CN111748668B - 铁水kr搅拌脱硫装置与搅拌工艺协同优化设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种铁水KR搅拌脱硫装置与搅拌工艺协同优化方法，根据转炉炼钢容量，确定铁水罐铁水额定装载量W、铁水罐平均直径D、铁水深度H和铁水罐自由空间高度h‑五个设计参数协同优化计算范围设定‑搅拌漩涡深度ΔH₁和漩涡液面涌起高度ΔH₂动力学条件过程参数的计算‑旋涡面与搅拌器叶片上表面相交圆半径r_b动力学条件过程参数的计算‑搅拌混合特性优化准则建立‑搅拌装置结构参数与工艺参数协同计算‑搅拌装置结构参数与工艺参数协同优化。到达强化脱硫剂搅拌混合分散特性、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。

Description

铁水KR搅拌脱硫装置与搅拌工艺协同优化设计方法

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搅拌脱硫装置的优化设计方法。

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持续循环混合接触、表面反应，稳定达到铁水脱硫目标要求的目的。由于其优良的反应动力学条件和稳定可靠的深脱硫特点，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过程中铁水深脱硫的首选工艺。

根据铁水KR脱硫工艺介绍可见，铁水KR搅拌脱硫反应过程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与脱硫剂颗粒间搅拌混合冶金反应过程，通过搅拌电机驱动插入铁水罐中的搅拌器旋转搅拌，实现脱硫剂颗粒在铁水中的卷吸循环及其持续的接触反应，完成铁水稳定脱硫的任务。由此可见，对于铁水KR搅拌脱硫系统，搅拌的主要目的在于将漂浮在液面上的脱硫剂充分卷入并均匀分散到铁水中，实现脱硫剂颗粒与铁水的高效混合接触，缩短脱硫反应传质距离，显著提高脱硫反应动力学条件与反应速度，因而，如何以最低的搅拌动力消耗达到最佳的脱硫剂搅拌混合分散效果是铁水KR搅拌脱硫装置优化设计的主要目标。

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十分复杂，严谨量化的冶金反应动力学理论研究还不够完善，因而目前国内外铁水KR搅拌脱硫装置的设计主要采用半经验方法进行相关设计计算。如：文献“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”报道了某KR铁水脱硫工程的设计计算过程，具体为：根据铁水罐额定装载量、结构尺寸以及铁水KR搅拌装置设计经验，确定相关工艺、铁水物性参数以及搅拌器结构形式与结构尺寸；根据搅拌电机选型经验，初步确定搅拌电机功率P₀；根据搅拌功率计算公式，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；根据P₀与P_A的匹配程度与市场电机型号，最终确定搅拌电机型号，完成搅拌电机的设计选型。相关计算公式如下：

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，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。

对于功率准数N_p，文献“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年”报道了两种确定方法，一是通过前人总结的大量不同结构形式的搅拌装置搅拌混合实验获得的Np与Re间的关系图查图获得；二是计算获得，对于二叶平浆和二叶斜浆，也可以按照永田进治提出的搅拌功率准数经验计算式进行计算，具体计算公式为：

式中：b为桨叶垂直高度(m)，Re为搅拌雷诺数(量纲为1)，Re＝ρ·N·d²/μ，其中，μ为铁水粘度(Pa·s)，H为铁水液面高度(m)，D为铁水罐内径(m)，θ为叶片倾角(迎铁面与水平面的夹角)(°)，A、B、p为参数，分别采用如下公式计算。

B＝10^{[1.34(b/D-0.5)2-1.14(d/D)]}

对于多叶片搅拌器，只要桨叶数与桨叶宽度的乘积相等，搅拌功率也相等，对于三叶搅拌器，上述公式中的b＝(3/2)b0，对于四叶搅拌器，b＝2b0，其中，b0为三叶或四叶搅拌器桨叶的垂直高度。

由此可见，对于传统的铁水KR搅拌脱硫装置设计，其主要过程是按照经验确定搅拌装置的结构参数以及搅拌工艺参数后，再进行搅拌功率的计算，并基于搅拌功率进行搅拌电机的选型。其实质就是搅拌功率设计计算，丝毫未涉及到搅拌混合行为与混合效果，远未达到铁水KR搅拌装置的最低的搅拌动力消耗达到最佳的脱硫剂搅拌混合分散效果的设计目标。

根据文献“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。对于无挡板立式圆筒内搅拌器顶插式中心安装的铁水搅拌脱硫装置，决定其脱硫技术经济指标的核心关键因素在于铁水罐内的搅拌混合状态以及搅拌驱动电机的合理选型，而搅拌混合效果与搅拌功率则取决于搅拌器与容器结构尺寸、搅拌方式、流体与搅拌混合介质物性、转速与搅拌器插入位置等参数，因而，针对铁水与脱硫剂的具体物性，确定合理的搅拌装置结构尺寸与搅拌工艺参数是铁水KR搅拌装置优化设计的关键所在，也是搅拌电机合理选型的主要依据，成为国内外学者与钢铁企业高度关注的技术关键。

