用于铁水脱硫预处理的机械搅拌脱硫方法与流程

本发明涉及转炉炼钢前铁水炉外脱硫方法，具体地指一种用于铁水脱硫预处理的机械搅拌脱硫方法。

背景技术：

铁水机械搅拌脱硫是通过插入铁水罐中铁水内部的搅拌器的旋转搅动，使铁水与脱硫剂混合接触进行脱硫，主要有莱茵法和KR(Kambara Reactor)法。这两种铁水机械搅拌脱硫方法所用的搅拌器都是由旋转轴与搅拌叶组成，四片搅拌叶沿旋转轴周向成十字形均匀布置，搅拌器沿铁水罐中心线插入铁水；区别仅在于搅拌器插入铁水的深度不同。莱茵法只是将搅拌器的搅拌叶部分地插入铁水中，通过搅拌使铁水罐上部的铁水和铁水表面上的脱硫剂形成旋涡，互相混合接触，并通过循环流动使整个铁水罐内的铁水抵达上层脱硫区域实现脱硫；KR法则是将搅拌器的搅拌叶沉浸在铁水中一定的深度，通过搅拌器的旋转搅动，使铁水表面上的脱硫剂卷入铁水中进行混合脱硫，扩大了旋涡深度和脱硫反应区域，增强了铁水的循环流动，达到了加快脱硫速度、缩短脱硫时间、提高脱硫效率、降低脱硫剂消耗的综合效果。由于KR法优良的使用性能，使其成为目前国内外铁水机械搅拌脱硫唯一得到推广应用的方法。

然而，根据国内外有限的KR搅拌脱硫流动状态研究报道，KR搅拌脱硫流动状态分为搅拌中心强制涡流区和该区以外的自由涡流区，强制涡流区由于没有液体微元之间的相对运动，为不良混合区；而自由涡流区由于循环运动引起了液体微元之间的相对运动，起到了混合分散的作用。当搅拌旋转时，强制涡流区颗粒与流体质点均绕轴作同心圆周运动，相对速度很小，不能进行有效的混合分散，仅在强制涡流区和叶片端部区域之间，固液湍动较为剧烈，是传质、传输与分散混合最强烈的区域。固体颗粒被卷入液体中的深度大致和液面凹下的深度相当，颗粒卷入液体中后，在强制涡流区和叶片端部区域之间，由于湍动而分散，并在离心力作用下沿着半径方向“吐出”，继而在浮力作用下而上浮，并在“吐出”区以上部位进行卷入-分散-卷入的循环运动。因而，铁水KR搅拌脱硫传输动力学机制是局域卷吸混合、径向剪切分散；而研究表明，KR搅拌脱硫过程中强制涡流区半径与搅拌器叶轮半径之比近似为0.7，搅拌叶有效搅拌面积仅为30％，如何改善脱硫剂在铁水中的混合分散状况是提高KR搅拌脱硫效率的重要途径。

为此，相关学者从工艺方法、操作工艺参数、搅拌器结构等方面，开展了大量研究工作，以期改善机械搅拌脱硫的动力学条件，进一步提高KR法的脱硫使用性能。

(1)工艺方法改进。中国专利“KR法脱硫罐底吹法”(专利申请号：200610124845.7)提供了一种KR法脱硫罐底吹法，是在KR法的基础上，通过布置在罐底的透气砖向罐内吹入高压氮气，促进铁水中脱硫渣的上浮，达到提高脱硫速度与铁水纯净度的目的，但缩短了脱硫剂在铁水中的停留时间，同时，每罐次脱硫消耗一块透气砖，增加了铁水脱硫成本。中国专利“一种铁水复合脱硫方法”(专利申请号：200510064272.8)提供了一种铁水复合脱硫方法，采用枪头带十字形叶片搅拌器的旋转喷枪，通过喷枪的喷吹与搅拌器的旋转搅拌，实现同时喷吹与搅拌的复合脱硫。喷吹与搅拌的复合脱硫方式虽改善了脱硫动力学条件，但喷吹系统的高压旋转密封困难，可靠性差，设备投资大，难以满足安全稳定生产的需要，未能推广应用。中国专利“铁水机械搅拌脱硫方法”(公开号CN101492753A)公开了一种铁水罐偏心搅拌脱硫方法，通过搅拌器偏离铁水罐中心的搅拌，引起搅拌漩涡中心偏离搅拌轴心，遏制了常规KR搅拌脱硫时搅拌中心强制涡流区的形成，使漩涡吸入的脱硫剂偏离搅拌轴心非对称性卷入循环，并通过搅拌器叶片的冲击实现卷入的脱硫剂在铁水中的混合分散，从而有效地改善了铁水机械搅拌脱硫动力学条件，虽然在实际生产中取得了良好的工业性试验效果，但由于偏心搅拌较大的偏心推力，促进了铁水罐车刹车系统的磨损，增大了铁水罐车的维护工质量，给实际推广应用带来困难。

