摘要:针对武钢二炼钢厂的实际生产工艺,对KR脱硫搅拌过程进行水模试验,探讨搅拌速度、搅拌器插入深度对脱硫剂卷入量、卷入深度的影响规律,提出最佳的搅拌速度与搅拌器插入深度控制范围。通过采用最佳搅拌速度和搅拌器插入深度,低硅铁水一次脱硫合格率≥99.50%,超低硫铁水处理后硫痕迹达到95%以上,重脱无痕迹率达87%以上。
关键词: KR搅拌脱硫 搅拌器 转速 插入深度 水模试验
武钢二炼钢厂最早于20世纪70年代后期从日本新日铁公司引进铁水罐KR机械搅拌式脱硫技术,经过技术改造和不断的工艺技术进步,铁水脱硫的生产技术水平较原设计值有了大幅度提高。投产近30年来,该技术为武钢生产优质钢和新试钢种提供了重要条件。KR机械搅拌式脱硫法是日本新日铁厂制铁所于1963年开始研究,1965年应用于工业生产的一种铁水炉外脱硫技术,这种脱硫方法是以一个外衬耐火材料的搅拌器浸入铁水罐内进行旋转搅动铁水,使铁水产生旋涡,经过称量的脱硫剂由给料器加入到铁水表面,并被旋涡卷入铁水中,与高温铁水混和、反应,达到脱硫的目的。由此可见,如何提高KR搅拌脱硫过程中脱硫剂与铁水的接触时间和接触概率、强化脱硫化学反应将直接影响到脱硫生产的技术经济指标。为此,有必要采取水模试验的手段,研究搅拌脱硫工艺参数对铁水流场分布与脱硫剂卷吸状况的影响关系,进一步优化脱硫操作工艺,提高脱硫技术经济指标。
1 水模试验
1.1 试验装置
根据武钢二炼钢厂现场生产实际情况,对100t脱硫铁水罐上KR搅拌脱硫的现场调研,收集了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,选择了旋转速度可调、搅拌功率大的水模搅拌装置,按照搅拌装置搅拌罐最大安装直径(450mm)和实际生产中脱硫铁水罐的实际尺寸,确定了试验装置与实际脱硫设备之间的比例M。按照确定的试验模拟比例M,进行了试验用搅拌罐、搅拌器的制作。搅拌罐制作材料为有机玻璃,搅拌器制作材料为不锈钢板,搅拌器有效长度360mm。
1.2 试验方案
根据现场KR搅拌脱硫的工艺过程和试验装置的性能,确定试验目的为搅拌器不同插入深度、旋转速度对脱硫剂卷入量与卷入深度的影响关系。具体试验室模拟条件为:以水模拟铁水,聚氯乙烯膨胀塑料模拟脱硫剂;根据武钢二炼钢厂实际旋转速度范围(80～120r/min)确定试验旋转速度范围为6a～20ar/min;根据搅拌器实际插入深度,确定试验模型插入深度工况为160、200、260mm。采用数码相机对试验过程拍照和录像记录。
1.3 试验操作
按照试验方案,确定了如下的试验操作步骤。
1)首先在容器中注入适量的水,使水位离容器上边沿距离约130mm,加入聚乙烯膨胀塑料,使水面上聚乙烯膨胀塑料层厚度为20～25mm。
2)安装试验用搅拌器模型,并与电机轴紧固联接。根据试验要求的搅拌器模型插入深度,用钢尺量取合适的搅拌器长度,并在搅拌器旋转轴进行标示。安装时,按照搅拌器模型旋转轴上的标示,调整具体的插入深度。
3)将调速器速度控制为0,接通电源,打开调速器电源开关,调节调速器速度控制旋扭,控制搅拌器模型的旋转速度为试验要求的速度。
4)为了避免电机冲击负荷引起的不利影响,试验采取从低速到高速的增速过程,进行不同速度下的试验。
5)在某一试验工况条件下,稳定搅拌时间15min,再采用数码相机对搅拌状况进行录像和拍照记录,同时记录具体的试验工况条件和相关试验参数。
6)根据容器壁面上的尺码,比较聚乙烯膨胀塑料的卷入量和卷入深度。
1.4 试验结果
采用水模试验装置,按照确定的试验方案和试验步骤,完成了实际使用结构搅拌器模型的水模试验,具体试验结果如表1和图1、图2所示。
图1 不同插入深度条件下转速对轻质塑料穿透深度的影响曲线
图2 不同转速条件下插入深度对轻质塑料穿透深度的影响曲线
表1 轻质膨胀塑料穿透深度试验记录
|
转速/(r·min-1) |
插入深度/mm |
|
160 |
200 |
260 |
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6a |
20 |
45 |
18.5 |
|
6.8a |
26.5 |
48.5 |
26.5 |
|
8.3a |
41 |
80 |
37.5 |
|
9.7a |
50 |
87.5 |
49 |
|
10.4a |
92.5 |
135 |
100 |
|
11a |
101 |
136.5 |
101.5 |
|
11.8a |
101 |
141 |
107.5 |
|
13.3a |
102.5 |