为了探明铁水KR搅拌脱硫过程中脱硫剂的混合分散行为，文献“Yoshie NAKAI,Ikuhiro SUMI,Hidetoshi MATSUNO等，Effect of Flux Dispersion Behavior onDesulfurization of Hot Metal，ISIJ International,Vol.50(2010),No.3,pp.403–410”通过1/8水模和70kg级铁水试验，研究了熔剂扩散对铁水脱硫反应的影响，发现熔剂扩散特性被划分为三个阶段，即：“无扩散”阶段、“过渡扩散”阶段和“完全扩散”阶段，即：随着搅拌转速的增大，搅拌旋涡深度增大，在搅拌旋涡抵达搅拌叶片顶面之前的阶段，脱硫剂颗粒不卷入铁水，为“无扩散”阶段，当搅拌旋涡达到叶片顶面后至旋涡抵达叶片底面的阶段，脱硫剂卷入铁水，并随着旋涡深度增加，脱硫剂卷入扩散数量急剧增加，为“过渡扩散”阶段，在搅拌旋涡超出叶片底面的阶段，脱硫剂卷入扩散数量继续增加，但增加幅度随着旋涡深度增大而逐步减小，为“完全扩散”阶段；并定义了涡流深度与叶轮底部深度为扩散指数I，进行熔剂扩散特性的评价，当扩散指数大于1，水模试验中发生完全扩散，而且在铁水试验中，脱硫反应表观速率常数明显提高；随着搅拌器插入深度的增加，脱硫剂颗粒的起始扩散转速和完全扩散的转速增加，与搅拌器插入深度为铁水液面深度一半相比，3/4铁水液面深度的搅拌器插入深度时，起始扩散转速与完全扩散转速分别提高1/2和1/3，铁水罐液面下半部区域脱硫剂颗粒扩散数量明显增加，因而较深的叶轮深度对颗粒扩散是有效的。但文中均未提出最佳的扩散指数值或旋涡深度和最佳的搅拌器插入深度范围，也未涉及搅拌装置结构参数与工艺参数的最佳组合问题，因而无法指导铁水KR搅拌脱硫装置的量化设计。

针对上述问题，中国专利“欧阳德刚，李明晖，罗安智，铁水KR脱硫搅拌器设计方法，申请公布号：CN109918834A”，通过大量的水模与数模试验，总结了不同转速条件下搅拌漩涡与搅拌器的相互关系，并确定了搅拌旋涡抵达叶片底面时搅拌卷吸分散效果优良、搅拌过程稳定性、搅拌功率适当的设计准则；根据搅拌装置相关结构参数的经验关联设定，基于部分工艺参数的限定条件，通过搅拌旋涡抵达叶片底面时的漩涡结构参数与搅拌装置结构参数、搅拌工艺参数之间的关联关系进行设计计算，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，以保证了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，进而完成搅拌装置的量化设计。由此可见，该专利是基于众多结构参数的经验设定与工艺参数经验限定下，通过搅拌旋涡抵达叶片底面时的漩涡结构特征来稳定保持搅拌混合效果。但根据相关资料报道，在铁水KR搅拌脱硫过程中，靠近搅拌器轴心的铁水以近似于搅拌转速的角速度跟随搅拌器刚性旋转，搅拌混合效果极弱，称为刚性回转体或强制涡流区，半径为r_c，位于半径大于r_c区域的铁水，其周向速度与搅拌轴心的距离成反比，是搅拌混合分散的主要区域，称为自由涡流区。根据相关资料报道，影响刚性回转体或强制涡流区半径的因素r_c较多，而影响自由涡流区的混合特性因素更多，影响规律复杂，但专利中众多的经验设定与限制制约了技术的实际应用效果发挥，仍需进一步深入研究。

由此可见，上述专利虽然首次提出了以搅拌混合效果为目标的搅拌装置设计新方法，对改善搅拌装置的混合效果提供了一条有效的改进设计方法，但该方法仍有许多不足。如何克服上述不足，保证脱硫剂在铁水中的高效均匀混合分散，显著改善脱硫技术经济指标，提高KR脱硫效能，有必要开展精准量化的KR搅拌装置优化设计方法的研究。。

发明内容

本发明的目的在于克服上述铁水KR脱硫搅拌装置设计方法不足，提供了一种铁水KR搅拌脱硫装置与搅拌工艺协同优化设计方法到达强化脱硫剂搅拌混合分散特性、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，本发明所设计的铁水KR搅拌脱硫装置与搅拌工艺协同优化方法，包括以下步骤：

1)根据转炉炼钢容量，确定铁水罐铁水额定装载量W、铁水罐平均直径D、铁水深度H和铁水罐自由空间高度h；

2)五个设计参数协同优化计算范围设定为

(1)搅拌器插入深度F为：F＝(0.4～0.6)×H

(2)搅拌器转速N为：60～150rpm

(3)搅拌器叶轮直径d为：d＝(0.34～0.42)×D

(4)搅拌器叶片有效高度b为：b＝(0.55～0.75)×d

(5)搅拌器叶片数量n_p为3～4片；

3)搅拌漩涡深度ΔH₁和漩涡液面涌起高度ΔH₂动力学条件过程参数的计算

4)旋涡面与搅拌器叶片上表面相交圆半径r_b动力学条件过程参数的计算

5)搅拌混合特性优化准则建立

(1)旋涡面与搅拌器叶片上表面相交圆半径r_b的优化准则为r_c≤r_b＜r_s；

(2)搅拌漩涡深度ΔH₁和搅拌漩涡面涌起高度△H₂优化准则为：ΔH₁/H比值≤0.9、ΔH₁/F≥1.1和h≦ΔH₂+0.5m；

(3)对于铁水罐额定转载量W≤200t的铁水罐，搅拌器叶片数量n_p为3片，对于铁水罐额定转载量W＞200t的铁水罐，搅拌器叶片数量n_p为4片；

6)搅拌装置结构参数与工艺参数协同计算

根据步骤3)和步骤4)的计算以及步骤1)中的额定铁水量和铁水罐相关结构参数，根据步骤2)中五个设计参数的计算范围设定，通过其中1个参数变化，其它4个参数固定不变，计算获得在4个固定参数条件下，单一变化参数对动力学条件过程参数的影响结果，通过变化参数的顺序改变以及固定参数数值的变化，获得步骤2)中5个设计参数设定范围内任意数值组合下的动力学条件过程参数计算结果；

