喷嘴结构对铁水脱硫气泡微细化的影响

王 坤， 刘 燕， 侯君洋， 杨永坤， 张廷安东北大学 多金属共生矿生态化冶金教育部重点实验室，沈阳 110819)

从上世纪30年代以来，人们逐渐认识了钢中硫的危害并开始了对铁水和钢水的脱硫研究.西欧、日本在20世纪60～70年代在铁水预处理脱硫理论研究的基础上在工业上进行了应用[1]，德国和瑞典上世纪80年代采用铁水预处理手段生产低硫钢种.近年来，通过引进国外先进技术，结合国内企业特点，不断改进、优化和自主开发新工艺，国内不少钢厂的炉外脱硫工艺已达到国际先进水平.目前应用最多的方法主要有KR法和镁喷吹法.KR法，即Kambara Reactor法，是由日本新日铁广制铁所1965年研制开发成功的一种铁水脱硫工艺[2].其工艺是将十字形搅拌头插入铁水的铁水包中旋转，使铁水产生漩涡，把脱硫剂卷入铁水中，脱硫剂在强烈的搅拌作用下与铁水中的硫迅速产生化学反应，最终达到脱硫的目的[3].虽然KR法的动力学条件良好，但是产生的渣量较大，由于铁水被强烈搅拌且持续时间较长，因此铁水温降较大[4].镁喷吹法是利用惰性气体携带脱硫剂经由插入铁水的喷枪喷入铁水中，脱硫剂在铁水中生成镁蒸气，与铁水中的硫反应.镁喷吹法具有脱硫反应快、时间短、操作简单，但是脱硫后回硫较严重且不易控制，喷溅大，脱硫剂利用率低[5].

针对目前工业上采用KR搅拌法脱硫和镁喷吹法脱硫的缺点，东北大学张廷安、刘燕等[6-10]人提出“结合机械搅拌利用惰性气体携带镁蒸气底吹直接脱硫”的新方法.该方法采用底吹方式，通过惰性气体将高温镁蒸气直接喷入铁水中，通过机械搅拌将喷入的镁蒸气气泡进行微细化，增大气-液接触面积，进而提高镁蒸气的脱硫效率和镁脱硫剂的利用率.该方法相比于KR法和镁喷吹法，其优势有：(1)直接底吹镁蒸气，不仅可以增加镁蒸气气泡在铁水中的停留时间，而且可以避免KR法出现的渣量大，温降大等缺点；(2)采用机械搅拌与底部喷吹镁蒸气相结合的方式，可以减少由于喷吹镁颗粒所引起的喷溅；(3)机械搅拌可以使喷吹的镁蒸气气泡微细化，增加气-液接触面积，提高镁蒸气的利用率和脱硫的效率.

本文在其研究基础上，进一步研究了喷嘴结构对底吹铁水脱硫气泡微细化的影响，选出了合适的喷嘴结构.

1 实验原理、设备及方案

1.1 实验设备

水模型装置是由有机玻璃制成的圆柱形容器，由几何相似原理计算得到装置的直径为435 mm，高510 mm，液面高度350 mm.图1为水模型实验装置示意图，图2为均混时间所用DDSJ—308F型电导率仪.

图3是实验采用的五种不同结构的喷嘴.其中单孔为垂直喷嘴，2孔、4孔、8孔为水平喷嘴.喷嘴主要包括进气连接口、喷孔通道和喷嘴气室，其中喷嘴气室为直径30 mm，高5 mm的圆柱体，采用喷嘴气室可以有效避免通气时每个喷孔的气流量不均的现象.进气连接口为内径20 mm，外径25 mm的外螺纹接口可以有效保证实验过程的喷气流量要求.喷孔通道直径为2 mm，直接与喷嘴气室相连.透气砖喷嘴采用弥散性透气砖，其孔隙率为4%～6%.

图1水模型实验装置Fig.1 Water model experimental apparatus

图2 DDSJ—308F型电导率仪Fig.2 DDSJ—308Fconductivity meter

图3 实验采用的五种喷嘴结构Fig.3 Five types of nozzle used in the water model experiment(a)—单孔垂直喷嘴； (b)—2孔水平喷嘴； (c)—4孔水平喷嘴； (d)—8孔水平喷嘴； (e)—透气砖喷嘴

1.2 实验方案

本实验主要考察喷嘴结构对气泡在熔池中的分布、CO2吸收速率以及均混时间的影响，实验方案如表1所示.

