專利名稱：低能耗鐵水脫硫攪拌器的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及轉爐煉鋼前鐵水爐外攪拌脫硫裝置，具體地說是一種用于鐵水罐 KR攪拌脫硫預處理的低能耗鐵水脫硫攪拌器。
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ο攪拌器作為KR脫硫裝置中的重要部件，通常主要是由旋轉軸和四片攪拌葉組成。 旋轉軸和攪拌葉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 垂直面或者由下向上順時針方向前傾2°左右的斜面；背鐵水面為垂直面；側面為由下向 上徑向外傾2°左右的斜面。上述常規結構致使攪拌葉的攪拌阻力大、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，使攪拌器冷熱狀 態交替頻繁、并被鐵水劇烈沖刷，導致攪拌器使用壽命短；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，導致攪拌葉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熱膨脹性能的差異以及攪拌葉的金屬芯未進行風冷， 導致金屬芯和耐火材料工作襯的熱脹冷縮量不一致，致使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的內應力破損，通過其裂紋滲入的鐵水沿結合面的內損縫隙不 斷擴展，最終導致工作襯的剝落和金屬芯的燒失；攪拌時，旋轉線速度隨著攪拌直徑的增 大而提高，由于攪拌葉的外伸結構，加劇了鐵水對攪拌葉的沖刷磨損，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，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，導致脫硫效率的下降與脫 硫劑消耗的上升；同時，攪拌葉的不均勻磨損與攪拌器旋轉速度的提高，影響了攪拌器的動 平衡與靜平衡，加劇了攪拌機械傳動設備的損傷，給設備的安全穩定運行帶來危害。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，且由于該區域 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，降低了由于工作襯的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 201031236Y的中國專利《一種鐵水脫硫攪拌頭》公開了一種攪拌葉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，其攪拌葉之間的夾角為90°，仍 不能解決攪拌葉片之間粘渣嚴重地問題，不利于攪拌脫硫動力學條件的改善。公開號為CN 101603111A的中國專利申請《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。另外，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，在前述中國專利申請《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，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，增大了攪拌阻力與攪拌動力消耗。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，攪拌葉之間的夾角、 葉片迎鐵水面前傾角度的進一步增大將難以實施，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的效果。