7)搅拌装置结构参数与工艺参数协同优化

根据步骤6)中计算结果，按照步骤5)中的优化准则，选取对应的5个设计参数的组合系列。

进一步地，还包括理论搅拌功率的计算

根据搅拌功率计算公式(9)，根据步骤7)中五个设计参数的协同优化设计结果，计算不同搅拌装置结构参数与搅拌工艺参数组合条件下的理论搅拌功率；

式中：Ω为理论搅拌功率(W)，N_p为功率准数(量纲为1)，ρ为铁水密度(kg/m³)，N为搅拌器转速(rpm)，d为搅拌器旋转直径(m)

对于铁水KR搅拌脱硫常用的3叶或4叶搅拌器，在保持搅拌叶片上端面与液面距离相同的条件下，按照叶片数量n_p与叶片高度b₀的乘积相等则搅拌功率也相等的原则进行功率准数N_p的修正，对于三叶搅拌器，公式中的b＝(3/2)b₀，对于四叶搅拌器，b＝2b₀，其中，b₀为三叶或四叶搅拌器的叶片高度，功率计算时对于3叶与4叶搅拌器的液面高度分别为H+b₀和H+2b₀，相应的搅拌器插入深度为F+0.5b₀和F+b₀。

进一步地，还包括搅拌电机的选型

根据理论搅拌功率Ω，采用公式(14)进行经验修正，获得搅拌电机功率Ω_d

Ω_d＝K×Ω÷η……(14)

Ω_d为搅拌电机功率(W)，K为经验修正系数，取5.51，η为机械传动效率，取0.8；根据电机型号，按照电机功率≥Ω_d的原则进行电机选型。

进一步地，所述步骤3)中，具体计算过程如下：

根据的公式(1)～公式(5)，计算不同搅拌装置结构参数与搅拌工艺参数组合条件下的搅拌漩涡深度ΔH₁和搅拌漩涡面涌起高度ΔH₂；

式中：D为铁水罐的平均直径(m)，N为搅拌器转速(rpm)，b为搅拌器叶片有效高度(m)，d为搅拌器叶轮直径(m)，y为刚性回转体和容器半径之比，r_c为刚性回转体半径(m)，Re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)。

进一步地，所述步骤4)中，具体计算过程如下：

根据搅拌自由涡流区漩涡液面方程(6)，选取Z坐标值为Z₀+b代入方程(6)，获得旋涡面r坐标值r_b的计算方程(7)，采用公式(7)计算不同搅拌装置结构参数与搅拌工艺参数组合条件下的r_b；

式中：Z为自由涡流区漩涡液面方程的纵坐标(m)，Z₀为漩涡最低点0点的纵坐标值(m)，ω为搅拌角速度(rad/s)，r为自由涡流区漩涡液面方程的径向坐标(m)，r_c刚性回转体半径(m)；

其中，当Re≥10³～10⁴时，搅拌流动处于第二自模拟区的湍流状态，r_c与r_s存在公式(8)的近似关系；

式中：r_s为搅拌叶片半径(m)，即：r_s＝d/2

式中：D为铁水罐的平均直径(m)，N为搅拌器转速(rpm)，b为搅拌器叶片有效高度(m)，d为搅拌器叶轮直径(m)，y为刚性回转体和容器半径之比，r_c为刚性回转体半径(m)，Re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)。

进一步地，所述步骤5)中，r_b＝r_c；

进一步地，所述步骤7)中，具体优化如下：

按照搅拌器叶片平均旋转直径d变化范围为200～300mm和叶片高度b变化范围为100～150mm条件下均能满足步骤5)中的优化准则要求，并且搅拌转速N不超出步骤2)中的设定范围，从选取的5个设计参数组合系列中优选最佳组合，获得搅拌装置结构参数与工艺参数协同优化设计结果，即：新上线时搅拌器叶片平均旋转直径d0、叶片高度b0、叶片数量n_p结构参数和搅拌器插入深度F0、搅拌转速N0工艺参数，搅拌器下线时搅拌器叶片平均旋转直径dx、叶片高度bx、叶片数量n_p结构参数和搅拌器插入深度Fx、搅拌转速Nx工艺参数，其中，dx＝d0-(200～300)mm，bx＝b0-(100～150)mm，Fx＝F0，N0和Nx不超出步骤2)中搅拌转速N的设定范围。

进一步地，所述N_p功率准数通过搅拌装置搅拌混合实验获得的N_p与Re间的关系图查图获得；对于二叶平浆和二叶斜浆，根据公式(9)搅拌功率准数经验计算式进行计算，具体计算公式为：

式中：b为桨叶宽度(m)，Re为搅拌雷诺数(量纲为1)，Re＝ρ·N/60·d²/μ，其中，μ为铁水粘度(Pa·s)，H为铁水液面高度(m)，D为铁水罐内径(m)，θ为叶片倾角(迎铁面与水平面的夹角)(°)，A、B、p为参数，分别采用如下公式计算：

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：本发明铁水KR搅拌脱硫装置与搅拌工艺协同优化方法，按照铁水额定装载量完成铁水罐常规设计的基础上，通过搅拌器结构参数(叶片平均旋转直径、叶片高度、叶片数量)与搅拌工艺参数(搅拌器插入深度、搅拌转速)之间的协同优化设计，到达强化脱硫剂搅拌混合分散特性、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。

