CN205893311U - 用于转炉炼钢前铁水kr机械搅拌脱硫的搅拌器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种用于转炉炼钢前铁水KR机械搅拌脱硫的搅拌器，它包括搅拌轴和设置在搅拌轴上方的连接法兰，搅拌轴由上至下由轴段和叶片段组成，叶片段外壁上对称设置有多片搅拌叶片，每个搅拌叶片均包含金属框架，搅拌轴由内至外一侧为风冷管和搅拌轴金属芯，搅拌轴金属芯内壁上设置有金属堵头，风冷管下端管口与金属堵头形成出风口，叶片段的搅拌轴金属芯周向均匀分布焊接有金属框架。本实用新型有效提高搅拌器相邻搅拌叶片间的卷吸空间与卷吸下拉力，改善搅拌器的搅拌混合特性，提高搅拌器的抗破损能力，最终达到提高铁水脱硫反应动力学条件、延长搅拌器使用寿命、降低搅拌器消耗、改善铁水脱硫技术经济指标等综合目的。

Description

用于转炉炼钢前铁水KR机械搅拌脱硫的搅拌器

技术领域

本实用新型涉及搅拌器，具体地指一种用于转炉炼钢前铁水KR机械搅拌脱硫的搅拌器。

背景技术

KR(Kambara Reactor)搅拌脱硫法是日本新日铁于1963年开始研究，1965年应用于工业生产的一种铁水炉外脱硫技术，这种脱硫方法是以一个外衬耐火材料的十字形叶结构搅拌器浸入铁水罐内进行旋转搅动铁水，使铁水产生旋涡，经过称量的脱硫剂由给料器加入到铁水表面，并被旋涡卷入铁水中，与高温铁水混合、反应，达到脱硫的目的。该脱硫方法具有脱硫效率高，脱硫剂消耗少，作业时间短，金属耗损低以及耐火材料消耗低等特点。

根据铁水KR机械搅拌脱硫工艺过程可见，搅拌器是KR脱硫装置中工作条件最为恶劣的部件，也是实现脱硫剂在铁水中搅拌混合分散的唯一动力来源，因而搅拌器是铁水KR搅拌脱硫装置中的易损消耗件，同时也是影响铁水KR机械搅拌脱硫技术经济指标的关键部件。

在搅拌器使用寿命方面，由于搅拌器恶劣的工况条件，导致搅拌器破损严重、使用寿命短，搅拌器消耗成本高的不足一度成为遏制铁水KR机械搅拌脱硫工艺的推广与发展关键因素，并激起了国内外学者的广泛关注，例如：申请号为200810048900.8的中国发明专利公开了一种铁水脱硫搅拌头，其为一种搅拌叶片边角为圆弧过渡面的新型搅拌器，通过搅拌叶片边角圆弧过渡面结构设计，强化搅拌叶片的抗铁水冲刷磨损能力；申请号为200910060770.4的中国发明专利公开了一种铁水脱硫用搅拌器，在上述专利的基础上，该搅拌器为一种三叶片搅拌器，并进一步优化了搅拌叶片结构，扩展相邻搅拌叶片间夹角与空间，达到降低叶片间粘渣、降低粘渣清理机械损伤、延长搅拌器使用寿命的目的。随着KR脱硫搅拌器结构的不断优化，搅拌器制备技术、制作材料与制备工艺、在线维护技术的不断发展，搅拌器使用寿命成倍延长，例如：文献“欧阳德刚、刘守堂、李具中，KR脱硫搅拌器长寿命综合技术的研究与应用，炼钢，2009，No6”报道，100吨铁水罐KR脱硫搅拌器使用寿命由早期的平均不到100炉/支提高到730炉/支。

