专利名称：铁水机械搅拌脱硫用涡轮式搅拌器的制作方法
技术领域：
本发明涉及转炉炼钢前铁水炉外搅拌脱硫装置，具体地说是一种铁水机械搅拌脱 硫用涡轮式搅拌器。
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片 结构的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o搅拌器是KR脱硫装置中的重要部件，它主要由旋转轴与四片搅拌叶组成，旋转轴 和搅拌叶均由金属芯和耐火材料工作衬构成。四片搅拌叶沿旋转轴周向成十字形均勻布 置，且搅拌叶金属芯的厚度对称面与旋转轴中心线处于同一平面；搅拌叶的迎铁水面为竖 直面或者由下向上顺时针方向前倾2°左右的斜面；背铁水面为竖直面；侧面为由下向上 径向外倾2°左右的斜面。该结构致使搅拌叶搅拌阻力大、动力消耗高、卷吸循环量少。此 外，由于搅拌器的高温间歇式工作状态以及对铁水的强烈搅拌，搅拌器与铁水之间冲刷剧 烈，冷热状态交替频繁，导致搅拌器的使用寿命短；在搅拌器的搅拌脱硫过程与待用冷却过 程中，由于搅拌叶单位体积换热面积大，会导致搅拌叶的耐火材料工作衬热震龟裂严重；由 于工作衬的耐火材料与金属芯材质的热膨胀性能的差异以及搅拌叶的金属芯未进行冷却， 会导致搅拌叶的金属芯和耐火材料工作衬的热胀冷缩量不一致，进而导致其结合面间形成 热胀内应力和冷缩间隙，引起耐火材料工作衬内应力破损，通过裂纹渗入的铁水还会沿结 合面内损缝隙不断扩展，最终导致耐火材料工作衬的剥落和金属芯的烧失；搅拌线速度随 着旋转直径的增大而提高，由于搅拌叶的径向外伸结构，使搅拌叶的铁水冲刷磨损剧烈，尤 其是搅拌叶的边棱凸出部位，磨损尤为严重，并随着搅拌器的不断使用，搅拌叶边棱不断磨 损而形成圆弧过渡面，在等搅拌力矩下搅拌器的旋转速度不断提高，进一步加剧了搅拌叶 的磨损速度，从而影响了搅拌器不同使用阶段下的搅拌脱硫效果与实际生产操作控制，导 致脱硫效率下降和脱硫剂消耗上升的后果；同时，搅拌叶的不均勻磨损与搅拌器旋转速度 的提高，会影响搅拌器的动平衡与静平衡，加剧了搅拌机械传动设备的振动与损伤，给设备 的安全稳定运行带来危害。此外，在实际搅拌脱硫过程中，由于叶片夹角部位的滞流作用， 致使大量的脱硫渣与铁水混合物在该区域聚集停留，并在高温条件下通过对耐火材料工作 衬的侵蚀、渗透引起粘渣，由于该区域空间狭小，导致清渣难度大，进而减少了搅拌叶的有 效作用面积和搅拌强度，恶化了铁水搅拌脱硫的动力学条件。因而，搅拌器的破损主要集中 在搅拌叶部位，最终因搅拌叶结构完整性的严重破损、搅拌强度的大幅度下降以及动平衡 的失稳而终止搅拌器的使用。为此，从减缓搅拌器耐火材料工作衬的破损进程角度考虑，公告号为CN 2923725Y的中国专利《新型KR脱硫搅拌器》公开了一种搅拌叶金属芯棱角边为圆弧过渡面的搅拌 头，降低了由于工作衬耐火材料与金属芯材质热膨胀性能差异引起的内应力以及搅拌叶边 棱部位的应力集中引起的破损。