附图说明

图1为铁水KR搅拌装置与搅拌工艺相关参数示意图。

其中，搅拌器1，铁水罐2，铁水3。

具体实施方式

下面结合具体实施例和对比例对本发明作进一步的详细说明，便于更清楚地了解本发明，但它们不对本发明构成限定。

铁水KR搅拌脱硫装置与搅拌工艺协同优化方法，包括以下步骤：

1)根据转炉炼钢容量，确定铁水罐铁水额定装载量W、铁水罐平均直径D、铁水深度H和铁水罐自由空间高度h；

2)五个设计参数(搅拌器结构参数与搅拌工艺参数)协同优化计算范围设定为：

(1)搅拌器插入深度F为：F＝(0.4～0.6)×H；

(2)搅拌器转速N为：60～150rpm；

(3)搅拌器叶轮直径d为：d＝(0.34～0.42)×D；

(4)搅拌器叶片有效高度b为：b＝(0.55～0.75)×d；

(5)搅拌器叶片数量n_p为3～4片；

3)搅拌漩涡深度ΔH₁和漩涡液面涌起高度ΔH₂动力学条件过程参数的计算

根据的公式(1)～公式(5)，计算不同搅拌装置结构参数与搅拌工艺参数组合条件下的搅拌漩涡深度ΔH₁和搅拌漩涡面涌起高度ΔH₂：

式中：D为铁水罐的平均直径(m)，N为搅拌器转速(rpm)，b为搅拌器叶片有效高度(m)，d为搅拌器叶轮直径(m)，y为刚性回转体和容器半径之比，r_c为刚性回转体半径(m)，Re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)旋涡面与搅拌器叶片上表面相交圆半径r_b动力学条件过程参数的计算

根据搅拌自由涡流区漩涡液面方程(6)，选取Z坐标值为Z₀+b代入方程(6)，获得旋涡面r坐标值r_b的计算方程(7)，采用公式(7)计算不同搅拌装置结构参数与搅拌工艺参数组合条件下的r_b；

式中：Z为自由涡流区漩涡液面方程的纵坐标(m)，Z₀为漩涡最低点0点的纵坐标值(m)，ω为搅拌角速度(rad/s)，r为自由涡流区漩涡液面方程的径向坐标(m)，r_c刚性回转体半径(m)；

其中，当Re≥10³～10⁴时，搅拌流动处于第二自模拟区的湍流状态，r_c与r_s存在公式(8)的近似关系；

式中：r_s为搅拌叶片半径(m)，即：r_s＝d/2

5)搅拌混合特性优化准则建立

(1)旋涡面与搅拌器叶片上表面相交圆半径r_b的优化准则为r_c≤r_b＜r_s，进一步优化为：r_b＝r_c；

(2)搅拌漩涡深度ΔH₁和搅拌漩涡面涌起高度△H₂优化准则为：ΔH₁/H比值≤0.9、ΔH₁/F≥1.1和h≦ΔH₂+0.5m；

(3)对于铁水罐额定转载量W≤200t的铁水罐，搅拌器叶片数量n_p优化为3片，对于铁水罐额定转载量W＞200t的铁水罐，搅拌器叶片数量n_p优化为4片；

6)搅拌装置结构参数与工艺参数协同计算

采用公式(1)～(8)组成的方程组以及步骤1)中的额定铁水量和铁水罐相关结构参数，根据步骤2)中五个设计参数的计算范围设定，通过其中1个参数变化，其它4个参数固定不变，计算获得在4个固定参数条件下，单一变化参数对动力学条件过程参数(搅拌漩涡深度ΔH₁、搅拌漩涡面涌起高度ΔH₂、旋涡面与搅拌器叶片上表面相交圆半径r_b)的影响结果，通过变化参数的顺序改变以及固定参数数值的变化，获得步骤2)中5个设计参数设定范围内任意数值组合下的动力学条件过程参数(搅拌漩涡深度ΔH₁、搅拌漩涡面涌起高度ΔH₂、旋涡面与搅拌器叶片上表面相交圆半径r_b)计算结果；

7)搅拌装置结构参数与工艺参数协同优化

根据步骤6)中计算结果，按照步骤5)中的优化准则，选取对应的5个设计参数(搅拌器叶片平均旋转直径d、叶片高度b、叶片数量n_p、搅拌器插入深度F、搅拌转速N)的组合系列；按照搅拌器叶片平均旋转直径d变化范围为200～300mm和叶片高度b变化范围为100～150mm条件下均能满足步骤5)中的优化准则要求，并且搅拌转速N不超出步骤2)中的设定范围，从上述选取的5个设计参数组合系列中优选最佳组合，获得搅拌装置结构参数与工艺参数协同优化设计结果，即：新上线时搅拌器叶片平均旋转直径d0、叶片高度b0、叶片数量n_p等结构参数和搅拌器插入深度F0、搅拌转速N0工艺参数，搅拌器下线时搅拌器叶片平均旋转直径dx、叶片高度bx、叶片数量n_p等结构参数和搅拌器插入深度Fx、搅拌转速Nx工艺参数，其中，dx＝d0-(200～300)mm，bx＝b0-(100～150)mm，Fx＝F0，N0和Nx不超出步骤2)中搅拌转速N的设定范围；

8)理论搅拌功率的计算

根据搅拌功率计算公式(9)，根据步骤7)中五个设计参数的协同优化设计结果，计算不同搅拌装置结构参数与搅拌工艺参数组合条件下的理论搅拌功率；

式中：Ω为理论搅拌功率(W)，N_p为功率准数(量纲为1)，ρ为铁水密度(kg/m³)，N为搅拌器转速(rpm)，d为搅拌器旋转直径(m)

其中，N_p功率准数可以通过前人总结的大量不同结构形式的搅拌装置搅拌混合实验获得的N_p与Re间的关系图查图获得，对于二叶平浆和二叶斜浆，也可以按照永田进治提出的搅拌功率准数经验计算式进行计算，具体计算公式为：

式中：b为桨叶宽度(m)，Re为搅拌雷诺数(量纲为1)，Re＝ρ·N/60·d²/μ，其中，μ为铁水粘度(Pa·s)，H为铁水液面高度(m)，D为铁水罐内径(m)，θ为叶片倾角(迎铁面与水平面的夹角)(°)，A、B、p为参数，分别采用如下公式计算：