141.5 |
107.5 |
|
14.7a |
106 |
148 |
112 |
|
16.8a |
110 |
150 |
111 |
|
19.8a |
122.5 |
154 |
138 |
2 试验结果分析
从不同转速、不同插入深度条件下对液面旋涡状况记录照片可见,搅拌器旋转速度和插入深度对试验结果影响较大。在试验的转速范围内,液面旋涡强度与旋涡深度随着旋转速度的提高和插入深度的减小而不断增大,液面旋涡深度抵达搅拌器叶片上端面的旋转速度随插入深度的加深而提高,不过,液面旋涡一旦抵达搅拌器叶片上端面时,将导致自然空气的卷入,对于铁水搅拌脱硫来说,将导致高温铁水卷吸自然空气而加剧铁水的高温氧化,因而,在实际生产中必须避免这种现象的出现。同时发现,随着插入深度的加深和转速的提高,轻质塑料卷入量增大,轻质塑料的穿透深度加深。
由图2可见,不同插入深度条件下,随着转速的提高,轻质塑料穿透深度不断提高,在转速小于9.7a转/min 条件下,随着转速的提高,轻质塑料穿透深度稳步提高,在转速为9.7～10.5ar/min 的范围内,随着转速的提高,轻质塑料穿透深度急剧增大,在转速大于10.5a转/min 时,随着转速的提高,轻质塑料穿透深度增大缓慢,其中在转速为10.5～13.5ar/Pmin的速度范围,轻质塑料穿透深度基本维持不变。因此,对于这种结构的搅拌器存在一个最佳的搅拌旋转速度范围,为此,建议武钢二炼钢厂的KR 搅拌脱硫的旋转速度范围应确定为10.5～13.5ar/min。
由图3可见,不同转速条件下,搅拌器插入深度对卷入的轻质塑料穿透深度影响较大,并存在一个最佳的插入深度,对于水模试验结果,最佳插入深度为200mm,插入深度占搅拌器有效长度比例为55.56%,按照模型与实物之间的比例关系M,实物的最佳插入深度为200×Mmm。根据上述二炼钢厂KR搅拌脱硫的水模试验结果,考虑到实际生产中众多的不可控因素,从改善二炼钢厂KR搅拌的脱硫效果、提高脱硫效率、缩短脱硫时间等角度出发,建议实际脱硫的搅拌速度和搅拌器插入深度由目前的85～120r/min和1200～1250mm调整到控制在10.5～13.5ar/min和200×M±100mm,预计脱硫时间和脱硫剂消耗可降低5%,脱硫后铁水痕迹硫的保证率将得到大幅度提高,以满足低硫品种等双高产品生产的铁水质量要求。
3 现场应用
根据上述试验结果分析和武钢二炼钢厂KR搅拌脱硫工艺现状,武钢二炼钢厂KR搅拌脱硫的最佳搅拌旋转速度为:10.5～13.5ar/min、搅拌器插入深度为:200×M±100mm。根据最佳转速和插入深度条件下的水模试验结果,根据轻质塑料穿透深度和卷入量的改善状况,实际脱硫时间和脱硫剂消耗可降低5%,脱硫后铁水痕迹硫的保证率将有所提高。武钢二炼钢厂为了保证炉机节奏缩短脱硫处理周期,提高脱硫命中率,针对所存在的状况问题进行了相关工艺操作改进,确定了最佳搅拌速度和搅拌器插入深度范围,使用后脱硫产量质量以及按需脱硫合格率、命中率、脱硫及时率及周期保证率均有较大提高,低硅铁水一次脱硫合格率≥99.50%,超低硫铁水处理后硫痕迹达到95%以上,重脱无痕迹率达87%以上,而且搅拌器寿命无明显波动,保证了生产所需。
4 结论
根据试验室试验和现场应用的结果分析,可以得出如下结论:
1)水模试验条件下,搅拌器最佳插入深度为200mm,插入深度占搅拌器有效长度比例为55.56%。液面旋涡强度与旋涡深度随着旋转速度的提高和插入深度的减小而不断增大,液面旋涡深度抵达搅拌器叶片上端面的旋转速度随插入深度的加深而提高。随着插入深度的加深和转速的提高,轻质塑料卷入量增大,轻质塑料的穿透深度加深。
2)在转速小于9.7ar/min条件下,随着转速的提高,轻质塑料穿透深度稳步提高,在转速为9.7～10.5ar/min的范围内,随着转速的提高,轻质塑料穿透深度急剧增大,在转速大于10.5ar/min时,随着转速的提高,轻质塑料穿透深度增大缓慢,其中在转速为10.5～13.5ar/min 的速度范围,轻质塑料穿透深度基本维持不变。
3)根据试验模型与实物之间的比例关系,建议武钢二炼钢厂KR搅拌脱硫的最佳旋转速度和搅拌器插入深度范围分别为:搅拌旋转速度为:10.5～13.5ar/min、搅拌器插入深度为:200×M±100mm。
4)通过采用最佳搅拌速度和搅拌器插入深度,低硅铁水一次脱硫合格率≥99.50%,超低硫铁水处理后硫痕迹达到95%以上,重脱无痕迹率达87%以上。
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