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偏心搅拌混合特性水模试验研究欧阳德刚，李明晖，朱善合，罗巍，蒋扬虎，王海青（武钢研究院，湖北武汉430080）叶搅拌器与相同叶片结构的Wfr3Y搅拌器的偏心搅拌水模试验。试验结果表明，在合理的偏心距和搅拌器潜人深度条件下，偏心搅拌具有明显地改善搅拌混合性能的效果，与常规四叶搅拌器相比，WG-3Y搅拌器的搅拌混合性能更优，偏心距影响程度更大。
日本新日铁广制铁所1963年发明了铁水KR搅拌脱硫方法，采用一个外衬耐火材料的搅拌器沿铁水罐中心浸人铁水深处进行旋转搅拌，使加人到铁水表面的脱硫剂在搅拌漩涡的作用下卷人铁水，实现与铁水的混合与接触反应，达到脱硫的目的。我国自武钢第二炼钢厂（现炼钢总厂二分厂）20世纪70年代引进新日铁KR搅拌脱硫技术后，先后有昆钢、济钢、川威钢厂、上钢三厂、上钢五厂、华西钢厂、海鑫集团、马钢、泰安钢厂、柳钢、迁安、重钢、沙钢等钢铁企业应用此技术，同时，曹妃甸、防城港等代表中国“两型”钢铁企业发展方向的钢铁企业已启用或计划新上由国内自行设计制备的KR搅拌脱硫生产线，开拓了我国铁水脱硫技术发展的新格局。然而，其局域混合分散的特点影响了脱硫动力学条件的进一步改善。为此，自20世纪90年代初期以来，国内外学者先后从搅拌器叶片形状、旋转半径、旋转速度等方面进行了搅拌混合特性的改进研究，虽然在实际生产中取得了一定的应用效果，但引起的搅拌器寿命缩短、脱硫设备振动加剧、铁水液面上升等不足限制了其推广应用范围。基于上述不足和国内外理论成果，提出了一种偏心搅拌脱硫新工艺，并通过水模试验研究了其搅拌混合特性。
1偏心搅拌工艺的提出通过总结国内外KR搅拌混合特性的理论成果可知，KR法搅拌脱硫属于“局部卷人混合与径向剪切分散”的搅拌混合反应脱硫方法，其轴向流动混合效果弱，搅拌强度小，故搅拌器需以较高的旋转速度进行搅拌混合，从而加剧了搅拌器的磨损与自由液面的上升，导致搅拌器使用寿命缩短、铁水罐装载量降低；而且，为了达到较高的脱硫效率，所需处理时间较长，致使铁水温度降低，能量消耗高。为了避免这些缺点，应尽量设法防止圆周方向的旋转流动，克服流体质点绕轴作同心运动，使搅拌器能够输人足够的机械能，促进脱硫剂固体微粒在搅拌容器中的卷吸与分散混合，达到改善KR搅拌脱硫动力学条件与技术经济指标的目的。
根据国内外化工行业改善搅拌混合特性的研究结果，偏心搅拌、挡板插人、搅拌震动等搅拌漩涡流场干扰手段具有明显促进混合分散的作用，达到缩短混合反应时间、降低生产成本的目的。然而，对于铁水KR搅拌脱硫，由于反应温度高、固液密度差大、多相混合流场复杂、反应容器大、生产节奏快等特点，难以进行系统的在线监测，因而国内外学者目前主要采用水模试验的方法进行研究，并采取化工行业常用的偏心搅拌与挡板插人的手段，进行改善搅拌混合特性的水模试验研究；旦因KR搅拌脱硫的复杂性以及对设备性能影响的担忧，均未进行工业性试验与实际生产应用，甚至得出与化工行业研究结果相反的结的可行性，并提出以偏心搅拌为特征的铁水机械搅拌脱硫新方法。
通过搅拌器偏离铁水罐中心线插人的偏心搅拌，使搅拌漩涡中心偏离搅拌器旋转轴心，聚集在漩涡中心的脱硫剂固体颗粒在搅拌作用下，随铁水流偏离搅拌器轴心卷人叶片空间，并在搅拌叶片的旋转撞击作用下，团聚的脱硫剂颗粒被击碎分散，实现脱硫剂与铁水的充分混合与分散接触反应。此外，在搅拌过程中，由于铁水与脱硫剂的非对称循环流动，搅拌器叶片之间铁水与脱硫剂混合物流场与静压分布呈周期性变化，增强了卷人的铁水与脱硫剂混合物的外排动力，促进了脱硫剂与铁水的径向排出与分散，达到扩展脱硫剂与铁水的混合接触状态。由此可见，偏心搅拌将有效地改善铁水机械搅拌脱硫反应动力学条件，达到提高脱硫反应速度与脱硫剂的利用率以及改善脱硫技术经济指标的目的。
2水模试验通过对KR搅拌脱硫的现场调研，收集整理搅拌脱硫设备和生产操作工艺参数的相关资料。按照搅拌脱硫的实际生产工艺，设计制备了旋转速度可调、升降可控的水模搅拌试验装置；根据几何相似的原则，按照确定的模型比例，设计制备了试验搅拌罐、常规四叶搅拌器和同叶片形状的WG-3Y搅拌器模型；其中，试验搅拌罐采用有机玻璃制作，内径为45°mm；搅拌器模型采用金属材料制作，旋转直径均为184mm，模型结构如所示。
