CN107435085B - 铁水脱硫用高效混合搅拌器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种铁水脱硫用高效混合搅拌器，包括搅拌器连接法兰、搅拌轴及固定在搅拌轴外周缘上且绕搅拌轴周向均匀分布的多个搅拌叶，搅拌轴包括搅拌轴芯和搅拌轴芯耐火浇注料衬，搅拌叶的上端面和下端面均为水平平面，搅拌叶的迎铁面和背铁面均为螺旋面，搅拌叶的外侧面为圆台外缘弧面螺旋的螺旋面，且圆台上端面的半径大于圆台下端面的半径；本发明技术能够在实际生产中达到扩大铁水机械搅拌脱硫过程中脱硫剂的轴向、径向搅拌混合区域，增大卷吸循环流量，降低剪切动力消耗，最终达到改善铁水KR搅拌脱硫动力学条件、扩大脱硫剂混合分散深度、规避搅拌失衡危害、满足“瘦长”型喷吹脱硫铁水罐的KR机械搅拌脱硫改造需求的预期目的。

Description

铁水脱硫用高效混合搅拌器

技术领域

本发明涉及铁水预处理领域，具体涉及一种铁水脱硫用高效混合搅拌器。

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，其中，硫是钢铁产品中的主要有害元素之一(除含硫钢种外)，因而，必须加以去除；若在高炉炼铁过程中可以脱除，则必须提高炉渣碱度和炉温，导致高炉技术经济指标急剧下降，若在转炉冶炼过程中脱除，则由于转炉冶炼过程的热力学条件制约，脱硫率仅40％左右，难以达到低硫钢产品的需求，必须在钢水精炼过程中进一步脱除，导致生产成本急剧升高。因此，从20世纪70年代开始，铁水脱硫预处理技术得到了广泛的关注与系统研究，结果表明，铁水脱硫预处理是高炉转炉—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，同时也开发出了以喷吹脱硫与KR搅拌脱硫为代表的系列铁水脱硫预处理工艺。

铁水KR机械搅拌脱硫方法是以一个外衬耐火材料的矩形或倒直角梯形叶片单层十字交叉布置的搅拌器，沿铁水罐中心垂直浸入铁水中进行旋转搅动，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，漂浮在铁水液面上的脱硫剂被旋涡下拉卷入铁水，并在离心力与浮升力的作用下排出和上浮，实现脱硫剂在铁水中的循环卷吸与上浮，通过脱硫剂与高温铁水混合接触、表面反应，达到铁水脱硫的目的。由此可见，该脱硫方法具有脱硫反应动力学条件优的技术特征，可持续满足铁水深脱硫稳定生产的技术要求。但早期的铁水KR搅拌脱硫因剧烈的铁水搅拌，导致搅拌器使用寿命短、铁水温降大、脱硫剂消耗高、设备投资大等不足，严重影响了该脱硫工艺的技术经济性，一度成为限制该工艺推广与发展的技术障碍，致使国内外钢铁企业大量推广应用喷吹脱硫方法进行铁水预处理。针对上述铁水KR机械搅拌脱硫方法不足，基于其优良的搅拌反应动力学条件，国内外学者先后从搅拌器长寿化、脱硫剂组成与脱硫工艺优化、脱硫设备改进等方面开展了大量的研究工作，显著改善了铁水KR搅拌脱硫的技术经济指标，从而成为国内外钢铁企业低硫钢大规模稳定生产的首选铁水预处理脱硫工艺，先后有众多先进企业逐步完成了铁水喷吹脱硫工艺向铁水KR搅拌脱硫工艺的改造。然而，在铁水喷吹脱硫工艺中，为了有效延长脱硫剂在铁水中的上浮时间与行程，一般将铁水罐设计为瘦长型结构，即铁水深度与铁水罐直径比大，与KR搅拌脱硫铁水罐的矮胖型结构不同，若直接采用现有的喷吹脱硫铁水罐进行KR搅拌脱硫改造，势必导致铁水罐内的铁水搅拌流动形态的显著差异，直接影响铁水KR搅拌脱硫的改造效果和技术经济指标。在不同企业的实际改造过程中，由于铁水罐数量大、改造成本高、工期长等原因，往往均采用原有的喷吹脱硫铁水罐直接进行KR搅拌脱硫改造，导致改造效果不佳，制约了KR搅拌脱硫改造的实际效果。

