不同KR搅拌方式的动力学条件研究

李德强

（海军驻鞍山地区军事代表室，辽宁 鞍山114009）

铁水预处理早已成为现代钢铁传统工艺流程确保产品质量、提高附加值的重要手段[1-3]。目前，国外流行以日本“脱硅、脱磷、脱硫”为代表的“三脱”技术，而国内的铁水预处理基本都采取“一脱”方式，即铁水预脱硫。工业规模使用的铁水脱硫只有喷吹法和KR法两种[4-5]，学术界至今仍在争论二者的优劣[6-7]。其中，关于KR法的研究已逐渐成为热门方向。有通过冷态实验研究搅拌桨结构与脱硫率的关系[8]，并提出影响搅拌桨寿命的因素及措施；也有利用仿真软件研究流场特性和搅拌桨转速对脱硫剂运动轨迹的影响[9]；还有利用PIV和激光发生器对固液两相特性进行研究[10]。从相关文献来看，多集中在脱硫机理及工艺研发方面，少有触及KR搅拌桨形式的详细研究。可以肯定的是，铁水脱硫过程的动力源由搅拌桨提供，而搅拌桨提供动力的形式及效率，尤其在使用临界寿命时显得尤为重要。而目前搅拌桨外形结构的变化对流场的影响研究较少。基于此，本文通过水模实验来探讨不同KR搅拌桨的工作效率。

1 实验方法

按炼钢厂铁水罐和KR搅拌桨规格尺寸，建立模型：实际装备=1：5比例的水力模型实验装置，对KR搅拌桨及生产技术参数进行对比实验，根据实验结果的比较和分析来确定最优KR搅拌桨。模型由3D打印，如图1所示。实验采取如下方法进行。

图1 搅拌桨结构图Fig.1 Structure Diagram for Agitator

（1）刺激响应方法：搅拌桨在铁水罐中以固定的转速进行连续搅拌，从液面旋涡中心加入饱和KCl溶液作为示踪剂，同时在铁水罐液面、搅拌桨桨叶底端处设置A、B两个测点探头，如图2所示，通过电导仪、数据采集系统测定示踪剂浓度随时间的变化曲线，计算出响应时间和混匀时间。

（2）加入高锰酸钾溶液显示铁水罐内的流场，并拍摄铁水罐内的流动过程。

（3）铁水罐内加入聚苯乙烯粒子模拟实际生产中的脱硫剂，并拍摄铁水罐内的流动过程。

图2 KR混匀时间测点布置方案Fig.2 Layout of Measuring Points for Homogenizing Time by KR

2 实验结果及分析

2.1 混匀时间测试

以垂直式和螺旋式三叶搅拌桨为例，转速为110 r/min时测得的探头在铁水罐液面（测点A）和桨叶底端（测点B）的响应曲线见图3所示。表1为混匀时间测试结果。

图3 探头在铁水罐液面和桨叶底端的响应曲线Fig.3 Response Curves of Probe at Level of Hot Metal Ladle and at Bottom of Blades

表1 混匀时间测试结果Table 1 Testing Results for Homogenizing Time

由表1可看出，响应时间基本相同，在液面处（A点）平衡时间相差不大，而在桨叶底部（B点）螺旋式比垂直式搅拌桨要少于4 s（换算成生产实际接近 9 s）。

2.2 染色流场

为直观显示铁水罐内搅拌桨转动时的流场流动情况，从液面旋涡中心加入饱和KMnO4溶液作为染色示踪剂，截取几个时间点的实验画面，观察110 r/min转速下流场的流动特征。图4为搅拌桨转动时的流场情况。由图4可看出，螺旋式与垂直式相比较，前者KMnO4溶液更易于集中在铁水罐中部，说明螺旋式对铁水的向心力略强。

图4 搅拌桨转动时的流场情况Fig.4 Flow Field Conditions in Stirring by Agitator

2.3 粒子流场

为模拟脱硫剂在铁水中的状态，在液面涡心处加入定量聚苯乙烯粒子，通过分析粒子流动流场和涡深的变化来研究脱硫剂在铁水中的脱硫行为。粒子流动流场对比如图5所示。从图5可以看出，在两种搅拌桨的桨叶下端均有明显旋涡甩尾现象，桨叶上端均形成巨大的漩涡，目测螺旋方式更易于形成漩涡，即液面向下的抽力更强。

图5 粒子流场对比Fig.5 Comparison of Particle Flow Field

图6为转速110 r/min时涡深对比。由图6可以看出，在转速为110 r/min时，螺旋式搅拌桨产生的漩涡略深一些，由漩涡产生的向下压迫液体的分力对桨叶下方的流动起到促进作用，流场的动力学条件得到改善。

图6 涡深对比Fig.6 Comparison of Eddy Current Depth

3 结论

（1）螺旋式与垂直式桨叶相比较，两者液面处响应时间及平衡时间相差较小，而在桨叶底部，螺旋式的平衡时间比垂直桨少4 s。

（2）从染色示踪实验观察到，螺旋式搅拌桨对铁水的向心力比垂直式的略强。

（3）粒子示踪实验观察到，螺旋式搅拌桨比垂直式搅拌有力，在110 r/min转速下，螺旋式搅拌比垂直式产生的涡深略大，流场的动力学条件得到改善。