试验采用水模拟铁水，聚苯乙烯泡沫颗粒模拟脱硫剂，并按照动力相似的修正弗鲁德准数相等的原则，进行试验参数范围的确定。基于国内外对搅拌转速的影响规律已进行了较为系统的研究，并且研究结果基本相同，因此确定搅拌器旋转速度为132.8r/min，搅拌器插人深度为16°、200、245mm三种。试验过程中，采用数码相机对搅拌稳定后的泡沫颗粒卷吸分散状态进行拍照记录，以进人水中的泡沫颗粒离自由液面的高度为卷吸深度及以泡沫颗粒在水中的分散区域大小为混合分散效果进行脱硫动力学条件的优劣判断。
采用水模试验装置、试验搅拌罐与搅拌器模型，进行了不同插人深度与偏心距的水模试验。偏心距为搅拌轴中心线与搅拌罐中心线间的距离。以搅拌罐静止液面为0点读取泡沫颗粒卷吸深度，以相同试验条件下搅拌器同心搅拌的颗粒混合区域为基准，计算偏心搅拌的混合区域比。
3试验结果与分析8r/min、潜人深度为160mm，但不同偏心距（0、45和70mm）条件下的部分水模试验照片。随着W3Y搅拌器偏心距的增大，漩涡中心由搅拌罐中心向搅拌器偏心反方逐渐偏移，而泡沫颗粒卷人量、卷吸深度与混合区域则先增大后减小；偏心距为55mm时，搅拌混合效果*佳；泡沫颗粒卷吸混合分散区域先由搅拌罐中心朝搅拌器偏心反方向移动，再向搅拌器偏心方向移动，*后再朝搅拌器偏心反方向移动。
8r/min、偏心距为55mm，但不同潜人深度（160、200和245mm）条件下的部分水模试验照片。随着WG3Y搅拌器潜人深度的增加，漩涡中心偏离搅拌罐中心的距离增大；包沫颗粒卷人量与混合区域则先增大后减小，而卷吸深度先增大后减小；当潜人深度为200mm时，搅拌混合效果*佳；泡沫颗粒卷吸混合分散区域由偏向搅拌器偏心方向聚集朝搅拌器偏心反方向移动，在潜人深度为245mm时，可清晰观察到偏离搅拌轴心线的漩涡。
综合上述进行分析，200mm潜人深度时，试验变化规律与160mm潜人深度相同，但*佳偏心距为45mm；而245mm潜人深度时，泡沫颗粒卷吸混合分散区域一直朝搅拌器偏心反方向移动，在偏心距15mm时便可清晰观察到偏离搅拌轴心线的漩涡，*佳偏心距为30mm.是常规四叶搅拌器模型在转速为132. 8r/min、潜人深度为200mm，但不同偏心距（0、45和70mm）条件下的部分水模试验照片。随着常规四叶搅拌器偏心距的增大，试验变化规律与WG3Y搅拌器试验规律相似，但*佳混合状态的偏心距为45mm，并在偏心距为55、70mm时，可清晰观察到偏离搅拌轴心线的漩涡。
是常规四叶搅拌器模型在转速为132. 8r/min、偏心距为55mm，但不同潜人深度（160、200和245mm）条件下的部分水模试验照片。随着常规四叶搅拌器潜人深度的增大，漩涡中心与搅拌器轴心线的距离增大，漩涡中心偏离搅拌器轴心线方向与搅拌器轴心线偏离搅拌罐中心线方向相反；包沫颗粒卷人量与分布区域逐渐减小，而卷吸深度先增大后减小；包沫颗粒卷吸混合分散区域由偏向搅拌器偏心方向聚集，朝搅拌器偏心反方向移动，在潜人深度为200、245mm时，可清晰观察到偏离搅拌轴心线的漩涡。
综合上述进行分析，160mm潜人深度时，试验变化规律与200mm潜人深度相同，但*佳偏心距为55mm；而245mm潜人深度时，泡沫颗粒卷吸混合分散区域一直朝搅拌器偏心反方向移动，在偏心距15mm时便可清晰观察到偏离搅拌轴心线的漩祸，*佳偏心距为30mm.为偏心距对卷吸深度的影响关系。由图可见，随着偏心距的不断增大，W3Y搅拌器与常规四叶搅拌器的泡沫卷吸深度先增大后减小；同一潜人深度下*佳偏心距随搅拌器潜人深度的增大而减小；在潜人深度为200mm的试验条件下，出现本试验范围的*大卷吸深度。与同心搅拌相比，W3Y搅拌器的卷吸深度增加87. 5%，常规四叶搅拌器的卷吸深度增加40%.为偏心距对混合区域比的影响关系。由图可见，偏心距对泡沫混合区域比的影响规律与对卷吸深度的影响规律相同；在潜人深度为200mm的试验条件下，出现本试验范围的*大混合区域比，其中，W3Y搅拌器*大混合区域比为3，常规四叶搅拌器为2.2.本试验条件下，合理的偏心距和搅拌器潜人深度条件下，偏心搅拌具有明显改善搅拌混合性能的效果，同时，W3Y搅拌器的搅拌混合性能优于常规四叶搅拌器，偏心搅拌影响程度也大于常规四叶搅拌器。基于偏心搅拌优良的混合特性，有必要开展铁水偏心搅拌脱硫的工业性试验研究，探索偏心搅拌的铁水机械搅拌脱硫动力学条件改善方法，进一步完善铁水偏心搅拌脱硫工艺技术。