根据资料报道，搅拌流型与搅拌效果、搅拌功率密切相关，主要取决于搅拌方式、搅拌器、容器形状、挡板等几何特征以及流体性质、转速、搅拌器插入位置等因素，对于工业上应用最多的立式圆筒搅拌器顶插式中心安装的搅拌装置，搅拌将产生三种基本流型，即：(1)径向流，流体的流动方向垂直于搅拌轴，沿径向流动，碰到容器壁面后分成两股流体，分别向上、向下流动，再回到叶端，不穿过叶片形成上、下两个循环流动，搅拌器的圆盘式产生径向流的主要原因。(2)轴向流，流体的流动方向平行于搅拌轴，流体由桨叶推动，使流体向下流动，碰到容器底面再翻上，形成上下循环流，轴向流的产生是由于流体对旋转叶片产生的升力的反作用力引起的。(3)切向流，无挡板的容器内，流体绕搅拌轴作旋转运动，流速高时流体会形成漩涡，此时流体从桨叶周围周向卷吸至桨叶区的流量很小，混合效果很差。上述三种流型通常可能同时存在，其中轴向流与径向流对混合起主要作用，而切向流应加以抑制，常用的挡板方式便可削弱切向流，增强周向流和径向流，同时，搅拌器的改进与新型搅拌器的开发也是基于流型的要求完成的。

根据KR搅拌脱硫原理可见，与铁水喷吹脱硫方法中的喷入铁水深处的脱硫剂一次性上浮过程中的接触反应相比，KR搅拌脱硫过程中的脱硫剂在铁水中的不断循环卷吸、排出、上浮的接触反应具有十分优良的反应动力学条件，从而达到提高脱硫剂利用率和深脱硫稳定性的目的，也是其成为国内外钢铁企业低硫钢大规模稳定生产的首选铁水预处理脱硫工艺的主要原因。根据常规的KR搅拌脱硫用搅拌器结构、无挡板搅拌形式以及立式圆筒搅拌器顶插式中心安装的搅拌装置的三种基本流型，不难看出，目前KR搅拌脱硫的流型主要为切向流，轴向流微弱，径向流不足，因而搅拌混合特性相对较差，文献“叶裕中.模型研究KR法的搅拌混合特性，钢铁研究学报，1992，4(1)”，通过对KR搅拌脱硫的水模试验研究，进一步证明，搅拌过程中，铁水主要为周向旋转流动，仅在靠近桨叶端部区域，脱硫剂颗粒由于湍动运动而分散，沿着半径方向“吐出”，继而由于悬浮微粒的浮力而上升，在“吐出”区以上部位进行卷入—分散—卷入的循环运动。所以KR搅拌脱硫是一种局部混合、卷入、径向剪切型的搅拌混合反应装置，为此，国内外铁水KR搅拌脱硫用铁水罐均设计为铁水液面深度与铁水罐平均直径之比小于等于1的“矮胖”形结构，尽管如此设计，但仍难以实现铁水罐内脱硫剂与铁水的充分的搅拌混合。由此可见，KR搅拌脱硫的反应动力学条件仍有极大的改善潜力。

基于常规KR搅拌脱硫的局域混合特性，国内外学者开展了大量的改善铁水机械搅拌脱硫反应动力学条件研究，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，并将搅拌旋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，仅仅有限调节搅拌器部分结构参数，难以大幅度改善KR搅拌脱硫反应动力学条件。此外，中国专利《一种铁水脱硫搅拌头》ZL200710051984.6公开了一种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。中国专利《一种铁水脱硫用搅拌器》专利号ZL200910060770.4公开了一种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，但搅拌叶迎铁面和背铁面的倾斜平面结构，导致倾斜角度有限，否则将使搅拌叶偏离搅拌轴芯距离大，并且偏离距离大小不一，引起搅拌器旋转搅拌失衡，尤其是在搅拌叶不均匀磨损与裂纹剥落后，失衡问题及其严重，甚至危及搅拌系统的安全，因而改善效果不突出。中国专利《铁水机械搅拌脱硫用涡轮式搅拌器》专利号ZL201010196917.5公开了一种由旋转轴、轮毂和搅拌叶构成的三叶搅拌器，增大了搅拌叶周向均匀布置的的周长，方便了叶的布置与搅拌器的制备，使搅拌叶迎铁水面上端线与轮毂交接点切线夹角ф可达132～180°的范围，降低了搅拌轴部位叶片折角对搅拌流体的滞流作用，延缓了折角粘渣速度以及粘渣清理造成的机械破损，增大了搅拌叶迎铁面面积与搅拌径向推力，提高了搅拌的机械效率与混合分散程度，虽然也采取了搅拌叶迎铁面和背铁面的前倾平面结构，但仍不能解决前倾角受限的问题。

