CN105452493A - 铁水精炼方法及其设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及铁水精炼设备及其方法，并且铁水精炼方法包括如下步骤：制备铁水；将叶轮浸入铁水；在铁水顶部上供给液态脱磷剂；以及通过转动叶轮搅拌铁水，其中在搅拌铁水的过程中经由叶轮的下部供给粉末态的固态脱磷剂，由此改善铁水的搅拌效果以及有效控制铁水中的磷浓度。

Description

铁水精炼方法及其设备

技术领域

本发明涉及熔融金属精炼方法及设备，更具体地，涉及能够有效地控制铁锰熔融金属中的磷浓度的熔融金属精炼方法及设备。

背景技术

通常，由于磷(P)作为杂质存在于钢中并且使钢材的品质劣化，例如导致高温脆性，所以除了特殊情况之外优选地减小钢中的磷(P)浓度。因此，执行用于去除铁锰熔融金属中的磷(P)的脱磷操作。

在制造铁锰的典型脱磷操作中，熔融金属被装载入桶，然后将叶轮(impeller)浸入熔融金属中，然后对熔融金属进行搅拌。在此，如图9所示，典型的叶轮20包括：沿竖直方向延伸的叶轮主体21；连接至叶轮主体21的下外周表面的多个叶片22；被形成为穿过所述多个叶片22中的每一个的吹嘴23；供给管24，供给管24被形成为穿过叶轮主体21和叶片22的内部中心，并且将脱磷剂和气体供给至吹嘴23；以及连接至叶轮主体21的上端的法兰25。法兰25还连接至提供转动动力的驱动部(未示出)。

根据该叶轮20的操作的搅拌流将简单地描述如下。如图9所示，通过叶片22的转动而产生的搅拌流(实线箭头)沿朝着桶10的内壁的方向产生，然后与内壁碰撞，然后沿着桶10的内壁被分离为朝上方向和朝下方向流动。然而，从吹嘴23排出的脱磷剂和气体的流(该流沿着叶片22和叶轮主体21的外周上升)与通过叶片22的转动与桶10的内壁碰撞、然后上升、然后下降的流碰撞。另外，脱磷剂和气体的流(该流沿着叶片22和叶轮主体21的外周上升然后沿着桶10的内壁下降)与通过叶片22的转动产生并且沿着桶10的内壁上升的搅拌流碰撞。搅拌力被这些流的碰撞抵消。因此，熔融金属与脱磷剂之间的反应速率降低并且引起脱磷速率的降低。

因而，存在如下局限：操作者不容易将磷(P)去除直至期望的磷浓度，以及将磷(P)去除直至目标值耗费时间长。

另外，存在如下局限：由于室温下的固相脱磷剂被投入熔融金属，所以熔融金属的温度降低，由此降低了脱磷效果并且在后续过程中需要升高熔融金属的温度的升温过程。

发明内容

技术问题

为了解决前述问题，本发明提供了能够通过提高熔融金属的搅拌效率来改善引入熔融金属中的脱磷剂的分散性能的熔融金属精炼方法及设备。

本发明还提供了能够有效地控制熔融金属中的磷(P)浓度的熔融金属精炼方法及设备。

本发明还提供了能够通过抑制熔融金属的温度降低而提高脱磷效率的熔融金属精炼方法及设备。

技术方案

根据一个示例性实施方案，用于对熔融金属进行精炼的熔融金属精炼设备包括：在装载有熔融金属的桶上方的沿竖直方向延伸的叶轮；以及布置在桶上方的液态脱磷剂供给部，以向熔融金属的顶部供给熔融态的液态脱磷剂，其中叶轮包括：叶轮主体；设置在叶轮主体的上外周表面上的叶片；供给管，供给管沿着叶轮主体的纵长方向布置在叶轮主体内，并且经由供给管供给粉末态的固态脱磷剂和输送气体；以及部分地穿过叶轮主体的下部并且与供给管连通的吹嘴。

叶片可以被定位在熔融金属的总深度的大约中点之上；吹嘴可以被定位在熔融金属的总深度的大约中点之下。

叶片可以被布置在距熔融金属的熔融金属表面相对于熔融金属的总深度为约10％至约30％的区域内。

液态脱磷剂供给部可以连接至排出管，所述排出管设置有加热器以加热液态脱磷剂。

叶片可以具有形成为大于下部宽度的上部宽度。

叶片的上部宽度可以被形成为比叶片的下部宽度大上部宽度的总长度的约5％至约20％。

叶片可以被形成为具有为桶的内径的约35％至约45％的宽度。

叶片可以被设置成多个并且绕叶轮主体彼此隔开，并且在面对相邻叶片的至少一个侧表面上可以形成倾斜表面。

叶片的一个侧表面可以被形成为相对于叶片的上表面成约10°至约30°的角度。

根据一个示例性实施方案，精炼熔融金属的方法包括：制备熔融金属；将叶轮浸入熔融金属中；将液态脱磷剂供给至熔融金属的上部；以及通过转动叶轮搅拌熔融金属，其中在搅拌熔融金属期间经由叶轮的下部供给粉末态的固态脱磷剂。

