摘要:阐述了RH精炼技术的发展及研究现状，特别是对RH循环流量及脱碳方面的研究作了详细介绍，并指出了RH精炼技术研究方面的一些不足。
关键词:炉外精炼 RH 脱碳 模型
近年来，用户对钢材产品质量的要求越来越严格，国际市场对纯净钢、超纯净钢的需求不断扩大。特别是20世纪80年代以来，由于汽车厂家对钢板的抗锈性能提出了更高的要求，再加上热处理工艺的变革，使得纯净钢开发技术成为一个全球性的热点，也成为衡量一个国家钢铁生产水平的标准。
纯净钢的生产面临着一系列的问题。与脱硫相比，碳和氧的去除要困难的多，传统的精炼工艺已经很难满足要求。从工艺本身和国内外各钢厂的生产经验来看，RH真空精炼处理已成为生产纯净钢行之有效的手段之一。RH精炼处理将真空精炼与钢水循环流动结合起来，具有处理周期短、生产能力大、精炼效果好的优点，且容易与连铸工艺相匹配。此外，RH装置与大型电炉相配合，可以形成有较大生产能力的特殊钢生产系统。
在过去的几十年中，特别是近20年内，许多冶金工作者尤其是日本的研究人员对RH精炼工艺进行了大量的研究和开发。
1 钢水循环流量的研究
众所周知，RH脱气反应器内的循环流量直接影响着反应器的精炼能力和精炼效果，因此，有许多研究者在水模和熔融铁液体系中研究了循环流量。概括起来，主要有经验模型和机理模型两种。
1.1 循环流量的经验模型
国内外有许多研究者对RH反应器内的钢液循环流量及其有关因素进行了研究，得到了多种表达式。
一般来讲，循环流量取决于以下一些因素：浸渍管内径(包括上升管和下降管)、吹Ar管喷吹入口至大包内钢液面的距离或喷吹入口至真空室内钢液面的距离、Ar流量和真空度等。
T.Kuwabara等提出了计算水/空气和钢液/Ar体系中循环流量的经验计算公式：
式中：Q1—液体循环流量，m3/s；
Qg—提升气体流量，m3/s；
Dup,down—浸渍管直径，m；
h—浸渍管插入深度，m；
Ph,Pvac—喷嘴处喷射气体压力及真空室气体压力，mmHg。
H.Watanable等在Kobe钢铁公司的一台处理量为100t的RH设备上研究了吹Ar流量对钢水循环流量的影响。其RH设备上升管和下降管直径均为27cm，当吹Ar流量在100NL/min～250 NL/min范围内变化时，循环流量为15T/min～18t/min。他们还推得经验公式：
TC=0.02DS1.5·Q0.33
式中：TC—钢水循环流量，t/min；
DS一上升管直径，cm；
Q—吹Ar流量，L/min。
K.Nakanishi等利用示踪剂的方法测量了川崎制铁的Chiba厂处理量为150t RH的循环流量，得到循环流量与吹Ar流量的函数关系。英国R.K.Hanno等建立了1:5的水模型，通过测量下降管循环流量的方法观察了吹气量、吹气元件、浸渍管直径对循环流量的影响。
1.2 循环流量机理模型
循环流量机理模型主要有以下三种：Fujii模型、чy M a K O B模型和ъa K a K иH模型。
Fujii模型从两个角度进行描述：其一是上升管中以Ar气泡为核心而发生的去H作用和C一0反应，因而沿上升管轴向，气液两相流中持气率逐步增加，这就使得气液两相的相对速度逐步变化；其二是上升管中气液两相流的动量平衡。该模型对某些参数的选择比较简单，不能较真实地反映出实际过程的情况。
чy M a K O B模型考虑了流体在下降管和上升管中的流动平衡，把上升管和下降管中液体的密度差当作引起环流的动力，这是和Fujii模型不同的出发点。但是чy M a K O B模型中的参数都是某种平均值，不可避免地在某些描述上偏离实际：按该模型，上升管愈长愈有利，但事实上上升管过长是无效的。
ъa K a K иH模型较为完善，认为气液两相的一系列性质都是上升管轴线的函数性质。从单个气泡的物料平衡、动量守恒和状态方程出发，由给定的边界条件，计算出气液两相流的一系列性质。ъa K a K иH模型是一个较为全面的模型，但和描述冶金过程的其他数学模型类似，许多细节实质上还是未知的。
2 脱碳过程研究
RH反应器最主要的功能之一是脱碳，了解RH过程的脱碳行为及机理对于更高效的脱碳和开发新工艺相当重要，为此，许多研究者从不同角度建立模型来描述RH的脱碳行为，如：质量平衡模型、单气泡模型、脱碳机理模型、考虑顶枪影响的脱碳模型及动态脱碳模型等。
