氩气搅拌、RH真空处理或其它方式的炉外精炼、保护浇铸、中间包冶金、结晶器保护渣、结晶器内钢水流动控制等组成3。目前国内基本具备生产洁净钢条件的钢铁企业主要有宝钢、武钢、攀钢和部分特钢厂。武钢二炼钢厂具备KR铁水脱硫、TN喷粉、80t顶底复吹转炉、KTB、4台板坯连铸机及CAS等设备；宝钢有铁水脱硫处理，CASOB、KIP、2台板坯连铸机及3座300t的顶底复吹转炉，其三期工程将建成具有新技术的现代化的炼钢设备的第二炼钢厂；攀钢具有脱硫、LF炉外处理、120t的顶底复吹转炉、板坯连铸机、炉外精炼装置等设备。其中宝钢、武钢、攀钢等都具有生产高纯净度的深冲钢的条件。除此之外鞍钢、太钢等都在引进先进技术及设备，鞍钢的RH精炼现在也取得了不小的成果。近年来，我国的钢厂非常注重洁净钢的生产及实验研究，在不久将来也具备生产高质量洁净钢钢的设备条件及生产能力。国外的一些技术成果，国外只有日本的少数工厂采用了结晶器钢水电磁制动、FC结晶器等最新技术，近几年来美、欧、韩、台钢铁企业洁净钢生产水平的提高实际上主要是靠严格的炉渣管理和各工艺环节的严细操作获得的。以美国内陆钢铁公司第4氧气转炉炼钢厂为例，该厂有两台容量235t顶底复吹转炉，一台RHOB真空精炼装置和两台板坯连铸机，年产300吨钢，全部为深冲用钢，其中35%为钛稳定的极低碳IF钢，20%超低碳钢，45%为低碳铝镇静钢，美国内陆钢铁公司生产洁净钢的实践非常令人深思。 美国内陆钢铁公司、阿姆柯钢铁公司、LTV钢铁公司、Weirton钢公司、德国蒂森钢铁公司等用的就是这些与国内宝钢、武钢相当的装备生产出了总氧含量在1510-6 3010-6的一流汽车板、DI 罐钢等。除深冲钢以外，国外管线钢的牌号已发展到X80级，硫含量已能降低到1010-62010-6，甚至少于1010-6。优质造船板的硫含量低于8010-6，总氧含量已降低到2010-62510-6以下3-5。1.1.3 RH精炼炉概况在洁净钢的生产技术中，有一项技术是不得不提的，自从它诞生到现在50多年来，它的技术不断的被完善，并且应该于生产洁净钢中，它就是RH精炼。RH精炼全称为RH真空循环脱气精炼法。在1959年由德国Rheinstahl和Hutlenwerke公司联合开发成功，其中RH为这两家德国厂家名称的第一个字母。RH将真空精炼与钢水循环流动结合起来，进而具有了处理时间短、效率高、精炼效果好、能够与转炉连铸匹配的优点而被转炉工序大量采用7。现在RH已经由原来单一的脱气设备转变为包含真空脱碳、吹氧脱碳、喷粉脱硫、温度补偿、均匀温度和成分等多功能的炉外精炼设备。而且随着技术的进步和精炼功能的扩展，在生产超低碳钢方面表现出了显著的优越性，是现代化钢厂中一种重要的炉外处理装置8。RH精炼炉的主要结构如图1.1：图1.1 RH精炼炉的主要结构图RH系统设备是一种用于生产优质钢的钢水二次精炼工艺装备。它是由吸入和排出钢水的浸渍管和真空槽以及真空排气装置所组成。整个钢水冶金反应是在砌有耐火衬的真空槽内进行的，真空槽的下部是两个带耐火衬的浸渍管，上部装有热弯管，被抽气体由热弯管经气体冷却器至真空泵系统排到厂房外。钢水处理前，先将浸渍管浸入待处理的钢包钢水中，是钢包和真空室形成密闭系统。真空排气系统启动，当真空槽抽真空时，钢水表面的大气压力迫使钢水从浸渍管流入真空槽内。与真空槽连通的两个浸渍管，一个为上升管，一个为下降管。由于上升管不断向钢液吹入氩气或氮气，相对没有吹气体的下降管产生了一个较高的静压差，使钢水从上升管进入并通过真空槽下部流向下降管，如此不断循环反复。在真空状态下，流经真空槽钢水中的氩气、氢气、氮气、一氧化碳等气体在钢液循环过程中被抽走。