在浸入叶轮之前可以去除先前过程所生成的渣。

在浸入叶轮时，叶轮的叶片可以被布置在熔融金属的总深度的大约中点之上；叶轮的吹嘴可以被布置在熔融金属的总深度的大约中点之下。

叶轮的叶片可以被布置在距熔融金属的熔融金属表面为约10％至约30％的区域内。

搅拌可以包括搅拌熔融金属使得由叶轮的叶片所产生的熔融金属的搅拌流的方向与由吹入熔融金属中的固态脱磷剂所产生的熔融金属的搅拌流的方向一致。

由叶片产生的搅拌流可以沿被分离为朝上方向和朝下方向流动，并且来自叶片的沿朝下方向的熔融金属的搅拌流的区域可以大于来自叶片的沿朝上方向的熔融金属的搅拌流的区域。

供给至熔融金属的液态脱磷剂相对于液态脱磷剂和固态脱磷剂的总重量占约50wt％至约70wt％。

在供给固态脱磷剂时，可以与固态脱磷剂一起供给惰性气体。

在搅拌熔融金属之后可以去除渣。

有益效果

根据本发明的一个实施方案的熔融金属精炼方法及设备可以通过借助将叶片和吹嘴设置成彼此分开成分别至熔融金属的上部和下部来改善被引入熔融金属中的脱磷剂的分散性能来提高脱磷效率。也就是说，将液态脱磷剂引入容纳在桶中的熔融金属的上部，通过使用布置在熔融金属的上部中的包括叶片的叶轮来搅拌熔融金属，并且经由在叶轮的下部中的吹嘴注入固态脱磷剂和输送气体，使得通过叶片产生的搅拌流与经由吹嘴吹入熔融金属的物质的搅拌流彼此一致并且两个流彼此结合，由此提高整体搅拌动力。因而，与现有技术相比，提高了使用叶轮的搅拌效率，由此增加了熔融金属与脱磷剂之间的反应速率，从而提高了精炼效率。

另外，熔融金属的温度降低通过引入液态脱磷剂而被抑制，从而可以进一步提高脱磷效率。

附图说明

图1是示出根据本发明的一个实施方案的熔融金属精炼设备的示意性构造的视图。

图2是示意性示出叶轮的结构的截面图。

图3是叶片的底视图。

图4是示出吹嘴的结构的截面图。

图5是顺序示出根据本发明的一个实施方案的熔融金属精炼方法的流程图。

图6是示出通过使用根据本发明的一个实施方案的熔融金属精炼设备及其方法来优化脱磷过程的实验结果的图。

图7是示出根据引入脱磷剂的方法和叶片位置的搅拌效果的图。

图8是示出反应效率随各搅拌方法的时间变化的图表。

图9是示出根据现有技术的熔融金属精炼设备的示意性构造的视图。

具体实施方式

在下文中，将参照附图更详细地描述实施方案。然而，本公开内容可以表现为不同形式而且不应被解释为限于本文中所述的实施方案。而是，提供这些实施方案使得本公开内容将是彻底和完备的，并且向本领域技术人员充分传达本公开内容的范围。在附图中，相同的附图标记始终指代相同的元件。

首先，本发明涉及能够通过在熔融金属中掺混添加剂来控制熔融金属中所含有的元素例如硫(S)和磷(P)的浓度的熔融金属精炼设备及其方法。在下文中，将描述用于通过将脱磷剂掺混至从电炉产生的熔融金属中来控制熔融金属中所含的磷(P)的浓度的设备及方法，但本发明不限于此，而且根据操作条件，熔融金属中所含的各种元素的浓度可以通过将各种物质掺混至熔融金属中来控制。也就是说，在本发明的一个实施方案中，为了控制熔融金属中的磷浓度，从熔融金属的顶部引入液态脱磷剂，将固态脱磷剂投入熔融金属，并且对熔融金属进行搅拌，使得可以改善液态脱磷剂和固态脱磷剂在熔融金属中的分散效率。因而，熔融金属的温度降低被抑制以提高磷组分与脱磷剂之间的反应效率，使得可以得到高品质熔融金属。

在下文中，将参照附图详细地描述本发明。

图1是示出根据本发明的一个实施方案的熔融金属精炼设备的示意性构造的视图。

参照图1，根据本发明的一个实施方案的熔融金属精炼设备包括：布置在桶100上方可沿竖直方向移动的叶轮200，桶100容纳熔融金属和渣，并且在桶100中形成固态脱磷剂的移动路径；以及布置在桶100上方的液态脱磷剂供给部300，液态脱磷剂供给部300从装载在桶100中的熔融金属的顶部注入液态脱磷剂。熔融金属精炼设备可以通过在经由液态脱磷剂供给部300将液态脱磷剂供给至装载在桶100中的熔融金属的上部以及经由叶轮将粉末态的固态脱磷剂供给至熔融金属的同时搅拌熔融金属来控制熔融金属中的磷浓度。

图2是示意性示出叶轮的结构的截面图；图3是叶片的底视图；以及图4是示出吹嘴的结构的截面图。

参照图2，叶轮200是对容纳在桶100中的熔融金属、以及被引入以用于精炼熔融金属的液态脱磷剂和固态脱磷剂进行搅拌的搅拌机。叶轮200包括：叶轮主体210；吹嘴230，吹嘴230布置在叶轮主体210的下部中并且吹入固态脱磷剂和输送气体；以及安装在叶轮主体210的外周上的多个叶片220。另外，叶轮200包括：连接至叶轮主体210的在所述多个叶片220上方的上端的法兰250；以及供给管240，供给管240被形成为沿竖直方向穿过叶轮主体210的内部并且将添加剂和气体供给至吹嘴230。该叶轮200可以与单独的驱动部(未示出)例如马达连接，该驱动部安装在桶100的外部并且提供转矩，并且有利地经由叶轮200的法兰250的上部连接至叶轮主体210。

叶轮主体210是叶轮200的转动轴或主轴，沿纵长方向或竖直方向延伸，并且可以被延伸成从熔融金属的表面浸入熔融金属的至少下部区域。更具体地，叶轮主体210的上端突出渣之外，而叶轮主体210的下端延伸至熔融金属的下部区域，从而叶轮主体210的下端可以被布置成邻近桶100的内部底表面。根据一个实施方案的叶轮主体210具有横截面为圆形的棒形状，但本发明不限于此，而是可以具有可容易转动的具有各种形状的横截面的任意棒形状。法兰250可以连接至叶轮主体210的上部，并且法兰250可以与提供转矩的驱动部(未示出)连接。因此，叶轮主体210通过驱动部的操作被转动，并且叶片220通过叶轮主体210的转动而一起转动。