2.1 RH脱碳过程的实验研究
在已做过的RH脱碳过程研究中发现，反应过程的控制环节为液相传质过程。许多冶金工作者认为碳在钢液内的扩散是脱碳反应的限制环节，在低碳区，脱碳反应速率随碳含量的减少而减小。K.Yamagnchi等通过实验得到碳的容量传质系数与操作参数之间的关系：
ɑKc∝A0.32Q1.17CV1.48
式中：ɑKc—气液界面间碳在金属液相中的容量传质系数，m3/s；
A—真空室的横截面积，m2；
Q—钢液循环流量，㎏/s；
CV一真空室中的碳含量，10-6。
R.K.Hanna等通过水模实验考察了循环流量，同时把实验结论应用于实际工厂操作中，发现脱碳速率随着循环流量的增大而加快，并且当真空压力减小时脱碳速率也增大。Inoue S等用NaOH—C02溶液体系考察了真空室底吹气体对CO2释放过程的影响来研究气体喷吹方式对脱碳速率的影响。
RH脱碳反应在真空室内进行，因此，从真空室内直接取样分析脱碳反应行为更加准确。一些日本学者设计了特殊取样装置，在真空室反应器内的不同位置取样分析不同位置处的脱碳反应行为。结果表明反应主要在熔池内部和真空室钢液表面进行，而上升管中熔融钢液和真空室中的悬空液滴不是主要反应区域。高碳时，反应在熔池内部进行；低碳时，反应主要发生在钢液表面，所以反应速率降低。
2.2 脱碳机理模型
M.Takahashi等在比较了模拟和操作结果的基础上，提出了基于脱碳机理的脱碳模型。脱碳反应的区域考虑了Ar气泡、CO气泡和自由表面以及大包和真空室中碳含量的不同。在机理模型模拟结果的基础上，提出了提高脱碳速率和增大有效循环流量的措施：降低真空室中的压力；降低喷吹Ar气的位置；增大Ar气流量以及喷吹管的直径；增加氧含量。
2.3 动态脱碳模型
T.Kuwabara等提出了研究脱碳过程的动态模型，考虑了以下几个方面：钢液循环流动的影响、真空室压力的调节以及真空室压力对碳平衡含量的影响、脱碳反应的作用和大包渣中的回氧，研究了钢液中碳含量和氧含量在RH处理过程中随时间的变化。
2.4 RH反应器内流动行为的研究
RH处理过程实际上是通过钢包与真空槽之间的循环流动来进行的，RH反应器内的流动行为直接影响着精炼的能力和效果，因此，认识和掌握反应器内的流动规律及对脱碳过程的影响，对整个工艺的设计和优化起着举足轻重的作用。但要在现场研究其流动规律几乎不可能，为此，有些研究人员采用数学模拟的方法开展研究。Shirabe K.等，KatoY.等计算了RH装置中钢包内的流场。
3 RH精炼技术研究的不足
这些几十年的研究成果，无疑对提高RH过程的认识和操作水平及新工艺的开发起着很重要的作用。RH脱气精炼是一个相当复杂的过程，尽管研究人员已对RH的脱碳机理、RH钢包内的流动行为、流动对脱碳速度的影响、真空槽内的脱氮、脱碳的数学模型等进行了大量的研究，取得了一些有重要价值的研究成果，但仍有许多问题和现象有待于进一步的深入研究。
(1)在循环流量的研究方面，T.Kuwabara等和K.One等提出的循环流量的经验式只有部分结果在实际操作中得到证实，如：增大浸渍管直径，循环流量将增加。但从实际情况来看，并不是喷吹气体增加，循环流量就会随之增加，而且经验方程式的物理意义也不明确。
(2)多数研究人员在研究循环流量时都采用示踪剂法，并没有考虑浸渍管内流体的速度分布和湍流行为，对在低压条件下气泡行为的研究却很少，而这些往往对RH反应器的设计和操作优化起着至关重要的作用。
(3)宏观脱碳模型的研究，虽然在机理上有较大的突破，但由于模型将RH反应器内的流动假设成理想流动，并不能准确模拟反应器内的混合现象，而且多数的模型还仅仅停留在静态的基础上，因此，还很难对实际脱碳过程进行准确地预测。
(4)动态脱碳模型的不足在于考虑脱氧反应的区域不全面，仅仅考虑了上升管处Ar气泡的脱碳、去气作用，而对于其他发生脱碳反应的区域未予考虑；没有研究钢液中其他元素的含量在RH处理过程中随时间的变化。
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