公告号为CN 201046975Y的中国专利《铁水脱硫搅拌头》 公开了一种搅拌叶金属芯带风冷的搅拌器，降低了使用时搅拌叶金属芯的综合温度，缓解 了搅拌叶金属芯与耐火材料工作衬的热膨胀，提高了搅拌叶的综合抗破损能力。此外，针 对常规搅拌器小角度倾斜的迎铁水面搅拌卷吸强度低的不足，从强化搅拌器搅拌强度的角 度考虑，公告号为CN 201031326Y的中国专利《一种铁水脱硫搅拌头》公开了一种搅拌叶的 迎铁水面为前凹弧形面、背铁水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，通过异形结构的搅拌叶，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。但上述专利和常规使用的搅拌器均为四叶十字形布置方式，搅拌叶 之间的夹角为90°，仍不能解决搅拌叶之间粘渣严重地问题，不利于搅拌脱硫动力学条件 的改善。因此，公开号为CN 101603111A的中国专利《一种铁水脱硫用搅拌器》公开了一种 搅拌叶迎铁水面与背铁水面均为前倾斜面的三叶搅拌器，通过三叶片前倾的结构，增强搅 拌卷吸空间与卷吸循环流量，达到改善脱硫动力学条件目的，并使叶片之间的夹角增大到 120°，降低了叶片之间的粘渣速度，方便了粘渣的清理，提高了搅拌强度的稳定性。此外， 公告号为CN 201406443Y的中国专利《铁水脱硫搅拌器》公开了一种搅拌叶迎铁水面为前 倾凸形弧面、背铁水面为竖直面或者前倾面、轴向垂直截面为径向内缩的梯形面的三叶搅 拌器，通过搅拌叶的异形结构设计，在上述中国专利《一种铁水脱硫用搅拌器》的基础上， 进一步增大了搅拌叶之间的夹角，强化了搅拌器的剪切分散能力和搅拌脱硫动力学条件的 改善效果。但是，在上述三叶搅拌器专利中，搅拌叶沿旋转轴周向均勻布置，且搅拌叶金属 芯的厚度对称面与旋转轴中心线处于同一平面，由于受搅拌器重量与搅拌叶结构尺寸的限 制，在直径有限的搅拌轴上周向均勻布置三片搅拌叶的条件下，会导致搅拌叶之间夹角、搅 拌叶迎铁水面前倾角度的进一步增大难以实施，搅拌动力消耗难以降低，制约了增强搅拌 器卷吸循环混合与剪切分散、延缓粘渣速度以及降低搅拌动力消耗的改善效果。
发明内容
本发明的目的就是要克服上述常规技术及专利的不足，提供一种搅拌动力消耗 低、搅拌叶之间粘渣少、搅拌脱硫动力学条件优、使用寿命长、结构简单、制作方便的铁水机 械搅拌脱硫用涡轮式搅拌器。为实现上述目的，本发明提供的一种铁水机械搅拌脱硫用涡轮式搅拌器包括旋转 轴、轮毂和搅拌叶，所述搅拌叶包括搅拌叶金属芯。其特别之处在于所述搅拌叶为三片， 绕所述轮毂的周向均勻布置；所述搅拌叶的迎铁水面、背铁水面和侧面均为由下而上前倾 的斜面，所述迎铁水面的倾角a满足1° < a < 10°，所述背铁水面的倾角0满足 a < 0 < 15°，所述侧面的倾角Y满足0 < Y < 3° ；所述搅拌叶金属芯相对于旋转轴 呈偏心布置状态，以所述搅拌叶金属芯的厚度对称面所在平面为第一铅垂面，与第一铅垂 面平行且过旋转轴中心线的平面为第二铅垂面，第一铅垂面与第二铅垂面朝迎铁水面方向 平移距离L后的平面重合，所述距离L满足0 < L≤ (d-a)/2,其中，d为旋转轴的金属芯直径，a为搅拌叶金属芯的厚度。
