一种铁水高效脱硫旋转式复合喷枪及应用的制作方法

本发明属于转炉炼钢前铁水预处理技术领域，尤其涉及一种铁水高效脱硫旋转式复合喷枪及应用，具体为一种铁水高效脱硫旋转式复合喷枪。

背景技术：

目前，最接近的现有技术：

铁水脱硫预处理行业常用的脱硫方式为：喷吹法和kr搅拌法，喷吹法是通过利用惰性气体将脱硫剂用喷枪喷吹的方式通入铁水中以脱硫；kr搅拌法是通过搅拌器浸入铁水中旋转使脱硫剂与铁水充分混合反应以脱硫。

其中喷吹法能通过喷枪使更深处的铁水脱硫，铁水温降小，脱硫周期短，但不能保证脱硫剂与铁水充分接触，脱硫较不稳定，动力学效果较低，脱硫剂消耗大及原料较为昂贵；kr搅拌法具有良好的动力学特性，脱硫稳定，脱硫剂消耗小及原料较为便宜，但搅拌轴旋转附近会形成柱状回转区，此区域与搅拌头底部“死区”脱硫剂均分散困难，铁水温降大、渣量大、铁损高、脱硫周期长。

现有将铁水预处理脱硫工艺方法改进，在搅拌器搅拌的同时伸入一根喷气管将脱硫剂喷吹至铁水中，通过边搅拌边喷气的方法来提高脱硫效果，但这个喷气管有跟搅拌器发生干涉的风险，操作也较为繁琐。

综上所述，现有技术存在的问题是：

(1)喷吹法脱硫不能保证脱硫剂与铁水充分接触，脱硫较不稳定，动力学效果较低，脱硫剂消耗大及原料较为昂贵。

(2)kr搅拌法脱硫时搅拌轴旋转附近会形成柱状回转区，脱硫剂均分散困难，铁水温降大、渣量大、铁损高、脱硫周期长。

(3)边搅拌边喷气的方法中的喷气管有跟搅拌器发生干涉的风险，操作也较为繁琐。

技术实现要素：

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种铁水高效脱硫旋转式复合喷枪及应用。

本发明是这样实现的，一种铁水高效脱硫旋转式复合喷枪，包括底座圆盘，与底座圆盘固定相接的底座筋板、喷吹杆体、喷吹内管，与底座筋板固接的圆盘挡板，与圆盘挡板固接的圆盘筋板，固定两块圆盘筋板的连接件，与圆盘筋板固接的轴向外钢条、轴向内钢条，与轴向内钢条固接的径向内钢圈，与轴向内钢条固接的喷口，与喷口固接的喷口钢圈，与轴向外钢条固接的径向外钢圈，径向外钢圈尾部外固接多块搅拌叶片；所述喷吹杆体直通于底座圆盘与圆盘挡板中心处，与底座圆盘紧密固接，金属锚固件分多段均匀分布在喷吹杆体周围，所述喷吹内管内嵌于喷吹杆体内。

进一步，所述底座圆盘为圆饼结构，周向布置有六个用于螺丝连接固定的通孔，一侧有安装喷吹杆体和六个底座筋板的孔槽，中心有安装喷吹内管的通孔，另一侧有略高于表面的圆台；圆盘挡板中心有安装喷吹杆体的通孔，圆盘挡板一侧有六个底座筋板的安装位，另一侧有六个圆盘筋板的安装位，每个圆盘筋板有一安装径向外钢圈的圆孔，底座筋板和圆盘筋板为周向安装。六根连接件为周向安装并且垂直于喷吹杆体表面，每两个圆盘筋板之间有一连接件，喷吹杆体一端安装喷口，径向内钢圈安装于喷吹杆体表面，且每过一段距离安装一个，最后一个置于喷口，六条轴向外钢条周向安装于径向内钢圈外侧并且置于径向外钢圈里侧。轴向外钢条里侧每过一段距离安装一个径向外钢圈，六条轴向内钢条周向安装于径向外钢圈外侧，靠近底座圆盘的一侧与轴向外钢条对齐，另一侧安装喷口钢圈，喷吹内管置于喷吹杆体内部，一端与底座圆盘连接，另一端与喷口连接，且喷吹内管每一段距离有一与喷吹杆体内径相同的圆杆。搅拌叶片位于靠近喷口一端，周向安装于径向外钢圈上，金属锚固件安装于喷吹杆体表面，每周向安装六个为一组，每段距离安装一组。耐热材料层以喷吹杆体、径向外钢圈、径向内钢圈、轴向外钢条、轴向内钢条、金属锚固件、搅拌叶片、喷口、喷口钢圈为框架凝结成型，且保证喷口、喷吹内管无喷气阻碍。