同时，进入真空槽内的钢水还进行一系列的冶金反应，比如碳氧反应；如此循环脱气精炼使钢液得到净化8,9。1.2 RH精炼的发展1.2.1 RH精炼技术发展RH是由德国两家公司共同开发的真空脱气装置，即将真空精炼和钢水循环流动结合起来，并于1959年正式用于大型生产。此后该技术引入日本，英语1963年在新日铁广田建成第一台RH装置并投入使用。此后日本将该技术扩展，现在已经具有脱碳、脱氢、脱氧、成份调整等多功能的精炼设备。具有精炼周期短、效率高、生产能力大、精炼效果好等优点，适合特点与之相像的转炉钢厂广泛采用。纵观RH的发展，大致可以分为以下几个阶段：（1）19591975年，基础技术研究及功能开发阶段。此阶段的主要成果是：1）RH工作原理及反应机理基本已经探明；2）一些基本公式及工艺控制参数可以大致的推导出；3）计算一些设备参数，并可以扩大一些功能。RH装备技术在全世界得到认可并广泛采用。根据1976年统计，世界共计投入生产的RH设备有448台。随着转炉越来越大型化，RH也随之大型化，目前世界上最大的RH精炼设备为360t。（2）19751980年，多功能RH精炼技术发展并扩展技术，与连铸相结合并进入大规模处理阶段。这一时期RH的技术发展趋势主要是：1）优化RH工艺设备参数，扩大处理能力，使全部钢水处理的更加彻底；2）开发多功能RH精炼工艺和装备，使RH具有脱硫、脱磷等功能；3）开发RH热补偿和升温技术，减少热损失，提高处理质量。经过这一时期，RH技术达到了更加完美的地步。日本在这一时期还先后开发出RHOB法、RHPB法和KTB法等著名新工艺，RH技术全面提高，并且从进处理优质特殊钢为主转向大生产常规钢处理。（3）19801990年，功能扩大并实现多功能：通过这一阶段的开发实践，RH已经发展成为具有脱氢、脱碳、脱氧、夹杂物分离、成份精度控制、铁合会节约、钢水升温、脱硫和夹杂物形态控制的多功能装置。（4）1990至今，对功能进行强化，达到反应极限。随着连铸技术迅速发展，连铸的拉速逐步提高，转炉随吹氧强度提高吹炼时间也大大缩短，因此作为中间工序必须缩短处理时间。对于一些特殊钢材，要深脱碳，那么为了解决极低碳钢()的精炼难题，需要进一步克服钢水的静压力，以提高脱碳速度。但是在极低碳区，真空度已不再决定反应的热力学条件，而是反应层钢水深度(即钢水静压力)决定了反应速度。由于反应层越来越浅如何扩大反应界面是提高反应速度的限制环节。解决这一问题，日本川崎公司采用喷吹氢气向钢水增氢，进而利用真空脱氢产生的微气泡提高脱碳的反应面积，达到深脱碳的目的。日本新日铁公司研究开发的工艺采用直筒型浸渍罩代替浸渍管进行真空处理，是钢水的循环流量大幅度提高，解决了极低碳钢的精炼困难。采用上述两种工艺，RH可以生产-6的极低碳钢7,9,10。通过以上的研究和发展，RH已经成为了高效率、多功能的装置，和现在的钢铁业品种、质量、高效、低成本、低污染的发展需求想适应。1.2.2 我国RH精炼技术中国钢铁企业的快速发展，产品结构不断调整，质量的不断提高，高附价值产品的不断研发，不但促进了RH生产技术的发展，而且促进了RH精炼设备及研发团队数量迅速增长，钢水的RH真空精炼比的不断提高3。近十年来，通过引进消化吸收先进技术，中国大型钢厂掌握了RH精炼的生产、操作、维护工艺，并不断地在各地钢厂推广，使RH的各项功能得到了很好应用，提高了生产能力，也带动了RH更有效地投入大规模的生产使用。