CN105950811B - 铁水机械搅拌高效混合脱硫用搅拌器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种铁水机械搅拌高效混合脱硫用的搅拌器，搅拌器由搅拌轴和搅拌叶片组成，搅拌叶片包括迎铁面与背铁面；迎铁面由迎铁面的上部垂直面段和迎铁面的下部前倾斜面段组成，背铁面由背铁面的上部垂直面段和背铁面的下部前倾斜面段组成，迎铁面的上部垂直面段和背铁面的上部垂直面段的宽度b1均为搅拌器叶轮直径d的0.25～0.35倍，迎铁面的下部前倾斜面段和背铁面的下部前倾斜面段的宽度b2均为搅拌器叶轮直径d的0.35～0.65倍。本发明能够在实际生产中达到扩大脱硫剂搅拌混合区域、延长铁水中脱硫剂卷吸上浮循环行程、提高脱硫剂颗粒混合分散程度与铁水脱硫效率以及延长搅拌器使用寿命的综合目的。

Description

铁水机械搅拌高效混合脱硫用搅拌器

技术领域

本发明涉及铁水预处理领域，具体地指一种铁水机械搅拌高效混合脱硫用的搅拌器。

背景技术

文献“铁水的炉外脱硫，山西冶金，2007年，No1”报道，铁水作为钢水冶炼的基本原料，其化学成分和物理性质在某种程度上决定着钢铁产品的质量和企业的效益，因此，从20世纪70年代开始，人们开始重视铁水预处理技术的发展，并不断改进其工艺和方法，脱除铁水中有害元素。除含硫钢种外，硫是钢种中主要有害元素之一，但在高炉炼铁过程中脱除，就必须提高渣的碱度和炉温，而这将使高炉技术经济指标下降，同时，由于转炉冶炼过程的热力学条件制约，转炉脱硫率仅40％左右。大量的研究表明，铁水预处理脱硫已公认是高炉转炉—连铸流程降低钢中硫质量分数的最经济工艺，是改善高炉和转炉操作的重要手段之一，在炼钢中起着重要的作用，并向全面铁水预处理的方向发展。

根据资料报道，现代钢铁冶金流程中，实际推广应用的铁水机械搅拌脱硫工艺为KR机械搅拌脱硫方法。这种脱硫方法是以一个外衬耐火材料的十字形叶结构搅拌器浸入铁水罐内进行旋转搅动铁水，使铁水液面产生旋涡，经过称量的脱硫剂由给料器加入到铁水表面，并被旋涡卷入铁水中，与高温铁水混合、反应，达到铁水脱硫的目的。该脱硫方法具有脱硫效率高，脱硫剂消耗少，作业时间短，金属耗损低以及耐火材料消耗低等特点。由此可见，在铁水罐与搅拌器组成的脱硫反应系统中，搅拌器是铁水与脱硫剂搅拌混合反应的唯一搅拌动力来源，因而搅拌器的结构形状、结构参数以及搅拌叶片的布置方式等将直接影响脱硫剂在铁水中的卷入深度、混合分散状况与铁水脱硫反应效率。在脱硫剂种类、粒度分布与铁水成分、铁水温度一定的条件下，铁水脱硫反应热力学条件与界面反应动力学条件则已确定，因而脱硫剂在铁水中的混合分散状况成为影响铁水机械搅拌脱硫反应的关键因素。基于上述结论，国内外学者开展了大量的改善铁水机械搅拌脱硫反应的流体动力学条件研究，以提高铁水机械搅拌脱硫反应效率与铁水脱硫技术经济指标，例如：文献“铁水脱硫技术的改进(摘译),太钢译文，1994,(1),20-25.”报道了日本住友金属鹿岛制铁所于上世纪90年代率先研究了搅拌器叶轮直径和搅拌叶形状对机械搅拌脱硫流体动力学条件的影响，提出了搅拌器叶轮扩径和叶外凸弧形搅拌面的动力学改进措施，其中，异形搅拌叶因实际使用中形状维持困难而未推广应用，搅拌器叶轮扩径随在国内外一些钢铁企业得到应用，但因铁水液面上升高度、搅拌强度与振动大，影响了铁水罐的铁水有效装载量，加剧了搅拌器叶片的冲刷磨损，并因搅拌设备振动大而危机安全生产。再如：文献“熔剂扩散特性对铁水脱硫的影响，钢铁译文集，2010，(2)，6-13.”简要介绍了日本在改善铁水机械搅拌脱硫流体动力学研究的成果，采用1/8比例水模和70kg级铁水机械搅拌脱硫试验装置，系统研究了常规KR机械搅拌脱硫装置中脱硫剂颗粒在铁水中的混合分散行为，分析了搅拌器浸入深度、转速对搅拌混合特性的影响规律，并将搅拌漩涡深度与搅拌叶片底面深度之比定义为扩散指数I，根据不同扩散指数I条件下的脱硫剂颗粒混合分散状况，将脱硫剂颗粒的混合分散特性可分为三个阶段，即：“无扩散”阶段、“过渡扩散”阶段和“完全扩散”阶段；随着搅拌器浸入深度的增大，“完全扩散”阶段的临界转速增大，搅拌叶片下部区域混合分散颗粒数量增多，表明较深浸入深度对颗粒扩散是有效的。文献“改善KR搅拌脱硫混合特性的理论分析与实践，武钢技术，2011，(5)，14-18.”分析了KR搅拌脱硫流动状态，探明了其局域卷吸混合分散的搅拌混合特征，总结了搅拌结构参数对搅拌混合特征参数的影响规律，在搅拌器叶轮直径、叶片宽度以及搅拌罐直径一定的条件下，通过减少搅拌器叶片数量与叶片倾角度、增大后弯叶片的后弯角a和搅拌器叶轮直径d，能够缩小搅拌中心强制涡流区域与卷吸混合分散区域的比值；因而，在现有KR搅拌脱硫设备条件下，仅调整搅拌器部分结构参数，KR搅拌脱硫动力学条件仍有进一步改善的潜力。此外，申请号为200710051984.6的中国发明专利公开了一种铁水脱硫搅拌头,该搅拌头的ZL的搅拌叶迎铁面为前凹弧形面、背铁面为上凹下凸多段弧形面、侧面为由下而上外倾斜面的铁水脱硫搅拌器，通过异形结构搅拌叶，达到提高搅拌头对脱硫剂的搅拌卷吸强度、改善脱硫动力学条件的目的。