本发明的另一目的在于提供一种铁水高效脱硫旋转式复合喷枪的应用方法，包括：将搅拌电机与底座圆盘的六个周向孔固定安装，并底座圆盘中央的喷吹内管口与输气设备连接，启动电机和输气设备后，再将旋转的铁水高效脱硫旋转式复合喷枪深入铁水中，铁水高效脱硫旋转式复合喷枪即可实现边搅拌边喷气。

进一步，输气设备集成有控制混合有脱硫剂的惰性气体流量的流量控制单元和电机转速控制模块；

(1)流量控制单元混合有脱硫剂的惰性气体流量的方法包括：

输入惰性气体流量周期方波指令信号；在t＝0时刻，对所有粒子初始化，在允许取值范围内随机设置粒子的初始化位置x，将第i个粒子的自身个体极值设置成当前位置，全局极值设置成粒子群中的最优粒子位置；

随机给定惰性气体流量环初始控制参数p＝x，通过adc采样，坐标变换后得到惰性气体流量跟踪响应信号，更新粒子位置，计算粒子i的适应度；

如果粒子i的适应度优于自身个体极值的适应度；如果当前进化代数中，粒子i的适应度优于全局极值的适应度；根据公式计算群体适应度方差；

判断算法是否满足收敛条件，如果满足就执行根据公式计算群体适应度方差，否则就对全局最优解按照公式执行变异操作并转回对所有粒子的初始化；

求出全局最优解的目标函数值，并输出全局最优解，算法结束；通过流量控制cpu校验最优值是否等于全局极值，如果满足响应要求则整定成功，否则继续整定；相同整定结构，在确定流量控制cpu最优p值之后，整定系统i、d值；

最终校验流量控制cpu整体惰性气体流量闭环响应特性。

(2)电机转速控制模块的转速控制方法包括：

电机转轴一侧处安装转速检测器，转速检测器通信线路将数据传送至电机转速控制模块的转速控制芯片，转速控制芯片将接收的数据进行对比分析后，发出控制指令给电机；

如果有转速越限，则启动转速控制芯片的无功功率模糊控制器fqc，注入或吸收无功功率；

如果转速控制芯片的无功功率模糊控制器fqc不能将转速恢复到正常水平，而δvsys≤δvmax–δα，其中，δvsys为系统转速的最大值vs,max和最小值vs,min之差，δvmax为标准转速上限vupp和下限vlow之差δvmax，则启动转速控制芯片的有载分接头模糊控制器foc，由转速控制芯片有载分接头oltc完成调压任务，否则启动有功功率消减模糊控制fpc，减少δvsys；δα为分接头的调整值。

进一步，所述流量控制cpu惰性气体流量环控制参数自整定方法进一步包括以下步骤：

在确定最优流量控制cpu控制参数p值后，分别使d值取0，整定i值，i值取0，整定d值；

对得到的整定参数进行校验，若作用下的惰性气体流量闭环阶跃响应满足快速、稳态误差小特征，则认为参数整定结果满足惰性气体流量环控制整定要求，整定过程结束，否则重新进行整定；

转速控制芯片有载分接头模糊控制器foc以配电网系统的最大转速vs,max和最小转速vs,min为输入，实时调整δv使vs,max和vs,min在正常允许范围内，从而保证所有母线转速都在正常范围内，具体包括：

输入变量均划分为三个模糊子集：vs,max正常(n)、高(h)、很高(vh)，vs,min很低(vl)、低(l)、正常(n)，隶属度函数采用三角形函数和梯形函数，输出变量δv划分为5个模糊子集：nb(负大)、ns(负小)、ze(零)、ps(正小)、pb(正大)，每个子集均为单值模糊集，取值分别为-2，-1，0，1，2；

建立模糊控制规则；

模糊推理：采用mamdani推理方法，先由控制规则确定输入输出的模糊关系，然后采用模糊合成运算由实际的模糊输入推理得到模糊输出；

去模糊精确化处理：模糊推理得到控制变量的模糊值后，采取面积重心法去模糊求得控制变量的精确值；

归一化处理：为了使控制器foc输出在规定论域内，比例因子kc取δvmax/2，其中δvmax为预期的最大转速偏离值。

本发明的另一目的在于提供一种安装所述铁水高效脱硫旋转式复合喷枪的转炉炼钢前铁水炉外旋转式脱硫喷吹装置。

综上所述，本发明的优点及积极效果为：

本发明提出了一种将喷吹工艺和kr搅拌工艺相结合复合脱硫工艺，即将原有喷吹管尾部添加搅拌叶片，将喷吹管和搅拌杆制成一体，并采用流量控制单元与电机转速控制模块来精确控制搅拌吹气过程的旋转喷吹技术。采用的旋转喷吹技术是把kr法良好的动力学条件、脱硫效果稳定性及深脱硫成本低廉的优势与喷吹法设备简便、温降少及扒损低的各项优点集于一体，并且将喷吹管和搅拌杆制成一体可以消除互相干涉的风险。

