CN109918834B - 铁水kr脱硫搅拌器设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种铁水KR脱硫搅拌器设计方法，该方法首先根据铁水罐的平均直径D与额定最大铁水装载量，计算获得的铁水罐铁水深度；计算得到新搅拌器的叶轮直径和叶片有效高度b，再计算的新搅拌器结构参数；根据即将下线的搅拌器的最大允许转速和新搅拌器的搅拌转速，确定搅拌装置的搅拌转速调控范围；并校核与修正定铁水罐的最大装载量；根据新搅拌器相关参数计算新搅拌器的理论搅拌功率和选型确定；对新搅拌器的结构尺寸进行经验修正。本发明通过不同叶片结构与叶片数量的搅拌器水模试验与工业应用数据的统计分析，确定了叶片数量与叶片结构的经验修正方法，保证了不同结构搅拌器最佳的搅拌混合分散效果与KR脱硫反应动力学条件。

Description

铁水KR脱硫搅拌器设计方法

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KR脱硫搅拌器设计方法。

背景技术

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。因而，与铁水喷吹脱硫相比，铁水KR搅拌脱硫具有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青睐，成为低硫与超低硫钢生产的首选脱硫工艺，并有大量钢铁企业利用铁水喷吹脱硫设备大修机会进行KR脱硫改造。

根据铁水KR脱硫工艺介绍可见，铁水KR搅拌脱硫反应是在敞口铁水罐和沿罐口中心垂直插入的搅拌器共同组成的高温冶金反应器内完成的铁水脱硫冶金反应，通过搅拌器的持续稳定搅拌和脱硫剂颗粒的循环卷入，实现脱硫剂与铁水间的持久接触反应，有效地保证了脱硫剂的有效脱硫时间，达到铁水稳定神脱硫的目的；然而，反应器内漂浮的脱硫剂颗粒与铁水之间的搅拌混合状况，决定了脱硫剂与铁水的接触面积与分散区域，将直接影响到脱硫剂的有效反应面积、传质速度、脱硫反应速度、脱硫剂反应利用率等，最终影响到铁水KR脱硫装置的生产能力、生产节奏和相关技术经济指标。这也是目前国内外不同钢铁企业间铁水KR脱硫技术经济指标差异显著的主要原因之一，因而，如何有效地改善KR脱硫反应器内的反应动力学条件，即：脱硫剂在铁水中的搅拌卷吸混合分散状况，已成为国内外学着与钢铁企业高度关注的技术关键。

根据国内外相关资料报道，不同钢铁企业的铁水KR搅拌脱硫工艺来源有两个途径，一是新建KR脱硫站，二是由铁水喷吹脱硫改造成KR脱硫。由于在KR脱硫装置的新建或喷吹脱硫改造重建过程中仅仅涉及脱硫站内部的设计与建设内容，而作为KR脱硫反应器中重要的搅拌容器—铁水罐，因其数量大、成本高、并需承担铁水输送或中转任务、全部更换困难等原因而直接沿用，导致不同企业间KR脱硫反应器中同样装载量的铁水罐结构形状与结构尺寸差异大，为了提高反应器中搅拌器与铁水罐的匹配度，应该根据铁水罐的实际结构形式与结构尺寸进行相应的搅拌器设计；然而，由于铁水KR搅拌脱硫反应器内高温、多相、大湍流条件下的冶金反应行为复杂，严谨真实的冶金反应动力学研究还不完善，根据资料“黄云、张凌义、张国栋等，霍邱铁矿深加工项目炼钢连铸系统KR铁水脱硫工程设计，工程与技术，2014，No1，pp.12-16”报道，为了便于设计计算，目前KR脱硫搅拌器设计计算过程为：根据铁水罐额定装载量，通过经验选型进行搅拌电机功率初选，根据搅拌器理论搅拌功率计算公式进行计算获得理论搅拌功率P，再对理论搅拌功率P进行经验修正获得设计功率P_A，据此判断搅拌电机经验选型的正确与否，并进行搅拌电机的选型确定，相关计算公式如下：