在改善搅拌混合特性、提高脱硫效率方面，搅拌器结构形状、结构参数以及搅拌叶片的布置方式等将直接影响脱硫剂在铁水中的卷入深度、混合分散状况与铁水脱硫反应效率。在脱硫剂种类、粒度分布与铁水成分、铁水温度一定的条件下，铁水脱硫反应热力学条件与界面反应动力学条件则已确定，因而脱硫剂在铁水中的混合分散状况成为影响铁水机械搅拌脱硫反应的关键因素。基于上述结论，国内外学者开展了大量的改善铁水机械搅拌脱硫反应的流体动力学条件研究，以提高铁水机械搅拌脱硫反应效率与铁水脱硫技术经济指标，如：文献“铁水脱硫技术的改进(摘译),太钢译文，1994,(1),20-25.”报道了日本住友金属鹿岛制铁所于上世纪90年代率先研究了搅拌器叶轮直径和搅拌叶形状对机械搅拌脱硫流体动力学条件的影响，提出了搅拌器叶轮扩径和叶外凸弧形搅拌叶片迎铁面的动力学改进措施，其中，异形搅拌叶因实际使用中形状维持困难而未推广应用，搅拌器叶轮扩径随在国内外一些钢铁企业得到应用，但因铁水液面上升高度、搅拌强度与振动大，影响了铁水罐的铁水有效装载量，加剧了搅拌器叶片的冲刷磨损，并因搅拌设备振动大而危机安全生产。再如：文献“熔剂扩散特性对铁水脱硫的影响，钢铁译文集，2010，(2)，6-13.”简要介绍了日本在改善铁水机械搅拌脱硫流体动力学研究的成果，采用1/8比例水模和70kg级铁水机械搅拌脱硫试验装置，系统研究了常规KR机械搅拌脱硫装置中脱硫剂颗粒在铁水中的混合分散行为，分析了搅拌器浸入深度、转速对搅拌混合特性的影响规律，并将搅拌漩涡深度与搅拌叶片底面深度之比定义为扩散指数I，根据不同扩散指数I条件下的脱硫剂颗粒混合分散状况，将脱硫剂颗粒的混合分散特性可分为三个阶段，即：“无扩散”阶段、“过渡扩散”阶段和“完全扩散”阶段；随着搅拌器浸入深度的增大，“完全扩散”阶段的临界转速增大，搅拌叶片下部区域混合分散颗粒数量增多，表明较深浸入深度对颗粒扩散是有效的；随着搅拌转速的提高，搅拌漩涡深度增大，搅拌混合特性改善，但当搅拌漩涡达到搅拌叶片底面外侧时，继续增大搅拌转速，搅拌混合特性恶化。申请号为200710051984.6的中国发明专利公开了一种铁水脱硫搅拌头，该搅拌头的的搅拌叶迎铁面为前凹弧形面、背铁面为上凹下凸多段弧形面、侧面为由下而上外倾斜面的铁水脱硫搅拌器，通过异形结构搅拌叶，达到提高搅拌头对脱硫剂的搅拌卷吸强度、改善脱硫动力学条件的目的。由此可见，在改善铁水KR机械搅拌脱硫搅拌混合特性方面，目前国内外主要采取扩大搅拌器直径、提高搅拌旋转速度以增大搅拌强度以及扩大搅拌叶片前倾角度以增大脱硫剂颗粒卷吸作用力，但因搅拌脱硫过程中铁水冲刷磨损严重，异形叶片结构难以维持，增大搅拌强度带来搅拌器磨损和搅拌设备振动加剧的不足，从而限制的铁水KR机械搅拌脱硫技术经济指标的进一步改善。