对于铁水KR搅拌脱硫常用的3叶或4叶搅拌器，可在保持搅拌叶片上端面与液面距离相同的条件下，按照叶片数量n_p与叶片高度b₀的乘积相等则搅拌功率也相等的原则进行功率准数N_p的修正，即：对于三叶搅拌器，上述公式中的b＝(3/2)b₀，对于四叶搅拌器，b＝2b₀，其中，b₀为三叶或四叶搅拌器的叶片高度，功率计算时对于3叶与4叶搅拌器的液面高度分别为H+b₀和H+2b₀，相应的搅拌器插入深度为F+0.5b₀和F+b₀；

9)搅拌电机的选型

根据步骤8)中的理论搅拌功率Ω，采用公式(14)进行经验修正，获得搅拌电机功率Ω_d。

Ω_d＝K×Ω÷η……(14)

Ω_d为搅拌电机功率(W)，K为考虑到在搅拌过程中加入固体介质、温度变化、化学反应,安全系数、惯性力矩后的经验修正系数；该处取5.51，一般根据设计经验进行确定，η为机械传动效率，取0.8；也可采用在其它KR脱硫站进行现场试验测定。根据电机型号，按照电机功率≥Ω_d的原则进行电机选型。

对于具体的铁水KR搅拌脱硫装置的设计，由于搅拌混合介质、铁水额定装载量和铁水罐结构尺寸已确定，因而，铁水KR高效搅拌混合主要涉及搅拌器叶片平均旋转直径d、叶片高度b、叶片数量n_p、搅拌器插入深度F、搅拌转速N等5个参数之间的协调优化组合。然而，常规通用的搅拌装置设计方法是根据铁水罐额定装载量与结构尺寸，经验确定搅拌器叶片平均旋转直径d、叶片高度b、叶片数量n_p和搅拌器转速N等参数后，采用本发明中的公式(9)～(14)进行理论搅拌功率和搅拌电机功率计算，再根据搅拌电机功率进行电机选型，完成搅拌装置主要设备的经验设计。由此可见，常规同意的搅拌装置设计方法并未涉及搅拌混合特性，因而无法保证KR脱硫的搅拌混合效果，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。中国专利“欧阳德刚，李明晖，罗安智，铁水KR脱硫搅拌器设计方法，申请公布号：CN109918834A”，基于大量的水模与数模试验结果，建立了搅拌漩涡最低点与搅拌器底面重合的搅拌混合优化准则；基于搅拌器插入深度和搅拌器叶片高度经验设定和建立的搅拌混合优化准则，针对3叶片和4叶片结构搅拌器，分别进行了搅拌器叶片平均旋转直径和搅拌转速的协同优化，实现了以搅拌混合效果为设计目标的铁水KR脱硫搅拌器设计技术的重大突破，并在实际生产中取得了缩小不同铁水KR脱硫产线间的技术经济指标差距的良好应用效果。然而，大量水模实验结果表明，搅拌旋涡最低点与搅拌器底面重合时搅拌混合效果并非最优，同时，搅拌旋涡涡面与搅拌器叶片上表面相交圆半径的大小也直接影响搅拌混合效果。由此可见，该方法还有较大的改进空间。

本发明针对上述现有技术存在的不足，通过大量的水模实验数据统计分析，建立了本发明步骤5)中的搅拌混合特性优化准则；通过步骤5)中优化准则(3)，针对具体设计中铁水罐额定装载量的大小，完成搅拌器叶片数量n_p优化选定，既避免了小型铁水罐搅拌器因叶片数量多引起的脱硫剂卷吸阻力大的不足，同时也避免了大型铁水罐搅拌器因叶片少易引起搅拌共振的问题。通过步骤5)中优化准则(1)，使旋涡面与搅拌器叶片上表面相交圆半径r_b为r_c≤r_b＜r_s，既避免了因搅拌中心强制涡流区对脱硫剂颗粒卷入受的阻碍，提高脱硫剂颗粒搅拌卷吸量，同时也避免漩涡过大引起的搅拌流场不稳定及其带来的铁花飞溅问题；此外，进一步优化为r_b＝r_c，防止搅拌转速过高，避免铁水KR搅拌脱硫实际生产中因不稳定性因素引起的中心强制涡流区缩小、搅拌装置振动、漩涡液面波动与铁水飞溅等问题。通过步骤5)中优化准则(2)，控制搅拌漩涡深度ΔH₁和搅拌漩涡面涌起高度△H₂为：ΔH₁/H比值≤0.9、ΔH₁/F≥1.1和h≦ΔH₂+0.5m，增大搅拌轴向混合区域，优化搅拌混合分散效果，避免铁水罐底的冲刷磨损，同时防止铁水与脱硫渣罐口溢出。基于根据步骤1)中提供的铁水额定装载量、铁水罐结构尺寸以及步骤2)中相关结构参数与工艺参数计算范围的限定，通过步骤6)，基于步骤1)给出的额定铁水装载量、铁水罐结构参数设计条件和步骤2)中5个参数计算范围的限定，联立求解步骤3)、4)中的公式(1)～(8)方程组，获得步骤2)中5个设计参数设定范围内任意数值组合下的动力学条件过程参数(搅拌漩涡深度ΔH₁、搅拌漩涡面涌起高度ΔH₂、旋涡面与搅拌器叶片上表面相交圆半径r_b)计算结果。基于步骤6)中的计算结果和步骤5)中优化准则(1)、(2)、(3)的多重限制，通过步骤7)的协同优化，获得新上线搅拌器与下线时搅拌器的最佳搅拌装置结构参数和工艺参数的最优组合，即：新上线时搅拌器叶片平均旋转直径d0、叶片高度b0、叶片数量n_p等结构参数和搅拌器插入深度F0、搅拌转速N0工艺参数，搅拌器下线时搅拌器叶片平均旋转直径dx、叶片高度bx、叶片数量n_p等结构参数和搅拌器插入深度Fx、搅拌转速Nx工艺参数，其中，dx＝d0-(200～300)mm，bx＝b0-(100～150)mm，Fx＝F0，N0和Nx不超出步骤2)中搅拌转速N的设定范围。通过步骤8)和步骤9)，获得搅拌装置结构参数与工艺参数最优组合条件下的理论搅拌功率Ω和搅拌电机功率Ω_d，并根据搅拌电机功率Ω_d完成搅拌电机选型。至此，完成本发明的搅拌铁水KR搅拌脱硫装置结构参数与搅拌工艺参数的协同优化设计。