对于搅拌铁水罐与搅拌器构成了KR搅拌脱硫设备的搅拌装置，随着新型桨叶搅拌器的开发与进步，搅拌径向流得到了强化，达到了一定的改善混合效果，但切向流的抑制和轴向流的强化方面未能引起关注，也未改变KR搅拌脱硫的局域混合特征。究其原因主要有搅拌器体积庞大，且为耐火浇注料包裹金属搅拌芯结构，加工制作精度较低，导致搅拌叶均为迎铁面为小前倾角(前倾角≤3°)的斜面、背铁面为垂直面、上小面水平面、外侧面为小角度(外倾角≤1.5°)外倾斜面结构，尽管如此结构设计，仍时常出现因搅拌器动平衡失衡引起搅拌器连接螺栓断裂掉入铁水罐的事件，尤其是大型铁水罐用的搅拌器、迎铁面前倾角稍大的搅拌器以及比常规四叶搅拌器少一个叶片的三叶搅拌器，搅拌器使用过程中的动平衡失衡问题更为严重。为此，国内外钢铁企业中大型铁水罐使用的搅拌器均为迎铁面前倾角小的四叶搅拌器，导致搅拌轴向推力严重不足，轴向混合十分微弱。虽然国内外学者开展了新型叶片结构的搅拌器，但因搅拌器动平衡的要求以及使用过程中因搅拌叶磨损与损坏带来的叶片结构的保持困难的问题，无法改变搅拌叶小角度前倾迎铁面的结构特征，只能通过搅拌直径的扩大或搅拌叶后掠角的设置改善径向分散混合，无法逃避KR搅拌脱硫的局域混合特征，也难以有效改善KR搅拌脱硫放样动力学条件。挡板方式虽然能够达到强化轴向流、径向流和抑制切向流的效果，但高温磨损与侵蚀问题仍难以保证挡板的结构完整，同时还势必加剧搅拌器的损毁、铁水飞溅和搅拌装置的晃动，带来安全隐患和经济损失。由此可见，有必要开发搅拌混合性能优良、结构简单的新型搅拌器，大幅度提高KR搅拌脱硫反应动力学条件。

对于铁水KR搅拌脱硫装置，由于其局域混合特征，配套设计的搅拌铁水罐为“矮胖”形结构，以弥补搅拌轴向流弱所引起的搅拌器下部铁水混合效果差的问题，达到改善铁水罐内搅拌脱硫均匀性与稳定性的目的。对于喷吹脱硫工艺，为了有效延长脱硫剂在铁水中的停留时间，铁水罐均设计为铁水液面深度与铁水罐平均直径之比大于1的“瘦长”形结构，基于KR搅拌脱硫反应动力学条件远优于喷吹脱硫的技术显著，国内外钢铁企业保留“瘦长”形喷吹脱硫铁水罐进行KR搅拌脱硫改造工作急剧推进，KR搅拌脱硫局域混合特性的不足表现更为突出，导致脱硫技术经济指标严重劣化。关于现有KR脱硫技术对“瘦长”形铁水罐的适应性问题以及如何改变KR搅拌脱硫的局域混合特征问题，目前还未见到相关资料报道，急需开发性能优良的新型叶片结构搅拌器，以强化搅拌轴向流与径向流，进一步改善铁水机械搅拌脱硫反应动力学、提高脱硫效率与脱硫剂有效利用率、缩短搅拌时间等目的。

发明内容

本发明的目的就是针对上述技术的不足，提供一种结构简单、制备简便、搅拌混合区域大、脱硫效率高及使用寿命长等优点的铁水脱硫用高效混合搅拌器。

为实现上述目的，本发明所设计的铁水脱硫用高效混合搅拌器，包括搅拌器连接法兰、搅拌轴及固定在搅拌轴外周缘上且绕搅拌轴周向均匀分布的多个搅拌叶；所述搅拌轴包括搅拌轴芯和搅拌轴芯耐火浇注料衬，所述搅拌叶包括金属叶芯和金属叶芯耐火浇注料衬；所述金属叶芯包括金属叶芯迎铁面、金属叶芯背铁面、金属叶芯外侧面、金属叶芯上端面及金属叶芯下端面，所述金属叶芯耐火浇注料衬包括迎铁面耐火浇注料衬、背铁面耐火浇注料衬、外侧面耐火浇注料衬、上端面耐火浇注料衬及下端面耐火浇注料衬；

所述金属叶芯上端面和所述金属叶芯下端面均为水平平面，所述金属叶芯迎铁面和所述金属叶芯背铁面均为螺旋面，所述金属叶芯外侧面为圆台外缘弧面螺旋的螺旋面，且圆台上端面的半径大于圆台下端面的半径；所述金属叶芯由上至下厚度均为ζ；

所述上端面耐火浇注料衬和所述下端面耐火浇注料衬的表面均为水平平面，所述迎铁面耐火浇注料衬和所述背铁面耐火浇注料衬的表面均为螺旋面，所述外侧面耐火浇注料衬的表面为圆台外缘弧面螺旋的螺旋面，圆台上端面的半径大于圆台下端面的半径；

且所述迎铁面耐火浇注料衬厚度δ1沿所述搅拌叶高度由上向下逐渐减薄；所述背铁面耐火浇注料衬厚度δ2沿所述搅拌叶高度由上向下逐渐增厚；在所述搅拌叶一半高度位置处迎铁面耐火浇注料衬的厚度与背铁面耐火浇注料衬的厚度相等。

