不同KR搅拌方式的动力学条件研究

　　摘要：通过水模实验模拟研究了铁水脱硫过程中常规垂直式叶片搅拌桨方式和螺旋式叶片搅拌桨方式的动力学差别，实验结果得出：不同搅拌方式的液面响应时间相差较小，螺旋式搅拌桨平衡时间比垂直桨少4s;螺旋式搅拌桨形成的铁水向心力略强;在110r/min转速下，螺旋式搅拌比垂直式搅拌产生的涡深略大，流场的动力学条件得到改善。

　　关键词：铁水脱硫;KR法;垂直式;螺旋式;动力学条件

　　铁水预处理早已成为现代钢铁传统工艺流程确保产品质量、提高附加值的重要手段[1-3]。目前，国外流行以日本“脱硅、脱磷、脱硫”为代表的“三脱”技术，而国内的铁水预处理基本都采取“一脱”方式，即铁水预脱硫。工业规模使用的铁水脱硫只有喷吹法和KR法两种[4-5]，学术界至今仍在争论二者的优劣[6-7]。其中，关于KR法的研究已逐渐成为热门方向。有通过冷态实验研究搅拌桨结构与脱硫率的关系[8]，并提出影响搅拌桨寿命的因素及措施;也有利用仿真软件研究流场特性和搅拌桨转速对脱硫剂运动轨迹的影响[9];还有利用PIV和激光发生器对固液两相特性进行研究[10]。

　　从相关文献来看，多集中在脱硫机理及工艺研发方面，少有触及KR搅拌桨形式的详细研究。可以肯定的是，铁水脱硫过程的动力源由搅拌桨提供，而搅拌桨提供动力的形式及效率，尤其在使用临界寿命时显得尤为重要。而目前搅拌桨外形结构的变化对流场的影响研究较少。基于此，本文通过水模实验来探讨不同KR搅拌桨的工作效率。

　　1实验方法

　　按炼钢厂铁水罐和KR搅拌桨规格尺寸，建立模型：实际装备=1:5比例的水力模型实验装置，对KR搅拌桨及生产技术参数进行对比实验，根据实验结果的比较和分析来确定最优KR搅拌桨。模型由3D打印。实验采取如下方法进行。(1)刺激响应方法：搅拌桨在铁水罐中以固定的转速进行连续搅拌，从液面旋涡中心加入饱和KCl溶液作为示踪剂，同时在铁水罐液面、搅拌桨桨叶底端处设置A、B两个测点探头，通过电导仪、数据采集系统测定示踪剂浓度随时间的变化曲线，计算出响应时间和混匀时间。(2)加入高锰酸钾溶液显示铁水罐内的流场，并拍摄铁水罐内的流动过程。(3)铁水罐内加入聚苯乙烯粒子模拟实际生产中的脱硫剂，并拍摄铁水罐内的流动过程。

　　2实验结果及分析

　　2.1混匀时间测试

　　以垂直式和螺旋式三叶搅拌桨为例，转速为110r/min时测得的探头在铁水罐液面(测点A)和桨叶底端(测点B)的响应曲线，响应时间基本相同，在液面处(A点)平衡时间相差不大，而在桨叶底部(B点)螺旋式比垂直式搅拌桨要少于4s(换算成生产实际接近9s)。

　　2.2染色流场

　　为直观显示铁水罐内搅拌桨转动时的流场流动情况，从液面旋涡中心加入饱和KMnO4溶液作为染色示踪剂，截取几个时间点的实验画面，观察110r/min转速下流场的流动特征。螺旋式与垂直式相比较，前者KMnO4溶液更易于集中在铁水罐中部，说明螺旋式对铁水的向心力略强。

　　2.3粒子流场

　　为模拟脱硫剂在铁水中的状态，在液面涡心处加入定量聚苯乙烯粒子，通过分析粒子流动流场和涡深的变化来研究脱硫剂在铁水中的脱硫行为。在两种搅拌桨的桨叶下端均有明显旋涡甩尾现象，桨叶上端均形成巨大的漩涡，目测螺旋方式更易于形成漩涡，即液面向下的抽力更强。在转速为110r/min时，螺旋式搅拌桨产生的漩涡略深一些，由漩涡产生的向下压迫液体的分力对桨叶下方的流动起到促进作用，流场的动力学条件得到改善。

　　3结论

　　(1)螺旋式与垂直式桨叶相比较，两者液面处响应时间及平衡时间相差较小，而在桨叶底部，螺旋式的平衡时间比垂直桨少4s。(2)从染色示踪实验观察到，螺旋式搅拌桨对铁水的向心力比垂直式的略强。(3)粒子示踪实验观察到，螺旋式搅拌桨比垂直式搅拌有力，在110r/min转速下，螺旋式搅拌比垂直式产生的涡深略大，流场的动力学条件得到改善。

　　参考文献

　　[1]徐延浩，徐向阳，高学中，等.复合旋转喷吹铁水脱硫预处理工艺研究与应用[J].鞍钢技术，2017(6)：13-16.

　　[2]李伟东，舒耀，杨辉.铁水脱硫喷溅原因分析及解决措施[J].鞍钢技术，2014(4)：44-46.

　　[3]李伟东，舒耀，杨辉.含钛铁水脱硫及转炉冶炼实践[J].鞍钢技术，2013(5)：44-47.

　　[4]张志文，刘宇，张越，等.鞍钢260t铁水脱硫扒渣生产实践[J].鞍钢技术，2012(1)：35-38.

　　[5]李凤喜，李具中，萧忠敏，等.武钢二炼钢KR铁水脱硫生产实践[J].炼钢,2005，21(5)：1-4.

　　[6]万雪峰.铁水脱硫技术的发展及现状[J].鞍钢技术，2018(5)：8-15.[7]曹东，万雪峰，赵亮，等.鞍钢旋转喷吹脱硫工艺技术研究[J].鞍钢技术，2018(5)：16-20.

　　鞍钢技术论文投稿刊物：《鞍钢技术》(双月刊)创刊于1956年，是由鞍山钢铁集团公司主管，鞍钢集团技术中心主办的全国公开发行的冶金技术刊物。