供给管240与布置在叶轮主体210的下部中的吹嘴230连通，并且用作经由吹嘴230注入固态脱磷剂的移动路径。供给管240还可以被用作用于使固态脱磷剂移动并注入吹嘴230的输送气体的移动路径。另外，经由供给管240传输仅输送气体以从吹嘴230注入。

供给管240被形成为沿竖直方向穿过法兰250和叶轮主体210的内部。供给管240被形成为沿竖直方向穿过叶轮主体210的内部。根据一个实施方案的供给管240具有通过加工法兰250和叶轮主体210的内部而形成的孔形状，但本发明不限于此，并且供给管240可以具有如下结构，在该结构中空管插入法兰250和叶轮主体210。该供给管240的上端可以连接至分别存储粉末态的固态脱磷剂和输送气体的罐，并且该供给管240的下端与布置在叶轮主体210的下部中的吹嘴230连通。在此，供给管240的内截面面积可以被形成为等于或几乎类似于与供给管240连接的吹嘴230的内截面面积。也就是说，虽然多个吹嘴230可以与供给管240连通，但是在供给管240的截面面积与吹嘴230的截面面积相比过小的情况下，固态脱磷剂不能容易地传输，或者经由所述多个吹嘴230排出的固态脱磷剂的量由于小的传输量而不足；在供给管240的截面面积与吹嘴230的截面面积相比过大的情况下，固态脱磷剂被传输过多，从而固态脱磷剂不能容易地经由吹嘴230排出。

吹嘴230将固态脱磷剂和输送气体吹入熔融金属中。吹嘴230布置在叶轮主体210的下部中，并且将吹嘴230与布置在叶轮主体210的上部中的叶片220最大限度地隔开是有效果的。因此，在该实施方案中，吹嘴230被安装成邻近桶100的内底表面，并且叶片220被安装成邻近熔融金属的表面。换言之，吹嘴230被单独地配置成与叶片220分开，并且被定位在容纳在桶100中的熔融金属的下部区域中。

另外，吹嘴230有利地形成为沿与叶轮主体210的延伸方向(沿竖直方向延伸)相交的方向。根据实施方案的吹嘴230被形成为沿叶轮主体210的侧向方向延伸，以及被形成为沿供给管240四周的多个方向分岔，该供给管240穿过叶轮主体210的内中央部。分岔的吹嘴230的数目可以为与所述多个叶片220的数目对应的数目，或者可以小于或大于叶片220的数目。根据实施方案的吹嘴230具有通过加工叶轮主体210的内部而形成的形状并且沿供给管240四周的侧向方向分岔，但本发明不限于此，吹嘴230可以具有下述结构，在该结构中细的中空管插入叶轮主体210的下部中。

如图4A所示，吹嘴230a可以被形成为沿横穿供给管240即垂直于供给管240的方向，吹嘴230a还可以沿水平方向将固态脱磷剂注入熔融金属。另外，如图4B所示，吹嘴230b被形成为朝下倾斜，使得经由供给管240传输的固态脱磷剂可以朝下倾斜地排出至熔融金属中。因而，从吹嘴230b排出的固态脱磷剂可以容易地分散至熔融金属的下部。

在此，经由供给管240传输并且经由吹嘴230注入的固态脱磷剂是用于去除熔融金属中的磷(P)组分的添加剂，并且可以包含具有粉末形状的BaCO₃、BaO、BaF₂、BaCl₂、CaO、CaF₂、NaCO₃、Li₂CO或NaF中的至少任一种。例如，固态脱磷剂可以基于BaCO₃-NaF。另外，经由供给管240传输并且经由吹嘴230注入的输送气体被提供以用于抑制或防止吹嘴230堵塞，输送气体可以是不与熔融金属或固态脱磷剂反应的惰性气体例如氩气(Ar)或氮气(N2)。

叶片220机械地搅拌装载在桶100中的熔融金属以分散或扩散引入熔融金属中的液态脱磷剂和固态脱磷剂。这些叶片220被布置在叶轮主体210的上部处以与吹嘴230隔开。也就是说，叶片220被定位成对应于容纳在桶100中的熔融金属的上部区域并且被单独地配置成与吹嘴230分开。例如，叶片220的上表面可以被布置成邻近熔融金属的表面。这些叶片220被提供成多个以连接至叶轮主体210的上外周表面，并且所述多个叶片220沿叶轮主体210的外周表面被等间隔隔开地布置。另外，为了使搅拌效率最大化，所述多个叶片220可以被布置成例如十字形的形状，其中叶轮主体210布置在叶片之间，并且所述多个叶片220可以布置成使得叶片220中的每一对均可以彼此面对地在叶轮主体210周围。

参照图3，叶片220中的每一个的上部宽度Wu可以被形成为大于下部宽度Wb(Wu>Wb)以便于形成从熔融金属的顶部至熔融金属的底部的熔融金属的流。在此，上部宽度Wu意指在叶片中的每个叶片的顶表面上从一侧至另一侧的长度，下部宽度Wb意指在叶片中的每个叶片的底表面上从一侧至另一侧的长度，并且宽度分别等于在叶片220转动时在叶片220的顶部和底部处形成的圆的直径。叶片220中的每一个叶片220的上部宽度Wu可以被形成为比下部宽度Wb大上部宽度的约5％至约20％，并且在此，下部宽度Wb大于叶轮主体210的直径D。另外，在叶片220中，面对连接至叶轮主体210的一侧的表面220a可以被形成为朝下倾斜。另外，在叶片220中，面对相邻叶片的侧表面220b可以被形成为朝下倾斜的表面。这实现了在叶片220转动时下推熔融金属的效果，使得熔融金属可以朝下流动。在此，形成在叶片220的侧表面处的倾斜表面可以形成在叶片220的两侧上，但可以仅形成在布置在叶轮200的转动方向上的侧表面上。叶片220的侧表面可以相对于叶片220的顶表面形成约10°至约30°的角。另外，在叶片220被浸入桶100中的熔融金属中的情况下，叶片220的宽度可以覆盖桶100的内径的约35％至约45％。