综合上述可见，本发明基于现有搅拌旋涡结构参数计算基础理论，在步骤3)和步骤4)建立的搅拌漩涡深度ΔH₁、搅拌漩涡面涌起高度ΔH₂、旋涡面与搅拌器叶片上表面相交圆半径r_b等搅拌旋涡结构参数计算公式组成的方程组，通过大量的水模实验结果的分析，总结了搅拌混合分散特性与搅拌旋涡结构参数之间的相互关联关系，并在步骤5)中制定了高效搅拌混合分散的优化准则(1)、(2)、(3)，从而使铁水KR高效搅拌混合主要涉及搅拌器叶片平均旋转直径d、叶片高度b、叶片数量n_p、搅拌器插入深度F、搅拌转速N等5个参数之间的协调优化计算成为可能；通过步骤6)的协同计算与步骤7)的协同优化，获得搅拌器叶片平均旋转直径d、叶片高度b、叶片数量n_p、搅拌器插入深度F、搅拌转速N等5个参数的协同优化结果；基于上述协同优化结果，通过步骤8)的理论搅拌功率计算与步骤9)中的搅拌电机功率计算与搅拌电机选型。通过本发明的上述步骤，首次实现了搅拌器叶片平均旋转直径d、叶片高度b、叶片数量n_p、搅拌器插入深度F、搅拌转速N等5个参数的协同优化设计目标。

实施例1

如图1所示的某钢厂300吨铁水罐的铁水KR搅拌脱硫装置与搅拌工艺协同优化设计方法，包括以下步骤：

1)某钢厂采用原来喷吹脱硫的铁水罐进行KR脱硫改造，铁水罐形状为直筒形结构，铁水额定装载量W＝295t，铁水罐直筒段直径即为铁水罐平均直径D＝3.853m，铁水罐内空总高度为5.500m，倒圆台罐底内空高度为0.940m，底部内径为1.600m，取铁水密度ρ＝6.500g/cm³，计算可得铁水额定装载量条件下铁水液面高度H为4.095m，铁水罐自由空间高度h＝1.405m＞0.30×3.853＝1.156m。

2)五个设计参数(搅拌器结构参数与搅拌工艺参数)协同优化计算范围设定为

(1)搅拌器插入深度F为：F＝(0.4～0.6)×H＝1.638～2.457m；

(2)搅拌器转速N为：60～150rpm，计算取值为70～135rpm；

(3)搅拌器叶轮直径d为：d＝(0.30～0.40)×D＝1.156～1.541m；

(4)搅拌器叶片有效高度b为：b＝(0.55～0.75)×d＝0.636～1.156m，计算取值为0.80～1.10m；

(5)由于铁水罐额定装载量为295吨，大于200吨，故取搅拌器叶片个数n_p为4。

3)采联立步骤3)和步骤4)中的搅拌装置结构参数与工艺参数计算公式(1)～(8)组成的方程组，按照步骤6)中的计算方法，可获得不同搅拌器结构参数(搅拌器叶片平均旋转直径d、叶片高度b)与不同搅拌工艺参数(搅拌器插入深度F、搅拌转速N)组合条件下的搅拌漩涡深度ΔH₁、搅拌漩涡面涌起高度ΔH₂、旋涡面与搅拌器叶片上表面相交圆半径r_b和r_b/r_s，如表1、2所示，分别为D＝3.853m、H＝4.095m、d＝1.453m、b＝1m、F＝2.048m、n_p＝4时和D＝3.853m、H＝4.095m、d＝1.156m、b＝1m、F＝2.048m、n_p＝4时不同搅拌转速N对应的搅拌漩涡深度ΔH₁、搅拌漩涡面涌起高度ΔH₂、旋涡面与搅拌器叶片上表面相交圆半径r_b和r_b/r_s的结果。

按照步骤5)中的优化准则(1)和(2)的要求和步骤7)的协同优化方法，优化搅拌器结构参数与搅拌工艺参数如下：

(1)搅拌器新上线时的搅拌装置结构参数与工艺参数：铁水罐结构参数：设计提供的原始参数计算确定，D＝3.853m，H＝4.095m；搅拌器结构参数：叶片数量n_p＝4，d＝1.450m，b＝1m；搅拌工艺参数：转速N＝75～85rpm，F＝2.048m。

(2)搅拌器服役结束时的搅拌装置结构参数与工艺参数：铁水罐结构参数：设计提供的原始参数计算确定，D＝3.853m，H＝4.095m；搅拌器结构参数：叶片数量n_p＝4，d＝1.150m，b＝0.90m；搅拌工艺参数：转速N＝115～125rpm，F＝2.048m。理论搅拌功率Ω＝80～110(KW)；

(3)铁水罐自由空间高度h＝1.405m＞0.30×3.853＝1.156m＞ΔH₂+0.5m，满足了铁水罐搅拌防溢出设计要求。

表1搅拌旋涡结构参数、工艺参数、理论搅拌功率计算结果表(D＝3.853m,H＝4.095m,d＝1.453m,b＝1m,F＝2.048m，n_p＝4)