进一步地，所述迎铁面耐火浇注料衬和所述背铁面耐火浇注料衬的表面均为同轴耐火浇注料内圆柱耐火浇注料外圆台截断的螺旋面，所述迎铁面耐火浇注料衬的螺旋面导程为P1，所述背铁面耐火浇注料衬的螺旋面导程为P2；且所述耐火浇注料内圆柱与所述搅拌轴同轴且半径相等为r1，所述耐火浇注料外圆台的上端面为所述外侧面耐火浇注料衬顶边所在的平面，所述耐火浇注料外圆台的下端面为所述外侧面耐火浇注料衬底边所在的平面，所述耐火浇注料外圆台的上端面半径R1大于所述耐火浇注料外圆台的下端面半径R2，且所述耐火浇注料外圆台与所述搅拌轴同轴。

进一步地，以所述搅拌叶的高度中位线与所述耐火浇注料内圆柱螺旋线交点为基准；

沿交点的耐火浇注料内圆柱切线，将导程为P1的螺旋面前移δ1+ζ/2获得所述迎铁面耐火浇注料衬的螺旋面，将导程为P2的螺旋面后移δ1+ζ/2获得所述背铁面耐火浇注料衬的螺旋面。

进一步地，在沿所述耐火浇注料外圆台上端面垂直向上延伸形成的耐火浇注料外圆柱圆周长、导程P1与所述耐火浇注料外圆柱螺旋线长度组成的直角三角形中的导程P1的对角α为85～35°，在所述耐火浇注料外圆柱圆周长、导程P2与所述耐火浇注料外圆柱螺旋线长度组成的直角三角形中，导程P2的对角β比α小0～3°。

进一步地，所述耐火浇注料外圆台的上端面半径R1比所述耐火浇注料外圆台的下端面半径R2大25～75mm。

进一步地，所述α优选为75～45°。

进一步地，所述α优选为70～55°。

进一步地，所述金属叶芯迎铁面和所述金属叶芯背铁面均为同轴金属叶芯内圆柱金属叶芯外圆台截断的螺旋面，所述金属叶芯迎铁面的螺旋面导程和所述金属叶芯背铁面的螺旋面导程均为P3；且所述金属叶芯内圆柱与所述搅拌轴芯同轴且半径相等为r2，所述金属叶芯外圆台的上端面为所述金属叶芯外侧面顶边所在的平面，所述金属叶芯外圆台的下端面为所述金属叶芯外侧面底边所在的平面，所述金属叶芯外圆台的上端面半径R3大于所述金属叶芯外圆台的下端面半径R4，且所述金属叶芯外圆台与所述搅拌轴芯同轴。

进一步地，以所述搅拌叶30的高度中位线与所述金属叶芯内圆柱螺旋线交点为基准；

沿交点的金属叶芯内圆柱切线，将导程为P3的螺旋面前移ζ/2获得所述金属叶芯迎铁面的螺旋面，将导程为P3的螺旋面后移ζ/2获得所述金属叶芯背铁面的螺旋面。

进一步地，在沿所述耐火浇注料外圆台上端面垂直向上延伸形成的耐火浇注料外圆柱圆周长、导程P3与所述耐火浇注料外圆柱螺旋线长度组成的直角三角形中的导程P3的对角γ比α大0～(α-β)/2。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：本发明技术能够在实际生产中达到扩大铁水机械搅拌脱硫过程中脱硫剂的轴向、径向搅拌混合区域，增大卷吸循环流量，降低剪切动力消耗，最终达到改善铁水KR搅拌脱硫动力学条件、扩大脱硫剂混合分散深度、规避搅拌失衡危害、满足“瘦长”型喷吹脱硫铁水罐的KR机械搅拌脱硫改造需求的预期目的。

附图说明

图1为本发明铁水脱硫用高效混合搅拌器立体结构示意图；

图2为图1的主视示意图；

图3为图1的耐火浇注料衬立体结构示意图；

图4为图3的A-A剖面示意图；

图5为图3的B-B剖面示意图；

图6为图1的金属叶芯立体结构示意图；

图7为图6的主视示意图；

图8为图7的C-C剖面示意图；

图9、图10及图11为三角关系示意图；

图中各部件标号如下：搅拌器连接法兰10、搅拌轴20(其中：搅拌轴芯21、搅拌轴芯耐火浇注料衬22)、搅拌叶30、金属叶芯40(其中：金属叶芯迎铁面41、金属叶芯背铁面42、金属叶芯外侧面43、金属叶芯上端面44、金属叶芯下端面45)、金属叶芯耐火浇注料衬50(其中：迎铁面耐火浇注料衬51、背铁面耐火浇注料衬52、外侧面耐火浇注料衬53、上端面耐火浇注料衬54、下端面耐火浇注料衬55)。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明。

如图1、图2所示的铁水脱硫用高效混合搅拌器，包括搅拌器连接法兰10、搅拌轴20及固定在搅拌轴20外周缘上且绕搅拌轴20周向均匀分布的多个搅拌叶30；搅拌轴20包括搅拌轴芯21和搅拌轴芯耐火浇注料衬22，搅拌叶30包括金属叶芯40和通过V形金属锚固件固定在金属叶芯40上的金属叶芯耐火浇注料衬50。