另外叶片220的高度可以被形成为长度为相对于叶片220的上部宽度的约25％至约35％。在叶片220的高度大于所建议的范围的情况下，叶片与熔融金属之间的接触面积增加，由此与搅拌效果相比增加了用于转动叶轮200的能耗。在叶片220的高度小于所建议的范围的情况下，存在如下局限：熔融金属的搅拌效率可能降低。

叶片220可以有利地形成为在叶轮200被浸入装载在桶100中的熔融金属内的情况下被定位在距熔融金属(不包括液态脱磷剂)的表面50％之内，并且更有利地形成为被定位在距熔融金属(不包括液态脱磷剂)的表面约10％至约30％的范围内。在用于处理熔融金属的方法中将再次对此进行描述。

如上所述，在本发明中，吹嘴230被定位在熔融金属的下部区域中，叶片220被单独地布置成定位在熔融金属的上部区域中，并且将叶片220和吹嘴230布置成被定位成彼此最大限度地隔开是有效果的。根据本发明的实施方案的吹嘴230和叶片220的安装位置将具体地描述如下。首先，为了便于描述，如图2所示，将容纳在桶100中的熔融金属的深度称为H(从桶100的内底表面至熔融金属的顶表面(熔融金属表面)的距离)。在此，吹嘴230被安装成定位在熔融金属的下部区域中深度小于熔融金属的相对于桶100的内底表面的深度H的大约中点(1/2H)处；并且叶片220被安装成定位在熔融金属的上部区域中深度大于熔融金属的深度H的大约中点处。更有利地，吹嘴230被安装成定位在在熔融金属的下部区域中深度小于熔融金属的相对于桶100的内底表面的深度H的大约3/10点处；并且叶片220被安装成定位在熔融金属的上部区域中深度大于熔融金属的深度H的大约7/10点处。在相对于容纳在桶100中的熔融金属的表面对此进行描述的情况下，叶片220定位在相对于熔融金属表面大约3/10点(沿邻近熔融金属表面的方向)内的区域中，并且吹嘴230定位在超过大约7/10点的区域(沿邻近桶100的底表面的方向)中。

如此，由于叶轮200的吹嘴230定位在熔融金属的下部区域中，而叶片220定位在吹嘴230的上侧，所以与现有技术相比搅拌效率可以提高。

在桶100上方设置液态脱磷剂供给部300以将高温液态脱磷剂供给至桶100中的熔融金属的顶部。液态脱磷剂供给部300设置有用以熔化固态脱磷剂的熔炉。液态脱磷剂供给部300可以设置有用于供给或阻止熔融液态脱磷剂以及调节供给量的开/关装置。开/关装置可以被实现为各种形式例如阀、阻挡器或滑动闸。

另外，可以将用于将从熔炉排出的高温状态的液态脱磷剂供给至熔融金属的排出管400连接至液态脱磷剂供给部300。排出管400可以设置有用于加热沿着排出管400的内部传输的液态脱磷剂的加热器(未示出)，并且还可以设置有抑制液态脱磷剂温度降低的隔热构件(未示出)。

如上所述，根据本发明的一个实施方案的熔融金属精炼设备在将高温液态脱磷剂供给至熔融金属的上部并且将固态脱磷剂排出至熔融金属中的同时搅拌熔融金属，从而可以抑制熔融金属的温度降低并且将脱磷剂快速地且均匀地分散在熔融金属中。因而，熔融金属中所含的磷组分容易控制，使得可以产生高品质熔融金属。

在下文中，将描述根据本发明的一个实施方案的熔融金属精炼方法。

图5是顺序示出根据本发明的一个实施方案的熔融金属精炼方法的流程图。

首先，将从电炉产生的铁锰熔融金属排出至桶100，然后通过桶炉装置进行加热，然后转移至脱磷车间。在脱磷车间中，提供用于搅拌熔融金属的叶轮和用于将脱磷剂掺混至熔融金属的液态脱磷剂供给部300。在此，在液态脱磷剂供给部300中，可以引入通过熔化固态脱磷剂而形成的脱磷剂。

在制备熔融金属时(S100)，去除在加热熔融金属的过程中生成的渣(LF渣)(S110)。

在去除渣之后，将设置在桶100上方的叶轮下降至浸入熔融金属(S120)。在此，为了防止形成在叶轮的下部中的吹嘴被堵塞，通过叶轮内部的供给管供给输送气体并且通过吹嘴230将其排出。

接下来，通过使用液态脱磷剂供给部300的开/关装置持续地排出熔炉中的液态脱磷剂，并且由此使其经由排出管400引入熔融金属的顶部(S130)。在此，在液态脱磷剂开始被引入熔融金属时，叶轮转动以搅拌熔融金属(S140)。同时，经由叶轮的供给管240供给输送气体和固态脱磷剂，然后经由吹嘴将其排出至熔融金属中(S150)。