综合上述可见，目前在铁水KR机械搅拌脱硫领域，搅拌器使用寿命方面已取得了长足的进步，但在改善搅拌混合特性方面，虽然已激起各国学者的关注和研究热情，但有效的改进手段还需进一步追寻。根据文献“改善KR搅拌脱硫混合特性的理论分析与实践，武钢技术，2011，(5)，14-18.”报道，常规的铁水KR机械搅拌脱硫的搅拌混合特性为局域卷吸混合分散，通过搅拌结构参数对搅拌混合特征参数的影响规律分析，指出了在搅拌器叶轮直径、叶片宽度以及搅拌罐直径一定的条件下，减少搅拌器叶片数量与叶片倾角度、增大后弯叶片的后弯角a和搅拌器叶轮直径d，能够缩小搅拌中心强制涡流区域与卷吸混合分散区域的比值；因而，在现有KR搅拌脱硫设备条件下，仅调整搅拌器部分结构参数，KR搅拌脱硫动力学条件仍有进一步改善的潜力。由此可见，影响KR机械搅拌脱硫混合特性的因素较多，就搅拌器方面来看，不仅有搅拌器结构形状与结构尺寸，还有搅拌叶片数量与搅拌叶片间的卷吸空间等。为此，如何有效改善铁水KR脱硫搅拌器的混合特性还需持续研究，达到提高脱硫效率、降低脱硫剂消耗、进一步改善铁水脱硫技术经济指标的目的。

发明内容

本实用新型的目的是一种用于转炉炼钢前铁水KR机械搅拌脱硫的搅拌器，其具有铁水KR机械搅拌脱硫用新型搅拌器，具有结构简单、制作方便、搅拌混合特性优良、使用寿命长等特点，其解决了铁水KR搅拌脱硫设备大型化后引起的搅拌器使用寿命急剧下降的问题。

为实现上述目的，本实用新型提供了一种用于转炉炼钢前铁水KR机械搅拌脱硫的搅拌器，它包括搅拌轴和设置在搅拌轴上方的连接法兰，所述搅拌轴由上至下由轴段和叶片段组成，所述叶片段外壁上对称设置有多片搅拌叶片，每个搅拌叶片均包含金属框架，所述搅拌轴由内至外一侧为风冷管和搅拌轴金属芯，所述搅拌轴金属芯内壁上设置有金属堵头，所述风冷管下端管口与金属堵头形成出风口，所述风冷管、金属堵头和搅拌轴金属芯形成冷却空腔，所述叶片段的搅拌轴金属芯周向均匀分布焊接有金属框架，所述轴段的搅拌轴金属芯外表面、金属框架外表面、搅拌轴金属芯底部和金属堵头底面均匀焊接有V形锚固件，所述搅拌轴金属芯、金属框架内外和空隙间和金属堵头外表面浇筑有耐火材料工作衬。

进一步地，所述搅拌叶片厚度D沿搅拌轴径向外延逐渐减小，轴向不变，搅拌叶片长度L沿搅拌轴轴向向下逐渐减小。

再进一步地，所述搅拌叶片包括五个叶面，分别为叶片迎铁面、叶片背铁面、叶片顶面、叶片底面和叶片外侧面，其中，叶片迎铁面、叶片背铁面、叶片顶面、叶片底面和叶片外侧面间的相交为圆弧面过渡交接。

再进一步地，所述金属框架采用内填耐火浇注料的钢管与扁钢焊接制备，金属框架的厚度d沿搅拌轴径向外延跟随搅拌叶片厚度D逐渐减小，轴向不变。

再进一步地，所述叶片迎铁面与叶片背铁面为前倾平行面，它们形成的前倾角β为0～10°。

再进一步地，所述叶片顶面、叶片底面和叶片外侧面均为弧形面；两个邻搅拌叶片的前一片搅拌叶片的叶片背铁面和后一片搅拌叶片的叶片迎铁面相交于搅拌轴的耐火材料衬侧壁面，或分别与搅拌轴耐火材料衬侧壁面相交。

