CN108342536A - 铁水脱硫用自脉冲搅拌器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种铁水脱硫用自脉冲搅拌器，包括搅拌器连接法兰、搅拌轴及固定在所述搅拌轴外周缘上且绕所述搅拌轴周向均匀分布的搅拌叶；所述搅拌轴包括搅拌轴芯和搅拌轴芯耐火浇注料衬，所述搅拌叶包括搅拌叶芯和搅拌叶芯耐火浇注料衬；每一个所述搅拌叶的中部区域沿搅拌旋转方向开设有贯穿所述搅拌叶的流场脉冲干扰通孔，素数流场脉冲干扰通孔均沿搅拌旋转周向向下倾斜设置，向下倾角α为5～20°。能够起到抑制搅拌切向流、强化搅拌轴向与径向流的作用，达到缩小强制涡流区、扩大自由涡流区与改善搅拌混合特性的效果，具有结构简单、制备简便、搅拌混合充分、脱硫效率高及使用寿命长等优点。

Description

铁水脱硫用自脉冲搅拌器
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自脉冲搅拌器。
背景技术
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的循环混合接触、表面反应，达到铁水脱硫的目的。由此可见，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，已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。然而，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)”报道，KR搅拌脱硫过程中铁水的流动状态分为搅拌中心强制涡流区和该区以外的自由涡流区。其中，强制涡流区由于没有液体微元之间的相对运动，为不良混合区；自由涡流区由于循环运动引起了液体微元之间的相对运动，起到了混合分散的作用，为充分混合区。在实际生产中，强制涡流区半径与搅拌器叶轮半径之比近似为0.7，搅拌叶片有效搅拌面积仅为30％，因而，铁水KR搅拌脱硫传输动力学机制是局域卷吸混合、径向剪切分散。由此可见，扩展搅拌自由涡流区、缩小强制涡流区是改善铁水KR机械搅拌脱硫反应动力学条件、提高脱硫效果的重要途径。
根据“陈志平、章序文、林兴华等编著，搅拌与混合设备设计选用手册，化学工业出版社，2004.5”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。由此可见，强化轴向流与径向流、抑制切向流是改善搅拌混合效果的关键途径。为此，国内外学者在抑制搅拌切向流方面开展了大量的工作，并取得了良好的水模试验效果。如：中国硕士学位论文“奚超超，KR铁水脱硫预处理工艺数理模拟研究，重庆大学材料科学与工程学院，2016.5”系统报到了贴壁挡板、离壁挡板以及正反脉冲旋转、变位置旋转、变速旋转搅拌对搅拌混合效果的影响规律，通过对搅拌漩涡的抑制作用，取得了明显改善搅拌混合特性的试验效果。中国专利“李明晖、欧阳德刚、罗巍等，用于铁水脱硫预处理的机械搅拌脱硫方法，申请公布号：CN106244759.A”公开了一种采用离壁挡板抑制搅拌切向流的搅拌脱硫方法，通过离壁挡板对搅拌漩涡的阻挡作用，阻止搅拌切向流动，强化搅拌轴向流与径向流，达到改善搅拌混合特性的目的。