CN113846203A - 一种冶金用机械搅拌喷吹脱硫搅拌器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种冶金用机械搅拌喷吹脱硫搅拌器，包括搅拌轴和连接在搅拌轴下面的搅拌头；在搅拌头的外侧，沿周向设置有多个搅拌叶片，相邻搅拌叶片之间的夹角相同；在搅拌轴上设置有直通吹气通道，在部分或全部搅拌叶片内设置有斜向下的分流管道，每个分流管道与直通吹气通道连通，形成喷吹气体通道；每个分流管道的末尾形成喷吹口。本发明将脱硫剂喷吹孔设置在对称搅拌桨叶的最外沿壁面，气泡产生位置与中心漩涡区域有一定的距离，可以减少脱硫剂气泡聚集，降低气泡长大的概率，以增大气液反应面积，延长气液反应时间，增加脱硫反应的效率。

Description

一种冶金用机械搅拌喷吹脱硫搅拌器

技术领域

本发明涉及钢铁冶炼工艺技术领域，具体涉及一种冶金用机械搅拌喷吹脱硫搅拌器，尤其是用于镁基搅拌复合喷吹铁水脱硫的搅拌桨。

背景技术

硫在大多数情况下对钢的质量是不利的，会引起“热脆”问题，因此必须进行脱硫工序，而由于铁水脱硫具有脱硫的热力学优势，所以钢铁生产的脱硫任务在现代钢铁生产流程中多位于铁水预处理环节。铁水预处理脱硫主要分为KR法和喷吹法，其中，KR法通过搅拌形成漩涡把脱硫剂代入铁水反应，但存在铁损大以及温降高的问题；喷吹法以石灰加镁的复合喷吹为主流，其存在脱硫剂中的金属镁在高温铁水中汽化产生的镁蒸汽气泡易聚集、上浮排除，镁利用率低，同时因缺少环向流，在反应器熔池的底部及边缘存在脱硫剂达不到及流速很低的弱流区（流动速度<0.01m/s，镁蒸汽气体体积分数<10^-6），从而影响深脱硫（铁水[S]<0.005%）的稳定性两个问题。有学者就这些问题提出了一种新的思路：机械搅拌和喷吹结合。利用搅拌桨增加熔池的环流，减少熔池的死区，同时击碎气泡，实现气泡的弥散化和细微化，增加脱硫反应面积与反应时间，并且由于镁脱硫是放热反应，可以避免温降过大，因此可以通过搅拌喷吹的方式解决利用率低、深脱硫不稳定以及温降高等问题。目前这种搅拌喷吹方法是将吹气孔放置在搅拌桨下方，气泡在上浮的过程中被搅拌桨打碎、甩出，例如申请号CN201911052470.1公开的一种铁水脱硫用喷吹式螺旋搅拌桨以及申请号201821570143.6公开的一种旋转喷吹复合式铁水脱硫搅拌器就是采用这种方法，但是通过刘燕等人机械搅拌喷吹的物理水模拟实验发现，单向搅拌模式下，无论是一孔竖直喷吹、L型水平喷吹还是四孔水平喷吹，气泡都会很快聚集在中心漩涡处，降低气泡的弥散化与细微化程度，说明这种搅拌喷吹方法吹出的脱硫剂在底部吹出形成气泡后，会被吸引至搅拌形成的中心漩涡，导致大量气泡无法被击碎甩出，而是相互碰撞长大，加速上升离开熔池，使得气液脱硫反应的接触面积和反应时间都处于较低的水平。因此，为了能进一步提高脱硫效率，降低成本，解决上述气泡聚集长大问题及降低弱流区（流动速度<0.01m/s，镁蒸汽气体体积分数<10^-6），必须开发一种新的搅拌喷吹脱硫设备。

发明内容

针对现有技术的所述不足，本发明的目的在于提供一种冶金用机械搅拌喷吹脱硫搅拌器。本发明搅拌器通过远离中心漩涡的分散喷吹，减少气泡聚集长大；还可以延长气泡上升时间，减少通道堵塞的概率；还能延长反应时间，提高脱硫气液反应的强度。