所述轮毂可以为轴向由上而下直径逐渐减小的圆台形结构。所述轮毂由耐火材料构成，且与所述搅拌叶一起浇注成型。所述搅拌叶的上端面与轮毂的结合部厚度m与该部位轮毂的直径D之比满足: sin32°≤ m/D ≤ sin58°。相邻所述搅拌叶之间的轮毂上设有圆弧过渡面；所述搅拌叶的迎铁水面上端线和 该上端线与轮毂交点处切线的夹角①满足132°≤ φ≤ 180°。所述搅拌叶垂直于旋转轴的截面为沿径向向外由宽变窄的梯形，所述梯形位于迎 铁水面上的前腰向搅拌叶内倾的角度《满足2°≤ω≤8°。本发明在三叶片搅拌器机构的基础上，通过旋转轴与搅拌叶之间轮毂的结构设 计，增大了搅拌叶周向均勻布置的周长，方便了搅拌叶的布置与整个搅拌器的制备；轮毂为 轴向由上到下直径逐渐减小的圆台形结构，减小了搅拌器底部轮毂的滞流面积，扩展了搅 拌混合分散区域；确定搅拌叶上端面与轮毂的结合部厚度m与该部位轮毂直径D之比为 sin32° sin58°的范围，且在搅拌叶片之间形成轮毂圆弧过渡面，以及根据搅拌叶片的 具体布置方式的不同，使搅拌叶迎铁水面上端线与轮毂交接点切线夹角①达132 180° 的范围，大幅度提高了搅拌器的搅拌叶部分工作面的折角，降低了折角对搅拌流体的滞流 作用，延缓了折角的粘渣速度以及粘渣的清理造成的机械破损，增大了搅拌叶迎铁水面的 面积和搅拌径向推力，提高了搅拌的机械效率与混合分散程度；搅拌叶的迎铁水面为由下 而上前倾a的斜面的结构，使得搅拌叶对流体的旋转推力的轴向分力增大，并随着倾角a 的增大，该轴向分力也增大，从而增强了搅拌的轴向卷吸循环量，促进了铁水与脱硫剂的混 合；搅拌叶的背铁水面为由下而上前倾0的斜面的结构，且满足0 ^ a，使搅拌叶背铁水 面下部沿搅拌器旋转方向呈后凸状，降低了背铁水面的涡流强度，延缓了搅拌叶背铁水面 的破损进程，降低了涡流动力耗散；搅拌叶的迎铁水面为周向后倾转《角的斜面结构以及 搅拌叶金属芯的厚度对称面沿旋转方向前移L、从而偏离过轮毂中心线平行面的布置的结 构，增强了搅拌叶水平推力的径向分力，且随着前移距离L和倾角《的增大，该径向分力也 增大，强化了搅拌器的径向排出性能与脱硫剂的径向分散效果；综上所述，通过上述技术措施，最终达到搅拌动力消耗低、搅拌叶之间粘渣少、搅 拌脱硫的动力学条件优、使用寿命长、结构简单、制作方便的效果。
图1为一种铁水机械搅拌脱硫用涡轮式搅拌器的结构示意图；图2为图1的A-A剖视图；图3为图1中搅拌叶在轮毂上前移布置时的结构示意图；图4为一片搅拌叶旋转推力的轴向与周向分力分析示意图；图5为图3视图中针对一片搅拌叶的水平旋转推力的径向与周向分力分析示意 图；图中旋转轴1，轮毂2(其中圆弧过渡面2.1)，搅拌叶3(其中迎铁水面3.1、背 铁水面3. 2、侧面3. 3、搅拌叶金属芯3. 4、厚度对称面3. 5、第二铅垂面3. 6)，风冷管4，耐火 材料工作衬5。