(2)操作工艺参数。国内外多家钢铁企业先后采取提高搅拌器转速的方式进行弥补与改善脱硫动力学条件，例如：川威120吨铁水罐的最高搅拌转速达140转/min，宝钢集团150吨铁水罐的最高搅拌转速接近150转/min；据资料报道，日本多家钢铁企业也采取了提高搅拌器转速的手段改善脱硫动力学条件，设定转速范围为100-150转/min。但由于搅拌设备性能的限制，搅拌转速提高的范围有限，达到的脱硫动力学条件改善效果也十分有限，同时，搅拌转速的提高，使搅拌器磨损加剧，铁水液面上升高，还导致搅拌器使用寿命缩短，铁水罐装载量下降。

(3)搅拌器结构优化。文献“铁水脱硫技术的改进(摘译),太钢译文，1994,(1),20-25.”报道，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片形状对脱硫动力学条件的影响，提出了搅拌器叶轮扩径和叶片外凸弧形搅拌面的动力学改进措施，其中，异形搅拌叶片因实际使用中形状维持困难而为推广应用，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、搅拌器使用寿命，并因搅拌设备振动大而危机安全生产。中国专利“一种铁水脱硫用搅拌器”(公开号CN101603111A)公开了一种搅拌叶迎铁面与背铁面均为前倾斜面的三叶搅拌器，通过三叶片前倾结构，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°，降低叶片之间粘渣速度，不仅方便了粘渣的清理，同时降低了粘渣对叶片搅拌叶片有效作用面积的影响，提高了搅拌强度的稳定性。中国专利“铁水脱硫搅拌器”(公开号CN201406443Y)公开了一种搅拌叶迎铁面为前倾凸形弧面、背铁面为竖直面或前倾面、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，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。由此可见，上述搅拌器结构的改进，主要是通过强化搅拌自由涡流区的混合分散，达到改善铁水机械搅拌脱硫动力学条件的效果，但上述改进措施不能遏制搅拌中心强制涡流区的形成，也不能缩小强制涡流区的体积大小，制约了铁水机械搅拌脱硫动力学条件的显著改善作用。

技术实现要素：

本发明目的是提供了一种用于铁水脱硫预处理的机械搅拌脱硫方法，该方法在铁水中脱硫剂分散区域广、操作使用方便，且具有脱硫动力学条件优良、脱硫剂利用率高、搅拌能耗低的特点。

为解决上述技术问题，本发明提供的一种用于铁水脱硫预处理的机械搅拌脱硫方法，该脱硫方法是由5大步骤完成的，其5大步骤分别是取前样测温、扒前渣、加脱硫剂搅拌、扒后渣、取后样测温，其中，在加脱硫剂搅拌步骤中，将搅拌装置插入装有铁水的铁水罐中，所述搅拌装置由搅拌器和导流板组成，所述导流板和搅拌器均垂直插入铁水中，且导流板底部距搅拌器叶片顶部垂直距离为H。

