CN108588318A - 铁水机械搅拌高效低耗脱硫方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种铁水机械搅拌高效低耗脱硫方法，本发明铁水机械搅拌高效低耗脱硫方法在不改变现有设备条件下，达到改善脱硫剂搅拌混合分散效果与铁水脱硫反应动力学条件、避免铁水二次脱硫、降低脱硫剂消耗与生产成本、提高生产效率与技术经济指标等综合目的，满足低硫钢的高效稳定生产要求。

Description

铁水机械搅拌高效低耗脱硫方法

技术领域

本发明涉及铁水预处理技术领域，具体涉及一种铁水机械搅拌高效低耗脱硫方法。

背景技术

硫是钢铁产品中的主要有害元素之一(除含硫钢种外)，铁水带渣则是影响转炉冶炼技术经济性的关键因素之一，因而，必须尽量去除钢中硫和入炉铁水渣，以满足高品质钢种的高效冶炼要求。为此，早在上世纪70年代铁水脱硫预处理与扒渣技术便得到规模化应用，并形成了以铁水喷吹脱硫或KR机械搅拌脱硫与机械扒渣为特征的铁水脱硫预处理扒渣综合技术，成为现代钢铁工业的必备工序。其中，铁水机械搅拌脱硫方法以其优良的动力学条件和可靠的深脱硫稳定性得到国内外钢铁企业的广泛关注，成为低硫与超低硫钢生产的首选脱硫工艺。

铁水KR机械搅拌脱硫方法的工艺过程是：将一个外衬耐火材料的单层叶片搅拌器，沿铁水罐中心垂直浸没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卷吸、排出与上浮循环运动，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，影响搅拌脱硫效率的主要因素有搅拌器叶片结构形式、叶片数量、浸入铁水深度、搅拌转速、铁水成分、铁水温度以及脱硫剂种类、用量、粒度分布等，在脱硫剂与铁水条件一定时，影响铁水脱硫反应的关键因素是脱硫反应动力学条件，即：脱硫剂在铁水中的混合分散状况。为此，国内外学者就如何提高铁水机械搅拌脱硫反应动力学条件开展了大量的研究工作，先后开发了不同叶片结构、叶片数量的新型结构搅拌器和提高搅拌混合效率的搅拌新工艺，部分研究成果在实际生产中取得了良好的应用效果。

在搅拌器新型结构方面，中国发明专利“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，实现相同反应动力学条件下降低搅拌旋转速度与冲刷磨损，减小搅拌叶片表面换热系数，延缓热应力裂纹损毁进程，并在实际生产中推广应用，与常规搅拌器相比使用寿命延长1.5倍，脱硫剂消耗下降0.5Kg/t铁。中国发明专利申请“铁水脱硫用高效混合搅拌器，申请号201710582931.0”公开了一种叶片数量为2～3片的螺旋叶片结构搅拌器，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，通过螺旋叶片结构，强化搅拌轴向流与径向流，达到扩展搅拌混合区域、强化混合分散的目的。虽然上述异形叶片结构搅拌器在实际生产中得到了验证，同时也解决了搅拌器服役过程中叶片形状的维持问题，并在实际生产中得到应用，与前一专利产品相比，脱硫剂消耗、搅拌电耗与搅拌器使用寿命得到了进一步的改善。