通过自主创新，研发了RH大型真空泵，顶枪技术，真空槽预热枪，钢包升降装置等核心技术和装备，实现了设备国产化，工程设备设计，软件设计控制，设备制造技术，设备安装调试等技术和工程总包等能力的不断提高，使设备配置更合理灵活，设备功能更完备，运行更稳定，操作维护更方便，实现了高效，低耗环保生产，达到了国际水平，促进了RH稳定提高钢质量，也大大降低了RH的建设和运行成本，售后服务更便捷10。我国在RH精炼技术上有几个非常有典型的钢铁企业，他们的水平代表了中国在RH上的技术能力：（1）宝钢在产品研发、生产和技改计划中，一直将满足市场和客户需求摆在首位，努力挖潜提高品种钢生产能力，加大高附加值产品的生产规模。公司生产的O5板、镀锡板、DI材、中高牌号电工钢、耐高温高压锅炉管；X系列管线钢、钢帘线等重点品种钢的质量和各项技术经济指标已经达到世界一流水平。特别是在宝钢炼钢厂的升级换代和系列技术改造中，将提升自主的RH工艺技术和生产能力摆在十分重要的位置，经过历时几年的系列改造，宝钢RH技术和装备在生产中已高效应用，并已具备自主集成和成套输出能力。1985年宝钢投产的第一套RH真空循环脱气装置，是宝钢一期工程投资上马的设备。2004年，宝钢分公司对其进行了全方位的技术改造，涉及真空槽系统、真空泵系统、顶枪系统、预热枪系统等。它的成功改造，大大提高了钢水的循环速度以及炉外精炼的生产效率，对提高“双高”产品比例以及提升企业综合竞争力做出重要贡献。宝钢的第二套RH真空循环脱气装置于1999年投入生产，宝钢在该装置上采用自主技术集成和自主创新的工艺技术，共开发了17个子系统，形成了具有自主知识产权的炉外精炼核心工艺技术。该RH真空循环脱气装置除真空系统、顶枪系统以及预热枪系统等关键设备从国外引进外，其余设备均由我国自行制造。该项目曾荣获2004年度国家科学技术进步二等奖。宝钢的第三套RH真空循环脱气装置是1998年投产的。前两套 RH真空循环脱气装置生产的主要产品是连铸的高级别管线钢、超低碳钢及模铸的钢帘线、模具钢、T91、油井钻杆钢以及其他高附加值钢种，而第三套RH真空循环脱气装置生产的主要产品则是硅钢。2004年，这3套RH真空循环脱气装置的产量分别为164万吨、229万吨和200万吨，真空比达到56.7%。宝钢4号RH装置由真空系统、顶枪及预热枪系统等17个系统组成，真空泵系统末级将采用水环泵形式，顶枪及预热枪系统的燃气将采用焦炉煤气方案。宝钢5号RH真空精练采用“三工位”的布置形式，实现了钢水的交替处理，大大缩短了待机时间。真空系统采用四级蒸汽喷射泵，增大循环气体流量等技术手段，提高了钢水的循环速度。通过采用多功能顶枪技术，提高了脱碳处理的效率，并可进行钢水脱硫处理。宝钢的RH精炼技术也代表了中国钢铁企业RH的先进技术，现在宝钢的RH精炼效果非常好，例如在宝钢特殊钢事业部，RH起到了非常重要的作用。（2）鞍钢目前有3座RH精炼装备。其中二炼钢有1座RHTB，三炼钢有2座。2005年8月，鞍钢建成的真空处理装置RH，也是第2座RH真空处理装置，最大单炉处理容量达到260吨。2006年6月份，国内、国际钢材市场开始出现价格双双回升、走势趋同的良好发展态势，2007年2月国内钢铁生产继续保持适度增长，钢材市场需求旺盛，钢铁企业产销两旺，国际钢材市场全面启动，钢材需求转旺，库存明显消化，价格强劲反弹，国际市场价格明显上涨，国内外钢材价差扩大。鞍钢紧紧抓住有利机会，再次购建第三座RHTB真空精练炉，力在拓展公司的品种，提高市场竞争力，其主要进行超低碳钢、管线钢等专用钢材的生产。（3）武钢有3座RH真空装置，其中二炼钢厂两座，处理能力均为90吨，三炼钢一座，最大处理能力为300吨。