李德強(qiáng)

（海軍駐鞍山地區(qū)軍事代表室，遼寧 鞍山114009）

鐵水預(yù)處理早已成為現(xiàn)代鋼鐵傳統(tǒng)工藝流程確保產(chǎn)品質(zhì)量、提高附加值的重要手段[1-3]。目前，國(guó)外流行以日本“脫硅、脫磷、脫硫”為代表的“三脫”技術(shù)，而國(guó)內(nèi)的鐵水預(yù)處理基本都采取“一脫”方式，即鐵水預(yù)脫硫。工業(yè)規(guī)模使用的鐵水脫硫只有噴吹法和KR法兩種[4-5]，學(xué)術(shù)界至今仍在爭(zhēng)論二者的優(yōu)劣[6-7]。其中，關(guān)于KR法的研究已逐漸成為熱門(mén)方向。有通過(guò)冷態(tài)實(shí)驗(yàn)研究攪拌槳結(jié)構(gòu)與脫硫率的關(guān)系[8]，并提出影響攪拌槳壽命的因素及措施；也有利用仿真軟件研究流場(chǎng)特性和攪拌槳轉(zhuǎn)速對(duì)脫硫劑運(yùn)動(dòng)軌跡的影響[9]；還有利用PIV和激光發(fā)生器對(duì)固液兩相特性進(jìn)行研究[10]。從相關(guān)文獻(xiàn)來(lái)看，多集中在脫硫機(jī)理及工藝研發(fā)方面，少有觸及KR攪拌槳形式的詳細(xì)研究?？梢钥隙ǖ氖?，鐵水脫硫過(guò)程的動(dòng)力源由攪拌槳提供，而攪拌槳提供動(dòng)力的形式及效率，尤其在使用臨界壽命時(shí)顯得尤為重要。而目前攪拌槳外形結(jié)構(gòu)的變化對(duì)流場(chǎng)的影響研究較少?；诖?，本文通過(guò)水模實(shí)驗(yàn)來(lái)探討不同KR攪拌槳的工作效率。

1 實(shí)驗(yàn)方法

按煉鋼廠鐵水罐和KR攪拌槳規(guī)格尺寸，建立模型：實(shí)際裝備=1：5比例的水力模型實(shí)驗(yàn)裝置，對(duì)KR攪拌槳及生產(chǎn)技術(shù)參數(shù)進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的比較和分析來(lái)確定最優(yōu)KR攪拌槳。模型由3D打印，如圖1所示。實(shí)驗(yàn)采取如下方法進(jìn)行。

圖1 攪拌槳結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure Diagram for Agitator

（1）刺激響應(yīng)方法：攪拌槳在鐵水罐中以固定的轉(zhuǎn)速進(jìn)行連續(xù)攪拌，從液面旋渦中心加入飽和KCl溶液作為示蹤劑，同時(shí)在鐵水罐液面、攪拌槳槳葉底端處設(shè)置A、B兩個(gè)測(cè)點(diǎn)探頭，如圖2所示，通過(guò)電導(dǎo)儀、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)測(cè)定示蹤劑濃度隨時(shí)間的變化曲線，計(jì)算出響應(yīng)時(shí)間和混勻時(shí)間。

（2）加入高錳酸鉀溶液顯示鐵水罐內(nèi)的流場(chǎng)，并拍攝鐵水罐內(nèi)的流動(dòng)過(guò)程。

（3）鐵水罐內(nèi)加入聚苯乙烯粒子模擬實(shí)際生產(chǎn)中的脫硫劑，并拍攝鐵水罐內(nèi)的流動(dòng)過(guò)程。

圖2 KR混勻時(shí)間測(cè)點(diǎn)布置方案Fig.2 Layout of Measuring Points for Homogenizing Time by KR

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 混勻時(shí)間測(cè)試

以垂直式和螺旋式三葉攪拌槳為例，轉(zhuǎn)速為110 r/min時(shí)測(cè)得的探頭在鐵水罐液面（測(cè)點(diǎn)A）和槳葉底端（測(cè)點(diǎn)B）的響應(yīng)曲線見(jiàn)圖3所示。表1為混勻時(shí)間測(cè)試結(jié)果。

圖3 探頭在鐵水罐液面和槳葉底端的響應(yīng)曲線Fig.3 Response Curves of Probe at Level of Hot Metal Ladle and at Bottom of Blades

表1 混勻時(shí)間測(cè)試結(jié)果Table 1 Testing Results for Homogenizing Time

由表1可看出，響應(yīng)時(shí)間基本相同，在液面處（A點(diǎn)）平衡時(shí)間相差不大，而在槳葉底部（B點(diǎn)）螺旋式比垂直式攪拌槳要少于4 s（換算成生產(chǎn)實(shí)際接近 9 s）。

2.2 染色流場(chǎng)

為直觀顯示鐵水罐內(nèi)攪拌槳轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的流場(chǎng)流動(dòng)情況，從液面旋渦中心加入飽和KMnO4溶液作為染色示蹤劑，截取幾個(gè)時(shí)間點(diǎn)的實(shí)驗(yàn)畫(huà)面，觀察110 r/min轉(zhuǎn)速下流場(chǎng)的流動(dòng)特征。圖4為攪拌槳轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的流場(chǎng)情況。由圖4可看出，螺旋式與垂直式相比較，前者KMnO4溶液更易于集中在鐵水罐中部，說(shuō)明螺旋式對(duì)鐵水的向心力略強(qiáng)。

圖4 攪拌槳轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的流場(chǎng)情況Fig.4 Flow Field Conditions in Stirring by Agitator

2.3 粒子流場(chǎng)

為模擬脫硫劑在鐵水中的狀態(tài)，在液面渦心處加入定量聚苯乙烯粒子，通過(guò)分析粒子流動(dòng)流場(chǎng)和渦深的變化來(lái)研究脫硫劑在鐵水中的脫硫行為。粒子流動(dòng)流場(chǎng)對(duì)比如圖5所示。從圖5可以看出，在兩種攪拌槳的槳葉下端均有明顯旋渦甩尾現(xiàn)象，槳葉上端均形成巨大的漩渦，目測(cè)螺旋方式更易于形成漩渦，即液面向下的抽力更強(qiáng)。

圖5 粒子流場(chǎng)對(duì)比Fig.5 Comparison of Particle Flow Field

圖6為轉(zhuǎn)速110 r/min時(shí)渦深對(duì)比。由圖6可以看出，在轉(zhuǎn)速為110 r/min時(shí)，螺旋式攪拌槳產(chǎn)生的漩渦略深一些，由漩渦產(chǎn)生的向下壓迫液體的分力對(duì)槳葉下方的流動(dòng)起到促進(jìn)作用，流場(chǎng)的動(dòng)力學(xué)條件得到改善。

圖6 渦深對(duì)比Fig.6 Comparison of Eddy Current Depth

3 結(jié)論

（1）螺旋式與垂直式槳葉相比較，兩者液面處響應(yīng)時(shí)間及平衡時(shí)間相差較小，而在槳葉底部，螺旋式的平衡時(shí)間比垂直槳少4 s。

（2）從染色示蹤實(shí)驗(yàn)觀察到，螺旋式攪拌槳對(duì)鐵水的向心力比垂直式的略強(qiáng)。

（3）粒子示蹤實(shí)驗(yàn)觀察到，螺旋式攪拌槳比垂直式攪拌有力，在110 r/min轉(zhuǎn)速下，螺旋式攪拌比垂直式產(chǎn)生的渦深略大，流場(chǎng)的動(dòng)力學(xué)條件得到改善。