宋吉鎖，何海龍，劉鵬飛，孫群，李偉東，喬冠男

（鞍鋼股份有限公司煉鋼總廠，遼寧 鞍山 114021）

隨著用戶對鋼材質(zhì)量要求的日益提高，特別是電工鋼和高級別管線用鋼均要求成品硫含量小于0.003 0%，因此，各鋼廠對鐵水預處理越來越重視。KR攪拌槳是攪拌脫硫動力學條件改善的關(guān)鍵，攪拌槳的轉(zhuǎn)速、浸入深度、攪拌形式對脫硫效率均會造成極大的影響。尤其是攪拌槳浸入深度，對鐵水罐內(nèi)的流場起到?jīng)Q定性作用，浸入深度過深或過淺，脫硫效果都不好,浸入過深鐵水形不成漩渦，不能和脫硫劑充分混勻；過淺則鐵水容易噴出鐵水罐造成灑鐵事故。文獻［1］認為攪拌槳最佳浸入深度為 1．25～1．45 m，文獻［2］則認為最佳的浸入深度為1.1～1.3 m。鞍鋼2015年1月投產(chǎn)了兩套KR脫硫系統(tǒng)，通過鐵水罐浸入深度試驗得出最佳浸入深度，并通過測液面的方式，編制出一套KR脫硫系統(tǒng)攪拌槳最佳浸入深度的計算模型，應(yīng)用后鐵水預處理脫硫效率得到提高。

1 國內(nèi)外KR攪拌槳浸入深度的研究情況

KR攪拌槳的最佳浸入深度與攪拌槳的尺寸、鐵水熔池的深度、鐵水罐的形狀均相關(guān)，所以國內(nèi)外鋼廠均按照物理學的相似原理，基于本廠的設(shè)備條件，以一定的比例通過物理模擬研究攪拌槳的最佳浸入深度。表1為鐵水罐及攪拌槳尺寸參數(shù)的研究情況。

武鋼研究院基于武鋼二煉鋼100 t鐵水罐，采用聚乙烯泡沫模擬脫硫劑，研究了攪拌器轉(zhuǎn)速、攪拌器浸入深度、攪拌器槳葉結(jié)構(gòu)以及攪拌器與攪拌罐直徑比對聚乙烯泡沫卷吸深度的影響規(guī)律［3］。研究結(jié)果表明，提高攪拌器轉(zhuǎn)速可以增強泡沫粒子的卷吸深度，增大攪拌器直徑有利于提高液面的卷吸能力，液面明顯上升。研究還表明，在不同的實驗條件下，攪拌器存在一個最佳的浸入深度。田廣亞、徐強等［4］對寶鋼浦鋼公司的KR鐵水預處理脫硫過程進行水模研究，實驗容器和現(xiàn)場鐵水罐采用1∶5的比例，實驗采用測定熔池模擬鐵水包中（水溶液）電導率的方法來測量最短混勻時間，考察攪拌槳的轉(zhuǎn)速、浸入深度、攪拌槳位置對混勻時間的影響。結(jié)果表明，混勻時間隨著攪拌槳浸入水中深度的增加而減小，但是當浸入深度達到270 mm（即現(xiàn)場浸入深度1.2 m）以后，繼續(xù)增加深度，混勻時間基本不再變化。Ryutaro SHIBA等研究認為［5］，在攪拌器轉(zhuǎn)速不變的前提下，隨著攪拌器插入深度的減小，罐內(nèi)脫硫劑分散度提高，固液傳質(zhì)系數(shù)增加。

表1 鐵水罐及攪拌槳尺寸參數(shù)

鞍鋼200 t鐵水罐型和攪拌槳尺寸與其它鋼廠不同，在前期攪拌器葉片尺寸、葉數(shù)、攪拌槳轉(zhuǎn)速已經(jīng)優(yōu)化完成的情況下，進一步優(yōu)化了攪拌槳的浸入深度。