再进一步地，所述搅拌轴的耐火材料衬底面平面与叶片底面弧形面的凸顶平齐。

本实用新型的有益效果在于：

本实用新型针对常规铁水KR机械搅拌脱硫存在搅拌混合分散不佳、脱硫反应流体动力学条件有待进一步改善的现状，基于目前国内外相关研究措施搅拌混合改善效果有限的问题，通过水模试验以及搅拌流场分析，发现搅拌叶片厚度D对搅拌流场与混合特性影响较大，随着搅拌叶片厚度D的减小，搅拌叶片间卷吸空间增大，搅拌混合分散范围越大；然而，铁水KR机械搅拌脱硫用的常规搅拌器以及研究改进的搅拌器，因过去考虑搅拌叶片强度与搅拌叶片耐火材料衬铁水冲刷磨损的因素，致使搅拌叶片厚度D设计过大，搅拌叶片间搅拌卷吸空间减小，制约了搅拌混合分散范围的扩展。此外，根据搅拌器实际生产中的破损状况，由于搅拌叶片区域铁水冲刷速度快、表面铁水压力大，导致搅拌器破损基本集中在搅拌器叶片，破损方式有搅拌叶片磨损、裂纹、剥落等，其中耐火材料衬大块剥落是导致搅拌器终止使用的主要原因。根据上述破损状况以及常规KR机械搅拌脱硫搅拌器叶片结构可见，由于搅拌叶片尺度大，搅拌叶片特厚板金属芯尺度也大，由于搅拌叶片金属芯与耐火材料衬之间材料性能的显著差异和频繁的高低温交替使用工况条件，导致搅拌叶片金属芯与耐火材料衬界面结构应力与热应力裂纹与剥落。由此可见，常规机械搅拌脱硫搅拌器大尺度搅拌叶片的结构设计不仅不利于搅拌混合特性的改善，同时也促进了搅拌叶片的破损。

本实用新型基于上述常规KR机械搅拌脱硫过程的搅拌混合流场与搅拌器破损状况的分析，针对常规搅拌器存在的不足，提供了一种铁水KR机械搅拌脱硫用新型搅拌器。通过搅拌叶片厚度D沿搅拌轴径向外延逐渐减小、轴向不变的结构设计，扩展搅拌器相邻搅拌叶片间的卷吸空间，提高搅拌卷吸与排除流量，促进脱硫剂颗粒与铁水的搅拌混合；通过搅拌叶片长度L沿搅拌轴轴向向下逐渐减小的设计，使搅拌叶片外侧面旋转线速度沿铁水深度方向逐渐减小，从而保证搅拌叶片的整体搅拌强度，并降低搅拌叶片下部的冲刷磨损与铁水压力渗透破损。通过搅拌叶片的叶片迎铁面、叶片背铁面、叶片顶面、叶片底面和叶片外侧面间的相交为圆弧面过渡交接，缓解搅拌叶片耐火材料衬的结构应力与热应力。通过叶片金属芯由金属框架与V形锚固件组成的结构设计，同时，金属框架采用内填耐火浇注料的钢管和扁钢焊接制备，金属框架的的厚度d沿搅拌轴径向外延跟随搅拌叶片厚度D逐渐减小，轴向不变，金属框架空隙与耐火材料衬一起采用中国专利“铁水脱硫搅拌器用耐火浇注料，专利号：ZL200510019721.8”提供的耐火浇注料进行整体浇注填充与制备，减少叶片金属芯体积，提高叶片金属芯弹性变形、力学强度刚度与抗高温损毁能力，降低搅拌叶片金属芯与耐火材料结合面的结构应力与热应力，提高搅拌叶片力学性能。通过前倾角β为0～10°的叶片迎铁面与叶片背铁面结构设计，增大搅拌器的卷吸下拉力，延深脱硫剂颗粒的下拉深度与混合分散区域。通过搅拌器相邻叶片间前搅拌叶片的叶片背铁面和后搅拌叶片的叶片迎铁面相交于搅拌轴耐火材料衬侧壁面或分别与搅拌轴耐火材料衬侧壁面相交的结构设计，有效提高相邻搅拌叶片间的搅拌空间，提高搅拌叶片的结构强度。通过搅拌叶片的叶片顶面、叶片底面和叶片外侧面均为弧形面的结构设计，提高搅拌叶片铁水接触面的抗冲刷磨损能力。通过搅拌轴耐火材料衬底面平面与叶片底面弧形面的凸顶平齐的结构设计，便于搅拌器的存放与搬运。