發明內容本實用新型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、制作方便的低能 耗鐵水脫硫攪拌器。為實現上述目的，本實用新型提供的一種低能耗鐵水脫硫攪拌器包括旋轉軸以及 繞旋轉軸周向均勻布置的三片攪拌葉，所述攪拌葉包括攪拌葉金屬芯，所述攪拌葉的迎鐵 水面和背鐵水面均為由下而上前傾的斜面。其特別之處在于以所述攪拌葉金屬芯的厚度 對稱面和高度中位水平面的交線為Li，過所述交線Ll的第一鉛垂面與過旋轉軸中心線且 和第一鉛垂面平行的第二鉛垂面之間的距離為m ；所述厚度對稱面為由下而上前傾角度為 Φ的斜面，即將傳統攪拌葉金屬芯的厚度對稱面沿攪拌器旋轉方向平移m且由下而上前傾 Φ角布置；所述m和Φ滿足，且0 彡m彡(D- δ -hXsinO)/2,其中，α和β分別為迎鐵水面和背鐵水面的傾角，D為旋轉軸的金屬芯的外徑， δ為攪拌葉金屬芯的厚度，h為攪拌葉金屬芯的垂直高度。所述迎鐵水面的傾角α最好滿足2° < α。
4[0009]所述攪拌葉的側面可以為由下而上前傾角度為Y的斜面，傾角Y滿足 0 ^ γ ^ 3°。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ω滿足2° ^ ω 。優選地，所述迎鐵水面的上端線與所述旋轉軸的外側圓柱面相切。本實用新型通過將傳統攪拌葉金屬芯的厚度對稱面沿攪拌器旋轉方向平移m且 由下而上前傾Φ角布置，以及攪拌葉周向的垂直截面呈徑向由內向外由寬變窄的梯形(迎 鐵水面向攪拌葉內傾角度ω)的結構，增強了攪拌葉水平推力的徑向分力，且隨著平移距 離m和傾角ω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；攪拌葉的迎鐵水面為由下而上前傾α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α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β的斜面的 結構，且滿足β ^ α，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。綜上所述，本技 術方案最終達到了攪拌動力消耗低、攪拌葉之間粘渣少、攪拌脫硫的動力學條件優、攪拌器 使用壽命長、結構簡單、制造方便的目的。
圖1為一種低能耗鐵水脫硫攪拌器的結構示意圖；圖2為圖1的A-A剖視圖；圖3為圖2視圖中迎鐵水面的上端線與旋轉軸截面的圓周相切時的結構示意圖；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，攪拌葉2(其中迎鐵水面2. 1、背鐵水面2. 2、側面2. 3)，攪拌葉金 屬芯3 (其中第一鉛垂面3. 1、第二鉛垂面3. 2、厚度對稱面3. 3、高度中位水平面3. 4)，風 冷管4，耐火材料工作襯5。
具體實施方式
以下結合附圖和具體實施例對本實用新型的低能耗鐵水脫硫攪拌器作進一步的 詳細描述如圖1至圖3所示，本實用新型的低能耗鐵水脫硫攪拌器包括旋轉軸1、置于旋轉 軸1內的風冷管4、以及繞旋轉軸1周向均勻布置的三片攪拌葉2。攪拌葉2包括攪拌葉金 屬芯3和耐火材料工作襯5。攪拌葉2的迎鐵水面2. 1和背鐵水面2. 2均為由下而上前傾 的斜面，其傾角分別為α和β，且傾角α滿足2°彡α彡8°。攪拌葉2的側面2. 3亦為 由下而上前傾、傾角為Y的斜面，且傾角Y滿足γ 。攪拌葉2垂直于旋轉軸 1的截面為沿徑向由寬變窄的直角梯形，該梯形位于迎鐵水面2. 1上的前腰向攪拌葉2內傾 的角度ω滿足2°彡ω彡8°。此外，以攪拌葉金屬芯3的厚度對稱面3. 3和高度中位水平面3. 4的交線為Li，過 交線Ll的第一鉛垂面3. 1與過旋轉軸1且和第一鉛垂面3. 1平行的第二鉛垂面3. 2之間的距離為m ；厚度對稱面3. 3為由下而上前傾角度為Φ的斜面；m和Φ滿足 ，和0 彡 m 彡(D-δ-hXsinO)/2，其中，D為旋轉軸1的金屬芯的外徑，δ為攪拌葉金屬芯3的厚度，h為攪拌葉金 屬芯3的垂直高度。前一不等式保證攪拌葉2背鐵水面2. 2下部沿攪拌器旋轉方向呈后凸 狀，能夠降低背鐵水面2. 2的渦流強度；后一不等式確保了攪拌葉金屬芯3上部未前移到超 出旋轉軸1的金屬芯直徑之外而無焊接基礎。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，本實用 新型的其他結構與常規三葉片攪拌器相同。