转速N	r<sub>b</sub>(m)	ΔH<sub>1</sub>(m)	ΔH<sub>2</sub>(m)	r<sub>b</sub>/r<sub>s</sub>
					70	0.405	1.290	0.160	0.557
75	0.426	1.467	0.180	0.587
					80	0.447	1.657	0.200	0.615
85	0.467	1.857	0.220	0.643
					90	0.486	2.069	0.250	0.669
95	0.504	2.293	0.280	0.694
					100	0.522	2.528	0.300	0.718
105	0.539	2.774	0.330	0.741
					110	0.555	3.032	0.360	0.763
115	0.570	3.302	0.400	0.784
					120	0.584	3.583	0.430	0.804
125	0.598	3.875	0.470	0.824
					130	0.612	4.179	0.500	0.842
135	0.624	4.494	0.540	0.859

表2搅拌旋涡结构参数、工艺参数、理论搅拌功率计算结果表(D＝3.853m,H＝4.095m,d＝1.156m,b＝1m,F＝2.048m，n_p＝4)

转速N	r<sub>b</sub>(m)	ΔH<sub>1</sub>(m)	ΔH<sub>2</sub>(m)	r<sub>b</sub>/r<sub>s</sub>
					70	0.283	0.806	0.060	0.490
75	0.300	0.917	0.070	0.519
					80	0.316	1.035	0.080	0.547
85	0.332	1.160	0.090	0.575
					90	0.348	1.293	0.100	0.602
95	0.363	1.432	0.110	0.629
					100	0.378	1.579	0.120	0.655
105	0.393	1.733	0.140	0.680
					110	0.407	1.894	0.150	0.704
115	0.421	2.063	0.160	0.728
					120	0.434	2.238	0.180	0.751
125	0.447	2.421	0.190	0.773
					130	0.460	2.611	0.210	0.795
135	0.472	2.808	0.220	0.816

4)根据上述搅拌器新上线和服役结束时的搅拌装置结构参数与搅拌工艺参数优化结果，按照步骤8)计算对应的理论搅拌功率Ω分别为90KW和110KW；选取最大的理论搅拌功率Ω，按照步骤9)进行搅拌电机功率Ω_d计算，即：Ω_d＝K×Ω/η＝5.51×110/0.8＝757.625KW，据此可选择功率为850KW的电机作为搅拌电机，考虑到搅拌冲击负荷，最终选择1000KW的电机作为搅拌电机。

实施例2

如图1所示的某钢厂80吨铁水罐的铁水KR搅拌脱硫装置与搅拌工艺协同优化设计方法，包括以下步骤：

1)某钢厂新建80吨铁水罐的铁水KR搅拌脱硫站，铁水罐形状为球冠底直筒形结构，铁水额定装载量W＝80t，铁水罐直筒段直径为2.9m，即为铁水罐平均直径D＝2.9m，取铁水密度ρ＝6.500g/cm³，计算可得额定装载量条件下铁水液面高度H为2.39m，铁水罐内空高度为3.263m。铁水罐自由空间高度h＝0.873m＞0.30×2.9＝0.870m。

2)按照铁水KR搅拌装置设计经验，设定如下搅拌装置结构参数与工艺参数优化设计计算范围

(1)搅拌器插入深度F为：F＝(0.4～0.6)×H＝0.956～1.434m；

(2)搅拌器转速N为：60～150rpm，计算取值为70～120rpm；

(3)搅拌器叶轮直径d为：d＝(0.30～0.40)×D＝0.87～1.16m；

(4)搅拌器叶片有效高度b为：b＝(0.55～0.75)×d＝0.479～0.87m，计算取值为0.70～0.85m；

(5)由于铁水罐额定装载量为80吨，小于200吨，故取搅拌器叶片个数n_p为3。

3)采用实施例1中的步骤和搅拌器结构参数与搅拌工艺参数优化方法，获得如下优化参数：

搅拌器新上线时的搅拌装置结构参数与工艺参数：搅拌器结构参数：叶片数量n_p＝3，d＝1.16m，b＝0.8m；搅拌工艺参数：转速N＝75～80rpm，F＝1.25m；

搅拌器服役结束时的搅拌装置结构参数与工艺参数：搅拌器结构参数：叶片数量n_p＝3，d＝0.95m，b＝0.72m，搅拌工艺参数：转速N＝115～120rpm，F＝1.08m，理论搅拌功率Ω＝25～30(KW)；

铁水罐自由空间高度h＝0.873m＞0.30×2.9＝0.870m＞ΔH₂+0.5m，，满足了铁水罐搅拌防溢出设计要求。

计算获得相应最佳参数组合条件下的最大理论搅拌功率Ω为32KW，最大搅拌电机功率Ω_d＝K×Ω/η＝5.51×32/0.8＝220.4KW

据此可选择功率为250KW的电机作为搅拌电机，考虑到搅拌冲击负荷，最终选择300KW的电机作为搅拌电机。

Claims (4)

1.一种铁水KR搅拌脱硫装置与搅拌工艺协同优化方法，其特征在于：包括以下步骤：

1)根据转炉炼钢容量，确定铁水罐铁水额定装载量W、铁水罐平均直径D、铁水深度H和铁水罐自由空间高度h；

2)五个设计参数协同优化计算范围设定为

(1)搅拌器插入深度F为：F＝(0.4～0.6)×H

(2)搅拌器转速N为：60～150rpm

(3)搅拌器叶轮直径d为：d＝(0.34～0.42)×D

(4)搅拌器叶片有效高度b为：b＝(0.55～0.75)×d

(5)搅拌器叶片数量n_p为3～4片；

3)搅拌漩涡深度ΔH₁和漩涡液面涌起高度ΔH₂动力学条件过程参数的计算

具体计算过程如下：

根据的公式(1)～公式(5)，计算不同搅拌装置结构参数与搅拌工艺参数组合条件下的搅拌漩涡深度ΔH₁和搅拌漩涡面涌起高度ΔH₂；

式中：D为铁水罐的平均直径，N为搅拌器转速，b为搅拌器叶片有效高度，d为搅拌器叶轮直径，y为刚性回转体和容器半径之比，r_c为刚性回转体半径，Re为雷诺数，g为重力加速度，μ为液体粘度，n_p为叶片个数，n_p为3个或4个，ρ为液体密度；

