KR铁水预处理脱硫研究

尹 青， 孟 羽， 李 锋

(江阴兴澄特种钢铁有限公司， 江苏 江阴 214400)

1 概 述

KR铁水预处理就是将用耐火材料制成的十字型搅拌头插入铁水包液面下一定深处，通过旋转搅拌使铁水液面形成V 形旋涡(中心低，四周高)，然后铁水沿着半径方向“吐出”。在搅动过程中，脱硫剂由给料器加入到铁水包，并被旋涡卷入铁水中，与高温铁水混合、反应(如图1所示)，从而达到铁水脱硫、脱硅及五害元素的目的[1-3]。

图1 KR机械搅拌图和KR机械搅拌流体流动形态

江阴兴澄特种钢铁有限公司进口的KR设备为配合超纯净钢冶炼，通过数值模拟研究KR机械搅拌法在某一搅拌器工作工况的流场，然后依次对不同结构和工艺参数下的模型进行数值模拟，最后总结出KR机械搅拌的结构和工艺参数与流场搅拌的关系， 为实际生产过程中KR 机械搅拌结构和工艺参数优化提供参考依据。

2 软件模型建立

KR机械搅拌过程涉及固体动边界问题，需要应用动网格模型求解。首先运用FLUENT 软件Gambit 前处理器建立几何模型。该动网格模型将流场分成搅拌器叶片内区域和叶片外区域。叶片内区域随着搅拌器旋转运动，叶片外区域静止，区域间通过交界面进行数据传输。动网格可以适应流场可动部分的快速运动，可动区域和相邻区域的交界面，数据通过交界面进行传递[4-5]。

如图2所示，应用非结构网格对结构模型进行了网格单元划分，局部关键区域进行网格加密；搅拌器周围是流动关键区域，因此网格需要加密，提高数值模拟的精度，靠近容器外壁的网格较疏。网格模型共有39万个体单元，9.5万个结点。

图2 KR搅拌数值模拟模型以及数值模型二维平面网格

3 不同工艺参数模拟研究

3.1 不同转速下自由液面变化

根据能量守恒定律可知，KR 机械搅拌过程中，存在能量的转换关系。因此，随着搅拌器的转速越大，流体获得的动能越大，从而流场流动速度越大；最后使流场的涡流越强烈，这必然会导致自由液面下凹加深。图3所示为相同结构尺寸下，在搅拌器同一深度H(mm)、不同转速N(r/min)稳定状态下的自由液面变化。

图3 相同结构尺寸下，在搅拌器同一深度、不同转速稳定状态下的自由液面变化图

搅拌器旋转速度越小，自由液面下凹程度越小；随着搅拌器的转动速度不断增大，中心液面不断下凹，外部液面不断上升。从图3中可以看到，当搅拌器旋转速度达到N=205 r/min时，搅拌器的叶片有一小部分露出液面，空气开始进入叶片区域。可以认为自由液面下凹深度与搅拌器的转速大小成正比关系，转速越大，自由液面下凹越深。当N=205 r/min时，自由液面下凹深度达到最大值。

3.2 不同潜入深度下自由液面变化

除了转速对KR搅拌法动力学有影响外，搅拌器不同的潜入深度H(mm)对流动也会产生影响。在一定的搅拌器转速条件下，搅拌器潜入深度为200 mm 的自由液面下凹深度最大，比潜入深度为245 mm的自由液面下凹深度还要大一些。如图4，表1所示，自由液面下凹深度不会随搅拌器的潜入深度一直变大，当搅拌器潜入深度超过某一值时，自由液面下凹深度会随搅拌器的潜入深度变小，该实验条件下，200 mm 的潜入深度比245 mm的自由液面下凹深度要大。

图4 不同潜入深度下自由液面变化规律

表1 不同潜入深度结果对比

4 工艺优化实施效果

根据上述各因素与脱硫的动力学关系，重新选择了相关工艺参数，优化了KR铁水预处理工艺，使脱硫、脱硅及五害元素取得了理想的效果(如表2所示)。由表2可知，工艺优化后，铁水预脱硫效果明显提升，五害元素总和大大降低。

表2 工艺优化前、后脱硫及五害元素的效果对比

5 结束语

影响KR脱硫效果的因素众多，包括铁水温度、脱硫剂量、搅拌时间、搅拌头使用次数等。本文主要模拟分析了机械脱硫动力学因素，根据模拟结果，在一定的搅拌速度、搅拌器潜入深度、搅拌器直径条件下，找出各因素与脱硫动力学的关系，为KR工艺参数优化提供科学合理的依据，最终制定出更理想的KR铁水预处理工艺。