CN101245404B - 一种铁水精炼过程中气泡细化及其弥散化方法 - Google Patents

Abstract

本发明一种铁水精炼过程中气泡细化及其弥散化方法，涉及一种提高铁水精炼反应效率的方法，属于钢铁冶金技术领域。其特征在于：将搅拌桨设置在偏离容器中心的位置，并在中空的搅拌桨下部安装喷气水口或使用喷枪插入铁水中并喷入气体，喷出的气体在搅拌桨周围受到强烈的剪切力作用而被破碎细化，而且，由于搅拌桨的偏心搅拌作用，在铁水全域内形成回转流、循环流和涡流，将已经细化的气泡进一步弥散化，通过这种方法，使气泡在铁水内的滞留时间延长，提高喷吹气体和熔融铁水的接触反应效率。本发明的目的在于解决铁水精炼过程中气泡不能持续的细化和弥散到整个金属熔体中，导致精炼反应效率下降、生产成本提高等这方面所存在的问题。

Description

一种铁水精炼过程中气泡细化及其弥散化方法 

一、技术领域：

本发明涉及一种铁水预处理的方法，尤其涉及一种提高铁水精炼反应效率的方法，属于钢铁冶金技术领域。 

二、背景技术：

在金属精炼领域，经常使用气体喷吹技术。气体喷吹法一般用来混合金属熔体，包括夹杂物去除在内的金属精炼以及促进渣和金属间反应等。特别是利用喷吹进行金属精炼的场合，向金属熔体中喷吹气体可以有效增加反应界面的面积。但是，利用气体喷吹的精炼效率一般都较低。其原因在于，精炼过程中从少数出气口喷出大量气体时，会生成大气泡并集中于局部地方，造成气泡上升速度很大，很快就从金属熔体中溢出。 

在化学工业中，为了细化吹入的气泡，开发了许多精巧的气体喷吹装置，以提高气液间的接触效率。然而，在高温的金属精炼过程中，由于需要使用耐火材料，制作形状复杂的气体喷吹装置是困难的。而且，由于精炼过程会造成耐火材料烧损，引发材料变形。因此，在金属精炼领域，无法采用化学工业中经常采用的精巧的气体喷吹装置。 

作为简单的细化液体中气泡的方法，机械搅拌经常被采用。但是，由于搅拌桨的持续搅拌会形成稳定的回旋流，在搅拌桨的周围形成倒锥状的漩涡。喷吹进液体的气泡会在漩涡附近而无法分散到整个液体中，难以被细化而很快从液体中溢出造成气液间的接触反应，效率低下。因此，在机械搅拌的同时，往往在容器壁上安装挡板避免形成稳定的回旋流，通过利用液体中强烈的涡流达到气泡细化的目的。但是，在高温的金属精炼过程中，挡板的设置和维修将导致生产费用的大幅增加。 

由于上述种种弊端，利用机械搅拌的气体喷吹精炼过程的例子非常少。作为其中之一的成功例是利用高速旋转水口的溶铝的气体喷吹精炼法，在这种方法中，强烈的剪切力使从旋转水口半径方向喷出的气体发生细化。而且，由于 搅拌桨尺寸不是很大，难以形成强大的回转流，有利于气泡在整个金属熔体中弥散分布。除此之外，还有在高速搅拌桨上部设置圆板促进气泡细化的方法。在这种情况下由于搅拌桨很小，所需要的搅拌动力也很少，气泡的细化是由于从旋转桨上部的圆盘周围喷出的气体受到剪断力的作用所致。另一方面，利用搅拌桨的正反转，即可以细化气泡，还可以抑制液体金属表面波动，有效防止了氧化物的卷入，获得了洁净的Al液。 

在铁水精炼领域，利用旋转的搅拌浆型喷吹装置，采用正反转或者旋转/停止的方法提高精炼效率的方法也曾引起重视。但是由于搅拌桨强度问题，无法进行强烈搅拌，而且由于高温的缘故，无法达到和铝液相同的旋转速度。因此，为进一步细化气泡并促进其弥散分布，有必要改善现有技术。 