在搅拌新工艺方面，中国发明专利申请“一种高效率的搅拌脱硫方法，申请号201710743363.8”公开了一种包括如下步骤的搅拌脱硫方法，即：(1)将铁水包开到扒渣位，进行前扒渣；(2)将搅拌器下降至桨底接触铁水液面，记录下降高度h；继续将搅拌器下降至下降高度H，开始搅拌铁水，并且逐渐加大搅拌转速至搅拌电流达到A区间；保持搅拌电流在A区间，分步加入脱硫剂，待全部脱硫剂加完后，持续搅拌1～2min；加大搅拌转速至搅拌电流达到B区间后，持续搅拌6～7min；其中，H-h＝1.5～1.7m，A区间为180A～200A，B区间为240A～260A；(3)搅拌完成后进行后扒渣，即可。所述步骤(1)中的前扒渣具体为扒渣至铁水液面裸露面积达到75％以上；所述步骤(2)中的分步加入脱硫剂的方式为：将脱硫剂放至剩余1/3时停止下料，待1～2min后再将剩余料全部加入；所述步骤(3)中的后扒渣具体为扒渣至铁水液面裸露面积达到95％以上。该发明认为在搅拌器工作工程中，电机所做的功主要转化成了铁水的动能，基于搅拌器服役过程中搅拌功率基本相等的原则，通过电机电流基本一致的控制来替代传统的搅拌器转速控制，实现搅拌器服役全过程的搅拌控制和铁水搅拌效果的控制，因此，未对搅拌器转速进行明确的控制方式，这与实际生产过程中随着搅拌器服役时间的延长搅拌电流急速下降的的现状完全相悖，也无法适应搅拌器服役过程结构尺寸明显缩小、铁水罐耐火材料衬磨损后容积变化以及铁水条件波动带来的工况变化情况；此外，根据该专利中的相关数据参数，不难看出其仅适应额定装载量为100t左右的铁水罐搅拌脱硫，从公开的实施例来看，报道的结果未能考虑搅拌器服役过程的形貌变化情况，目前未见实际生产应用的报道。中国发明专利申请“一种KR法脱硫冶炼过程搅拌转速的控制方法，申请号201610907571.2”公开了一种包括如下步骤的KR法脱硫转速控制方法，即：步骤一：铁水处理开始前，获得本次处理过程搅拌器的使用次数n；步骤二：根据搅拌器的使用次数n选择基准转速计算参数并计算基准转速ω0；步骤三：根据搅拌器的使用次数选择操作模式，获得操作模式中包含的各阶段转速浮动量，对分阶段控制KR搅拌过程进行各阶段转速的浮动计算；步骤四：从步骤三中选取的操作模式中获得分步加速控制参数；步骤五：处理开始后，根据上述选取、计算获得控制参数完成分步加速、分阶段搅拌控制过程；当出现控制异常时，可根据实际需要修改转速的设定值；步骤六：本炉次冶炼完毕后，记录本次冶炼搅拌器使用次数、平均转速信息，对转速计算参数进行重新拟合并更新计算参数。所述的基准转速计算参数选择方法：当搅拌器的使用次数小于或等于n₀次时，选择第一组计算参数a₁、b₁，基准转速计算公式ω₀＝a₁×n+b₁；其余炉次选择计算参数a₂、b₂，基准转速计算公式ω₀＝a₂×n+b₂；参数n₀为炉次平均搅拌转速的增加出现明显放缓时搅拌器使用次数，在6～15之间；参数a₁、b₁、a₂、b₂参数通过拟合搅拌器使用次数及对应炉次搅拌平均转速获得。所述的a₁以0.5～1.5作为控制范围，所述的b₁以80-90作为控制范围，所述的a₂以0.2～0.3作为控制范围，所述的b₂以85～95作为控制范围。由此可见，该专利的转速控制方法是根据大量的实际生产数据，归纳总结了基准转速与转速浮动量计算方法，并由此建立了相应的转速控制方法，因而对于其数据来源的生产对象具有一定的适应能力，但由该专利实施例与专利背景的报道可见，该转速控制方法适应于搅拌器使用寿命为150～360次的常规四叶搅拌器，而目前国内外新型搅拌器的使用寿命远超过500次，甚至达到700次以上，若按照该专利的转速控制方式，搅拌转速将远远超过设备的承受能力，因而，该方法的适应性较差。此外，铁水机械搅拌脱硫过程中涉及搅拌器的操作工艺参数还有搅拌器铁水浸入深度、搅拌功率等指标，但这些参数值选取合适与否将直接影响搅拌转速的适宜范围，甚至影响到设备的正常运行；该转速控制方法涉及关键参数是在大量实际生产数据的基础上进行反复拟合与计算获得，但实际生产中时常出现的异常数据应如何规避，专利中并未提供，只是说明了当出现控制异常时，可根据实际需要修改转速的设定值，就如何根据实际需要进行修改也未提供；目前也未见到实际生产应用的报道。此外，文献“肖林伟、陈奎生、但斌斌等，铁水KR脱硫中后期搅拌器转速研究，铸造技术，2016(9)”针对搅拌器服役过程中搅拌器磨损缩小的实际状况，基于搅拌器搅拌功率计算公式：P＝Np·ρ·N³·d⁵，式中：P为搅拌功率(W)，Np为功率准数(量纲为1)，ρ为铁水密度(kg/m3)，N为搅拌转速(转/s)，d为搅拌器直径(m)，提出了等效直径的概念，即：采取与新搅拌器相同的转速进行搅拌，根据采集的搅拌功率数据进行等效直径的计算；由搅拌卷吸过程可见，在搅拌器卷吸铁水的过程中，上端面卷吸的铁水裹挟着脱硫剂，使脱硫剂完成第一阶段的运动。只要搅拌器上端面对铁水的卷吸量相等，就可认为脱硫剂在第一阶段的运动相似。因而，在上述等效直径计算的基础上，按照搅拌脱硫过程中铁水卷吸量都相等的要求，根据搅拌器排量计算式为：Q_d＝N_qd·N·d³，式中，Q_d为搅拌器排量(m³/s)，N_qd为排量准数(量纲为1)，根据计算所得的搅拌器服役过程中的等效直径d便可计算出所需的控制转速，计算式为：N₁＝N₀·(d₀/d₁)³,式中，N₁为需要设定的转速(r/min)，N₀为新搅拌器的标准转速(rpm)，d₀为新搅拌器的直径(m)，d₁为服役中的等效直径(m)。根据脱硫剂从桨叶区排离到搅拌器外围区域的第二阶段运动，在使用中后期搅拌器作业时，如果脱硫剂颗粒在距离搅拌轴心d₀/2处所受离心力与使用新搅拌器的相等，则可认为脱硫剂的运动行为相似，根据离心力计算公式，可得N₁＝N₀·(d₀/d₁)²。此外，在使用中后期搅拌器增加转速后自由液面形状将发生变化，因而，在进行等效直径计算和d₀/2处脱硫剂离心力相等的搅拌转速修正的条件下，铁水罐边缘的液面上升高度和液面最低点高度是需要考虑的问题，为此，特对100t铁水罐机械搅拌脱硫情况进行了相关计算，结果表明，与新搅拌器相比，等效值将减小13.6％时，液面上升高度H1增大10mm，液面最低点高度H2增大19mm，漩涡总深度H1+H2变化范围为：168.0～196.9mm，因此，在常规的搅拌器插入深度条件下，调整转速后的液面高度的变化对脱硫系统基本没有影响。根据上述报道的计算方法，若采取搅拌转速与搅拌器直径比的平方关系进行控制，由于搅拌功率与转速的3次方和直径的5次方成正比，因而势必导致服役中后期搅拌功率不断增大，这与实际生产情况相悖，此外，100t铁水罐的旋涡总深度计算值明显偏小，与静止时搅拌器上端面与铁水液面有0.5m左右的距离差距过大，势必导致搅拌漩涡无法与搅拌器液面顶面接触，无法实现脱硫剂自浮颗粒的卷入及其与铁水的混合分散。