其中，圖3示意出了實施例8，即迎鐵水面2. 1 的上端線與旋轉軸1的外側圓柱面相切，此時，攪拌葉2的攪拌效果最好。圖4示意出了針對迎鐵水面2.1對流體的旋轉推力Fl的分析，由于其前傾α角， 使該旋轉推力Fl存在軸向的分力Fy，隨著α的增大，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2. 1對流體的水平旋轉推力F2的分析，由于內傾ω 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Fp隨著m和ω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
權利要求一種低能耗鐵水脫硫攪拌器，包括旋轉軸(1)以及繞旋轉軸(1)周向均勻布置的三片攪拌葉(2)，所述攪拌葉(2)包括攪拌葉金屬芯(3)，所述攪拌葉(2)的迎鐵水面(2.1)和背鐵水面(2.2)均為由下而上前傾的斜面，其特征在于以所述攪拌葉金屬芯(3)的厚度對稱面(3.3)和高度中位水平面(3.4)的交線為L1，過所述交線L1的第一鉛垂面(3.1)與過旋轉軸(1)且和第一鉛垂面(3.1)平行的第二鉛垂面(3.2)之間的距離為m；所述厚度對稱面(3.3)為由下而上前傾角度為Φ的斜面；所述m和Φ滿足0＜α≤Φ≤β≤10°，且0≤m≤(D δ h×sinΦ)/2，其中，α和β分別為迎鐵水面(2.1)和背鐵水面(2.2)的傾角，D為旋轉軸(1)的金屬芯的外徑，δ為攪拌葉金屬芯(3)的厚度，h為攪拌葉金屬芯(3)的垂直高度。
2.根據權利要求1所述的低能耗鐵水脫硫攪拌器，其特征在于所述迎鐵水面(2.1) 的傾角α滿足2°彡α彡8°。
3.根據權利要求1或2所述的低能耗鐵水脫硫攪拌器，其特征在于所述攪拌葉(2)的 側面(2. 3)為由下而上前傾角度為Y的斜面，傾角Y滿足0彡γ彡3°。
4.根據權利要求1或2所述的低能耗鐵水脫硫攪拌器，其特征在于所述攪拌葉(2)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(2. 1)上的 前腰向攪拌葉(2)內傾的角度ω滿足2° ^ ω 。
5.根據權利要求3所述的低能耗鐵水脫硫攪拌器，其特征在于所述攪拌葉(2)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(2. 1)上的前 腰向攪拌葉(2)內傾的角度ω滿足2°彡ω彡8°。
6.根據權利要求1或2所述的低能耗鐵水脫硫攪拌器，其特征在于所述迎鐵水面 (2. 1)的上端線與所述旋轉軸(1)的外側圓柱面相切。
7.根據權利要求3所述的低能耗鐵水脫硫攪拌器，其特征在于所述迎鐵水面(2.1) 的上端線與所述旋轉軸(1)的外側圓柱面相切。
8.根據權利要求4所述的低能耗鐵水脫硫攪拌器，其特征在于所述迎鐵水面(2.1) 的上端線與所述旋轉軸(1)的外側圓柱面相切。
9.根據權利要求5所述的低能耗鐵水脫硫攪拌器，其特征在于所述迎鐵水面(2.1) 的上端線與所述旋轉軸(1)的外側圓柱面相切。
專利摘要一種低能耗鐵水脫硫攪拌器，包括旋轉軸以及繞旋轉軸周向均勻布置的三片攪拌葉，攪拌葉包括攪拌葉金屬芯，攪拌葉的迎鐵水面和背鐵水面均為由下而上前傾的斜面。以攪拌葉金屬芯的厚度對稱面和高度中位水平面的交線為L1，過交線L1的第一鉛垂面與過旋轉軸且和第一鉛垂面平行的第二鉛垂面之間的距離為m；厚度對稱面為由下而上前傾角度為Φ的斜面；m和Φ滿足0＜α≤Φ≤β≤10°，且0≤m≤(D-δ-h×sinΦ)/2，其中，α和β分別為迎鐵水面和背鐵水面的傾角，D為旋轉軸的金屬芯外徑，δ為攪拌葉金屬芯厚度，h為攪拌葉金屬芯垂直高度。本實用新型的攪拌動力消耗低、攪拌葉之間粘渣少、攪拌脫硫的動力學條件優、攪拌器使用壽命長、結構簡單、制造方便。
文檔編號C21C7/00GK201722404SQ201020221649
公開日2011年1月26日 申請日期2010年5月28日 優先權日2010年5月28日
發明者吳杰, 朱善合, 李明暉, 歐陽德剛, 王海青, 田大鵬, 羅巍, 蔣揚虎 申請人:武漢鋼鐵(集團)公司