在引入液态脱磷剂时，沿着排出管400传输的液态脱磷剂被加热使得可以抑制液态脱磷剂的温度降低。因而，熔融金属的温度降低可以被抑制并且可以由此提高脱磷效率。在此，可以以被引入以用于熔融金属脱磷的脱磷剂(固态脱磷剂和液态脱磷剂)的总重量的约50％至约70％的量引入液态脱磷剂。在液态脱磷剂的引入量小于所建议的范围的情况下，由于投入的固态脱磷剂的增加，发生熔融金属的温度降低，并且在液态脱磷剂的引入量大于所建议的范围的情况下，存在如下局限：虽然可以抑制熔融金属的温度降低，但是脱磷效率不再增加或者增加得很少。

随后，在通过利用叶轮的转动来搅拌熔融金属预定时间已完成的情况下，停止叶轮的转动，然后将叶轮升高以从熔融金属取出(S160)，并且去除在脱磷过程中生成的渣(S170)。在此，熔融金属的搅拌可以执行约5分钟至约20分钟。在熔融金属被搅拌短于所建议时间的时间的情况下，熔融金属的脱磷效果降低；并且在熔融金属被搅拌长于所建议时间的时间的情况下，不仅熔融金属的脱磷效果降低，而且还存在如下局限：在后续过程中将执行用于升高脱磷熔融金属的温度的单独过程。

如此，在经由熔融金属的上部引入液态脱磷剂、将固态脱磷剂投入熔融金属以及同时转动叶轮的情况下，液态脱磷剂在通过叶轮的转动被分解成微小液滴并且从熔融金属的上部移动至熔融金属的下部的同时被分散，并且固态脱磷剂在从熔融金属的下部移动至熔融金属的上部的同时被分散。另外，叶轮的叶片被布置成邻近熔融金属的表面以在熔融金属的上部中形成熔融金属的流，而吹嘴被布置在熔融金属的下部中以在熔融金属的下部中形成熔融金属的流，使得可以改善被引入至熔融金属的液态脱磷剂和固态脱磷剂的分散效率。

在搅拌熔融金属期间形成的熔融金属的流将描述如下。

在叶轮主体210转动时，叶片220随叶轮主体210一起转动。另外，如图1所示，通过叶片220的转动而产生的搅拌流(实线箭头)沿朝着桶100的内壁的方向产生，然后与内壁碰撞，然后沿着桶100的内壁被分离为朝上方向和朝下方向流动。在此，由于叶片220被定位成邻近熔融金属表面，所以来自叶片220的沿朝下方向的熔融金属的搅拌流的区域大于来自叶片220的沿朝上方向的熔融金属的搅拌流的区域。更具体地，在与桶100的内壁碰撞之后，熔融金属的一部分沿着桶100的内壁上升，然后穿过熔融金属表面上的液态脱磷剂，然后沿着叶轮主体210和叶片220的外周表面下降，并且然后再次上升。另外，熔融金属的另一部分沿桶100的内壁的下侧至桶100的内下端部的方向下降，并且然后沿着定位在叶片220的下侧的叶轮主体210的外周表面再次上升。因此，熔融金属表面上的液态脱磷剂在沿着熔融金属的流下降的同时被分散。在此，由于叶片220的两个侧表面即与叶片220相邻的表面被形成为朝下倾斜，由此用于在叶片的转动期间推动熔融金属，所以熔融金属的朝下流动被进一步加快并且由此可以加快液态脱磷剂的分散。另外，由于具有小的比重，经由吹嘴230排出的固态脱磷剂和输送气体沿着叶轮主体210的外周表面直接上升，在通过叶轮220的转动在熔融金属的上部区域处沿桶100的内壁的方向流动的同时下降，并且沿着叶轮主体210的外周表面再次上升(虚线箭头)。另外，熔融金属也被搅拌并且随着液态脱磷剂、固态脱磷剂和气体的这种搅拌流动而一起流动。在此，由于根据固态脱硫剂和气体的流、以及根据叶片220的上述流是沿彼此相应的方向的流或者是沿相同方向的流，所以这些流彼此结合以由此提高了搅拌动力。

同时，如在背景技术部分所述，现有技术中的叶轮20在叶轮主体21的下部处设置有叶片22，并且叶片22设置有吹嘴23。也就是说，在现有技术中的叶轮20中，叶片22与吹嘴23没有彼此分开。在此，如图9所示，通过叶片22的转动而产生的熔融金属的搅拌流(实线箭头)沿朝着桶10的内壁的方向产生，然后与内壁碰撞，然后沿着桶10的内壁分离为朝上方向和朝下方向流动。更具体地，在与桶10的内壁碰撞之后，熔融金属的一部分沿着桶10的内壁上升，然后穿过熔融金属表面上的渣，然后沿着叶轮主体21和叶片22的外周表面下降，然后再上升。熔融金属的另一部分沿着桶10的内壁的下侧至桶10的内下端部的方向下降并且然后再次上升。另外，经由布置在叶片22中的吹嘴23吹出的脱磷剂的流以及伴随脱磷剂和气体的熔融金属的流沿着叶片22的外周表面和叶轮主体21直接上升，然后穿过熔融金属表面上的渣，然后沿着桶10的内壁下降。然而，通过从吹嘴23排出的添加剂和气体产生并且沿着叶轮主体21和叶片22的外周上升的搅拌流与通过叶片22的转动而与桶10的内壁碰撞、然后上升、并且然后再次下降的流(通过图9中的虚线圆圈标出的部分)碰撞。另外，根据脱磷剂和气体的搅拌流(该流沿着叶轮主体21的外周上升，然后沿着桶10的内壁下降)与通过叶片22的转动产生、沿着桶10的内壁上升的搅拌流(通过图9中的虚线圆圈标出的部分)碰撞。另外，在如图9中设置有布置在叶片22中的吹嘴23的现有技术的叶轮20中，在与叶片22的上侧对应或与叶片22对应的位置处发生上述碰撞。在根据添加剂和气体的搅拌流与根据叶片22的转动的搅拌流彼此碰撞的情况下，两个流通过相互作用抵消，因此总的搅拌动力降低。这成为降低桶10中熔融金属与脱磷剂之间的反应速率和脱磷速率的原因。

