KR脱硫搅拌桨修补料结合剂的研究与应用

KR脱硫搅拌桨修补料以1~3mm、0~1mm焦宝石、200目高铝矾土、广西黏土为主要原料,通过结合剂的结合实现在线热态修补。本文研究了水玻璃、磷酸二氢铝、硫酸铝3种结合剂对修补料的强度和热震稳定性的影响。结果表明：用磷酸二氢铝作结合剂的试样强度和抗热震稳定性最好,水玻璃次之,硫酸铝最低;并确定了磷酸二氢铝质量分数55%~65%,P2O5/Al2O3摩尔比M为3~4及用量10%~12%的修补料使用效果最佳。

KR预处理工艺参数对脱硫剂分散行为的影响

为了优化KR脱硫效率,建立了气-液-液三相VOF模型,模拟研究了脱硫剂在铁水中的分散行为.数学模型经过水模型实验验证后,重点考察了搅拌桨转速、浸入深度和脱硫剂添加量对脱硫剂分散行为的影响.研究结果表明,在开始搅拌到形成拟稳态过程中,脱硫剂的卷入可以分为3个阶段:非分散阶段、过渡阶段和动态平衡阶段.研究也发现操作参数对脱硫剂分散行为有重要影响:随着搅拌桨转速的增加,脱硫剂在铁水中的分散程度明显加强,且能被带入铁水的更深处;随着搅拌桨浸入深度的增加,脱硫剂在铁水中的分散程度逐渐减弱;当脱硫剂持续添加而形成的脱硫剂层厚度增加时,更有利于脱硫剂在铁水中的分散和强化脱硫.研究结果可为KR预处理工艺参数优化提供参考.

KR法脱硫搅拌桨插入深度优化

为了进一步探索搅拌桨插入深度对脱硫效率的影响,降低铁水入炉硫含量。结合数值模拟与工业试验对不同KR搅拌桨插入深度下的铁水流场情况及对脱硫效率的影响进行了研究与试验。结果表明:当搅拌桨插入深度与铁水液面深度比值为0.287时,铁包内的上下环流循环区域基本一致;在宁波钢铁有限公司炼钢厂KR脱硫条件下,当搅拌桨插入深度为800mm时,铁水的脱硫效果最佳,脱硫后平均w(S)<20×10^(-6)。工业试验与数值模拟两结论基本吻合。

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%。

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。

KR搅拌脱硫工艺的动力学研究

通过对搅拌罐液面、搅拌罐内液体微元及搅拌头功率进行分析,研究了搅拌头转速、搅拌桨直径的合理范围和搅拌桨的转速与搅拌桨直径之间的关系。结果表明:由于搅拌罐液面上升高度的限制,搅拌头转速上限值为127r/min;搅拌罐直径应低于搅拌桨直径的3倍;功率一定时,搅拌桨直径的5次方与搅拌桨转速的3次方的乘积为定值。

桨叶形状对KR法脱硫混合行为影响的数值模拟

为了改善KR搅拌法脱硫剂浪费严重的问题,开发3种新型搅拌桨改善铁水和脱硫剂的混合效果。应用CFD技术,以速度场、湍动耗散率和混匀时间为特征,描述液面的卷入能力和内部混合能力。通过对比3种桨形与传统桨形(A桨)的铁水流动结构,分析结构参数和操作参数之间的影响规律。研究结果表明,方形桨(B桨)卷入脱硫剂的能力和改善混合效果强于其他3种桨形,随转速从60 r/min增加到80 r/min,柱状回转区体积减小60%,死区体积减小67%,混匀时间缩短52%;D桨的下倾角和径向斜边改善了搅拌桨下方死区混合效果,随转速从60 r/min增加到80 r/min,死区体积减小51%,混匀时间缩短48%;C桨的卷入能力和混合效果介于D桨和B桨之间;A桨效果最差。