三、发明内容：

1、发明目的：本发明提供了一种铁水精炼过程中气泡细化及其弥散化方法，其目的在于解决铁水精炼过程中气泡不能持续的细化和弥散到整个金属熔体中，导致精炼反应效率下降、生产成本提高等这方面所存在的问题。 

2、技术方案：本发明是通过以下技术方案来实现的： 

一种铁水精炼过程中气泡细化及其弥散化方法，其特征在于：将搅拌桨设置在偏离容器中心的位置并使其转动；为防止在搅拌桨周围形成倒锥状的漩涡，将装有出气口的喷枪插入铁水中并喷入气体，喷出的气体在搅拌桨周围受到强烈的剪切力作用而被破碎细化，而且，由于搅拌桨的偏心搅拌作用，在铁水全域内形成回转流、循环流和涡流，将已经细化的气泡进一步弥散化，防止气泡碰撞长大；通过这种方法，使气泡在铁水内的滞留时间延长，提高喷吹气体和熔融铁水的接触反应效率。 

一种铁水精炼过程中气泡细化及其弥散化方法，其特征在于：将搅拌桨设置在偏离容器中心的位置并使其转动；为防止在搅拌桨周围形成倒锥状的漩涡，并在中空的搅拌桨下部安装喷气水口，喷出的气体在搅拌桨周围受到强烈的剪切力作用而被破碎细化。而且，由于搅拌桨的偏心搅拌作用，在铁水精炼炉内形成回转流、循环流和涡流，将已经细化的气泡进一步弥散化，防止气泡碰撞长大；通过这种方法，使气泡在铁水内的滞留时间延长，提高喷吹气体和熔融铁水的接触反应效率。

机械搅拌的参数是：搅拌桨长为容器直径的1/8～1/2，搅拌桨中心的位置为容器中心1/8～3/8容器直径的距离，搅拌桨的旋转速度为70～200rpm，搅拌浆的插入深度为溶池高度的1/4～3/4。 

气体的喷吹流量与搅拌桨的旋转速度配合，粉碎铁水中的气泡，使气泡的直径在1～2cm范围内。 

为进一步提高金属熔体特别是搅拌浆下方的气泡细化和弥散分布效果，采用装有出气口的喷枪插入铁水中喷吹气体时，喷枪出气口和搅拌浆中心呈±60°的范围内，或者喷枪出气口位于搅拌浆下方。 

3、优点及效果： 

(1)、可以采用单口等简单的气体喷吹装置。 

(2)、不在容器壁上设置挡板，气泡的细化也是可能的。 

(3)、由于单向搅拌也可以达到气泡细化的目的，可以有效降低搅拌动力和搅拌桨强度。 

(4)、由于机械搅拌作用在金属熔体内形成的回转流和循环流等复杂的宏观流动以及微观的涡流可以使铁水中的气泡细化并使其弥散分布。 

(5)、由于气泡细化和弥散分布，有效抑制了铁水表面的扰动，即使气体流量很大时也可以减少金属飞溅，从而减少容器的高度。 

(6)在金属精炼过程中采用本方法进行气泡细化及其弥散化，可以使Mg喷吹铁水脱硫、惰性气体喷吹钢水脱气以及夹杂物去除的效率获得显著提高。 

四、具体实施方式：

在以往的气体喷吹铁水精炼过程中，无法使气泡细化和弥散分布造成精炼效率低下的原因有以下几个方面。 

1)喷吹气体流量非常大，金属熔体内生成的气泡很大。 

2)由于处理温度非常高，并且使用耐火材料，无法使用复杂精巧的气体喷吹装置。 

3)尽管精炼装置非常庞大气体喷出口却很少，生成的大气泡只存在于金属熔体局部，气泡上升速度很快导致其在金属熔体内的滞留时间相应很短。 

为了使喷吹气体在整个金属熔体范围内弥散分布，需要在金属熔体内形成回漩流、循环流和放射流等宏观流动。为了使分散后的气泡发生细化，强烈的微观涡流是必要的。由于单向机械搅拌所需的搅拌力较少，对搅拌桨的强度要求也较低，是理想的搅拌方法。但是，如果单向搅拌时不在容器壁上设置挡板，会在金属熔体内形成强烈的回漩流，由于离心力和气液密度差的缘故，气泡会向回漩流的中心轴集中。因此，气泡无法在金属熔体内弥散分布，也无法细化。因此，如果采用单向搅拌而不在容器壁上设置挡板，到目前为止是无法使气泡细化并均匀地分散于金属熔体中的。 

