本发明涉及转炉炼钢前铁水炉外脱硫技术领域，具体地说是一种用于铁水脱硫预处理的机械搅拌脱硫方法。
背景技术：
铁水机械搅拌脱硫是通过插入铁水罐中铁水内部的搅拌器的旋转搅动，使铁水与脱硫剂混合接触进行脱硫，主要有莱茵法和kr(kambarareactor)法。这两种铁水机械搅拌脱硫方法所用的搅拌器都是由旋转轴与搅拌叶组成，四片搅拌叶沿旋转轴周向成十字形均匀布置，搅拌器沿铁水罐中心线插入铁水；区别仅在于搅拌器插入铁水的深度不同。莱茵法只是将搅拌器的搅拌叶部分地插入铁水中，通过搅拌使铁水罐上部的铁水和铁水表面上的脱硫剂形成旋涡，互相混合接触，并通过循环流动使整个铁水罐内的铁水抵达上层脱硫区域实现脱硫；kr法则是将搅拌器的搅拌叶沉浸在铁水中一定的深度，通过搅拌器的旋转搅动，使铁水表面上的脱硫剂卷入铁水中进行混合脱硫，扩大了旋涡深度和脱硫反应区域，增强了铁水的循环流动，达到了加快脱硫速度、缩短脱硫时间、提高脱硫效率、降低脱硫剂消耗的综合效果。由于kr法优良的使用性能，其成为目前国内外铁水机械搅拌脱硫唯一得到推广应用的方法。
然而，根据国内外有限的kr搅拌脱硫流动状态研究报道，kr搅拌脱硫流动状态分为搅拌中心强制涡流区和该区以外的自由涡流区，强制涡流区由于没有液体微元之间的相对运动，为不良混合区；而自由涡流区由于循环运动引起了液体微元之间的相对运动，起到了混合分散的作用。当搅拌旋转时，强制涡流区颗粒与流体质点均绕轴作同心圆周运动，相对速度很小，不能进行有效的混合分散，仅在强制涡流区和叶片端部区域之间，固液湍动较为剧烈，是传质、传输与分散混合最强烈的区域。固体颗粒被卷入液体中的深度大致和液面凹下的深度相当，颗粒卷入液体中后，在强制涡流区和叶片端部区域之间，由于湍动而分散，并在离心力作用下沿着半径方向“吐出”，继而在浮力作用下而上浮，并在“吐出”区以上部位进行卷入-分散-卷入的循环运动。因而，铁水kr搅拌脱硫传输动力学机制是局域卷吸混合、径向剪切分散；而研究表明，kr搅拌脱硫过程中强制涡流区半径与搅拌器叶轮半径之比近似为0.7，搅拌叶有效搅拌面积仅为30％，如何改善脱硫剂在铁水中的混合分散状况是提高kr搅拌脱硫效率的重要途径。
为此，相关学者从工艺方法、操作工艺参数、搅拌器结构等方面，开展了大量研究工作，以期改善机械搅拌脱硫的动力学条件，进一步提高kr法的脱硫使用性能。
(1)工艺方法改进。中国专利“kr法脱硫罐底吹法”(专利申请号：zl200610124845.7)提供了一种kr法脱硫罐底吹法，是在kr法的基础上，通过布置在罐底的透气砖向罐内吹入高压氮气，促进铁水中脱硫渣的上浮，达到提高脱硫速度与铁水纯净度的目的，但由于底吹气体上浮与脱硫剂卷吸方向相反，不利于脱硫剂达到熔池底部，且缩短了脱硫剂在铁水中的停留时间，在一定程度上限制了反应动力学条件。中国专利“一种铁水复合脱硫方法”(专利申请号：zl200510064272.8)提供了一种铁水复合脱硫方法，采用枪头带十字形叶片搅拌器的旋转喷枪，通过喷枪的喷吹与搅拌器的旋转搅拌，实现同时喷吹与搅拌的复合脱硫。喷吹与搅拌的复合脱硫方式虽改善了脱硫动力学条件，但喷吹系统的高压旋转密封困难，可靠性差，设备投资大，难以满足安全稳定生产的需要，未能推广应用。