申请号200910060770.4的中国发明专利公开了一种铁水脱硫用搅拌器,该搅拌器的搅拌叶迎铁面与背铁面均为前倾斜面的三叶搅拌器，通过三叶前倾结构，增强搅拌卷吸空间与卷吸循环流量，达到改善脱硫动力学条件目的，并使叶之间的夹角增大到120°，降低叶之间粘渣速度，方便了粘渣的清理，提高了搅拌强度的稳定性。

根据上述文献报道可见，在KR机械搅拌脱硫搅拌器叶片结构对脱硫剂颗粒搅拌混合特性的影响方面，目前国内外学着主要关注搅拌器搅拌叶片迎铁面的轴向推进以及背铁面铁水涡流的遏制方面，并受搅拌器的搅拌叶片布置空间的限制以及铁水机械搅拌脱硫过程中的冲刷磨损影响，致使搅拌器叶片迎铁面和背铁面的弧形面弧度小、弧面形状难以保证，铁水机械搅拌脱硫流体动力学条件的改善效果难以稳定保持，制约了技术改进效果的发挥，因而，有必要进一步研究新型结构搅拌叶片，达到有效提升铁水脱硫实际生产技术经济指标的目的。

发明内容

本发明的目的是根据国内外KR搅拌脱硫的搅拌结构参数对搅拌混合特征参数的影响理论与试验研究结果以及常规单层十字形叶片搅拌器KR机械搅拌脱硫的旋涡卷吸特点，针对其局域混合的脱硫剂混合分散不均匀、脱硫反应流体动力学条件差的不足，提供了一种铁水机械搅拌高效混合脱硫用的搅拌器，该搅拌器具有结构简单、制备简便、使用寿命长、脱硫剂搅拌混合区域大、铁水中脱硫剂卷吸上浮循环行程长与分散均匀、脱硫效率高等特点。