4结语通过对W3Y搅拌器与常规四叶搅拌器的偏心搅拌水模试验结果的分析，得出如下结论：偏心距对搅拌混合特性影响显著，随着偏心距的增大，WG3Y搅拌器和常规四叶搅拌器的泡沫颗粒卷人量、卷吸深度与混合区域比先增大后减小，混合区域分布状态不断变化；在潜人深度为245mm和偏心距大于45mm时，偏心搅拌混合性能比同心搅拌差。
随着搅拌器潜人深度的增大，WG3Y搅拌器与常规四叶搅拌器的泡沫卷吸深度、混合区域比先增大后减小，160、200、245mm潜人深度的*佳偏心距分别为55、45、30mm.在潜人深度为200mm和偏心距为45mm时，搅拌混合性能*佳；与同心搅拌相比，WG3Y搅拌器的卷吸深度增加87. 5%，*大混合区域比为3，常规四叶搅拌器的卷吸深度增加40 %，*大混合区域比为2.2.合理的偏心距和搅拌器潜人深度条件下，偏心搅拌具有明显改善搅拌混合性能的效果；与常规四叶搅拌器相比，WG3Y搅拌器的搅拌混合性能更优，偏心距影响程度更大。
在上述水模试验的基础上，有必要开展铁水偏心搅拌脱硫的工业性试验研究，探索偏心搅拌的铁水机械搅拌脱硫动力学条件改善方法，进一步完善铁水偏心搅拌脱硫工艺技术。
（下转第12页）2011年1一10月碳素结构钢和低碳铝镇静钢（约2400炉）生产指标进行统计，并和工艺优化前的效果进行比较，结果见表4.表4钙处理工艺技术应用的重点经济技术指标统计项目实施时间连浇炉数/（炉包一“夹杂改判率/%水口结瘤断浇次数/（次月-1）工艺优化前工艺优化后4结语试验结果表明，为减少或防止水口结瘤，一方面应减少钢中高熔点夹杂物的生成，另一方面通过钙处理对夹杂物形态进行控制；合适的钙处理工艺能够使钢中八丨23和硫化物夹杂转变为液态铝酸钙或Ca-Al23-CaS系夹杂，实现对钢中夹杂物形态的控制。
热力学计算结果表明，LF精炼温度下，为使钢中Al3转变为液态铝酸钙所需的至少为0.0011%；随着温度降低，与之生成液态铝酸钙的平衡硫也随之降低；当0.035%，生成产物为3CaOAl23时，为避免CaS析出，需将to控制在32X10-6以内。
通过造渣工艺、脱氧工艺以及钙处理工艺的优化，武钢CSP连铸因塞棒上涨和水口结瘤造成的断浇由优化前的3. 6次/月降低到1.5次/月；连浇炉数提高到13.2炉。
黄希祜。钢铁冶金原理。北京：冶金工业出版社，韩志军，林平，刘浏，等。20CrMnTIl齿轮钢钙处理特克道根。高温工艺物理化学。北京：冶金工业出版余健，王福明，李晶，等。管线钢中典型夹杂物的热力学分析。北京科技大学学报，2009，31（增刊1）96-99.孙彦辉，孙松，许中波，等，高铝钢钙处理工艺。北京科技大学学报，2011（增刊1）121-125.（上接第7页）李凤喜，俞承欢。对KR法与喷吹法两种铁水脱硫工艺的探讨。炼钢，2000，黑川伸洋。铁水脱硫技术的改进。张万益，译。武钢技欧阳德刚，刘守堂，李具中。KR脱硫搅拌器长寿命综合技术的研究与应用。炼钢，2009，25（6）：5-8.王雪冬，李凤喜，陈清泉，等。KR脱硫技术的应用与进步欧阳德刚，朱善合，李明晖，等。KR搅拌脱硫传输动力学水模实验研究及进展。钢铁研究，2011，39（5）：49-53.叶裕中。模型研究KR法的搅拌混合特性。钢铁研究学叶裕中。“全混式-卷入一轴向循环型”搅拌混合反应器的模型研究。钢铁研究学报，1993，5（3）：21-27.欧阳德刚，邹继新，蒋扬虎。改善KR搅拌脱硫混合特性的理论分析与实践。武钢技术，2011，49（5）：14-18.欧阳德刚，刘振清，邹继新，等。铁水机械搅拌脱硫方法：