为了解决所述技术问题，本发明采用了如下的技术方案：

一种冶金用机械搅拌喷吹脱硫搅拌器，包括搅拌轴和连接在搅拌轴下面的搅拌头；其特征在于：在搅拌头的外侧，沿周向设置有多个搅拌叶片，相邻搅拌叶片之间的夹角相同；在搅拌轴上设置有直通吹气通道，在部分或全部搅拌叶片内设置有斜向下的分流管道，每个分流管道与直通吹气通道连通，形成喷吹气体通道；每个分流管道的末尾形成喷吹口。

本发明这样的结构，将脱硫剂喷吹孔设置在对称搅拌桨叶的最外沿壁面，气泡产生位置与中心漩涡区域有一定的距离，可以减少脱硫剂气泡聚集，降低气泡长大的概率，以增大气液反应面积，延长气液反应时间，增加脱硫反应的效率。

进一步地：所述的搅拌叶片是4片，相互之间夹角为90°。搅拌叶片在圆周方向均匀设置，转动平稳、提高搅拌效率。

进一步地，所述的分流管道4为两条，分别与直通吹气通道下端连接后形成倒Y型结构。Y型结构的喷吹通道设计为向下倾斜的方向，既可以减少T型喷吹的堵塞问题，又可以使脱硫剂气泡具有向下的初速度。

进一步地，分流管道4与水平方向的夹角α的范围为10—45°。形成向下倾斜的喷吹通道能进一步增加气泡的上升时间，延长气液反应时间，增加脱硫反应的效率。

进一步地，喷吹口的位置靠近下端，低于搅拌叶片高度的一半的位置。形成向下倾斜的喷吹通道能进一步增加气泡的上升时间，延长气液反应时间，增加脱硫反应的效率。

进一步地，喷吹口位于对应的搅拌叶片的竖直面的最外侧面上。喷吹口设置在搅拌器最远端，处于搅拌的最大直径的位置，气泡产生位置与中心漩涡区域有一定的距离，气泡的作用区域更大。

进一步地，设置了分流管道的两条搅拌叶片，其相对搅拌轴的中心线对称设置；另外两条没有设置分流管道的搅拌叶片，相对搅拌轴的中心线对称设置，其与中心线的距离小于设置了分流管道的搅拌叶片与中心线的距离。这样，搅拌器形成两条长边、两条短边的结构，在搅拌时长边更容易搅动钢液，在转动过程中长边与短边之间的区域更容易形成较大的涡流，搅拌效果更优。

进一步地，喷吹孔所在的搅拌叶片的宽度，小于没有设置分流管道的搅拌叶片的宽度。这样，更有利于在转动过程中长边与短边之间的区域形成更大的涡流，搅拌效果更优，也更有利于从喷吹孔向下倾斜进入熔池的含脱硫剂的气体分散、均匀扩散，增大气液反应面积，延长气液反应时间，增加脱硫反应的效率。

进一步地，搅拌叶片的插入深度大于3/4的熔池内的液面高度。

与现有技术相比，本发明得到的喷吹脱硫搅拌器，具有如下有益效果：

1、本发明将脱硫剂喷吹孔设置在对称搅拌桨叶的最外沿壁面，气泡产生位置与中心漩涡区域有一定的距离，可以减少脱硫剂气泡聚集，降低气泡长大的概率，以增大气液反应面积，延长气液反应时间，增加脱硫反应的效率。

2、本发明将搅拌桨内的喷吹通道设计为向下倾斜的方向，既可以减少T型喷吹90度夹角阻力大的堵塞问题，又可以使脱硫剂气泡具有向下的初速度，增加气泡的上升路径，可以进一步增加气泡的上升时间，延长气液反应时间，同时向下的速度还将脱硫剂带入反应器熔池底部，减小喷吹孔下部的弱反应区，增加脱硫反应的效率及脱硫的稳定性。