根据铁水机械搅拌脱硫实际生产现状的调研，在脱硫过程中搅拌器的转动是脱硫剂在铁水中分散的唯一动力来源，随着搅拌脱硫过程的不断持续，搅拌器耐火材料衬也持续不断地承受铁水的冲刷与渗透以及熔渣侵蚀，导致搅拌器耐火材料衬的不断磨损、熔蚀、开裂与剥落，搅拌器外形尺寸不断缩小，如何合理地控制不同服役时期的搅拌工艺参数将直接影响铁水机械搅拌脱硫效率与脱硫指标的稳定性，但在实际生产过程中目前主要是依靠操作人工的经验进行控制，缺乏有效的理论指导，不利于铁水机械搅拌脱硫的精细控制，导致二次脱硫现象时常发生，同时，不同企业间的脱硫技术经济指标差异巨大，搅拌器的破损形式与服役过程的形貌变化也大不相同，如：搅拌器使用寿命和脱硫剂消耗成倍差距，搅拌器叶片上部磨损和下部磨损的相悖区别。为此，特系统总结分析了国内外相关搅拌卷吸分散的理论研究成果，根据文献“禹耕之、王蓉、毛在砂，自吸式气-液-液反应器的相分散和传质特性，石油炼制与化工，2000(10)”介绍了自浮相与气相的卷吸分散过程，自浮相分散的临界转速是指当自浮相刚开始在水相中出现时的搅拌速度，它的大小表明了搅拌桨的分散能力。自浮相分散的临界转速与搅拌桨的直径和浸没深度等因素有关。在自浮相的吸入过程中，当搅拌桨转动使其周围的液体获得动能时，桨区的静压头下降，形成抛物型的自浮相与液相旋涡界面，随着转速的增大，漩涡界面不断下降；当达到临界转速N₀时，漩涡界面刚好到达搅拌桨区域；转速再增大时，自浮相就由桨叶破碎与卷入、径向甩出，并经叶片端部剪切作用，进一步破碎后进入液相中，实现自浮相的搅拌卷吸分散混合。文献“陈明光、孙建中、唐福瑞等，自吸式气液搅拌槽中旋涡的形状，化工学报，1988(1)”应用动量平衡,导出了漩涡液面形状方程和固体回转部半径的计算式子,获得了螺旋推进式桨叶和平直浆叶的特性吸入转速N₀和固体回转部半径随搅拌雷诺数的变化规律。结果表明,螺旋桨的特性吸入转速小于平直浆，同时，由螺旋桨和平直浆的固体回转部半径r_c与Re的关系曲线可见，但Re＜10⁵时，螺旋桨的r_c小于平直浆，提高了搅拌混合效果，当Re＞0⁵时，螺旋桨的r_c小于平直浆，若利用螺旋桨漩涡深度大的特点，则可适当降低桨叶的安装高度，提高搅拌转速，可使漩涡底部超过桨叶下端区域，也能大大削弱固体混转不的影响，提高搅拌混合效果。由此可见，搅拌桨叶片结构形式的不同，相同搅拌工艺参数条件下的搅拌漩涡结构尺寸与搅拌混合效果也不同。

综上所述可见，为了提高铁水机械搅拌脱硫效果，以改善搅拌混合特性、提高脱硫反应动力学条件为目的，众多学者开展了大量的理论研究与实践，部分研究成果在实际生产中取得了良好的应用效果，但由于铁水机械搅拌脱硫反应系统涉及高温多相流体力学以及冶金反应热力学与动力学问题，冶金反应体系十分复杂、影响因素众多，导致部分研究结果适应性差、改进效果不稳定、推广应用困难，并且不同企业间设备条件、原料条件业存在明显的差异，也使企业间实际铁水脱硫技术经济指标差异巨大，给研究成果的合理评价带来困难。参考化工行业相关理论研究结果，虽然对自浮相的搅拌卷吸分散过程进行了大量的研究，但对自浮颗粒分散问题涉及不多，具体的改进技术也不具体，可见即使是在化工行业，自浮相的搅拌卷吸分散问题也是十分复杂的问题。此外，与化工行业的搅拌分散问题相比，铁水机械搅拌脱硫的高温、不可视、自浮颗粒界面反应、反应物表面沉积等特点，导致其复杂性更大。在目前铁水机械搅拌脱硫生产技术条件下，开发出合理的搅拌工艺方法与控制模式，以适应企业间设备与原料条件不同的要求，达到提高脱硫效率与生产技术经济指标的目的。