二炼钢厂的两台RH真空处理装置，1号RH配置KTB顶枪系统和WPB喷粉系统；根据公司产品定位和市场需求，为了优化产品结构，降低生产成本，提高产品市场竞争能力，2005年3月2号RH新增一套MFB顶枪装置。改造后的2号RHMFB顶枪装置具有处理及非处理的在线加热、去除真空室结瘤、吹氧脱碳、钢水加铝升温功能。武钢二炼钢厂现生产钢种多达450个，其中经RH精炼的钢种达350个，二炼钢厂已成为武钢品种钢生产基地。（4）2006年11月15日，唐钢一钢轧厂新建成的RH精炼炉开始真空循环处理，也成为河北省历史上第一包经RH精炼炉冶炼的高质量钢水。唐钢RH精炼炉设计生产汽车制造、家用电气和石油化工等领域所需要的优质钢板150万吨，采用了具有国际先进水平的真空循环抽气、豪华双工位设置、五级组合真空泵等先进技术3,9,10,11。我国RH精炼取得这样的成果是钢铁企业普遍对钢水炉外精炼技术的应用比较重视，投入大量资金并且上先进的炉外精炼技术装备。如何在今后建设和生产中持续优化和开发RH工艺设备以及控制技术，以更经济合理的生产工艺满足产品的要求，挖掘现有RH设备潜力，建设更高效，低成本，低能耗，环保的RH精炼装置，将是中国RH发展的重点工作9-13。1.3 生产中RH夹杂物概况钢中存在一些，如氧化物、硫化物、氮化物等非金属化合物都是以独立相存在的，统称为非金属夹杂物。它们在钢种的存在形态可以分为化合物形态和复合物形态。这些非金属夹杂物的存在，破坏了钢的基体连续性，这样就造成了钢组织不均匀，从而导致钢的韧性和塑性降低，形成了裂缝和应力集中，降低钢材的疲劳性能，恶化钢材的表面质量，降低钢材加工性能及电池性能等，因此大部分钢种对夹杂物都是有严格的控制要求。但是个别钢种，夹杂物对它们的性能有利，如可以控制钢的本质晶粒度，改善切削性能等2,8。1.3.1 夹杂物的来源对于RH精炼来说，钢中的夹杂物主要来自于以下几个方面：（1）脱氧剂、合金、冷却材、脱硫剂及喂线等外来添加剂；（2）钢包中的熔渣，耐火材料侵入，如钢包耐材、真空室本体耐材等；（3）前期初炼带入的夹杂，浇注及凝固过程中二次氧化剂外来接触物侵入；（4）各种非金属夹杂物间互相形成的复合夹杂等。其中（1）和（2）是RH处理过程中夹杂物形成的主要途径4,5,8。1.3.2 夹杂物去除途径RH处理过程中夹杂物去除方式是由钢液自身运动规律所决定的。钢液中夹杂物去除的主要环节为夹杂物的长大、上浮和分离。主要途径有两个：（1）钢液中尺寸较小的夹杂物颗粒不足以上浮去除，就通过处理过程中钢液环流搅拌动力促使夹杂物微粒间相撞聚集成较大微粒上浮至渣中，或加快单个夹杂物颗粒上浮至渣中，进而离开钢液，并且在强湍流下，夹杂物聚合非常迅速，例如在0.1m2·s-3的强湍流条件下，夹杂物半径长大到100µm只要2min。直径为100µm的A12O3，夹杂物从钢液表面下2.5m上浮到钢液表面需要4.8min，直径为20µm的夹杂物，上浮时间增加到119min。从钢液中分离夹杂物的主要途径包括两种：1）被表面的渣层吸附；2）被壁面耐火材料吸附。（2）部分夹杂物去除是通过熔池内上升的气泡，如Ar气泡或碳氧反应一氧化碳气泡，钢中夹杂物被气泡俘获去除的效率决定于吹入钢液中气泡数量和气泡尺寸。在此情况下，夹杂物依附于气泡表面后被下降管中下降的钢液带至钢包炉渣表面。例如钢包底吹氩就会产生直径为1020mm的气泡，但是有效去除夹杂物的最佳气泡直径为215mm，并且气泡在上浮过程会迅速膨胀。因此，底吹氩产生的气泡捕获小颗粒夹杂物概率很小，对细小夹杂物去除效果不太好，并且在钢包底吹氩过程中，过强的搅拌功会导致钢水的二次氧化及卷渣，为了去除钢中的细小夹杂物颗粒，钢液中就一定要制造直径更小的气泡。