另一方面，通过改变搅拌桨的回转方式，使之进行正反转或者转动/停止操作，也可以在金属熔体中形成强烈的微观涡流而细化气泡，如果搅拌桨的长度足够大，气泡在金属熔体内的弥散分布的效果也可能达成。然而，当采用上述旋转方式时，需要的搅拌动力很大而且对搅拌桨强度要求也很高，设备费及其运行费用都会增加，在实际生产中是难以采用。 

本发明将提出一种新型高效的喷吹精炼技术。搅拌桨单向旋转而且不在容器壁上设置挡板，使吹入铁水中的气泡弥散分布并在金属熔体内弥散分布，从而延长气泡在金属熔体内的滞留时间延长。 

本发明所涉及的是机械搅拌，搅拌桨并不设置在容器中心部位而偏离中心。当增加搅拌桨的转数时，漩涡的形成位置将在搅拌桨周围以外而非中心位置。因而在金属熔体内形成了回转流、循环流等宏观流动和涡流等微观流动。这种微观涡流可以促进气泡细化，宏观流动可以使细化后的气泡在金属熔体内均匀分布。 

喷气方法可以采用在搅拌桨下部设置出气口或者直接在金属熔体内设置喷枪。而且，喷枪的位置应使喷吹气体可以随宏观流动和搅拌桨发生碰撞。大气泡在和搅拌桨碰撞以及乱流作用下首先发生分裂。分裂后的气泡随着宏观流动分散到整个金属熔体中并在微观涡流作用下进一步细化。而且，由于气泡在金属熔体内弥散分布可以有效防止气泡间的碰撞合体长大。气泡细化和弥散分布的结果将增加气泡在金属熔体内的停留时间。另一方面，不进行气体喷吹时，由于搅拌桨的回转会在金属熔体内形成漩涡。进行气体喷吹时，气体上升的结 果使漩涡基本消失。这种气泡细化和漩涡消失的结果使金属熔体表面几乎没有扰动，即使气体流量很大，也可以抑制金属飞溅。 

以下为从搅拌桨前端水口进行气体喷吹的实例。 

实施例1：当气体喷吹、无偏心搅拌时，进入液体中的气体迅速长大并上升。 

实施例2：当无气体喷吹、偏心搅拌时，会在液体中偏离中心的位置形成漩涡。 

实施例3：当气体喷吹、中心搅拌时，开始时气泡被显著细化并在金属液中弥散分布；但经过一段时间后，由于向心力和气液密度差的原因，气体全部被挤向搅拌浆附近并迅速长大上升。 

实施例4：当气体喷吹、偏心搅拌时，气泡始终被显著细化并弥散分布于液体中，见实质审查请求书的附件照片1。而且，当搅拌浆浸入深度较浅时，搅拌桨下部气体分散效果不明显，浸入深度应越深越好。 

实施例5：搅拌桨长为容器直径的1/8～1/2，搅拌桨中心的位置为容器中心1/8～3/8容器直径的距离，能够获得较好的实施效果，但搅拌桨长为容器直径1/4左右、进行气体喷吹并偏心搅拌时，不仅气泡始终被显著细化并弥散分布于整个金属熔体中，而且金属熔体表面也几乎没有扰动，不会引起金属飞溅，并减少设备材料和生产成本。 

以下为从喷枪进行气体喷吹的实例。 

实施例6：当通过喷枪向液体中喷气时，在偏心搅拌形成的漩涡的作用下，气体被显著细化并被弥散分布于整个液体中，见实质审查请求书的附件照片2。取得的结果和搅拌桨前端水口进行气体喷吹时效果相当。 