旋转喷吹技术把kr法良好的动力学搅拌、脱硫效果稳定性及深脱硫成本低廉的优势与喷吹法设备简便、温降少及扒损低的各项优点集于一体，避免设备间的干涉，降低扒渣时间和扒渣中的铁损。

本发明提供的一种喷枪，既具备搅拌铁水的功能也具备喷入脱硫剂的功能，搅拌法脱硫与喷吹法脱硫有机结合，使得脱硫剂与铁水更加充分地混合，提高了脱硫剂的利用率。随着脱硫剂利用率的提高，能达到节约脱硫成本的目的。

整个脱硫过程铁水温降小；脱硫剂消耗低；脱硫周期短，实现了高效脱硫。能减小对搅拌头的损坏程度，延长搅拌头的使用寿命，在另一方面节约了脱硫成本。脱硫完成后，能得到低硫甚至超低硫铁水，更符合生产产业的高要求、高标准。

附图说明

图1是本发明实施例提供的铁水高效脱硫旋转式复合喷枪整体结构示意图。

图2是本发明实施例提供的不带耐热材料的外观结构图。

图3是本发明实施例提供的不带耐热材料的外观正视图。

图4是本发明实施例提供的喷吹杆体剖切视图。

图5是本发明实施例提供的外观正视图。

图6是本发明实施例提供的喷口剖视图。

图7是本发明实施例提供的底座圆盘外观结构图。

图8是是本发明实施例提供的喷吹内管外观结构图。

图中：1、底座圆盘；2、底座筋板；3、圆盘挡板；4、圆盘筋板；5、喷吹杆体；6、连接件；7、径向外钢圈；8、径向内钢圈；9、轴向外钢条；10、轴向内钢条；11、金属锚固件；12、搅拌叶片；13、喷口；14、喷口钢圈；15、喷吹内管；16、耐热材料层。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

目前将铁水预处理脱硫工艺方法改进，普遍使用的方式是在搅拌器搅拌脱硫的同时伸入一根喷气管将脱硫剂喷吹至铁水中，但由于搅拌器和给料器都有一定体积，存在互相干涉的风险。

为解决上述问题，下面结合具体方案对本发明作详细描述。

如图1至图8所示，本发明实施例提供的铁水高效脱硫旋转式复合喷枪包括底座圆盘1，与底座圆盘1固定相接的底座筋板2、喷吹杆体5、喷吹内管15，与底座筋板2固接的圆盘挡板3，与圆盘挡板3固接的圆盘筋板4，固定两块圆盘筋板4的连接件6，与圆盘筋板4固接的轴向外钢条9、轴向内钢条10，与轴向内钢条10固接的径向内钢圈8，与轴向内钢条10固接的喷口13，与喷口13固接的喷口钢圈，与轴向外钢条9固接的径向外钢圈7，径向外钢圈7尾部外固接多块搅拌叶片12；所述喷吹杆体5直通于底座圆盘1与圆盘挡板3中心处，与底座圆盘1紧密固接，金属锚固件11分多段均匀分布在喷吹杆体5周围，所述喷吹内管15内嵌于喷吹杆体5内。

在本发明实施例中，底座圆盘1为圆饼结构，周向布置有六个用于螺丝连接固定的通孔，一侧有安装喷吹杆体5和六个底座筋板2的孔槽，中心有安装喷吹内管15的通孔，另一侧有略高于表面的圆台；圆盘挡板3中心有安装喷吹杆体5的通孔，圆盘挡板3一侧有六个底座筋板2的安装位，另一侧有六个圆盘筋板4的安装位，每个圆盘筋板4有一安装径向外钢圈7的圆孔，底座筋板2和圆盘筋板4为周向安装。六根连接件6为周向安装并且垂直于喷吹杆体5表面，每两个圆盘筋板4之间有一连接件6，喷吹杆体5一端安装喷口13，径向内钢圈8安装于喷吹杆体5表面，且每过一段距离安装一个，最后一个置于喷口13，六条轴向外钢条9周向安装于径向内钢圈8外侧并且置于径向外钢圈7里侧。六条轴向内钢条10周向安装于径向外钢圈7外侧，靠近底座圆盘1的一侧与轴向外钢条9对齐，另一侧安装喷口钢圈14，喷吹内管15置于喷吹杆体5内部，一端与底座圆盘3连接，另一端与喷口13连接，且喷吹内管15每一段距离有一与喷吹杆体5内径相同的圆杆。搅拌叶片12位于靠近喷口13一端，周向安装于径向外钢圈7上，金属锚固件11安装于喷吹杆体5表面，每周向安装六个为一组，每段距离安装一组。耐热材料层16以喷吹杆体5、径向外钢圈7、径向内钢圈8、轴向外钢条9、轴向内钢条10、金属锚固件11、搅拌叶片12、喷口13、喷口钢圈14为框架凝结成型，且保证喷口13、喷吹内管15无喷气阻碍。