搅拌器理论搅拌功率计算公式：P＝N_p·ρ·N³·d⁵

设计功率计算公式：P_A＝P·K

式中：P为搅拌功率(W)，N_p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为搅拌器旋转直径(m),P_A为设计功率,K为经验修正系数。

其中，N_p功率准数是考虑铁水罐结构尺寸的经验修正，K经验修正系数是考虑搅拌温度、物料加入状况、化学反应情况、机械传动效率等的影响。

根据上述KR脱硫搅拌反应器的经验设计方法报道，在已有的铁水罐基础上，通过搅拌器理论搅拌功率理论计算和经验修正获取搅拌电机功率，据此进行搅拌电机选型，即为基于搅拌功率的设计；所涉及的反应器结构参数仅为搅拌器结构参数中的旋转直径，相关影响因素均需进行经验修正。由此可见，现有的KR脱硫搅拌器设计无法提供完整的搅拌器结构参数，也无法保障KR搅拌反应器可靠有效的搅拌混合分散状况和反应动力学条件，也是导致不同钢铁企业间铁水KR搅拌脱硫实际生产的技术经济指标差异巨大的关键因素之一，有必要研究更为精准的搅拌器设计方法。

发明内容

本发明的目的在于克服上述铁水KR脱硫搅拌器传统设计方法不足，提供了一种铁水KR脱硫搅拌器设计方法，其达到提高设计精准度、改善铁水搅拌脱硫反应动力学条件、稳定铁水脱硫效果、缩短脱硫搅拌时间、提高铁水KR搅拌脱硫技术经济指标等综合目标。

为实现上述目的，本发明所设计一种铁水KR脱硫搅拌器设计方法，包括以下步骤：

1)根据铁水罐的平均直径D与额定最大铁水装载量W，计算获得的铁水罐铁水深度H(所述步骤1)中，铁水罐的平均直径D与额定最大铁水装载量W由铁水罐原始设计参数获得，铁水罐铁水深度H由计算机控制模型计算获得；

2)搅拌器结构参数关联关系经验设定

a.对于新上线的新搅拌器的经验设定如下：

(1)搅拌器插入深度Z为：Z＝(0.45～0.5)×H，以保证铁水罐内铁水搅拌混合区域大小合理；

(2)叶片有效高度b为：b＝(0.625～0.700)×d，d为新搅拌器叶轮直径，以保证搅拌叶片的有效搅拌作用面积。

b.对于即将下线的搅拌器(即服役后期搅拌器叶片已达到最大允许磨损量时的搅拌器)，此时，在搅拌设备的最大允许搅拌转速条件下搅拌漩涡底面刚好抵达搅拌器底面。经验设定如下：

(1)对于即将下线搅拌器，搅拌转速达到搅拌设备的最高设计允许转速，为N₁

(2)即将下线搅拌器叶轮直径d₁＝d-2E₁；

(3)即将下线搅拌器叶片有效高度b₁＝b-2E₂；

(4)即将下线搅拌器实际插入深度Z₁＝Z-E₂；

其中，E₁为搅拌器径向允许磨损厚度；E₂为搅拌器叶片顶部与底部轴向允许磨损厚度；

3)即将下线的搅拌器结构参数计算：

a.当即将下线的搅拌器漩涡深度△H₁₁＝Z₁、搅拌转速等于搅拌设备的最高设计允许转速N₁，搅拌器叶片数量n_p＝3或4时；采用下述公式(1)计算，得到即将下线搅拌器的叶片有效高度b₁和叶轮直径d₁；

b.将上述即将下线的搅拌器的搅拌转速N₁和步骤a)中得到即将下线搅拌器的叶片有效高度b₁和叶轮直径d₁代入下述公式(2)中，即得到此时，即将下线的搅拌器的搅拌漩涡上涨高度△H₂₁；

c.根据步骤a)中得到即将下线搅拌器的叶片有效高度b₁和叶轮直径d₁以及最大允许磨损量的设定值，即为E₁和E₂，计算得到新搅拌器的叶轮直径d，即d＝d₁+2E₁和叶片有效高度b，即b＝b₁+2E₂；