具体实施例方式以下结合附图和具体实施例对本发明的铁水机械搅拌脱硫用涡轮式搅拌器作进 一步的详细描述如图1至图3所示，本发明的铁水机械搅拌脱硫用涡轮式搅拌器包括旋转轴1、 置于旋转轴1内的风冷管4、轮毂2和三片绕轮毂2的周向均勻布置的搅拌叶3。轮毂2 为轴向由上而下直径逐渐减小的圆台形结构，且由耐火材料构成，并与搅拌叶3 —起浇注 成型。搅拌叶3包括搅拌叶金属芯3. 4和耐火材料工作衬5。搅拌叶3的迎铁水面3.1、 背铁水面3. 2和侧面3. 3均为由下而上前倾的斜面。其中，迎铁水面3. 1的倾角a满足 1°彡a彡10°，背铁水面3. 2的倾角3满足a彡日彡15°，侧面3. 3的倾角、满足
y。搅拌叶金属芯3. 4相对于旋转轴1呈偏心布置状态，以搅拌叶金属芯3. 4
的厚度对称面3. 5所在平面为第一铅垂面，与第一铅垂面平行且过旋转轴1中心线的平面 为第二铅垂面3. 6，则第一铅垂面与第二铅垂面3. 6朝迎铁水面3. 1方向平移距离L后的平 面重合，且距离L满足0 < L ^ (d-a)/2,其中，d为旋转轴1的金属芯直径，a为搅拌叶金属芯3. 4的厚度。搅拌叶3的上 端面与轮毂2结合部厚度m与该部位轮毂2的直径D之比满足sin32°彡m/D彡sin58°。 相邻搅拌叶3之间的轮毂2上设有圆弧过渡面2. 1。搅拌叶3的迎铁水面3. 1上端线和该 上端线与轮毂(2)交点处切线的夹角①满足132° ^ O ^ 180°。表一给出了八组具有不同上述参数的搅拌器实施例。除了上述参数以外，本发明 的其他结构与常规三叶片搅拌器相同。图4示意出了针对迎铁水面3.1对流体的旋转推力F1的分析，由于其前倾a角， 使该旋转推力F1存在周向的分力&和轴向的分力Fy，随着a的增大，轴向分力Fy增大，有 利于增强搅拌的轴向卷吸循环量，促进铁水与脱硫剂的混合。图5示意出了针对迎铁水面3. 1对流体的水平旋转推力F2的分析，由于内倾《 角，迎铁水面2.1对流体的水平旋转推力F2存在径向的分力&，随着m和(0的增大，&增 大，能够强化搅拌器的径向排出性能与脱硫剂的径向分散效果。表一
权利要求
一种铁水机械搅拌脱硫用涡轮式搅拌器，包括旋转轴(1)、轮毂(2)和搅拌叶(3)，所述搅拌叶(3)包括搅拌叶金属芯(3.4)，其特征在于所述搅拌叶(3)为三片，绕所述轮毂(2)的周向均匀布置；所述搅拌叶(3)的迎铁水面(3.1)、背铁水面(3.2)和侧面(3.3)均为由下而上前倾的斜面，所述迎铁水面(3.1)的倾角α满足1°≤α≤10°，所述背铁水面(3.2)的倾角β满足α≤β≤15°，所述侧面(3.3)的倾角γ满足0≤γ≤3°；所述搅拌叶金属芯(3.4)相对于旋转轴(1)呈偏心布置状态，以所述搅拌叶金属芯(3.4)的厚度对称面(3.5)所在平面为第一铅垂面，与第一铅垂面平行且过旋转轴(1)中心线的平面为第二铅垂面(3.6)，第一铅垂面与第二铅垂面(3.6)朝迎铁水面(3.1)方向平移距离L后的平面重合，所述距离L满足0＜L≤(d-a)/2，其中，d为旋转轴(1)的金属芯直径，a为搅拌叶金属芯(3.4)的厚度。
2.根据权利要求1所述的铁水机械搅拌脱硫用涡轮式搅拌器，其特征在于所述轮毂 (2)为轴向由上而下直径逐渐减小的圆台形结构。