中国专利“铁水机械搅拌脱硫用喷气式搅拌器，授权公告号：CN102154533.B”公开了一种叶片间喷吹改善搅拌动力学条件的新型搅拌器，利用搅拌轴金属芯内风冷管的冷却氮气，通过搅拌器叶片间设置的弥散式喷口，向搅拌强制涡流区喷射氮气，提高强制涡流区的湍流流动，抑制切向流，强化轴向流与径向流，促进搅拌混合，改善搅拌脱硫动力学条件。中国专利“KR喷粉熔体脱硫搅拌器，申请公布号：CN106702071A”公开了一种在下部配置搅拌叶的搅拌本体，所述的搅拌叶上下两侧水平固定有第一与第二轮毂，其中第一轮毂布置有喷口，通过喷口吹入氮气，提高搅拌力、降低搅拌装置温度，延长寿命，提高脱硫效率，在搅拌叶上可设有搅拌孔，但未阐述搅拌孔的具体结构、开设方式，也未说明其具体效能，但专利说明书中叙述的镁脱硫剂KR搅拌脱硫有些不切合实际，因金属镁易高温气化，无法实现铁水液面加入后的搅拌脱硫，但通过喷口喷入铁水深处可以实现镁脱硫反应。然而，上述改进措施由于受实际生产条件与设备条件的制约，难以在实际生产中稳定实施，至今为见实际生产应用的报道。此外，中国专利“铁水机械搅拌脱硫方法，授权公告号：CN101492753.B”公开了一种铁水罐偏心搅拌脱硫方法，通过搅拌器偏离铁水罐中心的搅拌，引起搅拌漩涡中心偏离搅拌轴心，遏制了常规KR搅拌脱硫时搅拌中心强制涡流区的形成，限制切向流的发展，使漩涡吸入的脱硫剂偏离搅拌轴心非对称性卷入循环，并通过搅拌器叶片的冲击实现卷入的脱硫剂在铁水中的混合分散，从而有效地改善了铁水机械搅拌脱硫动力学条件。该方法虽然在实际生产中取得了良好的工业性试验效果，但由于偏心搅拌较大的偏心推力，促进了铁水罐车刹车系统的磨损，增大了铁水罐车的维护工作量，给实际推广应用带来困难。
综合上述可见，强化轴向流与径向流、抑制切向流是改善铁水机械搅拌脱硫反应动力学的核心关键所在，虽然国内外学者为此做出了大量的努力，形成了系列改善技术方案，并在水模试验中达到了明显改善机械搅拌混合特性的优良效果。然而，受铁水机械搅拌脱硫的高温、大功率搅拌、间歇式生产等工况条件的限制，研究的众多改进措施难以在实际生产中稳定实施，如：正反旋转脉冲搅拌不仅导致搅拌电机巨大的功率冲击，同时也严重影响搅拌装置的安全与稳定；贴壁挡板的高温强烈冲刷磨损以及间歇式工作条件下的热机械应力损毁，严重影响了贴壁挡板功能的可靠性与稳定性；叶片间喷气因受旋转接头密封可靠性的影响，严重威胁了喷气压力的稳定性和喷气的可靠性；偏心搅拌较大的偏心推力制约了偏心参数的稳定实施，也威胁搅拌过程的顺畅与脱硫设备的安全等等。由此可见，如何基于现有的生产工艺条件和设备条件，在确保生产稳定可靠的基础上，简便易行低实施搅拌切向流的遏制是改善实际生产中KR搅拌脱硫反应动力学条件的关键。
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，提供一种抑制搅拌切向流、强化搅拌轴向流与径向流的铁水脱硫用自脉冲搅拌器。
为实现上述目的，本发明所设计的铁水脱硫用自脉冲搅拌器，包括搅拌器连接法兰、搅拌轴及固定在所述搅拌轴外周缘上且绕所述搅拌轴周向均匀分布的搅拌叶；所述搅拌轴包括搅拌轴芯和搅拌轴芯耐火浇注料衬，所述搅拌叶包括搅拌叶芯和搅拌叶芯耐火浇注料衬；每一个所述搅拌叶的中部区域沿搅拌旋转方向开设有贯穿所述搅拌叶的流场脉冲干扰通孔，所述流场脉冲干扰通孔均沿搅拌旋转周向向下倾斜设置，向下倾角α为5～20°。