中国专利“铁水机械搅拌脱硫方法”(公开号：cn101492753a)公开了一种铁水罐偏心搅拌脱硫方法，通过搅拌器偏离铁水罐中心的搅拌，引起搅拌漩涡中心偏离搅拌轴心，遏制了常规kr搅拌脱硫时搅拌中心强制涡流区的形成，使漩涡吸入的脱硫剂偏离搅拌轴心非对称性卷入循环，并通过搅拌器叶片的冲击实现卷入的脱硫剂在铁水中的混合分散，从而有效地改善了铁水机械搅拌脱硫动力学条件，虽然在实际生产中取得了良好的工业性试验效果，但由于偏心搅拌较大的偏心推力，促进了铁水罐车刹车系统的磨损，增大了铁水罐车的维护工质量，给实际推广应用带来困难。
(2)操作工艺参数的改进。国内外多家钢铁企业先后采取提高搅拌器转速的方式进行弥补与改善脱硫动力学条件，例如：川威120吨铁水罐的最高搅拌转速达140转/min；据资料报道，日本多家钢铁企业也采取了提高搅拌器转速的手段改善脱硫动力学条件，设定转速范围为100-150转/min。但由于搅拌设备性能的限制，搅拌转速提高的范围有限，达到的脱硫动力学条件改善效果也十分有限；同时，搅拌转速的提高，使搅拌器磨损加剧，铁水液面上升高，还导致搅拌器使用寿命缩短，铁水罐装载量下降。
(3)搅拌器结构优化。文献“铁水脱硫技术的改进(摘译)，太钢译文，1994，(1)，20-25.”报道，日本住友金属鹿岛制铁所于上世纪90年代率先研究了搅拌器叶轮直径和搅拌叶片形状对脱硫动力学条件的影响，提出了搅拌器叶轮扩径和叶片外凸弧形搅拌面的动力学改进措施，其中，异形搅拌叶片因实际使用中形状维持困难而未推广应用，搅拌器叶轮扩径虽在国内外一些钢铁企业得到应用，但因铁水液面上升高度、搅拌强度与振动大，影响了铁水罐的铁水有效装载量和搅拌器的使用寿命，并因搅拌设备振动大而危机安全生产。中国专利“一种铁水脱硫用搅拌器”(公开号：cn101603111a)公开了一种搅拌叶迎铁面与背铁面均为前倾斜面的三叶搅拌器，通过三叶片前倾结构，增强搅拌卷吸空间与卷吸循环流量，达到改善脱硫动力学条件目的，并使叶片之间的夹角增大到120°，降低叶片之间粘渣速度，不仅方便了粘渣的清理，同时降低了粘渣对叶片搅拌叶片有效作用面积的影响，提高了搅拌强度的稳定性。中国专利“铁水脱硫搅拌器”(公开号：cn201406443y)公开了一种搅拌叶迎铁面为前倾凸形弧面、背铁面为竖直面或前倾面、轴向垂直截面为径向内缩的梯形面的三叶搅拌器，通过搅拌叶的异形结构设计，进一步增大了搅拌叶之间的夹角，强化了搅拌器的剪切分散能力和搅拌脱硫动力学条件的改善效果。中国专利“铁水脱硫用高效混合搅拌器，申请号：zl201710582931.0”公开了一种螺旋叶片搅拌器，其中，搅拌叶的上端面和下端面均为水平平面，搅拌叶的迎铁面和背铁面均为螺旋面，搅拌叶的外侧面为圆台外缘弧面螺旋的螺旋面，通过螺旋叶片结构，强化搅拌轴向流与径向流，达到扩展搅拌混合区域、强化混合分散的目的。由此可见，上述搅拌器结构的改进，主要是通过强化搅拌自由涡流区的混合分散，达到改善铁水机械搅拌脱硫动力学条件的效果，但上述改进措施不能遏制搅拌中心强制涡流区的形成，也不能缩小强制涡流区的体积大小，制约了铁水机械搅拌脱硫动力学条件的显著改善作用。
技术实现要素：
1.发明要解决的技术问题