式中：△H₁₁为即将下线的搅拌器漩涡深度(m)，△H₂₁为即将下线的搅拌器漩涡上涨高度(m)，D为铁水罐的平均直径(m)，N₁为搅拌器允许的最高转速(rpm)，b₁为即将下线搅拌器的叶片高度(m)，d₁为即将下线搅拌器的叶轮直径(m)，y₁为刚性回转体和容器半径之比，r_c1刚性回转体半径(m)，Re₁为雷诺数，g为重力加速度(m/s²)，μ为液体粘度(Pa·s)，n_p为叶片个数，n_p为3个或4个，ρ为液体密度(kg/m³)；

4)上线使用前的新搅拌器结构参数计算：

a.根据步骤3)计算得到的新搅拌器的叶轮直径d和叶片有效高度b，设定新搅拌器的搅拌漩涡深度△H₁₂＝Z＝(0.45～0.5)×H，采用下述公式(3)，分别计算得到n_p＝3或4的新搅拌器的搅拌转速N₂，

b.将步骤a)中得到新搅拌器的搅拌转速N₂、新搅拌器的叶轮直径d和叶片有效高度b代入公式(4)中，得到此时的新搅拌器的搅拌漩涡上涨高度△H₂₂；

式中：△H₁₂为新搅拌器的漩涡深度(m)，△H₂₂为新搅拌器的漩涡上涨高度(m)，D为铁水罐的平均直径(m)，N₂为新搅拌器的搅拌器转速(rpm)，b为新搅拌器的搅拌器叶片高度(m)，d为新搅拌器的叶轮直径(m)，y₂为刚性回转体和容器半径之比，r_c2刚性回转体半径(m)，Re₂雷诺数，g为重力加速度(m/s²)，μ为液体粘度(Pa·s)，n_p为叶片个数，n_p为3个或4个，ρ为液体密度(kg/m³)；

5)根据即将下线的搅拌器的最大允许转速N₁和步骤4)计算确定的新搅拌器的搅拌转速N₂，确定搅拌装置的搅拌转速调控范围为N₂～N₁；由于新搅拌器的搅拌漩涡深度△H₁₂大于即将下线搅拌器的搅拌漩涡深度△H₁₁，相应的新搅拌旋涡上涨高度△H₂₂也大于即将下线搅拌器的搅拌漩涡深度△H₂₁，故新搅拌器的搅拌旋涡上涨高度△H₂₂为铁水罐最低自由空间高度，校核与修正定铁水罐的最大装载量W；

6)由于新搅拌器搅拌漩涡深度△H₁₂大于即将下线搅拌器的搅拌漩涡深度△H₁₁，新搅拌器的搅拌功率大于即将下线搅拌器的搅拌功率，故根据步骤1)中，铁水罐的平均直径D、额定最大铁水装载量W、铁水深度H，步骤4)中计算确定的新搅拌器相关参数，采用搅拌器理论搅拌功率计算公式(5)，计算新搅拌器的理论搅拌功率P，再采用计算公式(6)对理论搅拌功率P进行经验修正获得设计功率P_A，据此进行搅拌电机的选型确定；

搅拌器理论搅拌功率计算公式：

设计功率计算公式：

P_A＝P×K........................(6)

式中：P为理论搅拌机功率(W)，N_p为新搅拌器的功率准数(量纲为1)，ρ为铁水密度(kg/m³)，N₂为新搅拌器的搅拌转速(rpm)，d为新搅拌器的叶轮直径(m)，P_A为设计功率，K为经验修正系数；

其中，N_p功率准数可根据搅拌器类型查阅搅拌设备设计手册获得，K为经验修正系数是考虑搅拌温度、物料加入状况、化学反应情况、机械传动效率等的影响。可查阅搅拌设备设计手册获得。