2 基于200 t鐵水罐浸入深度的試驗

2.1 試驗原理簡介

浸入深度（攪拌槳下沿距鐵水液面的高度）影響脫硫劑的混勻效果，影響脫后成分的均勻性，研究浸入深度必須研究KR脫硫的鐵水流場。鐵水環(huán)流示意圖見圖1。

圖1 鐵水環(huán)流示意圖

由圖1看出，KR機械攪拌脫硫是將十字形的攪拌槳浸入鐵水液面一定深度，高速旋轉(zhuǎn)帶動鐵水也隨著高速旋轉(zhuǎn)，隨著攪拌槳的轉(zhuǎn)動，攪拌槳周圍流體沿著槳徑向鐵水罐側(cè)壁流動，流體碰到側(cè)壁后分成兩部分，分別向上和向下繼續(xù)運動。攪拌槳附近由于流體的排出壓力降低，向上運動的流體由于壓差和重力的作用，形成返回攪拌槳上方的環(huán)流。而向下運動的流體在壓差作用下也返回攪拌槳處，形成攪拌槳下方的環(huán)流。返回的流體由于攪拌槳轉(zhuǎn)動的作用形成循環(huán)，流體流動沿攪拌槳對稱分布。

圖2為流體速度云圖。攪拌槳兩側(cè)灰色部分是鐵水流動的高速區(qū)，攪拌槳槳葉上部區(qū)域和攪拌槳下部黑色區(qū)域是鐵水流動的低速區(qū)域，同時在攪拌槳邊緣靠近鐵水罐邊緣部分形成湍流，是脫硫劑混勻的最佳區(qū)域。只有保證鐵水高速區(qū)域灰色部分面積最大，攪拌槳下部鐵水流動速度最小的黑色區(qū)域（通常認為是死區(qū)）面積最小，脫硫劑才能達到最佳的混勻效果。在脫硫劑穩(wěn)定的條件下，工業(yè)試驗以脫硫效率最高、脫硫粉劑消耗最低、攪拌槳底部結(jié)瘤最小時為最佳浸入深度。

圖2 流體速度云圖

2.2 試驗結(jié)果及分析

試驗了1.4、1.5、1.6 m三個浸入深度。每個攪拌槳從上線開始直至報廢下線，統(tǒng)計脫硫效率和脫硫劑消耗。浸入深度試驗結(jié)果見表2。

表2 浸入深度試驗結(jié)果

由表2看出，浸入深度為1.5 m時，脫硫效率最高，為94.2%，脫硫劑消耗最低，為6.4 kg/t。三個浸入深度的攪拌槳結(jié)瘤情況見圖3。由圖3看出，浸入深度為1.4 m時攪拌槳結(jié)瘤最嚴重，1.6 m時次之，1.5 m時攪拌槳基本上不結(jié)瘤。

圖3 攪拌槳結(jié)瘤情況

本次試驗得出結(jié)論，浸入深度1.5 m時脫硫動力學條件最好，脫硫劑混勻效果也最好，沒有發(fā)生脫硫劑在攪拌槳軸部和底部結(jié)瘤現(xiàn)象。因此認為，鞍鋼200 t鐵水罐KR脫硫的最佳浸入深度是1.5 m。

3 浸入深度模型的開發(fā)

3.1 熔池深度的精確測定

鞍鋼200 t鐵水罐出鐵量為190～205 t，出鐵量不同，鐵水罐耐材的侵蝕程度不同，熔池深度也不同，原設(shè)計模型的熔池深度是通過鐵水量的變化理論計算得出，沒有考慮鐵水罐耐材侵蝕造成的鐵水罐容變大，必須準確測量鐵水熔池深度才能準確計算出下槳深度。圖4為熔池深度示意圖。