3.根据权利要求1或2所述的铁水机械搅拌脱硫用涡轮式搅拌器，其特征在于所述 轮毂(2)由耐火材料构成，且与所述搅拌叶(3) —起浇注成型。
4.根据权利要求1或2所述的铁水机械搅拌脱硫用涡轮式搅拌器，其特征在于所述 搅拌叶(3)的上端面与轮毂(2)的结合部厚度m与该部位轮毂(2)的直径D之比满足: sin32° ≤ m/D≤ sin58°。
5.根据权利要求3所述的铁水机械搅拌脱硫用涡轮式搅拌器，其特征在于所述搅 拌叶(3)的上端面与轮毂⑵结合面的厚度m与轮毂⑵在该处的直径D之比满足 sin32° ≤m/D ≤ sin58°。
6.根据权利要求1或2所述的铁水机械搅拌脱硫用涡轮式搅拌器，其特征在于相 邻所述搅拌叶(3)之间的轮毂(2)上设有圆弧过渡面(2. 1)；所述搅拌叶(3)的迎铁水面 (3. 1)上端线和该上端线与轮毂(2)交点处切线的夹角①满足132°≤φ≤180°。
7.根据权利要求3所述的铁水机械搅拌脱硫用涡轮式搅拌器，其特征在于相邻所述 搅拌叶(3)之间的轮毂(2)上设有圆弧过渡面(2. 1)；所述搅拌叶(3)的迎铁水面(3. 1)上 端线和该上端线与轮毂(2)交点处切线的夹角①满足132° ≤φ≤ 180°。
8.根据权利要求4所述的铁水机械搅拌脱硫用涡轮式搅拌器，其特征在于相邻所述 搅拌叶(3)之间的轮毂(2)上设有圆弧过渡面(2. 1)；所述搅拌叶(3)的迎铁水面(3. 1)上 端线和该上端线与轮毂(2)交点处切线的夹角①满足132° ≤ φ ≤ 180°。
9.根据权利要求5所述的铁水机械搅拌脱硫用涡轮式搅拌器，其特征在于相邻所述 搅拌叶(3)之间的轮毂(2)上设有圆弧过渡面(2. 1)；所述搅拌叶(3)的迎铁水面(3. 1)上 端线和该上端线与轮毂(2)交点处切线的夹角①满足132°≤ φ≤ 180°。
10.根据权利要求1或2所述的铁水机械搅拌脱硫用涡轮式搅拌器，其特征在于所述 搅拌叶(3)垂直于旋转轴(1)的截面为沿径向向外由宽变窄的梯形，所述梯形位于迎铁水 面(3. 1)上的前腰向搅拌叶(3)内倾的角度《满足2°≤w≤8°。
全文摘要
一种铁水机械搅拌脱硫用涡轮式搅拌器，包括旋转轴、轮毂和搅拌叶，搅拌叶包括搅拌叶金属芯。其中，搅拌叶为三片，绕轮毂的周向均匀布置；搅拌叶的迎铁水面、背铁水面和侧面均为由下而上前倾的斜面，其倾角α、β和γ分别满足1°≤α≤10°、α≤β≤15°、0≤γ≤3°；搅拌叶金属芯相对于旋转轴呈偏心布置状态，以搅拌叶金属芯的厚度对称面所在平面为第一铅垂面，与第一铅垂面平行且过旋转轴中心线的平面为第二铅垂面，第一铅垂面与第二铅垂面朝迎铁水面方向平移距离L后的平面重合，L满足0＜L≤(d-a)/2，其中，d为旋转轴的金属芯直径，a为搅拌叶金属芯厚度。应用本发明搅拌动力消耗低、搅拌叶之间粘渣少、搅拌脱硫的动力学条件优。
文档编号C21C7/064GK101857912SQ20101019691
公开日2010年10月13日 申请日期2010年5月28日 优先权日2010年5月28日
发明者欧阳德刚, 罗安智 申请人:武汉钢铁(集团)公司