如图3、图4及图5所示，金属叶芯耐火浇注料衬50包括迎铁面耐火浇注料衬51、背铁面耐火浇注料衬52、外侧面耐火浇注料衬53、上端面耐火浇注料衬54及下端面耐火浇注料衬55；上端面耐火浇注料衬54和下端面耐火浇注料衬55的表面均为水平平面，迎铁面耐火浇注料衬51和背铁面耐火浇注料衬52的表面均为螺旋面，外侧面耐火浇注料衬53的表面为圆台外缘弧面螺旋的螺旋面，圆台上端面的半径大于圆台下端面的半径；且迎铁面耐火浇注料衬51厚度δ1沿搅拌叶高度由上向下逐渐减薄；背铁面耐火浇注料衬52厚度δ2沿搅拌叶高度由上向下逐渐增厚；在搅拌叶30一半高度位置处迎铁面耐火浇注料衬51的厚度与背铁面耐火浇注料衬52的厚度相等；

迎铁面耐火浇注料衬51和背铁面耐火浇注料衬52的表面均为同轴耐火浇注料内圆柱耐火浇注料外圆台截断的螺旋面，迎铁面耐火浇注料衬51的螺旋面导程为P1，背铁面耐火浇注料衬52的螺旋面导程为P2；且耐火浇注料内圆柱与搅拌轴同轴且半径相等为r1，耐火浇注料外圆台的上端面为外侧面耐火浇注料衬53顶边所在的平面，耐火浇注料外圆台的下端面为外侧面耐火浇注料衬53底边所在的平面，耐火浇注料外圆台的上端面半径R1大于耐火浇注料外圆台的下端面半径R2，R1比R2大25～75mm，且耐火浇注料外圆台与搅拌轴同轴；

以搅拌叶30的高度中位线与半径为r1的耐火浇注料内圆柱螺旋线交点为基准；沿交点的耐火浇注料内圆柱切线，将导程为P1的螺旋面前移δ1+ζ/2获得迎铁面耐火浇注料衬51的螺旋面，将导程为P2的螺旋面后移δ1+ζ/2获得背铁面耐火浇注料衬52的螺旋面；结合图9所示，在沿耐火浇注料外圆台上端面垂直向上延伸形成的耐火浇注料外圆柱(即外圆柱的底面为外圆台的上端面，且半径相同均为R1)圆周长、导程P1与耐火浇注料外圆柱螺旋线长度组成的直角三角形中的导程P1的对角α为85～35°，结合图10所示，在耐火浇注料外圆柱圆周长、导程P2与耐火浇注料外圆柱螺旋线长度组成的直角三角形中，导程P2的对角β比α小0～3°。

如图6、图7及图8所示，金属叶芯40包括金属叶芯迎铁面41、金属叶芯背铁面42、金属叶芯外侧面43、金属叶芯上端面44及金属叶芯下端面45；金属叶芯上端面44和金属叶芯下端面45均为水平平面，金属叶芯迎铁面41和金属叶芯背铁面42均为螺旋面，金属叶芯外侧面43为圆台外缘弧面螺旋的螺旋面，且圆台上端面的半径大于圆台下端面的半径；而金属叶芯4由上至下厚度均为ζ；

金属叶芯迎铁面41和金属叶芯背铁面42均为同轴金属叶芯内圆柱金属叶芯外圆台截断的螺旋面，金属叶芯迎铁面41的螺旋面导程和金属叶芯背铁面42的螺旋面导程均为P3；且金属叶芯内圆柱与搅拌轴芯同轴且半径相等为r2，金属叶芯外圆台的上端面为金属叶芯外侧面43顶边所在的平面，金属叶芯外圆台的下端面为金属叶芯外侧面43底边所在的平面，金属叶芯外圆台的上端面半径R3大于所述金属叶芯外圆台的下端面半径R4，且金属叶芯外圆台与搅拌轴芯同轴；

以搅拌叶30的高度中位线与半径为r2的金属叶芯内圆柱螺旋线交点为基准；沿交点的金属叶芯内圆柱切线，将导程为P3的螺旋面前移ζ/2获得金属叶芯迎铁面41的螺旋面，将导程为P3的螺旋面后移ζ/2获得金属叶芯背铁面52的螺旋面。结合图11所示，在沿耐火浇注料外圆台上端面垂直向上延伸形成的耐火浇注料外圆柱(即外圆柱的底面为外圆台的上端面，且半径相同均为R1)圆周长、导程P3与所述耐火浇注料外圆柱螺旋线长度组成的直角三角形中的导程P3的对角γ比α大0～(α-β)/2。