为实现上述目的，本发明提供的一种铁水机械搅拌高效混合脱硫用的搅拌器，所述搅拌器由搅拌轴和搅拌叶片组成，所述搅拌叶片包括迎铁面与背铁面；所述迎铁面由迎铁面的上部垂直面段和迎铁面的下部前倾斜面段组成，所述背铁面由背铁面的上部垂直面段和背铁面的下部前倾斜面段组成，所述迎铁面的上部垂直面段和背铁面的上部垂直面段的宽度b1均为搅拌器叶轮直径d的0.25～0.35倍，所述迎铁面的下部前倾斜面段和背铁面的下部前倾斜面段的宽度b2均为搅拌器叶轮直径d的0.35～0.65倍；其中，d＝(d1+d2)/2，d1为搅拌器叶轮上部直径，d2为搅拌器叶轮下部直径。

进一步地，所述迎铁面与背铁面的下部前倾斜面段的前倾角β为30～50°。

再进一步地，所述前倾角β为35～45°。

再进一步地，所述搅拌器叶轮直径d为铁水罐内径D的0.3～0.4倍；其中，D＝(D1+D2)/2，D1为铁水罐上部直径，D2为铁水罐下部直径。

再进一步地，所述搅拌叶片2的数量为2～5片，搅拌叶片各个平面的交接部位均为圆弧过渡面，绕搅拌轴周向均匀分布。

其它结构参数与常规KR搅拌器相同，搅拌器制备材料和制备工艺也与常规KR搅拌器相同。

本发明的有益效果在于：

本发明通过搅拌叶片的迎铁面与背铁面均由上部垂直面段和下部前倾斜面段构成的结构设计，在搅拌器旋转搅拌过程中，搅拌叶片迎铁面与背铁面的上部垂直面段促进了搅拌漩涡的形成，当搅拌转速达到和超过漩涡深度抵达搅拌叶片顶面的脱硫剂颗粒“过渡扩散”阶段的起始转速时，实现脱硫剂颗粒在铁水中的卷入混合，同时，在搅拌叶片迎铁面与背铁面的下部前倾斜面的旋转轴向下排力的作用下，上部垂直面段旋转卷入的脱硫剂颗粒进一步下拉，大幅度提高了脱硫剂颗粒的卷入深度与混合分散区域，改善脱硫剂颗粒搅拌混合反应的流体动力学条件。

本发明通过搅拌叶片的迎铁面与背铁面均由上部垂直面段宽度b1和下部前倾斜面段宽度b2以及下部前倾斜面段的前倾角β的限定和水模试验的优化，保证了搅拌叶片旋转搅拌的漩涡强度和轴向下排力量，实现搅拌叶片新型结构的脱硫剂颗粒混合反应流体动力学条件的有效改善。

本发明进一步针对铁水KR机械搅拌脱硫反应装置的结构特点，根据搅拌器叶轮直径d与铁水罐内径D比值对搅拌功率的影响规律，从脱硫剂低能耗高效混合、降低搅拌器搅拌叶片冲刷磨损、提高搅拌稳定性等的角度出发，通过水模试验，优化了搅拌器叶轮直径d与铁水罐内径D的比值为0.3～0.4倍，确立了搅拌器的搅拌叶片数量为2～5片，绕搅拌轴周向均匀分布，并且搅拌叶片的各个平面的交接部位设计为圆弧过渡面。

由此可见，上述发明技术能够在实际生产中达到扩大脱硫剂搅拌混合区域、延长铁水中脱硫剂卷吸上浮循环行程、提高脱硫剂颗粒混合分散程度与铁水脱硫效率以及延长搅拌器使用寿命的综合目的。

附图说明

图1为本发明铁水机械搅拌脱硫用高性能搅拌器正视示意图；

图2为本发明铁水机械搅拌脱硫装置正视示意图；

图3为图1的2片搅拌叶片结构A-A剖面图；

图4为图1的3片搅拌叶片结构A-A剖面图；

图5为图1的4片搅拌叶片结构A-A剖面图；

图6为图1的5片搅拌叶片结构A-A剖面图；

图中，搅拌轴1、搅拌叶片2、迎铁面2.1、迎铁面的上部垂直面段2.11、迎铁面的下部前倾斜面段2.12、背铁面2.2、背铁面的上部垂直面段2.21、背铁面的下部前倾斜面段2.22、d为搅拌器叶轮直径、d1为搅拌器叶轮上部直径，d2为搅拌器叶轮下部直径、D为铁水罐内径、D1为铁水罐上部直径，D2为铁水罐下部直径。