4)旋涡面与搅拌器叶片上表面相交圆半径r_b动力学条件过程参数的计算

具体计算过程如下：

根据搅拌自由涡流区漩涡液面方程(6)，选取Z坐标值为Z₀+b代入方程(6)，获得旋涡面r坐标值r_b的计算方程(7)，采用公式(7)计算不同搅拌装置结构参数与搅拌工艺参数组合条件下的r_b；

式中：Z为自由涡流区漩涡液面方程的纵坐标，Z₀为漩涡最低点0点的纵坐标值，ω为搅拌角速度，r为自由涡流区漩涡液面方程的径向坐标，r_c刚性回转体半径；

其中，当Re≥10³～10⁴时，搅拌流动处于第二自模拟区的湍流状态，r_c与r_s存在公式(8)的近似关系；

式中：r_s为搅拌叶片半径(m)，即：r_s＝d/2

式中：D为铁水罐的平均直径，N为搅拌器转速，b为搅拌器叶片有效高度，d为搅拌器叶轮直径，y为刚性回转体和容器半径之比，r_c为刚性回转体半径，Re为雷诺数，g为重力加速度，μ为液体粘度，n_p为叶片个数，n_p为3个或4个，ρ为液体密度；

5)搅拌混合特性优化准则建立

(1)旋涡面与搅拌器叶片上表面相交圆半径r_b的优化准则为r_c≤r_b＜r_s；

(2)搅拌漩涡深度ΔH₁和搅拌漩涡面涌起高度△H₂优化准则为：ΔH₁/H比值≤0.9、ΔH₁/F≥1.1和h≮ΔH₂+0.5m；

(3)对于铁水罐额定转载量W≤200t的铁水罐，搅拌器叶片数量n_p为3片，对于铁水罐额定转载量W＞200t的铁水罐，搅拌器叶片数量n_p为4片；

6)搅拌装置结构参数与工艺参数协同计算

根据步骤3)和步骤4)的计算以及步骤1)中的额定铁水量和铁水罐相关结构参数，根据步骤2)中五个设计参数的计算范围设定，通过其中1个参数变化，其它4个参数固定不变，计算获得在4个固定参数条件下，单一变化参数对动力学条件过程参数的影响结果，通过变化参数的顺序改变以及固定参数数值的变化，获得步骤2)中5个设计参数设定范围内任意数值组合下的动力学条件过程参数计算结果；

7)搅拌装置结构参数与工艺参数协同优化

根据步骤6)中计算结果，按照步骤5)中的优化准则，选取对应的5个设计参数的组合系列；

还包括理论搅拌功率的计算

根据搅拌功率计算公式(9)，根据步骤7)中五个设计参数的协同优化设计结果，计算不同搅拌装置结构参数与搅拌工艺参数组合条件下的理论搅拌功率；

式中：Ω为理论搅拌功率，N_p为功率准数，ρ为铁水密度，N为搅拌器转速，d为搅拌器旋转直径；

对于铁水KR搅拌脱硫常用的3叶或4叶搅拌器，在保持搅拌叶片上端面与液面距离相同的条件下，按照叶片数量n_p与叶片高度b₀的乘积相等则搅拌功率也相等的原则进行功率准数N_p的修正，对于三叶搅拌器，公式中的b＝(3/2)b₀，对于四叶搅拌器，b＝2b₀，其中，b₀为三叶或四叶搅拌器的叶片高度，功率计算时对于3叶与4叶搅拌器的液面高度分别为H+b₀和H+2b₀，相应的搅拌器插入深度为F+0.5b₀和F+b₀；

搅拌电机的选型

根据理论搅拌功率Ω，采用公式(14)进行经验修正，获得搅拌电机功率Ω_d

Ω_d＝K×Ω÷η……(14)

Ω_d为搅拌电机功率，K为经验修正系数，取5.51，η为机械传动效率，取0.8；根据电机型号，按照电机功率≥Ω_d的原则进行电机选型。

2.根据权利要求1所述铁水KR搅拌脱硫装置与搅拌工艺协同优化方法，其特征在于：所述步骤5)中，r_b＝r_c。

3.根据权利要求1所述铁水KR搅拌脱硫装置与搅拌工艺协同优化方法，其特征在于：所述步骤7)中，具体优化如下：

按照搅拌器叶片平均旋转直径d变化范围为200～300mm和叶片高度b变化范围为100～150mm条件下均能满足步骤5)中的优化准则要求，并且搅拌转速N不超出步骤2)中的设定范围，从选取的5个设计参数组合系列中优选最佳组合，获得搅拌装置结构参数与工艺参数协同优化设计结果，即：新上线时搅拌器叶片平均旋转直径d0、叶片高度b0、叶片数量n_p结构参数和搅拌器插入深度F0、搅拌转速N0工艺参数，搅拌器下线时搅拌器叶片平均旋转直径dx、叶片高度bx、叶片数量n_p结构参数和搅拌器插入深度Fx、搅拌转速Nx工艺参数，其中，dx＝d0-(200～300)mm，bx＝b0-(100～150)mm，Fx＝F0，N0和Nx不超出步骤2)中搅拌转速N的设定范围。

4.根据权利要求1所述铁水KR搅拌脱硫装置与搅拌工艺协同优化方法，其特征在于：所述N_p功率准数通过搅拌装置搅拌混合实验获得的N_p与Re间的关系图查图获得；对于二叶平浆和二叶斜浆，根据公式(9)搅拌功率准数经验计算式进行计算，具体计算公式为：

式中：b为桨叶宽度，Re为搅拌雷诺数，Re＝ρ·N/60·d²/μ，其中，μ为铁水粘度，H为铁水液面高度，D为铁水罐内径，θ为叶片倾角，A、B、p为参数，分别采用如下公式计算：

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