3、脱硫剂喷吹孔所在的对称的两条边，其与中心线的距离大于另外两条对称边与中心线的距离，可在搅拌功率一定的条件下，使从喷吹孔吹出的脱硫剂形成的镁气泡产生位置与中心漩涡区域的距离更远，更可以减少脱硫剂气泡聚集，降低气泡长大的概率，以增大气液反应面积；而且，喷吹孔所在的两条长边，与另外两条短边形成的结构，在搅拌时更容易搅动钢液、形成涡流，搅拌效果更优。还能够使含脱硫剂的气体分散、均匀扩散，增大气液反应面积，延长气液反应时间，增加脱硫反应的效率。

附图说明

图1是冶金用机械搅拌喷吹脱硫搅拌器结构示意图；

图2是本发明第二种实施例结构示意图。

其中：1—搅拌轴，2—搅拌头，3—直通吹气通道，4—分流管道，5—喷吹口，21—搅拌叶片。

具体实施方式

下面结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参照图1，本发明实例提供的新型搅拌喷吹脱硫搅拌器，包括搅拌轴1与搅拌头2，搅拌轴1通常是竖向设置的，搅拌头2连接在搅拌轴1下面，形成紧固结构；搅拌头2的外侧，沿周向设置有多个搅拌叶片21，搅拌叶片21沿径向向外突出；搅拌叶片21的数量通常是3、4、6、8等片，在周向设置，即相邻搅拌叶片21之间的夹角相同。图中所示的是4片搅拌叶片21，相互之间夹角为90°的垂直设置。

在搅拌轴1上设置有直通吹气通道3，在部分或全部搅拌叶片21内设置有斜向下的分流管道4，每个分流管道4与直通吹气通道3连通，形成喷吹气体通道；每个分流管道4的末尾形成喷吹口5，气体从直通吹气通道3上端的开口进入，经过每个分流管道4从喷吹口5吹出。喷吹口5位于对应的搅拌叶片21的竖直面上，竖直面的最外侧面上。

如图1中，所述的分流管道4为两条，分别与直通吹气通道3下端连接后形成倒Y型结构。分流管道4斜向下倾斜设置，分流管道4与水平方向的夹角α的范围为10—45°，使得含有脱硫剂的气体向下倾斜进入熔池。喷吹口5的位置靠近下端，通常低于搅拌叶片21高度的一半的位置。

如图1中，设置了分流管道4的两条搅拌叶片21，其相对搅拌轴1的中心线对称设置；另外两条搅拌叶片没有设置分流管道4，该两条搅拌叶片相对搅拌轴1的中心线对称设置，其与中心线的距离小于另外两条设置了分流管道4的搅拌叶片与中心线的距离；喷吹孔5所在的两条边是长边，与中心线的距离大于另外两条没有设置喷吹孔5的边，形成两条长边、两条短边的结构，在搅拌时长边更容易搅动钢液，在转动过程中长边与短边之间的区域更容易形成较大的涡流，搅拌效果更优，更有利于从喷吹孔5向下倾斜进入熔池的含脱硫剂的气体分散、均匀扩散，增大气液反应面积，延长气液反应时间，增加脱硫反应的效率。还有，设置了分流管道4的两条搅拌叶片21的长度更长，使喷吹孔5进一步远离中心漩涡，提高气泡的弥散与细微程度。经分析研究和实验验证，申请人发现，喷吹孔5所在的搅拌叶片21（长边）的宽度，小于没有设置分流管道4的搅拌叶片（短边）的宽度，更有利于在转动过程中长边与短边之间的区域形成更大的涡流，搅拌效果更优，也更有利于从喷吹孔5向下倾斜进入熔池的含脱硫剂的气体分散、均匀扩散，增大气液反应面积，延长气液反应时间，增加脱硫反应的效率。

如图2所示，是本发明的第二种实施例结构，图中所示的搅拌叶片21的数量是三片，在周向设置，相互之间夹角为120°；在三片搅拌叶片21内都设置了分流管道4。其他与实施例1相同的结构部分不再详述。