圖4熔池深度示意圖

圖4中，L1是待機位時，攪拌槳下沿距鐵水罐上沿的距離，L1=2 750 mm；h1是鐵水凈空；h2是鐵水熔池深度；H0是鐵水罐內(nèi)徑高度，H0=4 904 mm。攪拌槳的下沿距離鐵水罐底的距離是L1+H0=7 654 mm。熔池深度h2=7 654-L1-h1。h1隨著鐵水量的變化和鐵水罐耐材的侵蝕程度變化。目前沒有精密設(shè)備可以準確測量出鐵水罐的凈空，可以通過攪拌槳的行程測出h1，攪拌槳的待機位時零點即0 mm。攪拌槳向下運行到攪拌槳下沿接觸到鐵水液面記錄此數(shù)碼，此時的數(shù)碼減去2 750就是h1，用7 654減去此時的數(shù)碼就是h2。

3.2 下槳深度的確定

工業(yè)試驗確定了200 t鐵水罐KR脫硫的最佳浸入深度是1.5 m，精確測定鐵水熔池深度后，可以精確計算出KR脫硫的下槳深度。KR脫硫的下槳深度應(yīng)該是L1+h1+900+600（900是攪拌槳葉片高度，600是攪拌槳在工作位時攪拌槳上沿距離鐵水液面的距離）。

3.3 浸入深度模型的編制

為了方便操作，把3.2中的900+600=1 500定義為KL，L1是固定值，h1是變化值，不能直接測出h1，可以測出L1+h1的和，把確定L1+h1和的過程定義為測液面過程，把L1+h1的和定義為液面高度。下槳深度=液面高度+KL。每一罐脫硫鐵水只要測出液面高度就可以準確得出下槳深度。具體測液面的方法如下：

（1）將攪拌槳沿一個槳葉楞的位置從下向上魚鱗狀的涂上耐火泥。

（2）將攪拌槳浸入鐵水里 （接近1/3的位置)記錄此時的數(shù)碼。圖5為攪拌槳浸入鐵水時操作頁面截圖。

圖5 攪拌槳浸入鐵水時操作頁面截圖

（3）攪拌槳抬起，測量攪拌槳浸入鐵水的深度，攪拌槳從待機位到攪拌槳下沿接觸鐵水的實際數(shù)碼等于攪拌槳浸入鐵水里時的數(shù)碼減去攪拌槳浸入深度。這個數(shù)碼稱為本罐鐵水的液面高度。然后在計算機一級程序上做出攪拌槳下槳深度計算圖，見圖6。把對應(yīng)罐號的鐵水量輸入就可以得出下槳深度，再根據(jù)脫硫的操作畫面，則整個攪拌槳的浸入深度模型編制完成。

圖6 攪拌槳下槳深度計算圖

4 模型的應(yīng)用效果

2018年1月應(yīng)用了該模型，應(yīng)用新模型既解決攪拌槳結(jié)瘤問題,又從根本上杜絕了浸入深度過淺造成鐵水噴濺導致的鐵水損失。1～6月份脫硫劑的消耗情況及扒渣鐵損情況見圖7。從圖7中可以看出，脫硫劑消耗持續(xù)降低，從1月份的噸鐵最高消耗8.286 kg降到6月份的6.340 kg,降幅達到23%。扒渣鐵損降低了0.16 t/罐，降低幅度接近10%。此期間工況相同，分析扒渣鐵損降低的原因認為，一部分是粉劑消耗降低，按脫硫渣含鐵量10%計算，粉劑消耗降低23%，由此帶來扒損降低應(yīng)該是23%×10%=2.3%，所以，減輕鐵水噴濺降低了7.7%的扒渣鐵損。

圖7 應(yīng)用模型后脫硫劑消耗情況

5 結(jié)論

（1）工業(yè)試驗得出,鞍鋼200 t鐵水罐KR脫硫系統(tǒng)攪拌槳插入深度為1.5 m時，脫硫效率最高，達到94.2%，脫硫粉劑消耗最低為6.4 kg/t。

（2）通過測液面和設(shè)定KL值準確地計算出每罐鐵水的下槳深度，并且直接應(yīng)用在一級操作畫面上，編制出了KR脫硫插入深度模型。應(yīng)用新模型后，噸鋼粉劑消耗降低了23%，既解決了攪拌槳結(jié)瘤問題，又降低了由于鐵水噴濺問題造成的鐵水損失。