本实用新型的一种铁水KR机械搅拌脱硫用新型搅拌器，通过上述技术措施，有效提高搅拌器相邻搅拌叶片间的卷吸空间与卷吸下拉力，改善搅拌器的搅拌混合特性，通过搅拌叶片结构的设计，提高搅拌器的抗破损能力，方便实际生产使用，最终达到提高铁水脱硫反应动力学条件、延长搅拌器使用寿命、降低搅拌器消耗、改善铁水脱硫技术经济指标等综合目的。

附图说明

图1为本实用新型用于转炉炼钢前铁水KR机械搅拌脱硫的搅拌器的B-B剖面图；

图2为四片搅拌叶片的搅拌器A-A剖面图；

图3为三片搅拌叶片的搅拌器A-A剖面图；

图4为二片搅拌叶片的搅拌器A-A剖面图；

图中，搅拌轴1、轴段1.a、叶片段1.b、风冷管1.1、搅拌轴金属芯1.2、金属堵头1.3、出风口1.4、连接法兰2、搅拌叶片3、金属框架3.1、叶片迎铁面3.2、叶片背铁面3.3、叶片顶面3.4、叶片底面3.5和叶片外侧面3.6、冷却空腔4、V形锚固件5、耐火材料工作衬6。

具体实施方式

为了更好地解释本实用新型，以下结合具体实施例进一步阐明本实用新型的主要内容，但本实用新型的内容不仅仅局限于以下实施例。

实施例1

如图1～2所示，一种用于转炉炼钢前铁水KR机械搅拌脱硫的搅拌器，它包括搅拌轴和设置在搅拌轴1上方的连接法兰2，搅拌轴1由上至下由轴段1.a和叶片段1.b组成，叶片段1.b外壁上对称设置有4片搅拌叶片3，搅拌叶片3厚度D沿搅拌轴径向外延逐渐减小，轴向不变，搅拌叶片3长度L沿搅拌轴轴向向下逐渐减小。搅拌叶片包括叶片迎铁面3.2、叶片背铁面3.3、叶片顶面3.4、叶片底面3.5和叶片外侧面3.6，其中，叶片迎铁面3.2、叶片背铁面3.3、叶片顶面3.4、叶片底面3.5和叶片外侧面3.6间的相交为圆弧面过渡交接。

搅拌轴1由内至外一侧为风冷管1.1和搅拌轴金属芯1.2，搅拌轴金属芯1.2内壁上设置有金属堵头1.3，风冷管1.1下端管口与金属堵头1.3形成出风口1.4，风冷管1.1、金属堵头1.3和搅拌轴金属芯1.2形成冷却空腔4，每个搅拌叶片均包含金属框架3.1，金属框架3.1采用内填耐火浇注料的钢管与扁钢焊接制备，金属框架3.1的厚度d沿搅拌轴径向外延跟随搅拌叶片2厚度D逐渐减小，轴向不变，金属框架3.1径向内侧与搅拌轴金属芯1.2焊接相连。轴段1.a的搅拌轴金属芯1.2外表面、金属框架3.1外表面、搅拌轴金属芯1.2底部和金属堵头1.3底面均匀焊接有V形锚固件5，搅拌轴金属芯1.2、金属框架3.1内外和空隙间和金属堵头1.3外表面浇筑有耐火材料工作衬6。耐火材料工作衬6采用中国专利“铁水脱硫搅拌器用耐火浇注料，专利号：ZL200510019721.8”提供的耐火浇注料进行整体浇注填充与制备。

叶片迎铁面3.2与叶片背铁面3.3为前倾平行面，它们形成的前倾角β为0～10°。

叶片顶面3.4、叶片底面3.5和叶片外侧面3.6均为弧形面；两个邻搅拌叶片3的前一片搅拌叶片3的叶片背铁面3.2和后一片搅拌叶片3的叶片迎铁面3.3相交于搅拌轴1的耐火材料衬6侧壁面，或分别与搅拌轴耐火材料衬侧壁面相交；搅拌轴1的耐火材料衬6底面平面与叶片底面3.5弧形面的凸顶平齐。