表1 实验研究方案Table 1 Experimental scheme

2 结果与讨论

2.1 喷嘴结构对气泡分布的影响

图4为不同喷嘴结构对气泡分布的瞬时图.从图中可以看出：在底吹气体的情况下，在搅拌桨的两侧出现死区，随着喷孔数增加，熔池内气泡的分布区域逐渐增大.使用透气砖喷嘴时，熔池的“死区”面积最小.

图4 不同喷嘴结构对气泡分散的影响Fig.4 Bubble distribution with different nozzles structure(a)—单孔垂直喷嘴； (b)—2孔水平喷嘴； (c)—4孔水平喷嘴； (d)—8孔水平喷嘴； (e)—透气砖喷嘴

2.2 喷嘴结构对CO2吸收速率的影响

图5为在中心底吹的模式下，偏心度为0.4，搅拌桨SSB-D，搅拌转速200 r/min，通气流量1.0 m3/h，浸入深度250 mm，研究喷嘴类型对CO2吸收速率的pH-t关系图.

从图5中可以看出，透气砖喷嘴的pH下降速度要略快于其他喷嘴，总体来说随着喷嘴孔数量越多，反应速率略微加快.

图5 不同喷嘴类型下pH随时间变化关系图Fig.5 Curves of pH -time for different nozzle structure (a)—单孔垂直喷嘴； (b)—2孔水平喷嘴； (c)—4孔水平喷嘴； (d)—8孔水平喷嘴； (e)—透气砖喷嘴

根据溶液中CO2浓度与pH之间的关系式(1)和容积传质系数Ak/V与CO2的浓度关系式(2)计算出容积传质系数，得到容积传质系数与喷嘴类型的关系，如图6所示.

(1)

ln[(ce-ct)/(ce-c0)]=-(AK/V)t

(2)

图6 喷嘴结构与容积传质系数变化关系图Fig.6 Relation between volumetric transfer coefficient and nozzle structure(a)—单孔垂直喷嘴； (b)—2孔水平喷嘴； (c)—4孔水平喷嘴； (d)—8孔水平喷嘴； (e)—透气砖喷嘴

从图6中可以看出，随着喷嘴喷孔的增加，容积传质系数增大.由于喷孔的增加，单个喷孔的气流量减少，减缓了单个喷孔大流量喷气的压力，延长了喷嘴使用寿命，同时使用透气砖喷嘴，气泡透过喷嘴进入熔池时，已被打碎.减小了气泡直径，增大了气液接触面积，加快了反应速率，容积传质系数增大.

同样条件下，经计算得到的CO2利用率η如图7所示.

图7 不同喷嘴结构的CO2气体利用率Fig.7 Utilization of CO2 with different nozzle structure(a)—单孔垂直喷嘴； (b)—2孔水平喷嘴； (c)—4孔水平喷嘴； (d)—8孔水平喷嘴； (e)—透气砖喷嘴

从图7可知，CO2利用率随喷嘴类型的变化和容积传质系数一致，喷嘴喷孔数的增加，能够提高气泡微细化的效果，增大了气液接触面积，提高了CO2气体利用率.

2.3 喷嘴结构对均混时间的影响

图8 喷嘴结构对均混时间的影响Fig.8 Mixing time with different nozzle structure(a)—单孔垂直喷嘴； (b)—2孔水平喷嘴； (c)—4孔水平喷嘴； (d)—8孔水平喷嘴； (e)—透气砖喷嘴

图8是不同喷嘴结构对熔池均混时间的影响.由图8可以看出，当喷嘴为水平喷孔时，随着喷孔数量从2孔增加到8孔，熔池的均混时间成线性缩短，8孔水平喷嘴均混时间最短，为7.33 s.此外，对比8孔水平喷嘴和透气砖喷嘴，发现两者均混时间相差只有0.33 s，近似可以认为相等，因此，结合现实工业生产现状，可以选择透气砖喷嘴进行铁水脱硫研究.

3 结 论

本文通过水模型实验研究了不同喷嘴结构对气泡分布、CO2吸收速率以及均混时间的影响，得到如下结论：

(1)喷嘴结构对气泡的分布区域有一定的影响，喷孔数越多，气泡的分布区域越大.透气砖有很多弥散的小孔，所以气泡的分布区域最大，并且气泡的尺寸也明显减小.

(2)喷嘴喷孔数的增加，能够提高气泡微细化的效果，增大了气液接触面积，提高了容积传质系数和CO2气体利用率.

(3)随着喷孔数量增加，熔池的均混时间明显缩短，8孔水平喷嘴均混时间最短，为7.33 s.

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