发明内容

本发明的目的就是针对上述技术的不足，提供一种在不改变现有设备条件下能达到改善脱硫剂搅拌混合分散效果与铁水脱硫反应动力学条件、避免铁水二次脱硫、降低脱硫剂消耗与生产成本、提高生产效率的铁水机械搅拌高效低耗脱硫方法，从而实现技术经济指标、满足低硫钢的高效稳定生产要求。

为实现上述目的，本发明所设计的铁水机械搅拌高效低耗脱硫方法，包括如下步骤：

1)将铁水罐开到扒渣位，进行铁水测温取样，进行扒前渣，前渣扒除后，铁水罐开到脱硫工位；

2)根据测温取样的分析结果和铁水量、按照脱硫模型计算脱硫剂投加量W与搅拌时间τ；并按照步骤7)进行脱硫剂投加量的修正、按照步骤8)进行搅拌时间的修正；

3)测量计算铁水液面标高H，并按照下式计算搅拌器插入深度h；

计算公式为h＝3.8·10^-4·Φ·m·N²·r²

式中：h为搅拌器插入深度、单位为m；

Φ为搅拌器服役修正系数，取值范围为0.7～1.0，其中，新上线的搅拌器Φ取值为1，服役过程中的搅拌器则采取步骤8)中的修正方法进行数值修正；

m为搅拌器结构修正参数；

r为设定的搅拌器旋转半径，单位为m；

N₀为设计的最低搅拌器转动速度，单位为转/min；

并计算搅拌器插入后叶片底部端面标高H₀，H₀＝H-h-b，式中，-为减号、b为叶片高度；

4)下降搅拌器升降车带动搅拌器下降并插入铁水罐至搅拌器叶片底部端面标高为H₀，启动搅拌电机，逐步提高搅拌器转动速度，直至使搅拌漩涡液面与搅拌叶上端面的相交点与搅拌器旋转轴的中心轴线之间的距离L₀范围为：r₀＜L₀≤0.7r，并观察到铁水罐口有零星铁花飞出，其中，r₀为搅拌器旋转轴与搅拌叶片交界面外圆半径；

此后，按照常规加料方式和步骤1)中计算的脱硫剂投加量W进行脱硫剂连续投加，然后保持搅拌器转动速度不变、直至脱硫剂加料结束；

5)脱硫剂投加完毕后，调整搅拌器转动速度，直至使搅拌漩涡液面与搅拌叶上端面的相交点与搅拌器旋转轴中心轴线之间的距离L₀范围为：r₀＜L₀≤0.7r，并观察到铁水罐口有零星铁花飞出，然后继续搅拌直至搅拌时间τ结束；

6)搅拌结束后，逐渐降低搅拌器转动速度至零，提升搅拌器至正常工作等待工位，完成一罐次铁水的脱硫搅拌任务，并将铁水罐开到扒渣工位，进行测温取样和铁水后渣扒除；

7)若步骤6)中的取样分析结果达到目标硫要求，转运至转炉进行转炉兑铁，完成一罐铁水的脱硫扒渣，再从步骤1)继续进行下一罐铁水的机械搅拌脱硫生产；

若步骤6)中的取样分析结果若高于目标硫要求，即比目标硫高10ppm以上，则从步骤1)开始进行二次脱硫，达到目标硫要求后，转运至转炉进行转炉兑铁，完成该罐铁水的脱硫扒渣；并在下一罐铁水的机械搅拌脱硫生产完成步骤1)后，根据上罐次脱硫的前硫和目标硫差值与一次脱硫的铁水前后硫差值的比值ζ₁，对步骤2)中的脱硫剂投加量W进行比例修正，即：W₁＝ζ₁·W，增大脱硫剂投加量到W₁，并从步骤3)开始进行下一罐铁水的机械搅拌脱硫；

若步骤6)中的取样分析结果低于目标硫要求，即比目标硫低5ppm以上，转运至转炉进行转炉兑铁，完成一罐铁水的脱硫扒渣；但在下一罐铁水的机械搅拌脱硫生产完成步骤1)后，根据上罐次的前硫和目标硫差值与铁水前后硫差值的比值ζ₂，对步骤2)中的脱硫剂投加量W进行比例修正，即：W₂＝ζ₂·W，减少脱硫剂投加量到W₂，并从步骤3)开始进行下一罐铁水的机械搅拌脱硫；

8)随着搅拌器服役的进行，在步骤4)和步骤5)的实际搅拌器转动速度调节过程中，若实际搅拌器转动速度已接近或达到设计的最高搅拌器转动速度，漩涡液面与搅拌叶上端面的相交点距离L₀仍达不到r₀＜L₀的要求，且观察不到铁花零星飞出现象，则需对步骤3)中的搅拌器服役修正系数Φ进行修正，即在0.7～1.0取值范围内减小Φ的取值，从而减少搅拌器插入深度h，并按照Φ值减小的百分比η对步骤2)中的搅拌时间τ进行修正，即：η＝(1-Φ₁)·100％、τ₁＝(1+η)·τ，Φ₁为减小后的具体值，τ₁为修正后的搅拌时间，τ为模型计算的搅拌时间，直至Φ减小到最小值。