在本发明实施例中，所述底座圆盘1的六个周向孔和搅拌电机与安装后，并将底座圆盘1中央的喷吹内管15口与输气设备连接，后启动电机和输气设备，再将旋转的喷枪深入铁水中，即复合喷枪可以进行边搅拌边喷气。

本发明的工作原理为：

在铁水脱硫步骤中，将本发明复合喷枪伸入铁水中搅拌，同时向管内通入混合脱硫剂的惰性气体，达到既搅拌又喷吹的目的。

在本发明实施例中，输气设备集成有控制混合有脱硫剂的惰性气体流量的流量控制单元和电机转速控制模块；

(1)流量控制单元混合有脱硫剂的惰性气体流量的方法包括：

输入惰性气体流量周期方波指令信号；在t＝0时刻，对所有粒子初始化，在允许取值范围内随机设置粒子的初始化位置x，将第i个粒子的自身个体极值设置成当前位置，全局极值设置成粒子群中的最优粒子位置；

随机给定惰性气体流量环初始控制参数p＝x，通过adc采样，坐标变换后得到惰性气体流量跟踪响应信号，更新粒子位置，计算粒子i的适应度；

如果粒子i的适应度优于自身个体极值的适应度；如果当前进化代数中，粒子i的适应度优于全局极值的适应度；根据公式计算群体适应度方差；

判断算法是否满足收敛条件，如果满足就执行根据公式计算群体适应度方差，否则就对全局最优解按照公式执行变异操作并转回对所有粒子初始化；

求出全局最优解的目标函数值，并输出全局最优解，算法结束；通过流量控制cpu校验最优值是否等于全局极值，如果满足响应要求则整定成功，否则继续整定；相同整定结构，在确定流量控制cpu最优p值之后，整定系统i、d值；

最终校验流量控制cpu整体惰性气体流量闭环响应特性。

(2)电机转速控制模块的转速控制方法包括：

电机转轴一侧处安装转速检测器，转速检测器通信线路将数据传送至电机转速控制模块的转速控制芯片，转速控制芯片将接收的数据进行对比分析后，发出控制指令给电机；

如果有转速越限，则启动转速控制芯片的无功功率模糊控制器fqc，注入或吸收无功功率；

如果转速控制芯片的无功功率模糊控制器fqc不能将转速恢复到正常水平，而δvsys≤δvmax–δα，其中，δvsys为系统转速的最大值vs,max和最小值vs,min之差，δvmax为标准转速上限vupp和下限vlow之差δvmax，则启动转速控制芯片的有载分接头模糊控制器foc，由转速控制芯片有载分接头oltc完成调压任务，否则启动有功功率消减模糊控制fpc，减少δvsys；δα为分接头的调整值。

在本发明实施例中，所述流量控制cpu惰性气体流量环控制参数自整定方法进一步包括以下步骤：

在确定最优流量控制cpu控制参数p值后，分别使d值取0，整定i值，i值取0，整定d值；

对得到的整定参数进行校验，若作用下的惰性气体流量闭环阶跃响应满足快速、稳态误差小特征，则认为参数整定结果满足惰性气体流量环控制整定要求，整定过程结束，否则重新进行整定；

转速控制芯片有载分接头模糊控制器foc以配电网系统的最大转速vs,max和最小转速vs,min为输入，实时调整δv使vs,max和vs,min在正常允许范围内，从而保证所有母线转速都在正常范围内，具体包括：

输入变量均划分为三个模糊子集：vs,max正常(n)、高(h)、很高(vh)，vs,min很低(vl)、低(l)、正常(n)，隶属度函数采用三角形函数和梯形函数，输出变量δv划分为5个模糊子集：nb(负大)、ns(负小)、ze(零)、ps(正小)、pb(正大)，每个子集均为单值模糊集，取值分别为-2，-1，0，1，2；

建立模糊控制规则；

模糊推理：采用mamdani推理方法，先由控制规则确定输入输出的模糊关系，然后采用模糊合成运算由实际的模糊输入推理得到模糊输出；

去模糊精确化处理：模糊推理得到控制变量的模糊值后，采取面积重心法去模糊求得控制变量的精确值；

归一化处理：为了使控制器foc输出在规定论域内，比例因子kc取δvmax/2，其中δvmax为预期的最大转速偏离值。

本发明实施例投入武钢使用后，平均扒渣时间减少3s，扒渣铁损降低0.5吨。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。