实施例7：关于喷枪出气口和搅拌浆中心呈±60°的范围内的实验说明。 

喷枪出气口位于搅拌桨的一侧，喷枪出气口与搅拌桨中心和喷枪中心的连线形成一定的角度，脱硫的效果是不一样的，角度在±60°的范围内，存在最佳值。 

实施例8：喷枪出气口位于搅拌浆下方的实验结果，能够解决搅拌桨下方的气泡细化及弥散分布，从而进一步提高脱硫效果。 

实施例9：NaOH水溶液中CO₂的吸收速度实验： 

当朝NaOH水溶液中喷吹CO₂时，分别采用无搅拌、中心搅拌和偏心搅拌的方法，考察了偏心搅拌前后NaOH水溶液中CO₂的吸收速度变化。实验表明，无搅拌比中心搅拌时，CO₂的吸收速度快，CO₂的利用率高；但对溶液实施偏心搅拌时，CO₂的吸收速度和CO₂的利用率可分别提高三倍以上。 

实施例10：铁水中Mg脱硫实验： 

当铁水中的S浓度较高时，用喷镁的方法进行铁水脱硫的效率很高。为说明机械搅拌情况下气泡细化对脱硫效果的影响，本实施例对不同S浓度的铁水脱硫效果进行了实验。实验中，将500kg炭饱和铁放入MgO坩锅中，用高频感应加热至1400℃，使之充分溶解。坩锅直径约为43cm，铁水深度为約50cm。搅拌浆采用石墨制，除搅拌浆厚度有所增大外，其构造和水模型实验基本一致。搅拌浆转速为120rpm。为了便于比较，也进行了不实施搅拌的脱硫实验。通过施加FeS，使S的初始浓度为50ppm。在实验过程中，铁水表面覆盖有石墨和CaO粉末，防止环境中的氧气造成脱硫生成物的氧化。作为脱硫剂的Mg粉和作为输送气体的N₂一起由搅拌浆前端吹入。铁水表面距搅拌浆前端的距离为30cm。在10分钟的时间内分别输入Mg粉50和100g，N₂流量分别为2.8和1.1m³/h(1673K)，总气体流量为4.5m³/h(1673K)。实验表明，当S浓度较低时，气泡半径为5cm时，脱硫效率低于10％(使用镁粉100g，S浓度降到32ppm)，当气泡直径为1～2cm时，脱硫效率可以提高至20～40％(使用镁粉50g，S浓度降到7ppm)。 

Claims (3)

1.一种铁水精炼过程中气泡细化及其弥散化方法，其特征在于：将搅拌桨设置在偏离容器中心的位置并使其转动；为防止在搅拌桨周围形成倒锥状的漩涡，将装有出气口的喷枪插入铁水中并喷入气体，喷出的气体在搅拌桨周围受到强烈的剪切力作用而被破碎细化；而且，由于搅拌桨的偏心搅拌作用，在铁水全域内形成回转流、循环流和涡流，将已经细化的气泡进一步弥散化，防止气泡碰撞长大；通过这种方法，使气泡在铁水内的滞留时间延长，提高喷吹气体和熔融铁水的接触反应效率；

或将搅拌桨设置在偏离容器中心的位置并使其转动；为防止在搅拌桨周围形成倒锥状的漩涡，并在中空的搅拌桨下部安装喷气水口，喷出的气体在搅拌桨周围受到强烈的剪切力作用而被破碎细化；而且，由于搅拌桨的偏心搅拌作用，在铁水全域内形成回转流、循环流和涡流，将已经细化的气泡进一步弥散化，防止气泡碰撞长大；通过这种方法，使气泡在铁水内的滞留时间延长，提高喷吹气体和熔融铁水的接触反应效率；

机械搅拌的参数是：搅拌桨长为容器直径的1/8～1/2，搅拌桨中心的位置为容器中心1/8～3/8容器直径的距离，搅拌桨的旋转速度为70～200rpm，搅拌浆的插入深度为溶池高度的1/4～3/4；

气体的喷吹流量与搅拌桨的旋转速度配合，粉碎铁水中的气泡，使气泡的直径在1～2cm范围内。

2.根据权利要求1所述的一种铁水精炼过程中气泡细化及其弥散化方法，其特征在于喷枪出气口和搅拌浆中心呈±60°的范围内。

3.根据权利要求1所述的一种铁水精炼过程中气泡细化及其弥散化方法，其特征在于喷枪出气口位于搅拌浆下方。