7)对于不同叶片结构与数量的新搅拌器，对新搅拌器的结构尺寸进行经验修正。

进一步地，所述步骤2)中，搅拌器径向允许磨损厚度E₁为100～150mm；搅拌器叶片顶部与底部轴向允许磨损厚度E₂为70～120mm。

再进一步地，所述步骤7)中，对新搅拌器的结构尺寸进行经验修正具体公式如下：a.常规四叶搅拌器的实际叶轮直径d_k＝d；

或者，b.三叶常规叶片结构搅拌器的实际叶轮直径d_k＝d+(2％～2.5％)D；

或者，c.四叶螺旋叶片结构搅拌器的实际叶轮直径d_k＝d+(2.5％～3％)D；

或者，d.三叶螺旋叶片结构搅拌器的实际叶轮直径d_k＝d+(3.5％～4.5％)D；搅拌器叶片实际垂直高度b_k＝b。

本发明的有益效果：

目前铁水KR脱硫搅拌器的常规设计方法是以搅拌功率为目标的搅拌器结构尺寸设计，虽然解决了搅拌电机负荷超载的问题，但未能保证KR脱硫的搅拌混合分散状况，是导致不同企业间KR搅拌脱硫动力学条件与脱硫技术经济指标显著差异的关键原因之一。但对于铁水KR搅拌脱硫，之所以KR搅拌深脱硫稳定性高的原因在于其搅拌混合的反应动力学条件远优于喷吹脱硫，所以，铁水KR搅拌脱硫应该以其搅拌混合分散效果有为目标来进行搅拌反应器的设计，而本发明的搅拌器设计方法正是以强化搅拌混合分散效果为目标进行设计的，从而保证不同KR搅拌脱硫产线间搅拌卷吸混合分散效果的均一性和优越的反应动力学条件，设计计算中涉及的相关结构参数与工艺参数如图1所示。本发明通过大量水模试验与数值模拟研究，发现KR搅拌脱硫过程中脱硫剂搅拌卷入铁水主要有两条途径，即：第一条途径是搅拌铁水卷吸、突出、上浮循环运动的粘性力下拉脱硫剂进入铁水，如图2所示，第二条途径是搅拌漩涡卷吸力将漂浮在液面的脱硫剂卷入深入搅拌叶片的漩涡底部，此时搅拌径向离心力大于克服脱硫剂内聚力而径向排出分散到铁水中，再经上浮与卷吸循环实现脱硫剂在铁水中的混合分散，如图3所示；同时，发现脱硫剂搅拌卷吸是脱硫剂分散进入铁水的主要途径。通过对搅拌漩涡结构参数及其与搅拌器相对位置关系式对KR搅拌脱硫反应器中脱硫剂卷吸分散混合关联规律的总结，归纳了搅拌器结构参数和搅拌工艺参数对搅拌漩涡结构参数的影响规律，确定搅拌器插入深度Z为铁水深度的一半，即Z＝0.5×H，保证搅拌混合区域的最大化，确定叶片有效高度b为叶轮直径d减去搅拌轴直径d₀，b＝(d-d₀)，其中，d₀由搅拌器强度设计计算确定，保证搅拌叶片最佳的有效搅拌面积；根据不同转速条件下搅拌漩涡与搅拌器的相互关系，提出了第一、第二、第三临界转速的新概念，如图4所示；基于第二临界转速条件下优良的搅拌卷吸分散效果、搅拌过程稳定性、合适的搅拌功率等，根据搅拌装置稳定搅拌的最高转速限定和搅拌器服役全过程的允许磨损量，通过第二临界转速条件下漩涡结构参数的设计计算，获取相应反应容器条件下的搅拌器最佳结构参数和搅拌转速变化范围；至此完成搅拌器结构参数的设计，从而保证了KR搅拌脱硫反应动力学条件的一致性和优越性。再采用常规的理论搅拌功率计算与经验修正，获取实际搅拌功率，据此进行搅拌电机选型。此外，针对实际生产中搅拌器叶片结构与数量的不同，本发明通过不同叶片结构与叶片数量的搅拌器水模试验与工业应用数据的统计分析，确定了叶片数量与叶片结构的经验修正方法，保证了不同结构搅拌器最佳的搅拌混合分散效果与KR脱硫反应动力学条件。