在下文中，将描述将根据本发明的一个实施方案的熔融金属精炼设备及其方法应用于实际操作的用于优化脱磷过程的实验。

图6是示出通过使用根据本发明的一个实施方案的熔融金属精炼设备及其方法来优化脱磷过程的实验结果的图表。

为了提高熔融金属例如铁锰的脱磷效率，通过使用BaCO₃-NaF基脱磷剂执行脱磷过程。另外，在脱磷过程之后，对比和分析了FeMn熔融金属的温度、脱磷剂(液态脱磷剂和固态脱磷剂)的引入速率以及液态脱磷剂的引入比和铁锰熔融金属的脱磷效率的参数。

在脱磷过程中，通过使用2.0吨级别的感应炉熔化约1.7吨铁锰金属来制备铁锰熔融金属。将制备的铁锰熔融金属排出至预热的桶100，然后测量脱磷处理前熔融金属的温度，然后采集试验样品(第一样品)。在此，测得脱磷处理前熔融金属的温度为约1340℃。

随后，在将具有粉末形状的固态脱磷剂和液态脱磷剂引入熔融金属的同时，通过使用叶轮搅拌熔融金属。通过使用氩气作为输送气体经由叶轮的吹嘴将固态脱磷剂投入熔融金属，并且在通过使用采用碳化物(SiC)发热体的直接加热型熔炉进行熔化之后将液态脱磷剂引入熔融金属的顶部。

将容纳有脱磷的熔融金属的桶100移动至采样位置，测量脱磷之后熔融金属的温度，并且采集样品(第二样品)。然后，将桶100移动至铸铁处理位置，并且通过使用铸铁机执行铸铁处理，使得脱磷实验完成。

随后，通过使用感应耦合等离子体光谱(ICP)分析方法经由湿式分析证实所采集的样品的组分。

图6A是示出根据液态脱磷剂的引入比的实际产率与熔融金属的温度之间的温度关系的图表。可以理解的是，随着液态脱磷剂的引入比增加，熔融金属的温度与脱磷处理之前测量的熔融金属的温度之间的差变得更小。也就是说，可以理解的是，液态脱磷剂的引入比越大，测得的熔融金属的温度越高。另外，趋势在于，液态脱磷剂的引入比越大，示出的实际产率越大。

例如，在脱磷过程之后熔融金属的温度为约1280℃的情况下，可以理解的是，在仅引入液态脱磷剂的情况下熔融金属的实际产率(约90％)被示出为大于在仅投入固态脱磷剂的情况下熔融金属的实际产率(约80％)。

另外，实际产率的特性对脱磷过程之后熔融金属的温度非常敏感。在熔融金属的温度为约前面的1280℃的情况下，发现熔融金属的实际产率为约80％至约90％的水平。然而，虽然未示出，在熔融金属的温度为约前面的1270℃的情况下(降低约10℃)，熔融金属的产率为约65％至约75％的水平，并且发现熔融金属的温度越低，熔融金属的实际产率越低。因此，为了提高熔融金属的实际产率，需要全面管理脱磷过程前后熔融金属的温度。

图6B是示出根据液态脱磷剂的引入比的脱磷效率和脱磷剂(液态脱磷剂和固态脱磷剂)的引入率的图表。在此，脱磷效率表明初始熔融金属中的磷组分的浓度Pi与脱磷处理之后的熔融金属中的磷组分的浓度Pf之间的差。参照图表，在液态脱磷剂的引入比为约0.5至约0.7情况下，即，在液态脱磷剂占脱磷剂总重量的约50％至约70％的情况下，脱磷效率示出最优值，并且可以理解的是，在液态脱磷剂的引入比增加的情况下，脱磷效率降低。特别地，在将脱磷剂的引入率为119.8kg/1吨(熔融金属)的情况与引入类似量(119.7kg/1吨(熔融金属))的脱磷剂的情况相比时，可以理解的是，在液态脱磷剂的引入比为约50％至约55％的情况下，脱磷效率示出最优值。

在下文中，在通过使用其中叶片和吹嘴形成在叶轮主体的下部中的现有技术的精炼设备来精炼熔融金属的情况下，通过使用用于证实搅拌效果的水模型来执行实验。水模型实验模拟在实际脱磷操作中熔融金属与脱磷剂之间的传质现象。

首先，如下进行水模型实验。

对于该实验，将相同量的水引入尺寸相同的第一容器至第六容器，将对水和油的平衡分配比为约350或以上的百里酚(C₁₀H₁₄O)引入各个容器然后溶解，以模拟熔融金属中的磷组分。随后，将叶轮浸入水中，然后以恒定速度转动地搅拌水。在搅拌期间，将与液态脱磷剂对应的石蜡油供给至水的顶部。在此，为了控制石蜡油的供给速率，使用用于打开/关闭石蜡油的排出的阀以及用于调节供给速率的阀。考虑实际过程中排出管的位置，将供给石蜡油的位置设置为在容器的顶部处半径的朝外侧的约25％的点。

叶轮的吹嘴不吹粉末而是吹石蜡油和氮气。该实验用于观察水和石蜡油的搅拌效果，并且经由吹嘴注入液态石蜡油就足够了。以10.8升的量供给石蜡油约10分钟以模拟约100kg/吨FeMn的脱磷剂率。另外，将叶轮的转动速度设置为约120rpm，并且作为输送气体的氮气的流量被供给为约120升/分钟。

为了确认水和石蜡油的流动即搅拌现象，使用摄像机进行摄像，并且每两分钟在距第一容器至第六容器的底部约10mm的点处采集水样品一次。继续搅拌约20分钟，然后完成实验。