将氩气引入到足够湍流强度的钢液中，依靠湍流波动速度梯度产生的剪切力将气泡击碎，可将大气泡击碎成小气泡。细小的气泡捕获夹杂物的概率很高。这种方法可显著提高氩气泡去除夹杂物的效率2,8,13。1.3.3 影响夹杂物去除的因素基于RH夹杂物的来源，我们就可以有方向的对夹杂物的含量进行控制，去除夹杂物的影响因素主要有两个：（1）由于RH处理有真空、无渣、低氧状态下添加脱氧剂和合金化的特点，那么过程本身引起的夹杂物是低于其他冶炼的，精炼出来的产品质量还是非常卓越的。脱氧和合金化烧损是夹杂物生成的主要途径，那么就可以把氧的含量降至最低水平，方法就是用碳来脱氧和控制渣中氧化铁的含量，这样夹杂物的含量就会明显的减少。（2）钢中夹杂物的上浮决定于夹杂物尺寸:大颗粒夹杂上浮去除，而小颗粒夹杂通过碰撞聚合后才能上浮去除。适当的加强钢液的搅拌，这样可以加快夹杂物的长大和上浮，可以通过增加环流气流量来实现。并且添加料的时间要尽早，这样纯脱气的时间就会变长，有利于降低夹杂物的含量8,13。1.3.4 钢中夹杂物去除技术（1）气体搅拌1）钢包吹氩吹氩搅拌是钢包炉重要的精炼手段之一，钢中夹杂物被气泡俘获去除的效率决定于吹入钢液中气泡数量和气泡尺寸。向里吹入不同尺寸的气泡来去除不同大小的杂质，细小的夹杂物微粒就要用直径小的气泡。2）中间包气幕挡墙在中间包底部的透气管或透气梁向钢液中吹入气泡，与流经此处钢液中的夹杂物颗粒相互碰撞，那么它们就会聚合吸附，同时也增加了夹杂物的垂直向上运动，从而达到净化钢液的目的。3）采用顶吹喷枪和包底透气砖向钢水中强制性的吹氮和氢，使其溶解在钢水中，使钢中的氮或氢增到(150400) 10-6，然后在RH装置中脱气去除夹杂。在迅速减压过程中，钢中过饱和的氮或氢析出，就会形成微小气泡促使夹杂物上浮。（2）电磁净化1）钢包电磁搅拌和钢包吹氩类似，只不过换成了电磁。相比于气体搅拌，对钢渣界面的搅动强度还不够大，但是电磁搅拌使钢液的流动比较稳定、均衡，这样就避免了钢水流速过大导致的卷渣，但电磁搅拌不能提供促使夹杂物上浮的气泡。2）中间包离心分离利用夹杂物与钢液的密度差，可以用离心场中分离夹杂物。通过旋转磁场产生的钢液旋转，那么在旋转的钢液中，由于夹杂物密度比钢液小，夹杂物会向心运动，在钢液中心聚集长大、上浮。3）结晶器电磁制动利用向上的电磁力阻止从浸入式水口流出的钢液并改变其方向，借此减小钢液的穿透深度，促使夹杂物上浮分离，还可以抑制弯月面的波动，防止卷渣。（3）渣洗渣洗是通过控制炉渣成分来处理钢液的，由于精炼渣可以吸附夹杂物，为了保证渣洗的效果，一般要进行搅拌，所以渣洗通常与其它工艺操作配合使用，从而达到更加理想的效果。（4）过滤器过滤器主要通过机械拦截、表面吸附的作用去除夹杂物。夹杂物的去除率与过滤器的材质、过滤器孔径和钢水流速有关13。1.4 课题由来现在社会经济和科学技术这么发达，发展的还非常迅猛，人们对材料的要求越来越高，钢铁也不例外，所以洁净钢现在用的非常广泛，那么在冶炼洁净钢的过程中，就要有非常高的标准，尤其是一些特殊钢种，要对一些元素含量有非常高的要求，RH精炼就是冶炼洁净钢的一个非常重要的环节，对于RH精炼技术的研究就变得十分有必要了。对于钢种的夹杂物来说，在钢中的是夹杂物对钢的性能和质量会产生严重影响，因此在炼钢、精炼和连铸过程中，应该最大限度的降低钢液中夹杂物的含量，控制它们的形状和尺寸3-5。夹杂物作为钢中的杂质，对钢的加工性能、疲劳性能、表面质量和耐腐蚀性能等产生不利影响，尽可能多地去除夹杂物是炼钢的目的之一7。