附图说明

图1为KR铁水搅拌脱硫反应器相关结构参数与工艺参数示意图；

图2为脱硫剂搅拌循环下拉分散行为示意图；

图3为脱硫剂漩涡卷吸混合分散行为示意图；

图4为第一、第二、第三临界转速条件下漩涡结构特征示意图；

图中，1表示脱硫剂漩涡粘性力下拉、排出与上浮循环轨迹，2表示脱硫剂漩涡螺旋卷入轨迹，3表示第一临界转速时的漩涡形状结构，4表示第二临界转速时的漩涡形状结构，5表示第三临界转速时的漩涡形状结构。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步的详细描述，以便本领域技术人员理解。

如图1～4所示的某钢厂铁水KR脱硫搅拌器设计方法，包括以下步骤：

1)根据铁水罐的平均直径D＝3.853m与额定最大铁水装载量W，计算获得的铁水罐铁水深度H＝4.255m；

2)搅拌器结构参数关联关系经验设定

a.对于新上线的新搅拌器的经验设定如下：

(1)搅拌器插入深度Z为：Z＝(0.45～0.5)×H＝1.915～2.128m，以保证铁水罐内铁水搅拌混合区域大小合理；

(2)叶片有效高度b为：b＝(0.625～0.700)×d，d为新搅拌器叶轮直径，以保证搅拌叶片的有效搅拌作用面积。

b.对于即将下线的搅拌器(即服役后期搅拌器叶片已达到最大允许磨损量时的搅拌器)，此时，在搅拌设备的最大允许搅拌转速条件下搅拌漩涡底面刚好抵达搅拌器底面。经验设定如下：

(1)对于即将下线搅拌器，搅拌转速达到搅拌设备的最高设计允许转速，为N₁，实际为120rpm

(2)即将下线搅拌器叶轮直径d₁＝d-2E₁；

(3)即将下线搅拌器叶片有效高度b₁＝b-2E₂；

(4)即将下线搅拌器实际插入深度Z₁＝Z-E₂；

其中，E₁为搅拌器径向允许磨损厚度；E₂为搅拌器叶片顶部与底部轴向允许磨损厚度；搅拌器径向允许磨损厚度E₁为100～150mm；搅拌器叶片顶部与底部轴向允许磨损厚度E₂为70～120mm。

3)即将下线的搅拌器结构参数计算：

a.当即将下线的搅拌器漩涡深度△H₁₁＝Z₁、搅拌转速等于搅拌设备的最高设计允许转速N₁，搅拌器叶片数量n_p＝3或4时；采用下述公式(1)计算，得到即将下线搅拌器的叶片有效高度b₁和叶轮直径d₁；在△H₁₁＝2.028m时，当n_p＝3，b1＝0.831m，d1＝1.186m；当n_p＝4，b1＝0.808m，d1＝1.153m；

b.将上述即将下线的搅拌器的搅拌转速N₁和步骤a)中得到即将下线搅拌器的叶片有效高度b₁和叶轮直径d₁代入下述公式(2)中，即得到此时，即将下线的搅拌器的搅拌漩涡上涨高度△H₂₁；其中，n_p＝3和4时，△H₂₁相同，△H₂₁＝0.157m；

c.根据步骤a)中得到即将下线搅拌器的叶片有效高度b₁和叶轮直径d₁以及最大允许磨损量的设定值，即为E₁和E₂，计算得到新搅拌器的叶轮直径d，即d＝d₁+2E₁和叶片有效高度b，即b＝b₁+2E₂；即有：n_p＝3时，d＝1.186+2×150＝1.486m，b＝0.831+2×100＝1.031；n_p＝4时，d＝1.153+2×150＝1.453m，b＝0.808+2×100＝1.008。