进一步地，所述流场脉冲干扰通孔的形状为圆形、椭圆形、正方形或矩形；每个所述流场脉冲干扰通孔的面积均为所述搅拌叶迎铁面面积的2～10％，所述搅拌叶上所述流场脉冲干扰通孔的中心点离所述搅拌叶上端面的距离h为所述搅拌叶高度H的1/3～2/3，所述搅拌叶上所述流场脉冲干扰通孔的中心点离所述搅拌轴中心线的距离L为所述搅拌叶半径R的1/2～2/3。
进一步地，每个所述流场脉冲干扰通孔的内壁均包裹有搅拌叶芯耐火浇注料衬。
进一步地，所述搅拌叶迎铁面和背铁面均为垂直面或均为向搅拌旋转方向倾斜的斜面或均为向搅拌旋转方向倾斜的螺旋面，所述搅拌叶上端面、下端面和外侧面均为平面或均为外凸圆弧面。
进一步地，所述搅拌叶的个数为四片或四片以上的偶数片时，所述流场脉冲干扰通孔间隔开设在搅拌叶上，间隔开设的流场脉冲干扰通孔沿搅拌旋转周向向下倾斜设置或者沿搅拌旋转周向水平设置，所述流场脉冲干扰通孔沿搅拌旋转周向向下倾斜设置的向下倾角α为5～20°。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：本发明的铁水脱硫用自脉冲搅拌器能够起到抑制搅拌切向流、强化搅拌轴向与径向流的作用，达到缩小强制涡流区、扩大自由涡流区与改善搅拌混合特性的效果，具有结构简单、制备简便、搅拌混合充分、脱硫效率高及使用寿命长等优点；在铁水KR机械搅拌脱硫实际生产中，达到提高脱硫剂搅拌吸入量、增大脱硫剂吸入深度、扩大脱硫剂与铁水接触反应面积、提高脱硫剂反应反应速度与利用率、缩短脱硫反应时间等目的，同时，通过减少搅拌切向流剪切动力消耗与剪切磨损，达到降低搅拌能量消耗、延长搅拌器与铁水罐使用寿命、遏制搅拌冲击引起的设备振动等目的，最终达到改善铁水KR搅拌脱硫动力学条件与脱硫技术经济指标的预期目的。
附图说明
图1为本发明三叶铁水脱硫用自脉冲搅拌器立体示意图；
图2为图1的主视示意图；
图3为图2的D-D剖面示意图；
图4为图2的E-E剖面示意图；
图5为本发明一种四叶铁水脱硫用自脉冲搅拌器剖面主视示意图；
图6为图5的A-A剖面示意图；
图7为本发明另一种四叶铁水脱硫用自脉冲搅拌器主视示意图；
图8为图7的C-C剖面示意图；
图中各部件标号如下：搅拌器连接法兰1、搅拌轴2(其中：搅拌轴芯2.1、搅拌轴芯耐火浇注料衬2.2)、搅拌叶3(其中：搅拌叶芯3.1、搅拌叶芯耐火浇注料衬3.2)、流场脉冲干扰通孔4。
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所示的铁水脱硫用自脉冲搅拌器，包括搅拌器连接法兰1、搅拌轴2及固定在搅拌轴外周缘上且绕搅拌轴周向均匀分布的搅拌叶3；结合图3、图4所示，搅拌轴2包括搅拌轴芯2.1和搅拌轴芯耐火浇注料衬2.2，搅拌叶3包括搅拌叶芯3.1和搅拌叶芯耐火浇注料衬3.2。
