專利名稱：鐵水機械攪拌脫硫用渦輪式攪拌器的制作方法
技術領域：
本發明涉及轉爐煉鋼前鐵水爐外攪拌脫硫裝置，具體地說是一種鐵水機械攪拌脫 硫用渦輪式攪拌器。
背景技術：
KR(Kambara Reactor)攪拌脫硫法是日本新日鐵于1963年開始研究、1965年應用 于工業生產的一種鐵水爐外脫硫技術。這種脫硫方法是以一個外襯耐火材料的十字形葉片 結構的攪拌器浸入鐵水罐內進行旋轉攪動鐵水，使鐵水產生旋渦，經過稱量的脫硫劑由給 料器加入到鐵水表面，并被旋渦卷入鐵水中與高溫鐵水混合、反應，達到脫硫的目的。該脫 硫方法具有脫硫效率高、脫硫劑消耗少、作業時間短、金屬耗損低以及耐火材料消耗低等特 點o攪拌器是KR脫硫裝置中的重要部件，它主要由旋轉軸與四片攪拌葉組成，旋轉軸 和攪拌葉均由金屬芯和耐火材料工作襯構成。四片攪拌葉沿旋轉軸周向成十字形均勻布 置，且攪拌葉金屬芯的厚度對稱面與旋轉軸中心線處于同一平面；攪拌葉的迎鐵水面為豎 直面或者由下向上順時針方向前傾2°左右的斜面；背鐵水面為豎直面；側面為由下向上 徑向外傾2°左右的斜面。該結構致使攪拌葉攪拌阻力大、動力消耗高、卷吸循環量少。此 外，由于攪拌器的高溫間歇式工作狀態以及對鐵水的強烈攪拌，攪拌器與鐵水之間沖刷劇 烈，冷熱狀態交替頻繁，導致攪拌器的使用壽命短；在攪拌器的攪拌脫硫過程與待用冷卻過 程中，由于攪拌葉單位體積換熱面積大，會導致攪拌葉的耐火材料工作襯熱震龜裂嚴重；由 于工作襯的耐火材料與金屬芯材質的熱膨脹性能的差異以及攪拌葉的金屬芯未進行冷卻， 會導致攪拌葉的金屬芯和耐火材料工作襯的熱脹冷縮量不一致，進而導致其結合面間形成 熱脹內應力和冷縮間隙，引起耐火材料工作襯內應力破損，通過裂紋滲入的鐵水還會沿結 合面內損縫隙不斷擴展，最終導致耐火材料工作襯的剝落和金屬芯的燒失；攪拌線速度隨 著旋轉直徑的增大而提高，由于攪拌葉的徑向外伸結構，使攪拌葉的鐵水沖刷磨損劇烈，尤 其是攪拌葉的邊棱凸出部位，磨損尤為嚴重，并隨著攪拌器的不斷使用，攪拌葉邊棱不斷磨 損而形成圓弧過渡面，在等攪拌力矩下攪拌器的旋轉速度不斷提高，進一步加劇了攪拌葉 的磨損速度，從而影響了攪拌器不同使用階段下的攪拌脫硫效果與實際生產操作控制，導 致脫硫效率下降和脫硫劑消耗上升的后果；同時，攪拌葉的不均勻磨損與攪拌器旋轉速度 的提高，會影響攪拌器的動平衡與靜平衡，加劇了攪拌機械傳動設備的振動與損傷，給設備 的安全穩定運行帶來危害。此外，在實際攪拌脫硫過程中，由于葉片夾角部位的滯流作用， 致使大量的脫硫渣與鐵水混合物在該區域聚集停留，并在高溫條件下通過對耐火材料工作 襯的侵蝕、滲透引起粘渣，由于該區域空間狹小，導致清渣難度大，進而減少了攪拌葉的有 效作用面積和攪拌強度，惡化了鐵水攪拌脫硫的動力學條件。因而，攪拌器的破損主要集中 在攪拌葉部位，最終因攪拌葉結構完整性的嚴重破損、攪拌強度的大幅度下降以及動平衡 的失穩而終止攪拌器的使用。為此，從減緩攪拌器耐火材料工作襯的破損進程角度考慮，公告號為CN 2923725Y的中國專利《新型KR脫硫攪拌器》公開了一種攪拌葉金屬芯棱角邊為圓弧過渡面的攪拌 頭，降低了由于工作襯耐火材料與金屬芯材質熱膨脹性能差異引起的內應力以及攪拌葉邊 棱部位的應力集中引起的破損。