式中：△H₁₁为即将下线的搅拌器漩涡深度(m)，△H₂₁为即将下线的搅拌器漩涡上涨高度(m)，D为铁水罐的平均直径(m)，N₁为搅拌器允许的最高转速(rpm)，b₁为即将下线搅拌器的叶片高度(m)，d₁为即将下线搅拌器的叶轮直径(m)，y₁为刚性回转体和容器半径之比，r_c1刚性回转体半径(m)，Re₁为雷诺数，g为重力加速度(m/s²)，μ为液体粘度(Pa·s)，n_p为叶片个数，n_p为3个或4个，ρ为液体密度(kg/m³)；

4)上线使用前的新搅拌器结构参数计算：

a.根据步骤3)计算得到的新搅拌器的叶轮直径d和叶片有效高度b，设定新搅拌器的搅拌漩涡深度△H₁₂＝Z＝(0.45～0.5)×H，采用下述公式(3)，分别计算得到n_p＝3或4的新搅拌器的搅拌转速N₂，取△H₁₂＝2.128m，在n_p＝3或4时，N₂相同，N₂＝91rpm。

b.将步骤a)中得到新搅拌器的搅拌转速N₂、新搅拌器的叶轮直径d和叶片有效高度b代入公式(4)中，得到此时的新搅拌器的搅拌漩涡上涨高度△H₂₂；在n_p＝3或4时，△H₂₂相同，△H₂₂＝0.251m。

式中：△H₁₂为新搅拌器的漩涡深度(m)，△H₂₂为新搅拌器的漩涡上涨高度(m)，D为铁水罐的平均直径(m)，N₂为新搅拌器的搅拌器转速(rpm)，b为新搅拌器的搅拌器叶片高度(m)，d为新搅拌器的叶轮直径(m)，y₂为刚性回转体和容器半径之比，r_c2刚性回转体半径(m)，Re₂雷诺数，g为重力加速度(m/s²)，μ为液体粘度(Pa·s)，n_p为叶片个数，n_p为3个或4个，ρ为液体密度(kg/m³)；

5)根据即将下线的搅拌器的最大允许转速N₁和步骤4)计算确定的新搅拌器的搅拌转速N₂，确定搅拌装置的搅拌转速调控范围为N₂～N₁；由于新搅拌器的搅拌漩涡深度△H₁₂大于即将下线搅拌器的搅拌漩涡深度△H₁₁，相应的新搅拌旋涡上涨高度△H₂₂也大于即将下线搅拌器的搅拌漩涡深度△H₂₁，故新搅拌器的搅拌旋涡上涨高度△H₂₂为铁水罐最低自由空间高度，校核与修正定铁水罐的最大装载量W；

6)由于新搅拌器搅拌漩涡深度△H₁₂大于即将下线搅拌器的搅拌漩涡深度△H₁₁，新搅拌器的搅拌功率大于即将下线搅拌器的搅拌功率，故根据步骤1)中，铁水罐的平均直径D、额定最大铁水装载量W、铁水深度H，步骤4)中计算确定的新搅拌器相关参数，采用搅拌器理论搅拌功率计算公式(5)，计算新搅拌器的理论搅拌功率P，再采用计算公式(6)对理论搅拌功率P进行经验修正获得设计功率P_A，据此进行搅拌电机的选型确定；

搅拌器理论搅拌功率计算公式：

设计功率计算公式：

P_A＝P×K........................(6)

式中：P为理论搅拌机功率(W)，N_p为新搅拌器的功率准数(量纲为1)，ρ为铁水密度(kg/m³)，N₂为新搅拌器的搅拌转速(rpm)，d为新搅拌器的叶轮直径(m)，P_A为设计功率，K为经验修正系数；

其中，N_p功率准数可根据搅拌器类型查阅搅拌设备设计手册获得，K为经验修正系数是考虑搅拌温度、物料加入状况、化学反应情况、机械传动效率等的影响。可查阅搅拌设备设计手册获得。

当n_p＝4时，将上述参数代入公式(5)和(6)，计算获得P_A＝334.15KW，取功率设计保险系数1.3，则最终设计功率P_A＝334.15×1.3＝435.4KW。当n_p＝3时，设计功率P_A约比n_p＝4时的设计功率小10～15％，为了保证搅拌装置对搅拌器叶片数量的适应性，实际工程按450KW进行搅拌电机选型。