在如下面的表1所述的条件下执行该实验多次。

[表1]

为了观察根据是否引入液态脱磷剂以及固态脱磷剂和叶片位置的搅拌效果，在改变如上表所示的实验条件的情况下执行实验。

通过使用如下所述的传质方程，进行水中的百里酚的分析以及解释分析结果。在此，总反应速度变成根据存在于水相侧处的传质阻挡层中的百里酚分散速度的流动速度。该传质方程被给出为方程1。

[方程1]

$-\frac{{\mathrm{dC}}_w}{dt}=\frac{K_{w}A}{V_w}(C_w-{C^{\′}}_w)$

其中，Cw是水相中的百里酚的浓度，而C'w是水相侧中的传质阻挡层中的百里酚的浓度。Kw是水相中的传质系数，Vw是水的体积，而A表示水和油之间的界面面积。在方程1中，假定各相的体积没有变化，界面面积不变，并且没有界面阻挡。

平衡分配比β如方程2。

[方程2]

$\mathrm{\β}=\frac{{C^{\′}}_o}{{C^{\′}}_w}=\frac{C_o}{{C^{\′}}_w}$

在此，C'o＝Co的原因是因为由于使用百里酚而没必要考虑存在在油相处的传质阻挡层。也就是说，假定油相的浓度不变。

考虑百里酚的质量平衡，可以导出方程3。

[方程3]

$C_o{V}_o=(C_w^o-C_w)\·V_w$

其中，是水相侧中百里酚的初始浓度，而Co和Cw分别是在特定时间t处油相侧的百里酚浓度和水相侧的百里酚浓度。

在考虑界面平衡而组合以上方程时，所有的浓度项可以用Cw项表示，并且可以表示为下面的方程4。

[方程4]

${\∫}_{C_w^0}^{C_w}\frac{-{\mathrm{dC}}_w}{C_w(1+\frac{V_w}{{\mathrm{\βV}}_0})-\frac{V_w}{{\mathrm{\βV}}_0}{C}_w^0}={\∫}_{C_0}^t\frac{K_{w}A}{V_w}t$

由于平衡分配比β具有在该实验中百里酚浓度变化范围内的恒定值，所以如果对方程4进行积分，则导出下面的方程5。

[方程5]

$\frac{\ln \[(1+\frac{V_w}{{\mathrm{\βV}}_o})\frac{C_w}{C_w^o}-\frac{V_w}{{\mathrm{\βV}}_o}}{-(1+\frac{V_w}{{\mathrm{\βV}}_o})}=Y=\frac{K_{w}A}{V_w}t$

从方程5可以得到传质变量KwA的值，并且如果传质变量具有高值，可以理解传质速度变得更快。也就是说，这意味着变量KwA越大，熔融金属与脱磷剂之间的反应界面越广，并且搅拌反应度越高。

图7是示出根据引入脱磷剂的方法和叶片位置的搅拌效果的图表。

首先，在叶片的浸没深度如在第一实验例、第三实验例及第五实验例中被布置在距液面(水面)约70％的位置处的情况下，通过采用分析的百里酚值导出的项KwA/Vw的值(反应效率)示出为如图7A所示第一实验例>第三实验例>第五实验例的顺序。也就是说，在通过叶轮搅拌的同时一起使用液态脱磷剂和固态脱磷剂的情况下，搅拌效果示出为最优。

相对地，在叶片的浸没深度如在第四实验例和第六实验例中被布置在距水的液面(水面)约20％的位置处的情况下，通过采用分析的百里酚值导出的项KwA/Vw的值(反应效率)示出为如图7B所示第二实验例>第六实验例>第四实验例的顺序。也就是说，在利用叶轮搅拌的同时一起使用液态脱磷剂和固态脱磷剂的情况下，搅拌效果示出为最优；然而，在投入仅固态脱磷剂且不引入液态脱磷剂的情况下，搅拌效果示出为最差。

因此，可以说，在叶片的布置位置深的情况下，固态脱磷剂供给方法的反应效率优于液态脱磷剂供给方法的反应效率；并且在叶片的布置位置浅的情况下，液态脱磷剂供给方法的反应效率可能优于固态脱磷剂供给方法的反应效率。可以理解的是，无论叶片的布置位置如何，在同时供给液态脱磷剂和固态脱磷剂的方法中的反应效率优于使用仅液态脱磷剂或仅固态脱磷剂的情况中的反应效率。

如根据水模型实验的结果所理解的，为了容易地引入待供给至熔融金属的顶部的液态脱磷剂，叶片的浸没深度越小越好。另外，在经由吹嘴供给固态脱磷剂的方法中，为了确保固态脱磷剂与熔融金属中所含的磷组分之间的反应的可能性和时间，吹嘴的浸入深度越大越好。

图8是示出反应效率随各搅拌方法的时间的改变的图表。

在此，将根据本发明的一个实施方案以及根据现有技术的熔融金属精炼设备的情况进行相互对比。根据现有技术的熔融金属精炼设备的实施例与上述第一实验例、第三实验例和第五实验例相同。参照图8，在通过与本发明的实施方案几乎相同的构造和方法执行的实验中，熔融金属的脱磷反应效率示出为最优。

另外，如下面在表2中所示，在采用根据本发明的一个实施方案的改善的熔融金属精炼设备而不考虑用于搅拌的熔融金属的流量如何的情况下，与根据现有技术的熔融金属精炼设备的情况相比，在较短的时间内实现了最大有效反应面积。这示出在根据本发明的一个实施方案的熔融金属精炼设备的情况下，可以在较短的时间内执行脱磷并且通过根据本发明的一个实施方案的熔融金属精炼设备可以增加脱磷效率。