再次如图1、图2所示，每一个搅拌叶3的中部区域沿搅拌旋转方向开设有贯穿搅拌叶3的流场脉冲干扰通孔4，且流场脉冲干扰通孔4均沿搅拌旋转周向向下倾斜设置，向下倾角α为5～20°，另外，每个流场脉冲干扰通孔4的内壁均包裹有搅拌叶芯耐火浇注料衬3.2。本实施例中，流场脉冲干扰通孔4的形状可以是圆形、椭圆形、正方形或矩形，每个流场脉冲干扰通孔4的面积均为搅拌叶3迎铁面面积的2～10％，搅拌叶3上流场脉冲干扰通孔4的中心点离搅拌叶3上端面的距离h为搅拌叶3高度H的1/3～2/3，搅拌叶3流场脉冲干扰通孔4的中心点离搅拌轴2中心线的距离L为搅拌叶3半径R的1/2～2/3。搅拌叶3迎铁面和背铁面均为垂直面或均为向搅拌旋转方向倾斜的斜面或均为向搅拌旋转方向倾斜的螺旋面，搅拌叶3上端面、下端面和外侧面均为平面或均为外凸圆弧面，其它与常规搅拌器相同，在此不再赘述。
如图5、图7所示，当搅拌叶3的个数为四片或四片以上的偶数片时，流场脉冲干扰通孔4也可以间隔开设在搅拌叶3上，也就是与开设有流场脉冲干扰通孔4的搅拌叶相邻的搅拌叶3上不设有流场脉冲干扰通孔4，即不是所有的搅拌叶3上都开有流场脉冲干扰通孔4，间隔开设的流场脉冲干扰通孔4既可以沿搅拌旋转周向向下倾斜设置(如图7所示，向下倾角α为5～20°)，也可以沿搅拌旋转周向水平设置(如图6所示)
当搅拌叶数量为四片或四片以上的偶数片时，在搅拌叶中部间沿搅拌旋转周向水平间隔开设一个流场脉冲干扰通孔，在搅拌脱硫过程中，通过间隔开设的脉冲干扰通孔流出的流体对下一个叶片迎铁面的冲击，在叶片间形成脉冲流场，脉动冲击叶片间的强制涡流，遏制搅拌切向流的形成，强化搅拌轴向流与径向流，达到缩小强制涡流区、扩大自由涡流区与改善搅拌混合效果的目的。对于搅拌叶数量为四片或四片以上的偶数片时，也可以是流场脉冲干扰通孔开设在每片搅拌叶的中部区域，沿搅拌旋转周向向下倾斜设置，向下倾角α为5～20°，流场脉冲干扰原理与搅拌叶数量为两片、三片及以上的奇数片时相同，即：当在每片搅拌叶的中部区域沿搅拌旋转周向向下倾斜5～20°开设一个流场脉冲干扰通孔，在搅拌过程中，通过周向向下倾斜设置的流场脉冲干扰通孔流出的流体对下一个搅拌叶迎铁面的冲击，在搅拌叶间形成脉冲干扰流场，脉动冲击搅拌叶间的强制涡流，遏制搅拌切向流的形成，强化搅拌轴向流与径向流，达到缩小强制涡流区、扩大自由涡流区与改善搅拌混合效果的目的。通过流场脉冲干扰通孔设置部位、结构形状、结构尺寸的设计，保证了流场脉冲干扰通孔的脉动强度与搅拌混合强化效果。通过搅拌叶与搅拌叶中部区域的流场脉冲干扰通孔由搅拌叶芯耐火浇注料衬包裹搅拌叶芯组成的复合体结构设计，保证了搅拌器制备的便捷与质量，提高了流场脉冲干扰通孔结构的可靠性与流场干扰的稳定性。通过搅拌叶迎铁面与背铁面为垂直面或向旋转方向倾斜的斜面和螺旋面以及搅拌叶上端面、下端面和外侧面为平面或外凸圆弧面的外形结构设计，增强了搅拌叶的整体性和抗损毁能力，尤其是搅拌叶异性面的结构设计，提高了搅拌叶的抗冲刷磨损能力，降低了结构应力，达到延长搅拌器使用寿命的目的。
综上所述，本发明的铁水脱硫用自脉冲搅拌器能够起到抑制搅拌切向流、强化搅拌轴向与径向流的作用，达到缩小强制涡流区、扩大自由涡流区与改善搅拌混合特性的效果；在铁水KR机械搅拌脱硫实际生产中，达到提高脱硫剂搅拌吸入量、增大脱硫剂吸入深度、扩大脱硫剂与铁水接触反应面积、提高脱硫剂反应反应速度与利用率、缩短脱硫反应时间等目的，同时，通过减少搅拌切向流剪切动力消耗与剪切磨损，达到降低搅拌能量消耗、延长搅拌器与铁水罐使用寿命、遏制搅拌冲击引起的设备振动等目的，最终达到改善铁水KR搅拌脱硫动力学条件与脱硫技术经济指标的预期目的。
实施例1