7)对于不同叶片结构与数量的新搅拌器，对新搅拌器的结构尺寸进行经验修正；对新搅拌器的结构尺寸进行经验修正具体公式如下：

a.常规四叶搅拌器的实际叶轮直径d_k＝d；

或者，b.三叶常规叶片结构搅拌器的实际叶轮直径d_k＝d+(2％～2.5％)D；

或者，c.四叶螺旋叶片结构搅拌器的实际叶轮直径d_k＝d+(2.5％～3％)D；

或者，d.三叶螺旋叶片结构搅拌器的实际叶轮直径d_k＝d+(3.5％～4.5％)D；搅拌器叶片实际垂直高度b_k＝b。

通过上述步骤，完成已知铁水罐和铁水额定装载量条件下搅拌器的设计，并使铁水KR搅拌脱硫反应器始终保持优良的搅拌混合特性，稳定最佳的搅拌脱硫反应动力学条件，从而克服现有设计技术的不足，达到提高设计精准度、改善铁水搅拌脱硫反应动力学条件、稳定铁水脱硫效果、缩短脱硫搅拌时间、提高铁水KR搅拌脱硫技术经济指标等综合目标。

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 (3)

1.一种铁水KR脱硫搅拌器设计方法，其特征在于：包括以下步骤：

1)根据铁水罐的平均直径D与额定最大铁水装载量W，计算获得的铁水罐铁水深度H；

2)搅拌器结构参数关联关系经验设定

a.对于新上线的新搅拌器的经验设定如下：

(1)搅拌器插入深度Z为：Z＝(0.45～0.5)×H；

(2)叶片有效高度b为：b＝(0.625～0.700)×d，d为新搅拌器叶轮直径；

b.对于即将下线的搅拌器，经验设定如下：

(1)对于即将下线搅拌器，搅拌转速达到搅拌设备的最高设计允许转速，为N₁

(2)即将下线搅拌器叶轮直径d₁＝d-2E₁；

(3)即将下线搅拌器叶片有效高度b₁＝b-2E₂；

(4)即将下线搅拌器实际插入深度Z₁＝Z-E₂；

其中，E₁为搅拌器径向允许磨损厚度；E₂为搅拌器叶片顶部与底部轴向允许磨损厚度；

3)即将下线的搅拌器结构参数计算：

a.当即将下线的搅拌器漩涡深度△H₁₁＝Z₁、搅拌转速等于搅拌设备的最高设计允许转速N₁，搅拌器叶片数量n_p＝3或4时；采用下述公式(1)计算，得到即将下线搅拌器的叶片有效高度b₁和叶轮直径d₁；

b.将上述即将下线的搅拌器的搅拌转速N₁和步骤a)中得到即将下线搅拌器的叶片有效高度b₁和叶轮直径d₁代入下述公式(2)中，即得到此时，即将下线的搅拌器的搅拌漩涡上涨高度△H₂₁；

c.根据步骤a)中得到即将下线搅拌器的叶片有效高度b₁和叶轮直径d₁以及最大允许磨损量的设定值，即为E₁和E₂，计算得到新搅拌器的叶轮直径d，即d＝d₁+2E₁和叶片有效高度b，即b＝b₁+2E₂；

式中：△H₁₁为即将下线的搅拌器漩涡深度(m)，△H₂₁为即将下线的搅拌器漩涡上涨高度(m)，D为铁水罐的平均直径(m)，N₁为搅拌器允许的最高转速(rpm)，b₁为即将下线搅拌器的叶片高度(m)，d₁为即将下线搅拌器的叶轮直径(m)，y₁为刚性回转体和容器半径之比，r_c1刚性回转体半径(m)，Re₁为雷诺数，g为重力加速度(m/s²)，μ为液体粘度(Pa·s)，n_p为叶片个数，n_p为3个或4个，ρ为液体密度(kg/m³)；