本发明的目的在于克服现有的kr搅拌方法中脱硫剂在铁水中的卷吸和分散效果不好、改进方法损耗搅拌器的叶片且效果依旧不理想的问题，提供了一种分步式铁水kr搅拌脱硫方法，从底部特定位置喷吹脱硫剂以及控制喷吹氮气，达到提高脱硫效果的目的。
2.技术方案
为达到上述目的，本发明提供的技术方案为：
本发明的一种基于底吹粉剂的铁水机械搅拌脱硫方法，包括以下步骤：
步骤一、对铁水进行扒渣，测量液面深度，并进行测温和取样；
步骤二、将搅拌器插入铁水深处，开始进行旋转；
步骤三、转速提高到工作转速后，将脱硫剂自铁水罐底部喷入铁水；
步骤四、脱硫剂喷吹至规定值后，停止喷吹脱硫剂，改为喷吹氮气；
步骤五、喷吹氮气搅拌至脱硫结束，再次进行扒渣、测温和取样。
作为本发明更进一步地改进，步骤二中，搅拌器插入深度较常规kr法中插入深度增加10％～30％。
作为本发明更进一步地改进，步骤三中，脱硫剂的粒度＜0.1mm，通过安装在铁水罐底部的透气砖喷入铁水。
作为本发明更进一步地改进，所述的透气砖采用狭缝式喷粉透气砖，其安装位置距罐底中心距离为d，0≤d＜l/2，其中l为搅拌器旋转直径长度。
作为本发明更进一步地改进，所述步骤三中喷吹脱硫剂时，喷吹压强为铁水罐底部铁水压强的1.2倍。
作为本发明更进一步地改进，所述步骤四中，氮气的喷吹流量为12～23nm3/h，喷吹压力为0.3～0.8mpa。
作为本发明更进一步地改进，所述步骤三中加入的脱硫剂组分质量百分比为：cao：58～60％、al2o3：12～14％、sio2：3～5％、mgo：10～11％、caf2：2～3％、纯碱：3～4％、k2o：3～5％、na2o：3～4％；所述脱硫剂碾压至粒度＜0.1mm。
作为本发明更进一步地改进，步骤一中扒渣至铁水液面裸露面积达到60％以上；步骤五中，扒渣至铁水液面裸露面积达到80％以上。
3.有益效果
采用本发明提供的技术方案，与已有的公知技术相比，具有如下显著效果：
(1)本发明的一种基于底吹粉剂的铁水机械搅拌脱硫方法，通过底部透气砖喷吹脱硫粉剂，避免了传统顶部加料方式中除尘器抽吸对脱硫剂粒度的限制，脱硫剂粒度可以达到＜0.1mm，提高了脱硫反应热力学条件。
(2)本发明的一种基于底吹粉剂的铁水机械搅拌脱硫方法，底部喷吹形成的喷吹流股，使得搅拌刚性回转体区域出现轴向流动，促进了搅拌器刚性回转体区域的紊流，减少了刚性回转体半径，提高了搅拌器叶片的有效作用长度，进步一步加强了脱硫剂颗粒的“排出”分散，也有效减少了刚性回转体引起的搅拌器叶片之间粘渣严重，进而导致的搅拌性能下降和搅拌器寿命短等问题。
(3)本发明的一种基于底吹粉剂的铁水机械搅拌脱硫方法，底吹原件的偏心布置使得搅拌流场漩涡中心与搅拌器旋转轴心产生偏移，并相互影响，有效地遏制了搅拌过程中流体质点的同心旋转，促进了流体质点的轴向与径向运动，提高了脱硫剂的卷吸下拉力与卷吸深度、延长了脱硫剂颗粒卷吸循环行程、扩展了脱硫剂在铁水中的混合分散区域，有效改善了kr机械搅拌脱硫的动力学条件。
(4)本发明的一种基于底吹粉剂的铁水机械搅拌脱硫方法，由于脱硫剂从底部喷入，使得搅拌器插入深度更深，增大了脱硫剂的上浮形程，有效扩大了熔池搅拌混合分散区域。
附图说明
图1为本发明中搅拌所用装置的正视图；
图2为本发明中搅拌所用装置的俯视图。