公告號為CN 201046975Y的中國專利《鐵水脫硫攪拌頭》 公開了一種攪拌葉金屬芯帶風冷的攪拌器，降低了使用時攪拌葉金屬芯的綜合溫度，緩解 了攪拌葉金屬芯與耐火材料工作襯的熱膨脹，提高了攪拌葉的綜合抗破損能力。此外，針 對常規攪拌器小角度傾斜的迎鐵水面攪拌卷吸強度低的不足，從強化攪拌器攪拌強度的角 度考慮，公告號為CN 201031326Y的中國專利《一種鐵水脫硫攪拌頭》公開了一種攪拌葉的 迎鐵水面為前凹弧形面、背鐵水面為上凹下凸多段弧形面、側面為由下而上外傾斜面的鐵 水脫硫攪拌器，通過異形結構的攪拌葉，達到提高攪拌頭對脫硫劑的攪拌卷吸強度、改善脫 硫動力學條件的目的。但上述專利和常規使用的攪拌器均為四葉十字形布置方式，攪拌葉 之間的夾角為90°，仍不能解決攪拌葉之間粘渣嚴重地問題，不利于攪拌脫硫動力學條件 的改善。因此，公開號為CN 101603111A的中國專利《一種鐵水脫硫用攪拌器》公開了一種 攪拌葉迎鐵水面與背鐵水面均為前傾斜面的三葉攪拌器，通過三葉片前傾的結構，增強攪 拌卷吸空間與卷吸循環流量，達到改善脫硫動力學條件目的，并使葉片之間的夾角增大到 120°，降低了葉片之間的粘渣速度，方便了粘渣的清理，提高了攪拌強度的穩定性。此外， 公告號為CN 201406443Y的中國專利《鐵水脫硫攪拌器》公開了一種攪拌葉迎鐵水面為前 傾凸形弧面、背鐵水面為豎直面或者前傾面、軸向垂直截面為徑向內縮的梯形面的三葉攪 拌器，通過攪拌葉的異形結構設計，在上述中國專利《一種鐵水脫硫用攪拌器》的基礎上， 進一步增大了攪拌葉之間的夾角，強化了攪拌器的剪切分散能力和攪拌脫硫動力學條件的 改善效果。但是，在上述三葉攪拌器專利中，攪拌葉沿旋轉軸周向均勻布置，且攪拌葉金屬 芯的厚度對稱面與旋轉軸中心線處于同一平面，由于受攪拌器重量與攪拌葉結構尺寸的限 制，在直徑有限的攪拌軸上周向均勻布置三片攪拌葉的條件下，會導致攪拌葉之間夾角、攪 拌葉迎鐵水面前傾角度的進一步增大難以實施，攪拌動力消耗難以降低，制約了增強攪拌 器卷吸循環混合與剪切分散、延緩粘渣速度以及降低攪拌動力消耗的改善效果。
發明內容
本發明的目的就是要克服上述常規技術及專利的不足，提供一種攪拌動力消耗 低、攪拌葉之間粘渣少、攪拌脫硫動力學條件優、使用壽命長、結構簡單、制作方便的鐵水機 械攪拌脫硫用渦輪式攪拌器。為實現上述目的，本發明提供的一種鐵水機械攪拌脫硫用渦輪式攪拌器包括旋轉 軸、輪轂和攪拌葉，所述攪拌葉包括攪拌葉金屬芯。其特別之處在于所述攪拌葉為三片， 繞所述輪轂的周向均勻布置；所述攪拌葉的迎鐵水面、背鐵水面和側面均為由下而上前傾 的斜面，所述迎鐵水面的傾角a滿足1° < a < 10°，所述背鐵水面的傾角0滿足 a < 0 < 15°，所述側面的傾角Y滿足0 < Y < 3° ；所述攪拌葉金屬芯相對于旋轉軸 呈偏心布置狀態，以所述攪拌葉金屬芯的厚度對稱面所在平面為第一鉛垂面，與第一鉛垂 面平行且過旋轉軸中心線的平面為第二鉛垂面，第一鉛垂面與第二鉛垂面朝迎鐵水面方向 平移距離L后的平面重合，所述距離L滿足0 < L≤ (d-a)/2,其中，d為旋轉軸的金屬芯直徑，a為攪拌葉金屬芯的厚度。