以上其它结构与常规搅拌器结构相同，在次不再赘述。

本发明基于国内外KR搅拌脱硫的搅拌器结构形式、结构参数及其局域混合特性，指出了搅拌轴向流微弱的缺陷原因，从遏制切向流与强化径向流和轴向流的角度，完成了本发明的铁水脱硫用高效混合搅拌器的结构设计，通过水模对比试验，取得了大幅度扩展轴向与径向搅拌混合区域、减少搅拌动力消耗、提高旋转搅拌动平衡等优良效果，达到了改善铁水KR搅拌脱硫动力学条件、扩大脱硫剂混合分散深度、规避搅拌失衡危害、满足“瘦长”型铁水罐喷吹脱硫的KR机械搅拌脱硫改造需求。

本发明通过上下端面为水平平面、迎铁面和背铁面为螺旋面、外侧面为半径上大下小圆台弧面的螺旋状搅拌叶结构设计以及2～3片螺旋状搅拌叶绕搅拌轴周向均匀布置，实现了搅拌叶紧紧围绕搅拌轴心旋转，提高了搅拌器的加工制作精度，实现了大型铁水罐用叶片数量少的搅拌器的精确制作，克服了平面结构搅拌叶的偏心距离不一致带来的搅拌失衡问题，同时，螺旋面结构实现了面内个点的均衡受力与冲刷磨损，保证了搅拌器使用过程中叶片形状结构的保持，进而保证了搅拌装置的安全稳定运行；此外，比常规四叶搅拌器少1～2片搅拌叶30的搅拌器，为搅拌卷吸提供了更大的卷吸空间，增大了脱硫剂的搅拌卷吸流量，强化了卷入脱硫剂的轴向推进与径向排出，遏制搅拌切向流与搅拌能的剪切耗散，提高脱硫剂轴向浸入深度和搅拌循环流量，促进脱硫反应的传质过程，大幅度改善脱硫反应动力学条件、降低搅拌动力消耗；外侧面的圆台弧面结构，避免了常规斜面结构外侧面对搅拌过程中铁水旋转运动的迟滞作用与迟滞耗散，强化了搅拌漩涡卷吸混合效果，并降低搅拌动力消耗与外侧面的冲刷磨损，延长搅拌器使用寿命。

本发明通过搅拌叶由金属叶芯40和通过V形金属锚固件固定在金属叶芯40上的金属叶芯耐火浇注料衬50组成的结构设计，保证了搅拌叶的结构稳定性与抗高温损毁性能；通过搅拌叶迎铁面耐火浇注料衬51厚度δ1沿搅拌叶高度向下逐渐减薄，增强了搅拌叶迎铁面脱硫剂卷入口的抗损毁能力，延长搅拌器使用寿命，同时强化了搅拌器的轴向推进和径向排出混合，改善脱硫反应动力学条件；通过搅拌叶背铁面耐火浇注料衬52厚度δ2沿搅拌叶高度向下逐渐增厚的结构设计，扩展了脱硫剂卷入口面积，降低循环阻力，遏制背铁面下部涡流及其带来的磨损，强化搅拌混合效果，延长搅拌器使用寿命；通过在搅拌叶30一半高度部位迎铁面耐火浇注料衬51与背铁面耐火浇注料衬52厚度相等的尺寸设计，使得迎铁面与背铁面的受理均衡，提高搅拌器抗损毁能力。

通过搅拌叶迎铁面耐火浇注料衬51和背铁面耐火浇注料衬52的表面均为同轴耐火浇注料内圆柱耐火浇注料外圆台截断的螺旋面以及导程分别为P1和P2的结构设计，缓解了铁水不均匀冲击对搅拌叶损毁的影响，提高了搅拌稳定性，同时，通过螺旋面的前倾结构，提高搅拌的轴向推力，通过螺旋面内螺旋线前倾度小于外螺旋线的前倾度的特点，增大搅拌的径向外推力，提高脱硫剂搅拌下拉深度和促进脱硫剂径向排出速度与行程，达到扩大脱硫剂搅拌混合区域、延长脱硫剂单次卷吸上浮循环行程与停留时间，大幅度改善搅拌脱硫综合性能。通过如下结构参数设置，即：以搅拌叶高度中位线与耐火浇注料内圆柱螺旋线交点为基准，沿交点的耐火浇注料内圆柱切线，将导程为P1的螺旋面前移δ1+ζ/2获得所述迎铁面耐火浇注料衬51的螺旋面，将导程为P2的螺旋面后移δ1+ζ/2获得所述背铁面耐火浇注料衬52的螺旋面，并且，在沿耐火浇注料外圆台上端面垂直向上延伸形成的耐火浇注料外圆柱圆周长、导程P1与耐火浇注料外圆柱螺旋线长度组成的直角三角形中的导程P1的对角α为85～35°，在耐火浇注料外圆柱圆周长、导程P2与耐火浇注料外圆柱螺旋线长度组成的直角三角形中，导程P2的对角β比α小0～3°，协调了搅拌器的轴向推进混合与径向排出分散；通过进一步优化α，即α为75～45°或α为70～55°在半径为R1的外圆柱圆周长、导程P1与半径为R1的外圆柱螺旋线长度组成的直角三角形中的导程P1的对角α为75～45°，保证了搅拌器超厚叶片间足够的搅拌卷吸空间和搅拌叶浇注成型的便利，均衡了搅拌轴向推力和径向推力，进一步匹配了搅拌器的轴向推进混合与径向排出分散，扩展搅拌的轴向与径向混合区域，大幅度改善铁水搅拌脱硫动力学条件，提高脱硫剂利用率与脱硫反应速度，同时，还大幅度搅拌搅拌动力消耗。此外，搅拌其叶片迎铁面与背铁面的螺旋面设计，提高搅拌叶的抗冲刷磨损能力，保证了本发明搅拌器的搅拌叶结构的完整性、整体制造精度和搅拌稳定性，达到改善铁水搅拌脱硫综合技术经济指标的目的。