进一步地，所述步骤1)中，扒前渣为扒至铁水液面裸露面积达到60％以上或80％以上。

进一步地，所述步骤3)中，搅拌器为四叶平直桨叶搅拌器时m为1，搅拌器为三叶平直桨叶搅拌器时m为0.95，搅拌器为三叶螺旋桨叶搅拌器时m为0.9。

进一步地，所述步骤4)中，保持投料管的投料口到旋涡面的距离≤0.4m，并控制脱硫剂落入点到搅拌轴中心线的距离L₁，L₁的取值范围为L₀＜L₁＜r。

进一步地，所述步骤4)中，脱硫剂包括石灰与萤石，其重量百分比为石灰85～95％、萤石5～15％；其中，石灰为冶金活性石灰或钝化石灰，粒度直径范围为0.15～1.5mm，萤石中CaF₂的重量百分比含量≥80％，粒度直径范围为0.1～0.3mm。

进一步地，所述步骤4)中，投料管由倾斜的直线管段与弯曲短管段组成，投料口垂直朝下，常规加料方式采用气体输送脱硫剂或喷射投料。

进一步地，所述步骤6)中，后渣扒除为扒至铁水液面裸露面积达到80％以上或90％以上。

进一步地，所述步骤8)中，若步骤4)和步骤5)的实际搅拌器转动速度调节过程中，实际搅拌器转动速度已接近或达到设计的最高搅拌器转动速度，仍无搅拌铁花零星飞出，并连续出现二次脱硫现象，换下服役到期的旧搅拌器，换上新搅拌器。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、通过步骤2)中脱硫前铁水条件的控制与参数的测试分析，确定了合适的脱硫剂投加量与搅拌时间，为铁水高效低成本搅拌脱硫提供了可靠的基础；

2、在步骤3)中，基于铁水液面标高H的测量计算结果，根据本发明大量的不同大小铁水罐KR机械搅拌脱硫的实际生产数据统计分析，以及搅拌漩涡面形状方程的的理论计算，整理出了适合不同大小铁水罐的搅拌器插入深度h计算公式，为搅拌脱硫中搅拌器插入深度的合理确定提供了有效可靠的计算方法，避免了常规操作中按照铁水装载量分段选取插入深度带来的控制不精准问题，同时克服了不同服役期铁水罐耐火材料衬损毁状况不同引起的铁水液面高度变化的不足；

3、通过步骤4)中脱硫剂投加过程中实际搅拌器转动速度与脱硫剂投加点的控制方法，保证了脱硫剂投加过程中的有效卷入、防止脱硫剂扬尘逃逸，达到提高脱硫剂利用率的目的；

4、通过步骤5)中搅拌脱硫过程中的实际搅拌器转动速度控制方法，实现了搅拌叶片对卷入脱硫剂的有效击碎，避免了脱硫剂在搅拌漩涡底部的聚集结块，促进脱硫剂破碎分散与卷吸循环，提高脱硫剂反应面积与脱硫反应效率；

5、通过步骤7)中的脱硫剂投加量修正方法，保证的脱硫剂的高效利用，降低搅拌电力消耗，提供脱硫效率。通过铁水脱硫要求不同时铁水前渣与后渣扒除裸露面积控制的不同，防止了铁水前渣对脱硫反应过程以及后渣对铁水回硫的影响，提高扒渣效率，降低扒渣铁损；

6、通过步骤8)中搅拌参数的修正方法，提供了搅拌器结构尺寸设计偏大、偏小以及服役过程中尺寸变化条件下搅拌转速、搅拌器插入深度h、搅拌时间τ、搅拌电流的合理控制方法，保证搅拌脱硫的安全稳定高效运行。通过脱硫剂组份与原材料粒度、成分的限定，保证脱硫化渣效果与反应效率。通过投料管结构的设计，实现了脱硫剂的垂直喷射加入，通过脱硫剂喷射流股的液面冲击以及铁水液面的粘附，降低了脱硫剂扬尘逃逸损失，提高了脱硫剂的搅拌卷入效率，防止了脱硫剂的旋涡底部聚集结块，促进了脱硫剂的分散卷吸，强化了脱硫剂在铁水中的分散混合，进一步提高铁水搅拌脱硫效率；

7、通过本发明铁水机械搅拌高效低耗脱硫方法在不改变现有设备条件下，达到改善脱硫剂搅拌混合分散效果与铁水脱硫反应动力学条件、避免铁水二次脱硫、降低脱硫剂消耗与生产成本、提高生产效率与技术经济指标等综合目的，满足低硫钢的高效稳定生产要求。

附图说明

图1为本发明搅拌器下降到与铁水液面接触时示意图；

图2为本发明搅拌器下降到计算搅拌器插入深度时示意图

图3为本发明的投料搅拌过程示意图；

图4为本发明的投料后搅拌过程示意图。

图中各部件标号如下：

搅拌器1、铁水2、铁水罐3、投料管4(其中：直线管段4.1、弯曲短管段4.2、投料口4.3)、脱硫剂5。

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1～4所示，本发明的铁水机械搅拌高效低耗脱硫方法包括如下步骤：

1)将铁水罐3开到扒渣位，进行铁水2测温取样，进行扒前渣，扒前渣为扒至铁水2液面裸露面积达到60％以上(目标硫为20ppm以上的普通脱硫)或80％以上(目标硫10ppm以下的深脱硫)；前渣扒除后，铁水罐开到脱硫工位；