所述輪轂可以為軸向由上而下直徑逐漸減小的圓臺形結構。所述輪轂由耐火材料構成，且與所述攪拌葉一起澆注成型。所述攪拌葉的上端面與輪轂的結合部厚度m與該部位輪轂的直徑D之比滿足: sin32°≤ m/D ≤ sin58°。相鄰所述攪拌葉之間的輪轂上設有圓弧過渡面；所述攪拌葉的迎鐵水面上端線和 該上端線與輪轂交點處切線的夾角①滿足132°≤ φ≤ 180°。所述攪拌葉垂直于旋轉軸的截面為沿徑向向外由寬變窄的梯形，所述梯形位于迎 鐵水面上的前腰向攪拌葉內傾的角度《滿足2°≤ω≤8°。本發明在三葉片攪拌器機構的基礎上，通過旋轉軸與攪拌葉之間輪轂的結構設 計，增大了攪拌葉周向均勻布置的周長，方便了攪拌葉的布置與整個攪拌器的制備；輪轂為 軸向由上到下直徑逐漸減小的圓臺形結構，減小了攪拌器底部輪轂的滯流面積，擴展了攪 拌混合分散區域；確定攪拌葉上端面與輪轂的結合部厚度m與該部位輪轂直徑D之比為 sin32° sin58°的范圍，且在攪拌葉片之間形成輪轂圓弧過渡面，以及根據攪拌葉片的 具體布置方式的不同，使攪拌葉迎鐵水面上端線與輪轂交接點切線夾角①達132 180° 的范圍，大幅度提高了攪拌器的攪拌葉部分工作面的折角，降低了折角對攪拌流體的滯流 作用，延緩了折角的粘渣速度以及粘渣的清理造成的機械破損，增大了攪拌葉迎鐵水面的 面積和攪拌徑向推力，提高了攪拌的機械效率與混合分散程度；攪拌葉的迎鐵水面為由下 而上前傾a的斜面的結構，使得攪拌葉對流體的旋轉推力的軸向分力增大，并隨著傾角a 的增大，該軸向分力也增大，從而增強了攪拌的軸向卷吸循環量，促進了鐵水與脫硫劑的混 合；攪拌葉的背鐵水面為由下而上前傾0的斜面的結構，且滿足0 ^ a，使攪拌葉背鐵水 面下部沿攪拌器旋轉方向呈后凸狀，降低了背鐵水面的渦流強度，延緩了攪拌葉背鐵水面 的破損進程，降低了渦流動力耗散；攪拌葉的迎鐵水面為周向后傾轉《角的斜面結構以及 攪拌葉金屬芯的厚度對稱面沿旋轉方向前移L、從而偏離過輪轂中心線平行面的布置的結 構，增強了攪拌葉水平推力的徑向分力，且隨著前移距離L和傾角《的增大，該徑向分力也 增大，強化了攪拌器的徑向排出性能與脫硫劑的徑向分散效果；綜上所述，通過上述技術措施，最終達到攪拌動力消耗低、攪拌葉之間粘渣少、攪 拌脫硫的動力學條件優、使用壽命長、結構簡單、制作方便的效果。
圖1為一種鐵水機械攪拌脫硫用渦輪式攪拌器的結構示意圖；圖2為圖1的A-A剖視圖；圖3為圖1中攪拌葉在輪轂上前移布置時的結構示意圖；圖4為一片攪拌葉旋轉推力的軸向與周向分力分析示意圖；圖5為圖3視圖中針對一片攪拌葉的水平旋轉推力的徑向與周向分力分析示意 圖；圖中旋轉軸1，輪轂2(其中圓弧過渡面2.1)，攪拌葉3(其中迎鐵水面3.1、背 鐵水面3. 2、側面3. 3、攪拌葉金屬芯3. 4、厚度對稱面3. 5、第二鉛垂面3. 6)，風冷管4，耐火 材料工作襯5。