通过上下端面为水平平面、迎铁面和背铁面为螺旋面、外侧面为半径上大下小圆台弧面的螺旋状金属叶芯40结构设计，保证了金属叶芯与金属叶芯耐火浇注料衬的结合紧密性，提高搅拌叶的整体性能。通过金属叶芯如下结构参数设置，即：迎铁面和背铁面为同轴内圆柱外圆台截断的螺旋面，导程为P3，其中，金属叶芯内圆柱为搅拌轴芯，半径为r2，金属叶芯外圆台为螺旋金属叶芯外侧面半径上大下小圆台弧面的圆台，上下半径分别为R3和R4；以搅拌叶高度中位线与半径为r2的金属叶芯内圆柱螺旋线交点为基准，沿交点的金属叶芯内圆柱切线，将螺旋面前移与后移ζ/2分别获得金属叶芯迎铁面和背铁面的螺旋面。并且，在沿耐火浇注料外圆台上端面垂直向上延伸形成的耐火浇注料外圆柱圆周长、导程P3与耐火浇注料外圆柱螺旋线长度组成的直角三角形中的导程P3的对角γ比α大0～(α-β)/2，保证了金属芯结构形式、制造精度和搅拌叶的综合使用性能。

综上所述，本发明技术能够在实际生产中达到扩大铁水机械搅拌脱硫过程中脱硫剂的轴向、径向搅拌混合区域，增大卷吸循环流量，降低剪切动力消耗，最终达到改善铁水KR搅拌脱硫动力学条件、扩大脱硫剂混合分散深度、规避搅拌失衡危害、满足“瘦长”型喷吹脱硫铁水罐的KR机械搅拌脱硫改造需求的预期目的。

实施例1

采用两个搅拌叶30围绕搅拌轴20周向均匀布置，在沿耐火浇注料外圆台上端面垂直向上延伸形成的耐火浇注料外圆柱(即外圆柱的底面为外圆台的上端面，且半径相同均为R1)圆周长、导程P1与耐火浇注料外圆柱螺旋线长度组成的直角三角形中的导程P1的对角α为85～35°，其它内容与上面所述的内容完全相同。

实施例2

采用三个搅拌叶30围绕搅拌轴20周向均匀布置，在沿耐火浇注料外圆台上端面垂直向上延伸形成的耐火浇注料外圆柱(即外圆柱的底面为外圆台的上端面，且半径相同均为R1)圆周长、导程P1与耐火浇注料外圆柱螺旋线长度组成的直角三角形中的导程P1的对角α为为75～45°或70～55°，其它内容与上面所述的内容完全相同。

Claims (10)

1.一种铁水脱硫用高效混合搅拌器，包括搅拌器连接法兰(10)、搅拌轴(20)及固定在搅拌轴(20)外周缘上且绕搅拌轴(20)周向均匀分布的多个搅拌叶(30)；所述搅拌轴(20)包括搅拌轴芯(21)和搅拌轴芯耐火浇注料衬(22)，所述搅拌叶(30)包括金属叶芯(40)和金属叶芯耐火浇注料衬(50)；所述金属叶芯(40)包括金属叶芯迎铁面(41)、金属叶芯背铁面(42)、金属叶芯外侧面(43)、金属叶芯上端面(44)及金属叶芯下端面(45)，所述金属叶芯耐火浇注料衬(50)包括迎铁面耐火浇注料衬(51)、背铁面耐火浇注料衬(52)、外侧面耐火浇注料衬(53)、上端面耐火浇注料衬(54)及下端面耐火浇注料衬(55)；其特征在于：

所述金属叶芯上端面(44)和所述金属叶芯下端面(45)均为水平平面，所述金属叶芯迎铁面(41)和所述金属叶芯背铁面(42)均为螺旋面，所述金属叶芯外侧面(43)为圆台外缘弧面螺旋的螺旋面，且圆台上端面的半径大于圆台下端面的半径；所述金属叶芯(40)由上至下厚度均为ζ；