2)根据测温取样的分析结果和铁水量、按照脱硫模型计算脱硫剂投加量W与搅拌时间τ；并按照步骤7)进行脱硫剂投加量的修正、按照步骤8)进行搅拌时间的修正；

3)测量计算铁水2液面标高H，并按照下式计算搅拌器插入深度h(搅拌器插入深度h为搅拌器上层搅拌叶顶面至铁水脱硫前静止液面的距离)；

计算公式为h＝3.8·10^-4·Φ·m·N²·r²(·为乘以)

式中：h为搅拌器插入深度、单位为m；

Φ为搅拌器1服役修正系数，取值范围为0.7～1.0，其中，新上线的搅拌器Φ取值为1，服役过程中的搅拌器1则采取步骤8)中的修正方法进行数值修正；

m为搅拌器结构修正参数，其中，四叶平直桨叶搅拌器为1、三叶平直桨叶搅拌器为0.95、三叶螺旋桨叶搅拌器为0.9；

r为设定的搅拌器旋转半径，单位为m；

N₀为设计的最低搅拌器转动速度，单位为转/min，取值为70±5转/min；

并计算搅拌器插入后叶片底部端面标高H₀，即H₀＝H-h-b，式中，-为减号、b为叶片高度；

4)下降搅拌器升降车带动搅拌器下降并插入铁水罐3至搅拌器1叶片底部端面标高为H₀，启动搅拌电机，逐步提高搅拌器转动速度，直至使搅拌漩涡液面与搅拌叶上端面的相交点与搅拌器旋转轴的中心轴线之间的距离L₀范围为：r₀＜L₀≤0.7r，并观察到铁水罐口有零星铁花飞出，其中，r₀为搅拌器旋转轴与搅拌叶片交界面外圆半径；

此后，按照常规加料方式和步骤1)中计算的脱硫剂投加量W进行脱硫剂连续投加，保持投料管4的投料口4.3到旋涡面的距离≤0.4m，并控制脱硫剂5落入点到搅拌轴中心线的距离L₁，L₁的取值范围为L₀＜L₁＜r，然后保持搅拌器转动速度不变、直至脱硫剂加料结束；

脱硫剂包括石灰与萤石，其重量百分比为石灰85～95％、萤石5～15％；其中，石灰为冶金活性石灰或钝化石灰，粒度直径范围为0.15～1.5mm，萤石中CaF₂的重量百分比含量≥80％，粒度直径范围为0.1～0.3mm；

投料管4由倾斜的直线管段4.1与弯曲短管段4.2组成，投料口4.3垂直朝下，常规加料方式采用气体输送脱硫剂或喷射投料；投料时，投料管降落至投料点，投料后，投料管上升收回至待用位。

5)脱硫剂投加完毕后，调整搅拌器转动速度，直至使搅拌漩涡液面与搅拌叶上端面的相交点与搅拌器旋转轴中心轴线之间的距离L₀范围为：r₀＜L₀≤0.7r，并观察到铁水罐口有零星铁花飞出，然后继续搅拌直至搅拌时间τ结束；

6)搅拌结束后，逐渐降低搅拌器转动速度至零，提升搅拌器至正常工作等待工位，完成一罐次铁水的脱硫搅拌任务，并将铁水罐开到扒渣工位，进行测温取样和铁水后渣扒除；后渣扒除为扒至铁水液面裸露面积达到80％以上(目标硫为20ppm以上的普通脱硫)或90％以上(目标硫为10ppm及以下的深脱硫)；

7)若步骤6)中的取样分析结果达到目标硫要求，转运至转炉进行转炉兑铁，完成一罐铁水的脱硫扒渣，再从步骤1)继续进行下一罐铁水的机械搅拌脱硫生产；

若步骤6)中的取样分析结果若高于目标硫要求，即比目标硫高10ppm以上，则从步骤1)开始进行二次脱硫，达到目标硫要求后，转运至转炉进行转炉兑铁，完成该罐铁水的脱硫扒渣；并在下一罐铁水的机械搅拌脱硫生产完成步骤1)后，根据上罐次脱硫的前硫和目标硫差值与一次脱硫的铁水前后硫差值的比值ζ₁，对步骤2)中的脱硫剂投加量W进行比例修正，即：W₁＝ζ₁·W，增大脱硫剂投加量到W₁，并从步骤3)开始进行下一罐铁水的机械搅拌脱硫；

若步骤6)中的取样分析结果低于目标硫要求，即比目标硫低5ppm以上，转运至转炉进行转炉兑铁，完成一罐铁水的脱硫扒渣；但在下一罐铁水的机械搅拌脱硫生产完成步骤1)后，需根据上罐次的前硫和目标硫差值与铁水前后硫差值的比值ζ₂，对步骤2)中的脱硫剂投加量W进行比例修正，即：W₂＝ζ₂·W，减少脱硫剂投加量到W₂，并从步骤3)开始进行下一罐铁水的机械搅拌脱硫；