表2

另外，基于水模型实验在与实际操作类似的条件下进行精炼熔融金属的实验。

通过使用本发明所应用的叶轮以及根据现有技术的叶轮执行实验。通过施加类似的脱磷剂比率执行使用本发明所应用的叶轮以及根据现有技术的叶轮的实验。

表3

参照表3，可以理解的是，在提供几乎类似量的脱磷流量的情况下，与现有技术相比，在本发明的情况下脱磷结束时间、脱磷率以及铸铁的实际产率改善。

另外，对根据引入脱磷剂的方法的脱磷反应效率进行相互对比。表4示出在投入仅固态脱磷剂、引入仅液态脱磷剂以及一起引入固态脱磷剂和液态脱磷剂的情况中熔融金属的脱磷过程的结果。

表4

如表4所示，可以示出的是，在通过一起使用固态脱磷剂和液态脱磷剂来对熔融金属脱磷的情况中，与使用仅液态脱磷剂或仅固态脱磷剂的情况相比，脱磷反应效率示出为显著较高。此外，虽然一起使用固态脱磷剂和液态脱磷剂来对熔融金属脱磷的情况与使用仅液态脱磷剂的情况相比在可变温度范围方面较差，但是与使用仅固态脱磷剂的情况相比可以得到宽约50℃的温度范围，从而可以期望显著有助于提高熔融金属的实际产率。

虽然已经参考具体实施方案对本发明进行了描述，但是本发明不限于具体实施方案，而是由下面的权利要求书限定。因此，本领域技术人员将容易理解的是，在不脱离由所附权利要求限定的本发明的精神和范围的情况下可以对具体实施方案进行各种修改和改变。

工业应用性

根据本发明的熔融金属精炼方法和设备可以通过借助将叶片和吹嘴设置成彼此分开来改善脱磷剂的分散性能来提高脱磷效率，从而可以产生高品质熔融金属并且可以改善采用熔融金属的产品的可靠性。

Claims (18)

1.一种用于精炼熔融金属的设备，包括：

在装载有熔融金属的桶上方的沿竖直方向延伸的叶轮；以及

布置在所述桶上方的液态脱磷剂供给部，用于向所述熔融金属的顶部供给熔融态的液态脱磷剂，

其中所述叶轮包括：

叶轮主体；

设置在所述叶轮主体的上外周表面上的叶片；

供给管，所述供给管沿着所述叶轮主体的纵长方向布置在所述叶轮主体内部，经由所述供给管供给粉末态的固态脱磷剂和输送气体；以及

部分地穿过所述叶轮主体的下部并且与所述供给管连通的吹嘴。

2.根据权利要求1所述的设备，其中所述叶片被定位在所述熔融金属的总深度的大约中点之上；所述吹嘴被布置在所述熔融金属的所述总深度的大约中点之下。

3.根据权利要求2所述的设备，其中所述叶片被布置在距所述熔融金属的熔融金属表面相对于所述熔融金属的总深度为约10％至约30％的区域内。

4.根据权利要求1所述的设备，其中所述液态脱磷剂供给部连接至排出管，所述排出管设置有用于加热所述液态脱磷剂的加热器。

5.根据权利要求1所述的设备，其中所述叶片具有形成为大于下部宽度的上部宽度。

6.根据权利要求5所述的设备，其中所述叶片的所述上部宽度被形成为比所述叶片的所述下部宽度大所述上部宽度的总长度的约5％至约20％。

7.根据权利要求5或6所述的设备，其中所述叶片被形成为具有为所述桶的内径的约35％至约45％的宽度。

8.根据权利要求5或6所述的设备，其中所述叶片被设置成多个并且绕所述叶轮主体彼此隔开，并且在面对相邻叶片的至少一个侧表面上形成倾斜表面。

9.根据权利要求7所述的设备，其中所述叶片的所述一个侧表面被形成为具有相对于所述叶片的上表面成约10°至约30°的角度。

10.一种精炼熔融金属的方法，所述方法包括：

制备熔融金属；

将叶轮浸入所述熔融金属中；

将液态脱磷剂供给至所述熔融金属的上部；以及

通过转动所述叶轮搅拌所述熔融金属，

其中在搅拌所述熔融金属期间经由所述叶轮的下部供给粉末态的固态脱磷剂。

11.根据权利要求10所述的方法，其中在浸入所述叶轮之前去除先前过程所生成的渣。

12.根据权利要求11所述的方法，其中在浸入所述叶轮时，所述叶轮的叶片被布置在所述熔融金属的总深度的大约中点之上；所述叶轮的吹嘴被布置在所述熔融金属的所述总深度的大约中点之下。

13.根据权利要求12所述的方法，其中所述叶轮的所述叶片被布置在距所述熔融金属的熔融金属表面的约10％至约30％的区域内。

14.根据权利要求10所述的方法，其中所述搅拌包括搅拌所述熔融金属以使得由所述叶轮的叶片所产生的所述熔融金属的搅拌流的方向与由吹入所述熔融金属中的所述固态脱磷剂所产生的所述熔融金属的搅拌流的方向一致。

15.根据权利要求10所述的方法，其中由所述叶片产生的所述搅拌流被分离成朝上方向和朝下方向的流动，并且来自所述叶片的沿所述朝下方向的所述熔融金属的所述搅拌流的区域大于来自所述叶片的沿所述朝上方向的所述熔融金属的所述搅拌流的区域。

16.根据权利要求10至15中任一项所述的方法，其中供给至所述熔融金属的所述液态脱磷剂占所述液态脱磷剂和所述固态脱磷剂的总重量的约50wt％至约70wt％。

17.根据权利要求16所述的方法，其中在供给所述固态脱磷剂时，与所述固态脱磷剂一起供给惰性气体。

18.根据权利要求17所述的方法，其中在搅拌所述熔融金属之后去除渣。