所述上端面耐火浇注料衬(54)和所述下端面耐火浇注料衬(55)的表面均为水平平面，所述迎铁面耐火浇注料衬(51)和所述背铁面耐火浇注料衬(52)的表面均为螺旋面，所述外侧面耐火浇注料衬(53)的表面为圆台外缘弧面螺旋的螺旋面，圆台上端面的半径大于圆台下端面的半径；

且所述迎铁面耐火浇注料衬(51)厚度δ1沿所述搅拌叶高度由上向下逐渐减薄；所述背铁面耐火浇注料衬(52)厚度δ2沿所述搅拌叶高度由上向下逐渐增厚；在所述搅拌叶(30)一半高度位置处迎铁面耐火浇注料衬(51)的厚度与背铁面耐火浇注料衬(52)的厚度相等。

2.根据权利要求1所述铁水脱硫用高效混合搅拌器，其特征在于：所述迎铁面耐火浇注料衬(51)和所述背铁面耐火浇注料衬(52)的表面均为同轴耐火浇注料内圆柱耐火浇注料外圆台截断的螺旋面，所述迎铁面耐火浇注料衬(51)的螺旋面导程为P1，所述背铁面耐火浇注料衬(52)的螺旋面导程为P2；且所述耐火浇注料内圆柱与所述搅拌轴同轴且半径相等为r1，所述耐火浇注料外圆台的上端面为所述外侧面耐火浇注料衬(53)顶边所在的平面，所述耐火浇注料外圆台的下端面为所述外侧面耐火浇注料衬(53)底边所在的平面，所述耐火浇注料外圆台的上端面半径R1大于所述耐火浇注料外圆台的下端面半径R2，且所述耐火浇注料外圆台与所述搅拌轴同轴。

3.根据权利要求2所述铁水脱硫用高效混合搅拌器，其特征在于：以所述搅拌叶(30)的高度中位线与所述耐火浇注料内圆柱螺旋线交点为基准；

沿交点的耐火浇注料内圆柱切线，将导程为P1的螺旋面前移δ1+ζ/2获得所述迎铁面耐火浇注料衬(51)的螺旋面，将导程为P2的螺旋面后移δ1+ζ/2获得所述背铁面耐火浇注料衬(52)的螺旋面。

4.根据权利要求2所述铁水脱硫用高效混合搅拌器，其特征在于：在沿所述耐火浇注料外圆台上端面垂直向上延伸形成的耐火浇注料外圆柱圆周长、导程P1与所述耐火浇注料外圆柱螺旋线长度组成的直角三角形中的导程P1的对角α为85～35°，在所述耐火浇注料外圆柱圆周长、导程P2与所述耐火浇注料外圆柱螺旋线长度组成的直角三角形中，导程P2的对角β比α小0～3°。

5.根据权利要求2所述铁水脱硫用高效混合搅拌器，其特征在于：所述耐火浇注料外圆台的上端面半径R1比所述耐火浇注料外圆台的下端面半径R2大25～75mm。

6.根据权利要求4所述铁水脱硫用高效混合搅拌器，其特征在于：所述α优选为75～45°。

7.根据权利要求4所述铁水脱硫用高效混合搅拌器，其特征在于：所述α优选为70～55°。

8.根据权利要求1所述铁水脱硫用高效混合搅拌器，其特征在于：所述金属叶芯迎铁面(41)和所述金属叶芯背铁面(42)均为同轴金属叶芯内圆柱金属叶芯外圆台截断的螺旋面，所述金属叶芯迎铁面(41)的螺旋面导程和所述金属叶芯背铁面(42)的螺旋面导程均为P3；且所述金属叶芯内圆柱与所述搅拌轴芯同轴且半径相等为r2，所述金属叶芯外圆台的上端面为所述金属叶芯外侧面(43)顶边所在的平面，所述金属叶芯外圆台的下端面为所述金属叶芯外侧面(43)底边所在的平面，所述金属叶芯外圆台的上端面半径R3大于所述金属叶芯外圆台的下端面半径R4，且所述金属叶芯外圆台与所述搅拌轴芯同轴。

9.根据权利要求8所述铁水脱硫用高效混合搅拌器，其特征在于：以所述搅拌叶(30)的高度中位线与所述金属叶芯内圆柱螺旋线交点为基准；

沿交点的金属叶芯内圆柱切线，将导程为P3的螺旋面前移ζ/2获得所述金属叶芯迎铁面(41)的螺旋面，将导程为P3的螺旋面后移ζ/2获得所述金属叶芯背铁面(52)的螺旋面。

10.根据权利要求8所述铁水脱硫用高效混合搅拌器，其特征在于：在沿所述耐火浇注料外圆台上端面垂直向上延伸形成的耐火浇注料外圆柱圆周长、导程P3与所述耐火浇注料外圆柱螺旋线长度组成的直角三角形中的导程P3的对角γ比α大0～(α-β)/2。