进一步地，所述导流板底部距搅拌器叶片顶部垂直距离H为50～150mm；

再进一步地，所述导流板宽度W为搅拌器叶片长度L的1/2～1倍；

再进一步地，所述导流板厚度D为搅拌器叶片厚度L的1/3～1倍；

再进一步地，所述搅拌器插入铁水的深度为铁水液面高度h的3/5～4/5倍。

再进一步地，所述导流板与搅拌器的搅拌轴之间的距离l为50-500mm；

再进一步地，所述导流板为金属芯和耐火材料组成的复合体，形状为矩形或椭圆形。

搅拌器可以是常规叶片结构形式的搅拌器，也可是其它叶片结构形式或不同叶片数的搅拌器；其它操作方法与KR法相同。

本发明的有益效果在于：

常规KR铁水机械搅拌脱硫过程中，通过搅拌器的旋转形成漩涡，加入到铁水液面上密度较轻的脱硫剂在漩涡的卷吸作用下进入铁水，通过搅拌器的旋转离心力作用进行分散，并在浮升力的作用下进行上浮。通过上述三个过程的循环进行，实现脱硫剂在铁水中的循环卷吸与混合分散，并通过脱硫剂与铁水的接触脱硫反应，完成一罐次铁水的脱硫。相关研究结果表明，搅拌形成的涡流深度对熔池颗粒扩散特性有较强的关联性；只有当搅拌漩涡深度大于搅拌器叶片端部，脱硫剂颗粒才可以在铁水中实现扩散，即必须将脱硫剂通过漩涡卷吸至叶片之间，依靠叶片的作用才能实现脱硫剂的混合分散。因此，为了使得漩涡深度抵达叶片之间，实际生产中就必须依靠较高的转速加大漩涡深度；同时，搅拌器插入深度也不能太深，否则不利于漩涡下行至搅拌器叶片之间。由此可见，常规KR法中较高的搅拌器转速导致了搅拌能耗高、加剧了搅拌器的磨损；同时，较浅的搅拌器插入深度，也使得脱硫剂上浮行程较短、脱硫剂与铁水混合区域小、底部铁水搅拌混合效果差，影响了脱硫效率。

相比常规KR法脱硫，本发明方法的主要有益效果为：

1)通过导流板的设置，使得铁水在周向搅拌旋转过程中，强制沿导流板下行，在搅拌旋涡未达到搅拌器叶片时，促进脱硫剂卷入搅拌器叶片之间，有利于脱硫剂在较低的转速下混合分散。

2)导流板区域流股的下行，使得搅拌刚性回转体区域出现轴向流动，促进了搅拌器刚性回转体区域的紊流，减少了刚性回转体半径，提高了搅拌器叶片的有效作用长度，进步一步加强了脱硫剂颗粒的“排出”分散，也有效减少了刚性回转体引起的搅拌器叶片之间粘渣严重引起的搅拌性能下降和搅拌器寿命短等问题。

3)由于不需要像常规KR法要求搅拌旋涡达到叶片端部，本发明可以使得搅拌器插入深度更深，增大了脱硫剂的上浮形程，有效扩大了熔池搅拌混合分散区域，同时，也可以在较低的转速下，实现较好的脱硫剂混合分散，节约搅拌能耗，降低搅拌器的磨损，增加搅拌器的使用寿命。

4)搅拌器转速较常规KR法转速降低10～20％；搅拌器插入深度较常规KR法中插入深度增加10～30％。

附图说明

图1为本发明中搅拌装置的正视图；

图2是本发明中搅拌装置的俯视图；

图中：搅拌器1、导流板2、铁水罐3。

具体实施方式

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

实施例1

如图1～2所示一种用于铁水脱硫预处理的机械搅拌脱硫方法，该脱硫方法是由几大步骤完成的，其几大步骤分别是取前样测温、扒前渣、加脱硫剂搅拌、扒后渣、取后样测温，其中，在加脱硫剂搅拌步骤中，将搅拌装置插入装有铁水的铁水罐3中，所述搅拌装置由搅拌器1和导流板2组成，所述导流板2和搅拌器1均垂直插入铁水中，且导流板2底部距搅拌器1叶片顶部垂直距离为H为50mm；导流板2靠近搅拌轴侧面距搅拌轴垂直距离A为100mm；

导流板2宽度W为搅拌器叶片长度L的1/2倍；

导流板2厚度D为搅拌器叶片厚度L的1/2倍；

搅拌器1插入铁水的深度为铁水液面高度h的3/5倍。

搅拌器1是常规四叶搅拌器；导流板2为金属芯和耐火材料组成的复合体，形状为矩形。

其它操作方法与KR法相同。搅拌器转速较常规KR法转速降低20％。

实施例2

本实施例的方法与实施例1基本相同，不同之处在于：

导流板底部距搅拌器叶片顶部垂直距离H为100mm；导搅拌器1插入铁水的深度为铁水液面高度h的4/5倍。流板靠近搅拌轴侧面距搅拌轴垂直距离A为50mm；导流板宽度W为搅拌器叶片长度L的1倍；搅拌器转速较常规KR法转速降低10％。

实施例3

本实施例的方法与实施例1基本相同，不同之处在于：

导流板底部距搅拌器叶片顶部垂直距离H为75mm；导搅拌器1插入铁水的深度为铁水液面高度h的3.5/5倍。。导流板靠近搅拌轴侧面距搅拌轴垂直距离A为200mm；导流板宽度W为搅拌器叶片长度L的3/4倍；搅拌器转速较常规KR法转速降低15％。

实施例4

本实施例与实施例1的区别在于：搅拌器为三叶搅拌器。

实施例5

本实施例与实施例1的区别在于：导流板形状为椭圆形。

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。