其它与常规KR脱硫搅拌器相同。

实施例2

如图1和3所示：本实施例的搅拌器与实施例1的搅拌器结构基本相同，不同之处在于：

搅拌叶片3的数量为3片。

实施例2

如图1和4所示：本实施例的搅拌器与实施例1的搅拌器结构基本相同，不同之处在于：

搅拌叶片3的数量为2片。

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实用新型做出了详尽的描述，但它仅仅是本实用新型一部分实施例，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实用新型保护范围。

Claims (7)

1.一种用于转炉炼钢前铁水KR机械搅拌脱硫的搅拌器，它包括搅拌轴和设置在搅拌轴(1)上方的连接法兰(2)，其特征在于：所述搅拌轴(1)由上至下由轴段(1.a)和叶片段(1.b)组成，所述叶片段(1.b)外壁上对称设置有多片搅拌叶片(3)，每个搅拌叶片均包含金属框架(3.1)，所述搅拌轴(1)由内至外一侧为风冷管(1.1)和搅拌轴金属芯(1.2)，所述搅拌轴金属芯(1.2)内壁上设置有金属堵头(1.3)，所述风冷管(1.1)下端管口与金属堵头(1.3)形成出风口(1.4)，所述风冷管(1.1)、金属堵头(1.3)和搅拌轴金属芯(1.2)形成冷却空腔(4)，所述叶片段(1.b)的搅拌轴金属芯(1.2)周向均匀分布焊接有金属框架(3.1)，所述轴段(1.a)的搅拌轴金属芯(1.2)外表面、金属框架(3.1)外表面、搅拌轴金属芯(1.2)底部和金属堵头(1.3)底面均匀焊接有V形锚固件(5)，所述搅拌轴金属芯(1.2)、金属框架(3.1)内外和空隙间和金属堵头(1.3)外表面浇筑有耐火材料工作衬(6)。

2.根据权利要求1所述用于转炉炼钢前铁水KR机械搅拌脱硫的搅拌器，其特征在于：所述搅拌叶片(3)厚度D沿搅拌轴径向外延逐渐减小，轴向不变，搅拌叶片(3)长度L沿搅拌轴轴向向下逐渐减小。

3.根据权利要求1或2所述用于转炉炼钢前铁水KR机械搅拌脱硫的搅拌器，其特征在于：所述搅拌叶片(3)包括五个叶面，分别为叶片迎铁面(3.2)、叶片背铁面(3.3)、叶片顶面(3.4)、叶片底面(3.5)和叶片外侧面(3.6)，其中，叶片迎铁面(3.2)、叶片背铁面(3.3)、叶片顶面(3.4)、叶片底面(3.5)和叶片外侧面(3.6)间的相交为圆弧面过渡交接。

4.根据权利要求1或2所述用于转炉炼钢前铁水KR机械搅拌脱硫的搅拌器，其特征在于：所述金属框架(3.1)采用内填耐火浇注料的钢管与扁钢焊接制备，金属框架(3.1)的厚度d沿搅拌轴径 向外延跟随搅拌叶片(3)厚度D逐渐减小，轴向不变。

5.根据权利要求3所述用于转炉炼钢前铁水KR机械搅拌脱硫的搅拌器，其特征在于：所述叶片迎铁面(3.2)与叶片背铁面(3.3)为前倾平行面，它们形成的前倾角β为0～10°。

6.根据权利要求3所述用于转炉炼钢前铁水KR机械搅拌脱硫的搅拌器，其特征在于：所述叶片顶面(3.4)、叶片底面(3.5)和叶片外侧面(3.6)均为弧形面；两个邻搅拌叶片(3)的前一片搅拌叶片(3)的叶片背铁面(3.2)和后一片搅拌叶片(3)的叶片迎铁面(3.3)相交于搅拌轴(1)的耐火材料工作衬(6)侧壁面，或分别与搅拌轴(1)的耐火材料工作衬(6)侧壁面相交。

7.根据权利要求3所述用于转炉炼钢前铁水KR机械搅拌脱硫的搅拌器，其特征在于：所述搅拌轴(1)的耐火材料工作衬(6)底面平面与叶片底面(3.5)弧形面的凸顶平齐。