8)随着搅拌器服役的进行，铁水冲刷磨损与搅拌器耐火材料衬破损不断加剧，导致搅拌器结构尺寸持续缩小、搅拌阻力持续下降，在步骤4)和步骤5)的实际搅拌器转动速度调节过程中，若实际搅拌器转动速度已接近或达到设计的最高搅拌器转动速度，漩涡液面与搅拌叶上端面的相交点距离L₀仍达不到r₀＜L₀的要求，且观察不到铁花零星飞出现象，则需对步骤3)中的搅拌器服役修正系数Φ进行修正，即在0.7～1.0取值范围内减小Φ的取值，从而减少搅拌器插入深度h，并按照Φ值减小的百分比η对步骤2)中的搅拌时间τ进行修正，即：η＝(1-Φ₁)·100％、τ₁＝(1+η)·τ，Φ₁为减小后的具体值，τ₁为修正后的搅拌时间，τ为模型计算的搅拌时间，直至Φ减小到最小值，步骤4)和步骤5)的实际搅拌器转动速度调节过程中，实际搅拌器转动速度已接近或达到设计的最高搅拌器转动速度，仍无搅拌铁花零星飞出，并连续出现二次脱硫现象，说明搅拌器服役周期结束，需换下服役到期的旧搅拌器，换上新搅拌器。

上述计算式子中·为乘以、-为减号。

本发明的铁水机械搅拌高效低耗脱硫方法，通过步骤2)中脱硫前铁水条件的控制与参数的测试分析，确定了合适的脱硫剂投加量与搅拌时间，为铁水高效低成本搅拌脱硫提供了可靠的基础；在步骤3)中，基于铁水液面标高H的测量计算结果，根据本发明大量的不同大小铁水罐KR机械搅拌脱硫的实际生产数据统计分析，以及搅拌漩涡面形状方程的的理论计算，整理出了适合不同大小铁水罐的搅拌器插入深度h计算公式，为搅拌脱硫中搅拌器插入深度的合理确定提供了有效可靠的计算方法，避免了常规操作中按照铁水装载量分段选取插入深度带来的控制不精准问题，同时克服了不同服役期铁水罐耐火材料衬损毁状况不同引起的铁水液面高度变化的不足。通过步骤4)中脱硫剂投加过程中实际搅拌器转动速度与脱硫剂投加点的控制方法，保证了脱硫剂投加过程中的有效卷入、防止脱硫剂扬尘逃逸，达到提高脱硫剂利用率的目的。通过步骤5)中搅拌脱硫过程中的实际搅拌器转动速度控制方法，实现了搅拌叶片对卷入脱硫剂的有效击碎，避免了脱硫剂在搅拌漩涡底部的聚集结块，促进脱硫剂破碎分散与卷吸循环，提高脱硫剂反应面积与脱硫反应效率。通过步骤7)中的脱硫剂投加量修正方法，保证的脱硫剂的高效利用，降低搅拌电力消耗，提供脱硫效率。通过铁水脱硫要求不同时铁水前渣与后渣扒除裸露面积控制的不同，防止了铁水前渣对脱硫反应过程以及后渣对铁水回硫的影响，提高扒渣效率，降低扒渣铁损。通过步骤8)中搅拌参数的修正方法，提供了搅拌器结构尺寸设计偏大、偏小以及服役过程中尺寸变化条件下搅拌转速、搅拌器插入深度h、搅拌时间τ、搅拌电流的合理控制方法，保证搅拌脱硫的安全稳定高效运行。通过脱硫剂组份与原材料粒度、成分的限定，保证脱硫化渣效果与反应效率。通过投料管结构的设计，实现了脱硫剂的垂直喷射加入，通过脱硫剂喷射流股的液面冲击以及铁水液面的粘附，降低了脱硫剂扬尘逃逸损失，提高了脱硫剂的搅拌卷入效率，防止了脱硫剂的旋涡底部聚集结块，促进了脱硫剂的分散卷吸，强化了脱硫剂在铁水中的分散混合，进一步提高铁水搅拌脱硫效率。综上所述，通过本发明方法，在不改变现有设备条件下，达到改善脱硫剂搅拌混合分散效果与铁水脱硫反应动力学条件、避免铁水二次脱硫、降低脱硫剂消耗与生产成本、提高生产效率与技术经济指标等综合目的，满足低硫钢的高效稳定生产要求。

Claims (8)

1.一种铁水机械搅拌高效低耗脱硫方法，其特征在于：所述方法包括如下步骤：

1)将铁水罐开到扒渣位，进行铁水测温取样，进行扒前渣，前渣扒除后，铁水罐开到脱硫工位；

2)根据测温取样的分析结果和铁水量、按照脱硫模型计算脱硫剂投加量W与搅拌时间τ；并按照步骤7)进行脱硫剂投加量的修正、按照步骤8)进行搅拌时间的修正；

3)测量计算铁水液面标高H，并按照下式计算搅拌器插入深度h；

计算公式为h＝3.8·10^-4·Φ·m·N²·r²

式中：h为搅拌器插入深度、单位为m；

Φ为搅拌器服役修正系数，取值范围为0.7～1.0，其中，新上线的搅拌器Φ取值为1，服役过程中的搅拌器则采取步骤8)中的修正方法进行数值修正；

m为搅拌器结构修正参数；

r为设定的搅拌器旋转半径，单位为m；

N₀为设计的最低搅拌器转动速度，单位为转/min；

并计算搅拌器插入后叶片底部端面标高H₀，H₀＝H-h-b，式中，-为减号、b为叶片高度；

4)下降搅拌器升降车带动搅拌器下降并插入铁水罐至搅拌器叶片底部端面标高为H₀，启动搅拌电机，逐步提高搅拌器转动速度，直至使搅拌漩涡液面与搅拌叶上端面的相交点与搅拌器旋转轴的中心轴线之间的距离L₀范围为：r₀＜L₀≤0.7r，并观察到铁水罐口有零星铁花飞出，其中，r₀为搅拌器旋转轴与搅拌叶片交界面外圆半径；