无论搅拌叶3的个数为多少(两个、三个或四个均可以，如图2、图7所示)，均在每一个搅拌叶3上开设流场脉冲干扰通孔4，且流场脉冲干扰通孔4均沿搅拌旋转周向向下倾斜设置，向下倾角α为5～20°(优选为10°)，另外，每个流场脉冲干扰通孔4的内壁均包裹有搅拌叶芯耐火浇注料衬3.2。每个流场脉冲干扰通孔4的面积均为搅拌叶3迎铁面面积的2～10％(优选为6％)，搅拌叶3上流场脉冲干扰通孔4的中心点离搅拌叶3上端面的距离h为搅拌叶3高度H的1/3～2/3(优选为1/2)，搅拌叶3流场脉冲干扰通孔4的中心点离搅拌轴2中心线的距离L为搅拌叶4半径R的1/2～2/3(优选为3/5)。
实施例2
实施例2与实施例1的不同点在于：搅拌叶的个数为四片或四片以上的偶数片时，如图5所示，流场脉冲干扰通孔4还可以间隔地开设在搅拌叶3上(如图6所示)，也就是与开设有流场脉冲干扰通孔4的搅拌叶相邻的搅拌叶3上不设有流场脉冲干扰通孔4，即不是所有的搅拌叶3上都开有流场脉冲干扰通孔4，间隔开设的流场脉冲干扰通孔4既可以沿搅拌旋转周向向下倾斜设置，向下倾角α为5～20°(优选为10°)。
实施例3
实施例3与实施例2的不同点在于：流场脉冲干扰通孔4沿搅拌旋转周向水平设置。

Claims (5)

1.一种铁水脱硫用自脉冲搅拌器，包括搅拌器连接法兰(1)、搅拌轴(2)及固定在所述搅拌轴(2)外周缘上且绕所述搅拌轴(2)周向均匀分布的搅拌叶(3)；所述搅拌轴(2)包括搅拌轴芯(2.1)和搅拌轴芯耐火浇注料衬(2.2)，所述搅拌叶(3)包括搅拌叶芯(3.1)和搅拌叶芯耐火浇注料衬(3.2)；其特征在于：每一个所述搅拌叶(3)的中部区域沿搅拌旋转方向开设有贯穿所述搅拌叶(3)的流场脉冲干扰通孔(4)，所述流场脉冲干扰通孔(4)均沿搅拌旋转周向向下倾斜设置，向下倾角α为5～20°。
2.根据权利要求1所述铁水脱硫用自脉冲搅拌器，其特征在于：所述流场脉冲干扰通孔(4)的形状为圆形、椭圆形、正方形或矩形；每个所述流场脉冲干扰通孔(4)的面积均为所述搅拌叶(3)迎铁面面积的2～10％，所述搅拌叶(3)上所述流场脉冲干扰通孔(4)的中心点离所述搅拌叶(3)上端面的距离h为所述搅拌叶(3)高度H的1/3～2/3，所述搅拌叶(3)上所述流场脉冲干扰通孔(4)的中心点离所述搅拌轴(2)中心线的距离L为所述搅拌叶(3)半径R的1/2～2/3。
3.根据权利要求1或2所述铁水脱硫用自脉冲搅拌器，其特征在于：每个所述流场脉冲干扰通孔(4)的内壁均包裹有搅拌叶芯耐火浇注料衬(3.2)。
4.根据权利要求1或2所述铁水脱硫用自脉冲搅拌器，其特征在于：所述搅拌叶(3)迎铁面和背铁面均为垂直面或均为向搅拌旋转方向倾斜的斜面或均为向搅拌旋转方向倾斜的螺旋面，所述搅拌叶(3)上端面、下端面和外侧面均为平面或均为外凸圆弧面。
5.根据权利要求1所述铁水脱硫用自脉冲搅拌器，其特征在于：所述搅拌叶(3)的个数为四片或四片以上的偶数片时，所述流场脉冲干扰通孔(4)间隔开设在搅拌叶(3)上，间隔开设的流场脉冲干扰通孔(4)沿搅拌旋转周向向下倾斜设置或者沿搅拌旋转周向水平设置，所述流场脉冲干扰通孔(4)沿搅拌旋转周向向下倾斜设置的向下倾角α为5～20°。
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