4)上线使用前的新搅拌器结构参数计算：

a.根据步骤3)计算得到的新搅拌器的叶轮直径d和叶片有效高度b，设定新搅拌器的搅拌漩涡深度△H₁₂＝Z＝(0.45～0.5)×H，采用下述公式(3)，分别计算得到n_p＝3或4的新搅拌器的搅拌转速N₂，

b.将步骤a)中得到新搅拌器的搅拌转速N₂、新搅拌器的叶轮直径d和叶片有效高度b代入公式(4)中，得到此时的新搅拌器的搅拌漩涡上涨高度△H₂₂；

式中：△H₁₂为新搅拌器的漩涡深度(m)，△H₂₂为新搅拌器的漩涡上涨高度(m)，D为铁水罐的平均直径(m)，N₂为新搅拌器的搅拌器转速(rpm)，b为新搅拌器的搅拌器叶片高度(m)，d为新搅拌器的叶轮直径(m)，y₂为刚性回转体和容器半径之比，r_c2刚性回转体半径(m)，Re₂雷诺数，g为重力加速度(m/s²)，μ为液体粘度(Pa·s)，n_p为叶片个数，n_p为3个或4个，ρ为液体密度(kg/m³)；

5)根据即将下线的搅拌器的最大允许转速N₁和步骤4)计算确定的新搅拌器的搅拌转速N₂，确定搅拌装置的搅拌转速调控范围为N₂～N₁；由于新搅拌器的搅拌漩涡深度△H₁₂大于即将下线搅拌器的搅拌漩涡深度△H₁₁，相应的新搅拌旋涡上涨高度△H₂₂也大于即将下线搅拌器的搅拌漩涡深度△H₂₁，故新搅拌器的搅拌旋涡上涨高度△H₂₂为铁水罐最低自由空间高度，校核与修正定铁水罐的最大装载量W；

6)由于新搅拌器搅拌漩涡深度△H₁₂大于即将下线搅拌器的搅拌漩涡深度△H₁₁，新搅拌器的搅拌功率大于即将下线搅拌器的搅拌功率，故根据步骤1)中，铁水罐的平均直径D、额定最大铁水装载量W、铁水深度H，步骤4)中计算确定的新搅拌器相关参数，采用搅拌器理论搅拌功率计算公式(5)，计算新搅拌器的理论搅拌功率P，再采用计算公式(6)对理论搅拌功率P进行经验修正获得设计功率P_A，据此进行搅拌电机的选型确定；

搅拌器理论搅拌功率计算公式：

设计功率计算公式：

P_A＝P×K........................(6)

式中：P为理论搅拌机功率(W)，N_p为新搅拌器的功率准数(量纲为1)，ρ为铁水密度(kg/m³)，N₂为新搅拌器的搅拌转速(rpm)，d为新搅拌器的叶轮直径(m)，P_A为设计功率，K为经验修正系数；

其中，N_p功率准数可根据搅拌器类型查阅搅拌设备设计手册获得，K为经验修正系数是考虑搅拌温度、物料加入状况、化学反应情况、机械传动效率等的影响；

7)对于不同叶片结构与数量的新搅拌器，对新搅拌器的结构尺寸进行经验修正。

2.根据权利要求1所述铁水KR脱硫搅拌器设计方法，其特征在于：

所述步骤2)中，搅拌器径向允许磨损厚度E₁为100～150mm；搅拌器叶片顶部与底部轴向允许磨损厚度E₂为70～120mm。

3.根据权利要求1所述铁水KR脱硫搅拌器设计方法，其特征在于：所述步骤7)中，

对新搅拌器的结构尺寸进行经验修正具体公式如下：

a.常规四叶搅拌器的实际叶轮直径d_k＝d；

或者，b.三叶常规叶片结构搅拌器的实际叶轮直径d_k＝d+(2％～2.5％)D；

或者，c.四叶螺旋叶片结构搅拌器的实际叶轮直径d_k＝d+(2.5％～3％)D；

或者，d.三叶螺旋叶片结构搅拌器的实际叶轮直径d_k＝d+(3.5％～4.5％)D；搅拌器叶片实际垂直高度b_k＝b。

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