具体搅拌操作时，通过将搅拌叶片21的插入深度推荐大于3/4的熔池内的液面高度，搅拌轴1内部具有直通的吹气管道3，在直通吹气管道的末端具有倒Y型的分流管道4，脱硫剂与载气通过搅拌器内部的喷吹气体通道在出口5处吹出，进入熔池，喷吹通道出口5必须位于最外沿的竖直壁面上。

上述新型4叶两孔喷吹搅拌器与吹气位置位于搅拌叶片下端T型喷吹的普通搅拌器进行对比，以CO₂-NaOH的反应模拟脱硫反应进行物理模拟的实验研究，实验中，为了使气泡停留时间更久，搅拌桨的插入深度大于普通KR搅拌模式，此次为0.8倍的熔池深度，为了保证搅拌桨转速，此次搅拌桨直径为0.21倍铁水罐直径。实验结果为三次实验平均值，如表1所示。从气含率以及气泡最大尺寸可以看出，气泡的细微化程度与弥散化程度显著提高，容积传质系数和气体利用率的数值直观反映了新型搅拌喷吹桨能有效地提高气液反应的效率。

表1 CO₂-NaOH反应模拟脱硫实验结果

	转速（r/min）	气含率（%）	气泡最大尺寸（cm）	容积传质系数（10<sup>-4</sup>s<sup>-1</sup>）	气体利用率（%）
						普通搅拌喷吹桨	90	19.57	2.32	2.954	41
新型搅拌喷吹桨	90	22.93	1.61	4.411	62

最后需要说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制技术方案，尽管申请人参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，那些对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (9)

1.一种冶金用机械搅拌喷吹脱硫搅拌器，包括搅拌轴（1）和连接在搅拌轴（1）下面的搅拌头（2）；其特征在于：在搅拌头（2）的外侧，沿周向设置有多个搅拌叶片（21），相邻搅拌叶片（21）之间的夹角相同；在搅拌轴（1）上设置有直通吹气通道（3），在部分或全部搅拌叶片（21）内设置有斜向下的分流管道（4），每个分流管道（4）与直通吹气通道（3）连通，形成喷吹气体通道；每个分流管道（4）的末尾形成喷吹口（5）。

2.根据权利要求1所述的冶金用机械搅拌喷吹脱硫搅拌器，其特征在于：所述的搅拌叶片（21）是4片，相互之间夹角为90°。

3.根据权利要求2所述的冶金用机械搅拌喷吹脱硫搅拌器，其特征在于，所述的分流管道（4）为两条，分别与直通吹气通道（3）下端连接后形成倒Y型结构。

4.根据权利要求1—3任一所述的冶金用机械搅拌喷吹脱硫搅拌器，其特征在于，分流管道（4）与水平方向的夹角α的范围为10—45°。

5.根据权利要求1—3任一所述的冶金用机械搅拌喷吹脱硫搅拌器，其特征在于，喷吹口（5）的位置靠近下端，低于搅拌叶片（21）高度的一半的位置。

6.根据权利要求5所述的冶金用机械搅拌喷吹脱硫搅拌器，其特征在于，喷吹口（5）位于对应的搅拌叶片（21）的竖直面的最外侧面上。

7.根据权利要求3所述的冶金用机械搅拌喷吹脱硫搅拌器，其特征在于，设置了分流管道（4）的两条搅拌叶片，其相对搅拌轴（1）的中心线对称设置；另外两条没有设置分流管道（4）的搅拌叶片，相对搅拌轴（1）的中心线对称设置，其与中心线的距离小于设置了分流管道（4）的搅拌叶片与中心线的距离。

8.根据权利要求7所述的冶金用机械搅拌喷吹脱硫搅拌器，其特征在于，喷吹孔（5）所在的搅拌叶片（21）的宽度，小于没有设置分流管道（4）的搅拌叶片的宽度。

9.根据权利要求1—3任一所述的冶金用机械搅拌喷吹脱硫搅拌器，其特征在于，搅拌叶片（21）的插入深度大于3/4的熔池内的液面高度。

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