此后，按照常规加料方式和步骤1)中计算的脱硫剂投加量W进行脱硫剂连续投加，然后保持搅拌器转动速度不变、直至脱硫剂加料结束；

5)脱硫剂投加完毕后，调整搅拌器转动速度，直至使搅拌漩涡液面与搅拌叶上端面的相交点与搅拌器旋转轴中心轴线之间的距离L₀范围为：r₀＜L₀≤0.7r，并观察到铁水罐口有零星铁花飞出，然后继续搅拌直至搅拌时间τ结束；

6)搅拌结束后，逐渐降低搅拌器转动速度至零，提升搅拌器至正常工作等待工位，完成一罐次铁水的脱硫搅拌任务，并将铁水罐开到扒渣工位，进行测温取样和铁水后渣扒除；

7)若步骤6)中的取样分析结果达到目标硫要求，转运至转炉进行转炉兑铁，完成一罐铁水的脱硫扒渣，再从步骤1)继续进行下一罐铁水的机械搅拌脱硫生产；

若步骤6)中的取样分析结果若高于目标硫要求，即比目标硫高10ppm以上，则从步骤1)开始进行二次脱硫，达到目标硫要求后，转运至转炉进行转炉兑铁，完成该罐铁水的脱硫扒渣；并在下一罐铁水的机械搅拌脱硫生产完成步骤1)后，根据上罐次脱硫的前硫和目标硫差值与一次脱硫的铁水前后硫差值的比值ζ₁，对步骤2)中的脱硫剂投加量W进行比例修正，即：W₁＝ζ₁·W，增大脱硫剂投加量到W₁，并从步骤3)开始进行下一罐铁水的机械搅拌脱硫；

若步骤6)中的取样分析结果低于目标硫要求，即比目标硫低5ppm以上，转运至转炉进行转炉兑铁，完成一罐铁水的脱硫扒渣；但在下一罐铁水的机械搅拌脱硫生产完成步骤1)后，根据上罐次的前硫和目标硫差值与铁水前后硫差值的比值ζ₂，对步骤2)中的脱硫剂投加量W进行比例修正，即：W₂＝ζ₂·W，减少脱硫剂投加量到W₂，并从步骤3)开始进行下一罐铁水的机械搅拌脱硫；

8)随着搅拌器服役的进行，在步骤4)和步骤5)的实际搅拌器转动速度调节过程中，若实际搅拌器转动速度已接近或达到设计的最高搅拌器转动速度，漩涡液面与搅拌叶上端面的相交点距离L₀仍达不到r₀＜L₀的要求，且观察不到铁花零星飞出现象，则需对步骤3)中的搅拌器服役修正系数Φ进行修正，即在0.7～1.0取值范围内减小Φ的取值，从而减少搅拌器插入深度h，并按照Φ值减小的百分比η对步骤2)中的搅拌时间τ进行修正，即：η＝(1-Φ₁)·100％、τ₁＝(1+η)·τ，Φ₁为减小后的具体值，τ₁为修正后的搅拌时间，τ为模型计算的搅拌时间，直至Φ减小到最小值。

2.根据权利要求1所述铁水机械搅拌高效低耗脱硫方法，其特征在于：所述步骤1)中，扒前渣为扒至铁水液面裸露面积达到60％以上或80％以上。

3.根据权利要求1所述铁水机械搅拌高效低耗脱硫方法，其特征在于：所述步骤3)中，搅拌器为四叶平直桨叶搅拌器时m为1，搅拌器为三叶平直桨叶搅拌器时m为0.95，搅拌器为三叶螺旋桨叶搅拌器时m为0.9。

4.根据权利要求1所述铁水机械搅拌高效低耗脱硫方法，其特征在于：所述步骤4)中，保持投料管的投料口到旋涡面的距离≤0.4m，并控制脱硫剂落入点到搅拌轴中心线的距离L₁，L₁的取值范围为L₀＜L₁＜r。

5.根据权利要求1所述铁水机械搅拌高效低耗脱硫方法，其特征在于：所述步骤4)中，脱硫剂包括石灰与萤石，其重量百分比为石灰85～95％、萤石5～15％；其中，石灰为冶金活性石灰或钝化石灰，粒度直径范围为0.15～1.5mm，萤石中CaF₂的重量百分比含量≥80％，粒度直径范围为0.1～0.3mm。

6.根据权利要求1所述铁水机械搅拌高效低耗脱硫方法，其特征在于：所述步骤4)中，投料管由倾斜的直线管段与弯曲短管段组成，投料口垂直朝下，常规加料方式采用气体输送脱硫剂或喷射投料。

7.根据权利要求1所述铁水机械搅拌高效低耗脱硫方法，其特征在于：所述步骤6)中，后渣扒除为扒至铁水液面裸露面积达到80％以上或90％以上。

8.根据权利要求1所述铁水机械搅拌高效低耗脱硫方法，其特征在于：所述步骤8)中，若步骤4)和步骤5)的实际搅拌器转动速度调节过程中，实际搅拌器转动速度已接近或达到设计的最高搅拌器转动速度，仍无搅拌铁花零星飞出，并连续出现二次脱硫现象，换下服役到期的旧搅拌器，换上新搅拌器。