RH是重要的炉外精炼方法,在生产洁净钢特别是超低碳深冲钢方面发挥重要作用。本文结合现场RH生产工艺实际测定了RH真空脱碳反应速度和碳氧平衡的水平,在此基础上进行一系列研究工作。主要是通过对RH真空室和浸渍管进行设备改进来增大钢液反应层的循环流量和脱碳反应界面,最终形成一套实用、优化、高效的RH精炼设备,从而大幅度提高RH精炼工艺水平和生产效率。本文研究工作首先通过现场工业试验展开,然后配合水模拟、数值模拟、模型计算及热力学计算等科学方法对改变浸渍管形状、加大真空室内径及真空室加堰等设备改进方式进行了试验研究和探讨,最终提出RH脱碳工艺参数的优化措施,并依此设计一套新的RH设备优化方案。本文研究成果对工厂具有借鉴意义,为下一步投入应用打好坚实基础。主要研究成果如下：(1)RH碳氧反应动力学现场试验研究通过工业试验对RH生产超低碳钢([C]<0.002%)过程工艺参数进行跟踪分析,对表观脱碳速率常数Kc进行测定和评价,分别对抽真空、强制吹氧、自然脱碳和界面脱碳阶段工艺进行分析讨论。为稳定生产碳含量小于0.002%的超低碳钢并合理控制氧含量,优化后的RH工艺参数为：处理前预抽真空压力54Kpa、钢水碳0.05～0.06%、降低钢水a0在0.03～0.04%、提高抽气速度,控制碳氧反应层厚度为200～400mm：控制吹氧前碳氧含量比2～2.5,吹氧起始真空度稳定在12～15KPa,供氧强度≥0.2Nm3/(t.min)；提高吹氧终点[C]在0.015～0.02%,吹氧后碳氧含量比0.6～0.75；自然脱碳阶段脱碳时间大于15分钟,吹氩强度达到0.015 Nm3/ (t.min);界面反应阶段要增加反应界面或提高反应层内流量。讨论得出为高效生产超低碳洁净钢,进一步开发新工艺的途径是通过提高循环流量、体积传质系数和表面反应层流量对RH设备进行优化,使碳氧反应趋近气相反应平衡。(2)提高RH循环流量的试验研究● 椭圆管RH和圆管RH的循环流量随着提升气量增大而增大,但椭圆管RH循环流量大于圆管RH,且优势随着提升气量增大而增大。按单位截面积供气强度比较,强度为6.5Nm3/(m2.min)时椭圆管循环流量比圆管增大50%。模拟计算得出,椭圆管面积增大70%,饱和循环流量增大68%。● 研究提出提升气量、浸渍管截面与循环流量的关系：当提升气量小于临界气量时循环流量仅随提升气量增加而增大,管截面的变化影响不大；当气量在临界气量与饱和气量之间时,增大浸渍管截面和气量均可增大循环流量；当提升气量大于一定管径的饱和气量时,增大提升气量反会使循环流量减小● 试验得出不同面积RH浸渍管的循环流量公式：与通用的桑原计算公式相比,公式在小气量范围内计算可靠性更高。● 当椭圆管比圆管面积分别增大30、50和70%时,估算出最大Kc从0.19min-1分别增加到0.206min-1,0.214min-1和0.224min-1。(3)提高RH体积传质系数ak的试验研究● 增大真空室截面66%后,小气量下大真空室循环流量小于普通RH,混匀时间略长于普通RH;随气量增大,循环流量和混匀时间接近普通RH。● 增大真空室截面后真空室内钢液流场改变：真空室钢液上部环流路径延长,环流量增大;上升管附近增加一个漩涡,出口波峰增大,下降管上方出现小波峰；钢液表面流速增大,下部流速降低；剪切流的作用下形成大量侧行小气泡；流场改变造成钢液停留时间增加。● 大真空室RH的钢液静态反应表面积增大66%,增加的漩涡、波峰使动态反应表面积增大81%,大量沿侧壁运动的气泡使气泡脱碳反应ak增大34%以上,并且碳氧反应层(30mm内)钢液流量增大15-25%,因此大真空RH的ak比普通RH增大40%以上。大真空RH的脱碳速率常数增大,最大Kc由0.19min-1增加到0.212min-1(4)提高RH碳氧反应层流量的试验研究● 对真空室加堰的方式进行试验研究,得出由于堰阻碍部分钢液流动,降低循环流量。当提升气量>3.1Nm3/h时循环流量减小为普通RH的87～91%。●水模结果显示,加堰后真空室内钢液活塞流比例从普通RH的38%增加至74%,返混流比例减少到20%以内,滞后流比例没有明显变化。计算出加堰后使活塞流和滞后流流过表面30mm反应层内钢液流量提高到普通RH的3.2倍。数模计算得出,加堰后表面30mm以内反应层钢液流量大约占全部钢液流量的38-46%,而普通RH只占19-25%。● 在界面反应阶段和自然脱碳阶段,加堰使钢液脱碳反应效率提高。据循环流量和反应层钢液流量变化计算出Kc由普通RH的0.12～0.08min-1增加到0.175～0.1min-1。反应层流量增加,使反应层减薄到39mm,表观碳氧积由1.1×10-4减小到6.2×10-5(5)RH综合优化模型的试验研究结合前文研究结果,提出一套RH设备优化方案：浸渍管和真空室截面积分别增大70%和44%,并加装堰板(宽100mm,高200mm)。对优化模型进行试验研究和计算后得出钢液经过堰后速度得到提升,且主流股在接近下降管上方的位置流进下降管,循环效率提高。水模试验得出相同的常用气量条件下循环流量增加23%,模拟计算得出饱和循环流量增大58%。真空室内径增大后,漩涡和液面波峰增大了反应表面,优化RH的ak增大58%。进入脱碳反应层(30mm内)的钢液量达到普通RH的1.9-2.5倍。脱碳速率常数提高,最大Kc(5#炉次)可达0.31min-1,自然脱碳和界面脱碳阶段的Kc可分别由0.12min-1和0.08min-1增加到0.19min-1和0.12min-1。