[发明专利]铁水KR搅拌脱硫装置与搅拌工艺协同优化设计方法

说明书

本发明公开了一种铁水KR搅拌脱硫装置与搅拌工艺协同优化方法，根据转炉炼钢容量，确定铁水罐铁水额定装载量W、铁水罐平均直径D、铁水深度H和铁水罐自由空间高度h‑五个设计参数协同优化计算范围设定‑搅拌漩涡深度ΔH₁和漩涡液面涌起高度ΔH₂动力学条件过程参数的计算‑旋涡面与搅拌器叶片上表面相交圆半径r_b动力学条件过程参数的计算‑搅拌混合特性优化准则建立‑搅拌装置结构参数与工艺参数协同计算‑搅拌装置结构参数与工艺参数协同优化。到达强化脱硫剂搅拌混合分散特性、改善铁水搅拌脱硫反应动力学条件、稳定铁水脱硫效果、缩短脱硫搅拌时间、提高铁水KR搅拌脱硫技术经济指标等综合目标。

技术领域

本发明涉及铁水预处理技术领域，具体涉及一种铁水KR搅拌脱硫装置的优化设计方法。

背景技术

铁水KR机械搅拌脱硫方法的工艺过程是：将一个外衬耐火材料的单层叶片搅拌器，沿铁水罐中心垂直浸没铁水中进行旋转搅动，使铁水液面产生旋涡，经过称量的脱硫剂由给料器加入到铁水表面，漂浮在铁水液面上的脱硫剂被旋涡下拉卷入铁水，并在离心力与浮升力的作用下排出和上浮，实现脱硫剂在铁水中的卷吸、排出与上浮循环运动，通过脱硫剂与高温铁水的持续循环混合接触、表面反应，稳定达到铁水脱硫目标要求的目的。由于其优良的反应动力学条件和稳定可靠的深脱硫特点，得到国内外钢铁企业的广泛青睐，成为低硫与超低硫钢生产过程中铁水深脱硫的首选工艺。

根据铁水KR脱硫工艺介绍可见，铁水KR搅拌脱硫反应过程是在敞口铁水罐和沿罐口中心垂直插入的搅拌器共同组成的高温冶金反应器内完成的铁水与脱硫剂颗粒间搅拌混合冶金反应过程，通过搅拌电机驱动插入铁水罐中的搅拌器旋转搅拌，实现脱硫剂颗粒在铁水中的卷吸循环及其持续的接触反应，完成铁水稳定脱硫的任务。由此可见，对于铁水KR搅拌脱硫系统，搅拌的主要目的在于将漂浮在液面上的脱硫剂充分卷入并均匀分散到铁水中，实现脱硫剂颗粒与铁水的高效混合接触，缩短脱硫反应传质距离，显著提高脱硫反应动力学条件与反应速度，因而，如何以最低的搅拌动力消耗达到最佳的脱硫剂搅拌混合分散效果是铁水KR搅拌脱硫装置优化设计的主要目标。

由于铁水KR搅拌脱硫反应器内高温、多相、大湍流条件下的冶金反应行为十分复杂，严谨量化的冶金反应动力学理论研究还不够完善，因而目前国内外铁水KR搅拌脱硫装置的设计主要采用半经验方法进行相关设计计算。如：文献“黄云、张凌义、张国栋等，霍邱铁矿深加工项目炼钢连铸系统KR铁水脱硫工程设计，工程与技术，2014，No1，pp.12-16”报道了某KR铁水脱硫工程的设计计算过程，具体为：根据铁水罐额定装载量、结构尺寸以及铁水KR搅拌装置设计经验，确定相关工艺、铁水物性参数以及搅拌器结构形式与结构尺寸；根据搅拌电机选型经验，初步确定搅拌电机功率P₀；根据搅拌功率计算公式，计算获得理论搅拌功率P，再对理论搅拌功率P进行经验修正获得设计功率P_A；根据P₀与P_A的匹配程度与市场电机型号，最终确定搅拌电机型号，完成搅拌电机的设计选型。相关计算公式如下：

理论搅拌功率计算公式：P＝N_p·ρ·N³·d⁵

设计功率计算公式：P_A＝P·K

式中：P为搅拌功率(W)，N_p为功率准数(量纲为1)，ρ为铁水密度(kg/m³)，N为搅拌转速(转/s)，d为搅拌器旋转直径(m)，P_A为设计功率,K为经验修正系数，是考虑搅拌温度、物料加入状况、化学反应情况、机械传动效率等的影响。

对于功率准数N_p，文献“陈志平、章序文、林兴华等编著，搅拌与混合设备设计选用手册，化学工业出版社，2004年”报道了两种确定方法，一是通过前人总结的大量不同结构形式的搅拌装置搅拌混合实验获得的Np与Re间的关系图查图获得；二是计算获得，对于二叶平浆和二叶斜浆，也可以按照永田进治提出的搅拌功率准数经验计算式进行计算，具体计算公式为：