具体实施方式

为了更好地解释本发明，以下结合具体实施例进一步阐明本发明的主要内容，但本发明的内容不仅仅局限于以下实施例。

实施例1

如图1～3所示，一种铁水机械搅拌高效混合脱硫用的搅拌器，搅拌器由搅拌轴1和搅拌叶片2组成，搅拌叶片2的数量为2片，搅拌叶片2包括迎铁面2.1与背铁面2.2；迎铁面2.1由迎铁面的上部垂直面段2.11和迎铁面的下部前倾斜面段2.12组成，背铁面2.2由背铁面的上部垂直面段2.21和背铁面的下部前倾斜面段2.22组成，迎铁面的上部垂直面段2.11和背铁面的上部垂直面段2.21的宽度b1均为搅拌器叶轮直径d的0.25～0.35倍，迎铁面的下部前倾斜面段2.12和背铁面的下部前倾斜面段2.22的宽度b2均为搅拌器叶轮直径d的0.35～0.65倍；其中，d＝(d1+d2)/2。

迎铁面2.1与背铁面的下部前倾斜面段2.22的前倾角β为30～50°。

搅拌器叶轮直径d为铁水罐内径D的0.3～0.4倍；其中，D＝(D1+D2)/2。搅拌叶片各个平面的交接部位均为圆弧过渡面，绕搅拌轴周向均匀分布。

其它结构参数与常规KR搅拌器相同，搅拌器制备材料和制备工艺也与常规KR搅拌器相同。

实施例2

如图1、2和4所示：本实施例与实施例1的搅拌器结构基本相同，不同之处在于：

搅拌叶片2的数量为3片。

实施例3

本实施例与实施例1的搅拌器结构基本相同，不同之处在于：

如图1、2和5所示：搅拌叶片2的数量为4片。

实施例4

如图1、2和5所示：本实施例与实施例1的搅拌器结构基本相同，不同之处在于：

搅拌叶片2的数量为5片。

其它未详细说明的部分均为现有技术。尽管上述实施例对本发明做出了详尽的描述，但它仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部实施例，人们还可以根据本实施例在不经创造性前提下获得其他实施例，这些实施例都属于本发明保护范围。

Claims (5)

1.一种铁水机械搅拌高效混合脱硫用的搅拌器，所述搅拌器由搅拌轴(1)和搅拌叶片(2)组成，其特征在于：所述搅拌叶片(2)包括迎铁面(2.1)与背铁面(2.2)；所述迎铁面(2.1)由迎铁面的上部垂直面段(2.11)和迎铁面的下部倾斜面段(2.12)组成，所述背铁面(2.2)由背铁面的上部垂直面段(2.21)和背铁面的下部倾斜面段(2.22)组成，所述迎铁面的上部垂直面段(2.11)和背铁面的上部垂直面段(2.21)的宽度b1均为搅拌器叶轮直径d的0.25～0.35倍，所述迎铁面的下部倾斜面段(2.12)和背铁面的下部倾斜面段(2.22)均向脱硫搅拌器搅拌的方向倾斜，且所述迎铁面的下部倾斜面段(2.12)和背铁面的下部倾斜面段(2.22)的宽度b2均为搅拌器叶轮直径d的0.35～0.65倍；其中，d＝(d1+d2)/2，d1为搅拌器叶轮上部直径，d2为搅拌器叶轮下部直径。

2.根据权利要求1所述铁水机械搅拌高效混合脱硫用的搅拌器，其特征在于：所述迎铁面(2.1)与背铁面的下部倾斜面段(2.22)的前倾角β为30～50°。

3.根据权利要求2所述铁水机械搅拌高效混合脱硫用的搅拌器，其特征在于：所述前倾角β为35～45°。

4.根据权利要求1或2所述铁水机械搅拌高效混合脱硫用的搅拌器，其特征在于：所述搅拌器叶轮直径d为铁水罐(3)内径D的0.3～0.4倍；其中，D＝(D1+D2)/2，D1为铁水罐(3)上部直径，D2为铁水罐下部直径。

5.根据权利要求1或2所述铁水机械搅拌高效混合脱硫用的搅拌器，其特征在于：所述搅拌叶片(2)的数量为2～5片，搅拌叶片(2)各个平面的交接部位均为圆弧过渡面，绕搅拌轴周向均匀分布。