某些钢产品不仅对全氧有要求，还对氧化物夹杂颗粒尺寸有很苛刻的要求，如发动机阀门弹簧钢要求夹杂物尺寸小于15µm；直径为0.10.5mm的子午线轮胎用钢丝，要求夹杂物直径小于5µm；显像管用钢和IC用引线框用钢，夹杂物直径要求小于5µm，对重轨钢要求T.O小于2010-6 ，单个夹杂物尺寸小于13µm，簇状夹杂物尺寸小于200µm2,6,13。钢液中的夹杂物大部分是通过相互碰撞长大形成较大的颗粒然后自然上浮去除的，这种情况在整个冶金过程中一直在进行。但是，炼钢是大规模连续性的生产，自然上浮的效率太低，根本无法满足生产要求，因此常常采用专门手段，例如炉外精炼、过滤等，强化夹杂物的去除。目前，去夹杂物技术主要有：吹氩、渣洗、过滤法、离心分离等。虽然上述方法能在一定程度上去除较大的夹杂物颗粒，但是对微小夹杂物的去除效果很差。钢液中微小夹杂物的去除问题是目前各种炉外精炼技术所不能有效解决的问题，也是近年来炼钢、连铸新技术的热点问题14。在所有去除夹杂物的方法中，向钢液中引入微小气泡去除夹杂物是一项十分有效的措施15-16。钢包吹氩精炼方法是一种有效的、并被广泛应用的钢液炉外精炼工艺。吹气精炼钢液的过程中，通常借助风嘴、喷枪和多孔砖将气体导入熔池。虽然许多冶金工作者做了种种努力，但现有的技术还不能提供最佳条件以达到有效去除夹杂物的目的，尤其是去除直径小于50m的小型夹杂物。因为风嘴、喷枪和多孔砖产生的气泡尺寸处于1020mm之间，这些粗大的气泡和夹杂物之间的碰撞概率低，而增加气体流量只会导致气泡更加粗大和形成大气袋，造成严重的卷渣现象16。吹气精炼钢液工艺的发展方向应是细小气泡的产生及其均匀分布。那么微小夹杂物的去除是一个非常值得研究的课题。鞍钢首创的利用CaCO3微粒在钢水中产生的微小气泡来去除微小夹杂，并且CaCO3受热分解生产的CaO是造渣剂，CaCO3本身也是造渣剂，所以是一举多得，这项技术已经取得了比较可观的效果，所以研究向RH钢液中添加夹杂物去除的辅助物质的量就非常必要了。本实验在气孔数确定的情况下，影响RH精炼夹杂物去除效果的因素有处理时间、真空度、上升腿中提升气量、浸入深度和加入夹杂物去除的辅助物质的量，根据原型中的数据来确定以上参数。模型是以鞍钢三炼钢厂175吨RHTB为原型，采用1:4的比例来模拟，优化上升腿中的提升气量、浸入深度和加入夹杂物去除的辅助物质的量。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原型尺寸模型尺寸钢水包深度44281107上部内径3244811下部内径2656664钢水装入深度40001000真空室直径1930482.5真空室高度3852963浸入管长度1660415浸入管直径5601402.1.2 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：HCO3-H+ CO32- （2.1）HCO3-+H2OH2CO3OH- （2.2）H2CO3H2O+CO2 （2.3）H+OH-H2O （2.4）由（2.1）、（2.2）、（2.3）、（2.4）可得总平衡：2HCO-（aq） 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： （2.7）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原型模型液体密度/kg·m-37.0103(钢水)1.00103（NaCl溶液）夹杂物密度/kg·m-33.9103（Al2O3）或2.7103（SiO2）0.91103（聚丙烯）提升气体密度/L·m