具體實施例方式以下結合附圖和具體實施例對本發明的鐵水機械攪拌脫硫用渦輪式攪拌器作進 一步的詳細描述如圖1至圖3所示，本發明的鐵水機械攪拌脫硫用渦輪式攪拌器包括旋轉軸1、 置于旋轉軸1內的風冷管4、輪轂2和三片繞輪轂2的周向均勻布置的攪拌葉3。輪轂2 為軸向由上而下直徑逐漸減小的圓臺形結構，且由耐火材料構成，并與攪拌葉3 —起澆注 成型。攪拌葉3包括攪拌葉金屬芯3. 4和耐火材料工作襯5。攪拌葉3的迎鐵水面3.1、 背鐵水面3. 2和側面3. 3均為由下而上前傾的斜面。其中，迎鐵水面3. 1的傾角a滿足 1°彡a彡10°，背鐵水面3. 2的傾角3滿足a彡日彡15°，側面3. 3的傾角、滿足
y。攪拌葉金屬芯3. 4相對于旋轉軸1呈偏心布置狀態，以攪拌葉金屬芯3. 4
的厚度對稱面3. 5所在平面為第一鉛垂面，與第一鉛垂面平行且過旋轉軸1中心線的平面 為第二鉛垂面3. 6，則第一鉛垂面與第二鉛垂面3. 6朝迎鐵水面3. 1方向平移距離L后的平 面重合，且距離L滿足0 < L ^ (d-a)/2,其中，d為旋轉軸1的金屬芯直徑，a為攪拌葉金屬芯3. 4的厚度。攪拌葉3的上 端面與輪轂2結合部厚度m與該部位輪轂2的直徑D之比滿足sin32°彡m/D彡sin58°。 相鄰攪拌葉3之間的輪轂2上設有圓弧過渡面2. 1。攪拌葉3的迎鐵水面3. 1上端線和該 上端線與輪轂(2)交點處切線的夾角①滿足132° ^ O ^ 180°。表一給出了八組具有不同上述參數的攪拌器實施例。除了上述參數以外，本發明 的其他結構與常規三葉片攪拌器相同。圖4示意出了針對迎鐵水面3.1對流體的旋轉推力F1的分析，由于其前傾a角， 使該旋轉推力F1存在周向的分力&和軸向的分力Fy，隨著a的增大，軸向分力Fy增大，有 利于增強攪拌的軸向卷吸循環量，促進鐵水與脫硫劑的混合。圖5示意出了針對迎鐵水面3. 1對流體的水平旋轉推力F2的分析，由于內傾《 角，迎鐵水面2.1對流體的水平旋轉推力F2存在徑向的分力&，隨著m和(0的增大，&增 大，能夠強化攪拌器的徑向排出性能與脫硫劑的徑向分散效果。表一
權利要求
一種鐵水機械攪拌脫硫用渦輪式攪拌器，包括旋轉軸(1)、輪轂(2)和攪拌葉(3)，所述攪拌葉(3)包括攪拌葉金屬芯(3.4)，其特征在于所述攪拌葉(3)為三片，繞所述輪轂(2)的周向均勻布置；所述攪拌葉(3)的迎鐵水面(3.1)、背鐵水面(3.2)和側面(3.3)均為由下而上前傾的斜面，所述迎鐵水面(3.1)的傾角α滿足1°≤α≤10°，所述背鐵水面(3.2)的傾角β滿足α≤β≤15°，所述側面(3.3)的傾角γ滿足0≤γ≤3°；所述攪拌葉金屬芯(3.4)相對于旋轉軸(1)呈偏心布置狀態，以所述攪拌葉金屬芯(3.4)的厚度對稱面(3.5)所在平面為第一鉛垂面，與第一鉛垂面平行且過旋轉軸(1)中心線的平面為第二鉛垂面(3.6)，第一鉛垂面與第二鉛垂面(3.6)朝迎鐵水面(3.1)方向平移距離L后的平面重合，所述距離L滿足0＜L≤(d-a)/2，其中，d為旋轉軸(1)的金屬芯直徑，a為攪拌葉金屬芯(3.4)的厚度。
2.根據權利要求1所述的鐵水機械攪拌脫硫用渦輪式攪拌器，其特征在于所述輪轂 (2)為軸向由上而下直徑逐漸減小的圓臺形結構。
