实验十六 真空脱气精炼过程的物理模拟实验
1 实验目的
(1)学会物理模型的实验方法
(2)了解RH 精炼装置的工作原理、流动和混合特征 (3)考察操作参数对RH 真空精炼过程的影响
2 实验原理
为了获得纯净钢和超低碳钢，必须对钢水进行真空处理，RH 精炼技术就是其中之一。

它是1957年由德国Ruhrstahl 和Heraus 公司共同设计，1959年正式投入工业应用的。

80年代以来，日本的研究人员对此技术进行开发，产生了RH-OB ，RH-KTB ，RH-PB 等新技术。

RH 主体设备是一个真空槽，槽内下部有上升管和下降管，插入大包钢液中，在真空槽内抽真空，并在上升管中通入.提升氩气，由于气泡浮力的作用，上升管中与氩气混合的钢液向上流动进入真空槽，在槽内发生脱碳反应和脱气反应，然后在重力作用下从下降管流回大包，如此反复，形成连续的循环。

因此，不难理解，RH 装置中上升管的直径，喷吹提升氩气的方式和气量，真空度以及真空槽内钢液的深度等均将对RH 装置内的循环流量亦脱气行为产生影响。

本实验的重点将利用物理模型考察RH 装置内的流动特征及操作参数和对脱气行为的影响。

(1)相似准则
为了能经济、实效地研究操作参数对脱气过程的影响，根据120t 实际钢液，确定物理模型的几何相似比为1:3，物理模型由有机玻璃制作。

考虑到RH 装置内的湍流流动，在动力相似准数的选择上，选用弗鲁德准数：
gD
u Fr 2
=
(1)
式中u 为特征速度（可指下降管的平均流速），D 为下降管的直径。

特征速度可由下式给出：
2
4D Q
u π=
(2) 式中Q 为钢液体积流量（m 3/s ） (2)实验参数的确定
根据下降的弗鲁德数相等来确定模型中提升气体流量:
1,25
1,2
2)()(P m P m Q Q gD
u gD u λ=⇒= (3)
式中m 代表模型，p 代表原型，λ为几何比。

根据Kuwabara 提出的循环流量的经验式：
3
134,31
,1,ln 9.1m vac h up
m gas
m m P P D
Q
Q ⎪
⎪⎭⎫ ⎝
⎛∙= (4)
3
134,31,1,ln 06.1p
vac h
up
p gas
p p P
P D
Q
Q ⎪⎪⎭⎫ ⎝
⎛∙= (5)
式中均为国际单位，P h ＝P vac ＋ρ1gh ，h 为真空室液面至喷吹气量点的距离。

将上两式代入（3），即可确定 Q m ，g 与 Q p ，g 之间的关系，以此可确定实验时提升的气量。

3 实验装置
(1)设备
真空泵一台；电导率仪一台；钢包模型一个；真空室模型一个；氮气瓶一个；流量计4个；数据采集仪一台，计算机一台。

(2)实验装置
图1 RH 钢液真空处理冷态模拟实验装置示意图
RH钢液真空处理冷态模拟实验装置示意图见图1。

4 实验步骤
4.1准备
（1）配浓度为200g/1000ml NaCl 溶液作为示踪剂用。

（2）打开计算机，运行RH真空实验数据采集与处理控制系统软件，输入文件名。

（3）检查真空泵油位是否在油标2/3处，如果油位偏低，加入真空泵油（清洁的1号真空泵油）到油标2/3处。

（4）打开真空泵排气孔盖子。

（5）打开氮气瓶的出气总阀。

（6）合上电导率仪电源开关。

（7）合上物理模拟实验数据采集仪电源开关。

4.2实验及测定
（1）打开钢包进水阀门，让水流入钢包中。

当钢包中的水面上升到实验高度（标记处）时，关闭进水阀门。

（2）打开氮气瓶的减压阀，并调整该阀门使氮气出口压力为0.10MPa。

打开氮气的流量计，送入一定量的（每个流量计可采用0.05、0.1、0.15、0.2 Nm3/h的流量）提升气体。

在软件的实验条件中输入提升气体总流量。

（3）合上真空泵三相电源开关，对真空室抽真空。

当达到一定的真空度时，可以看到水被抽入到真空室中，且从上水管（有提升气体）流入到真空室，从下降管流入到钢包。

（4）调整真空室抽气阀门，使真空室的液面达到实验液面（标记处）。

当真空室液面过高时，关小真空室抽气阀门；当真空室液面过低时，开大真空室抽气阀门。

（5）当达到稳定态后，加入200g/1000ml浓度的NaCl溶液示踪剂，同时点击数据采集记录软件“运行”画面上的“开始”按钮，记录示踪剂浓度随时间的变化。

（6）当示踪剂浓度不再发生变化时，点击数据采集记录软件“运行”画面上的“停止”按钮。

（7）实验结束，先关闭真空泵三相开关，后关闭氮气瓶减压阀门，打开真空泵进气阀，破坏真空，使真空室的水流回钢包。

（8）对于教师专用版软件，点击“计算”按钮，计算得到混匀时间。

对于学生版专用软件，无此计算功能。

（9）点击软件上的“保存”按钮，将示踪剂浓度随时间变化的数据保存到文件中。

该文件以输入的文件名命名，保存在软件所在目录下的“Data”文件夹中。

4.3 注意事项
（1） 启动真空泵前，一定要检查真空泵油位是否正常，真空泵排气孔盖子是否打开。

（2） 在实验中，要注意真空室液面不能超过临界液面，以防止水被抽出真空室。

如果真
空室的液面过高时，可立即关闭真空室抽气阀和断开真空泵电源。

5 混匀时间计算
学生版的软件无混匀时间计算功能，可以根据软件记录的数据文件中的数据，按照以下方法编程或用Excel 软件自己计算。

时间/s
图2 实验测定的示踪剂浓度随时间的变化
实验测定的示踪剂浓度随时间的变化曲线如图1所示，在完全混匀时，示踪剂平均浓度的信号值为1mV ，如果定义达到完全混匀时示踪剂平均浓度的95%所需要的时间为混匀时间，则当示踪剂浓度进入到其平均值的±5%的范围且不再超出，这时所对应的时间就是所定义的混匀时间。

按此定义，在图1中过y 1=1+(1-95%)=1+0.05=1.05 mV 处作一条水平线；过y 2=1-(1-95%)=1-0.05=0.95 mV 处作一条水平线。

找出混匀曲线与这两条水平线相交点的最大时间，即为实验的混匀时间。

图1所示的混匀时间为14.5 s 。

6 编写报告
（1） 简述实验基本原理。

（2） 记录实验条件、数据。

（3） 依据实验测定的数据绘制使示踪剂浓度电压信号毫伏值与时间的关系曲线，并根据
混匀时间的定义（95％的混合度）给出每一条件下的混匀时间。

（4） 讨论操作条件对RH 精炼过程混匀时间的影响。

示踪剂浓度电压信号/m V。