不同KR攪拌方式的動力學條件研究

李德強

（海軍駐鞍山地區軍事代表室，遼寧 鞍山114009）

鐵水預處理早已成為現代鋼鐵傳統工藝流程確保產品質量、提高附加值的重要手段[1-3]。目前，國外流行以日本“脫硅、脫磷、脫硫”為代表的“三脫”技術，而國內的鐵水預處理基本都采取“一脫”方式，即鐵水預脫硫。工業規模使用的鐵水脫硫只有噴吹法和KR法兩種[4-5]，學術界至今仍在爭論二者的優劣[6-7]。其中，關于KR法的研究已逐漸成為熱門方向。有通過冷態實驗研究攪拌槳結構與脫硫率的關系[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特性和攪拌槳轉速對脫硫劑運動軌跡的影響[9]；還有利用PIV和激光發生器對固液兩相特性進行研究[10]。從相關文獻來看，多集中在脫硫機理及工藝研發方面，少有觸及KR攪拌槳形式的詳細研究。可以肯定的是，鐵水脫硫過程的動力源由攪拌槳提供，而攪拌槳提供動力的形式及效率，尤其在使用臨界壽命時顯得尤為重要。而目前攪拌槳外形結構的變化對流場的影響研究較少。基于此，本文通過水模實驗來探討不同KR攪拌槳的工作效率。

1 實驗方法

按煉鋼廠鐵水罐和KR攪拌槳規格尺寸，建立模型：實際裝備=1：5比例的水力模型實驗裝置，對KR攪拌槳及生產技術參數進行對比實驗，根據實驗結果的比較和分析來確定最優KR攪拌槳。模型由3D打印，如圖1所示。實驗采取如下方法進行。

圖1 攪拌槳結構圖Fig.1 Structure Diagram for Agitator

（1）刺激響應方法：攪拌槳在鐵水罐中以固定的轉速進行連續攪拌，從液面旋渦中心加入飽和KCl溶液作為示蹤劑，同時在鐵水罐液面、攪拌槳槳葉底端處設置A、B兩個測點探頭，如圖2所示，通過電導儀、數據采集系統測定示蹤劑濃度隨時間的變化曲線，計算出響應時間和混勻時間。

（2）加入高錳酸鉀溶液顯示鐵水罐內的流場，并拍攝鐵水罐內的流動過程。

（3）鐵水罐內加入聚苯乙烯粒子模擬實際生產中的脫硫劑，并拍攝鐵水罐內的流動過程。

圖2 KR混勻時間測點布置方案Fig.2 Layout of Measuring Points for Homogenizing Time by KR

2 實驗結果及分析

2.1 混勻時間測試

以垂直式和螺旋式三葉攪拌槳為例，轉速為110 r/min時測得的探頭在鐵水罐液面（測點A）和槳葉底端（測點B）的響應曲線見圖3所示。表1為混勻時間測試結果。

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

表1 混勻時間測試結果Table 1 Testing Results for Homogenizing Time

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

2.2 染色流場

為直觀顯示鐵水罐內攪拌槳轉動時的流場流動情況，從液面旋渦中心加入飽和KMnO4溶液作為染色示蹤劑，截取幾個時間點的實驗畫面，觀察110 r/min轉速下流場的流動特征。圖4為攪拌槳轉動時的流場情況。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，說明螺旋式對鐵水的向心力略強。

圖4 攪拌槳轉動時的流場情況Fig.4 Flow Field Conditions in Stirring by Agitator

2.3 粒子流場

為模擬脫硫劑在鐵水中的狀態，在液面渦心處加入定量聚苯乙烯粒子，通過分析粒子流動流場和渦深的變化來研究脫硫劑在鐵水中的脫硫行為。粒子流動流場對比如圖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象，槳葉上端均形成巨大的漩渦，目測螺旋方式更易于形成漩渦，即液面向下的抽力更強。

圖5 粒子流場對比Fig.5 Comparison of Particle Flow Field

圖6為轉速110 r/min時渦深對比。由圖6可以看出，在轉速為110 r/min時，螺旋式攪拌槳產生的漩渦略深一些，由漩渦產生的向下壓迫液體的分力對槳葉下方的流動起到促進作用，流場的動力學條件得到改善。

圖6 渦深對比Fig.6 Comparison of Eddy Current Depth

3 結論

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

（2）從染色示蹤實驗觀察到，螺旋式攪拌槳對鐵水的向心力比垂直式的略強。

（3）粒子示蹤實驗觀察到，螺旋式攪拌槳比垂直式攪拌有力，在110 r/min轉速下，螺旋式攪拌比垂直式產生的渦深略大，流場的動力學條件得到改善。