3.根據權利要求1或2所述的鐵水機械攪拌脫硫用渦輪式攪拌器，其特征在于所述 輪轂(2)由耐火材料構成，且與所述攪拌葉(3) —起澆注成型。
4.根據權利要求1或2所述的鐵水機械攪拌脫硫用渦輪式攪拌器，其特征在于所述 攪拌葉(3)的上端面與輪轂(2)的結合部厚度m與該部位輪轂(2)的直徑D之比滿足: sin32° ≤ m/D≤ sin58°。
5.根據權利要求3所述的鐵水機械攪拌脫硫用渦輪式攪拌器，其特征在于所述攪 拌葉(3)的上端面與輪轂⑵結合面的厚度m與輪轂⑵在該處的直徑D之比滿足 sin32° ≤m/D ≤ sin58°。
6.根據權利要求1或2所述的鐵水機械攪拌脫硫用渦輪式攪拌器，其特征在于相 鄰所述攪拌葉(3)之間的輪轂(2)上設有圓弧過渡面(2. 1)；所述攪拌葉(3)的迎鐵水面 (3. 1)上端線和該上端線與輪轂(2)交點處切線的夾角①滿足132°≤φ≤180°。
7.根據權利要求3所述的鐵水機械攪拌脫硫用渦輪式攪拌器，其特征在于相鄰所述 攪拌葉(3)之間的輪轂(2)上設有圓弧過渡面(2. 1)；所述攪拌葉(3)的迎鐵水面(3. 1)上 端線和該上端線與輪轂(2)交點處切線的夾角①滿足132° ≤φ≤ 180°。
8.根據權利要求4所述的鐵水機械攪拌脫硫用渦輪式攪拌器，其特征在于相鄰所述 攪拌葉(3)之間的輪轂(2)上設有圓弧過渡面(2. 1)；所述攪拌葉(3)的迎鐵水面(3. 1)上 端線和該上端線與輪轂(2)交點處切線的夾角①滿足132° ≤ φ ≤ 180°。
9.根據權利要求5所述的鐵水機械攪拌脫硫用渦輪式攪拌器，其特征在于相鄰所述 攪拌葉(3)之間的輪轂(2)上設有圓弧過渡面(2. 1)；所述攪拌葉(3)的迎鐵水面(3. 1)上 端線和該上端線與輪轂(2)交點處切線的夾角①滿足132°≤ φ≤ 180°。
10.根據權利要求1或2所述的鐵水機械攪拌脫硫用渦輪式攪拌器，其特征在于所述 攪拌葉(3)垂直于旋轉軸(1)的截面為沿徑向向外由寬變窄的梯形，所述梯形位于迎鐵水 面(3. 1)上的前腰向攪拌葉(3)內傾的角度《滿足2°≤w≤8°。
全文摘要
一種鐵水機械攪拌脫硫用渦輪式攪拌器，包括旋轉軸、輪轂和攪拌葉，攪拌葉包括攪拌葉金屬芯。其中，攪拌葉為三片，繞輪轂的周向均勻布置；攪拌葉的迎鐵水面、背鐵水面和側面均為由下而上前傾的斜面，其傾角α、β和γ分別滿足1°≤α≤10°、α≤β≤15°、0≤γ≤3°；攪拌葉金屬芯相對于旋轉軸呈偏心布置狀態，以攪拌葉金屬芯的厚度對稱面所在平面為第一鉛垂面，與第一鉛垂面平行且過旋轉軸中心線的平面為第二鉛垂面，第一鉛垂面與第二鉛垂面朝迎鐵水面方向平移距離L后的平面重合，L滿足0＜L≤(d-a)/2，其中，d為旋轉軸的金屬芯直徑，a為攪拌葉金屬芯厚度。應用本發明攪拌動力消耗低、攪拌葉之間粘渣少、攪拌脫硫的動力學條件優。
文檔編號C21C7/064GK101857912SQ20101019691
公開日2010年10月13日 申請日期2010年5月28日 優先權日2010年5月28日
發明者歐陽德剛, 羅安智 申請人:武漢鋼鐵(集團)公司