KR法脱硫搅拌桨叶几何结构优化

KR(kanbara reactor)法是铁水预处理阶段稳定深度脱硫的首选工艺,广泛应用于现代炼钢工业,其通过浸入铁水中的桨叶搅拌带动铁水与脱硫剂混合,因而具有良好的动力学特性。然而,搅拌过程中桨叶附近存在强制涡流区,脱硫剂在参与反应前大量凝并导致利用率较低。因此,设计了2种简便易行的新型搅拌桨(错位式搅拌桨、高低式搅拌桨),旨在通过相邻桨叶的高度差强化桨叶附近的轴向流动,破坏强制涡流区流动特征,增强铁水微元间的相对流动,进而减少强制涡流区对KR法脱硫混匀效果的不利影响,提高铁水与脱硫剂的混合效果。采用VOF(volume of fluid)和DPM(discrete phase model)建立了KR法搅拌过程的三维瞬态数学模型,对比分析了传统四叶桨及2种新型结构搅拌桨的铁水流动、颗粒分散程度、死区范围及液面以下颗粒比例等的影响。数值模拟结果表明,新型桨叶相比传统桨叶供给铁水更多的轴向速度。错位式桨叶和高低式桨叶强化了脱硫剂分散程度,其量化颗粒分散程度Sigma值分别低于传统四叶桨约9.49%、14.18%,脱硫后脱硫剂平均粒径相比传统桨叶工况分别降低约14.91%、13.38%。使用高低式搅拌桨在300 t铁水包进行工业试验,结果表明,高低式桨叶相比同期传统四叶桨平均单硫单耗降低0.27 kg。

桨叶结构对KR脱硫搅拌效果影响的数值模拟

相较于喷吹法,KR机械搅拌法在铁水脱硫稳定性方面具有显著优势。KR铁水脱硫采用的搅拌桨结构不同,其脱硫效果也不尽相同。基于多重参考系法(MRF)模型,对使用不同搅拌桨的流场进行数值模拟,模拟结果与水模型实验结果较为吻合,最大误差为9.20%。模拟研究了传统四叶桨、螺旋三叶桨,双层四叶桨,双层三叶桨叶对铁水及脱硫剂的搅拌效果。结果表明:使用单层三叶螺旋桨的铁水涡旋高度落差最大。使用双层三叶螺旋桨时的底部区域脱硫剂体积分数为7.89%,与传统桨叶和单层三叶螺旋桨相比,分别增加了175.87%和61.22%。在200 t规模的铁水脱硫工业实验表明,与传统四叶桨相比,使用单层三叶桨在深脱硫后铁水中[S]无痕迹率提高10%。