示意图中的标号说明：
1、搅拌器；2、铁水罐；3、透气砖。
具体实施方式
为进一步了解本发明的内容，结合附图和实施例对本发明作详细描述。
实施例1
本实施例的一种基于底吹粉剂的铁水机械搅拌脱硫方法，其步骤为：
步骤一、对铁水进行扒渣，扒渣至铁水液面裸露面积达到60％以上，测量液面深度，并进行测温和取样。
步骤二、将搅拌器1插入铁水中，搅拌器1的插入深度较常规kr法中插入深度增加30％，开始进行旋转，其中，搅拌器1为常规叶片结构形式的搅拌器。
步骤三、待搅拌器1转速提高至工作转速后，将脱硫剂自铁水罐2底部喷入铁水中：
具体地，在铁水罐2底部安装一狭缝式喷粉透气砖3，该透气砖3的安装位置距罐底中心距离为d，d＝l/4，其中l为搅拌器1旋转直径长度，参看图1和图2。脱硫剂通过该透气砖3喷入铁水罐2，喷吹压强为铁水罐2底部铁水压强的1.2倍。本实施例中，透气砖3偏心布置，使得搅拌流场漩涡中心与搅拌器1旋转轴心产生偏移，并相互影响，有效地遏制了搅拌过程中流体质点的同心旋转，促进了流体质点的轴向与径向运动，提高了脱硫剂的卷吸下拉力与卷吸深度、延长了脱硫剂颗粒卷吸循环行程、扩展了脱硫剂在铁水中的混合分散区域，有效改善了kr机械搅拌脱硫的动力学条件。
所加的脱硫剂碾压至粒度＜0.1mm，其组分的质量百分比为：cao：60％、al2o3：12％、sio2：5％、mgo：11％、caf2：3％、纯碱：3％、k2o：3％、na2o：3％。其中，al2o3是良好的助熔剂，有利于在较低温度下促进炉渣熔化，快速成渣，能够改善脱硫的动力学条件；少量的na2o，具有强碱性，同铁水中的磷化物结合更为紧密，能够提高炉渣的脱硫能力。
值得说明的是，常规kr铁水机械搅拌脱硫过程中，搅拌器1的旋转形成漩涡，通过铁水罐2上部给料器将脱硫剂投加至铁水液面(为了防止防尘罩的抽吸，脱硫剂粒度必须大于0.1mm)；加入到铁水液面上的脱硫剂在漩涡的卷吸作用下进入铁水，通过搅拌器1的旋转离心力作用进行分散，并在浮升力的作用下进行上浮。通过上述三个过程的循环进行，实现脱硫剂在铁水中的循环卷吸与混合分散，并通过脱硫剂与铁水的接触脱硫反应，完成一罐次铁水的脱硫。相关研究结果表明，搅拌形成的涡流深度与熔池颗粒扩散特性有较强的关联性；只有当搅拌漩涡深度大于搅拌器1叶片端部，脱硫剂颗粒才可以在铁水中实现扩散，即必须将脱硫剂通过漩涡卷吸至叶片之间，依靠叶片的作用才能实现脱硫剂的混合分散。因此，为了使得漩涡深度抵达叶片之间，实际生产中就必须依靠较高的转速加大漩涡深度；同时，搅拌器1插入深度也不能太深，否则不利于漩涡下行至搅拌器1叶片之间。由此可见，常规kr法中较高的搅拌器1转速导致了搅拌能耗高、加剧了搅拌器1的磨损；同时，较浅的搅拌器1插入深度，也使得脱硫剂上浮行程较短、脱硫剂与铁水混合区域小、底部铁水搅拌混合效果差，影响了脱硫效率。
而本实施例通过底部透气砖3喷吹脱硫粉剂，避免了传统顶部加料方式中除尘器抽吸对脱硫剂粒度的限制，脱硫剂粒度可以达到＜0.1mm，提高了脱硫反应热力学条件；且由于脱硫剂从底部喷入，本实施例可以使得搅拌器1插入深度更深，增大了脱硫剂的上浮形程，有效扩大了熔池搅拌混合分散区域。
另外，底部喷吹形成的喷吹流股，使得搅拌刚性回转体区域出现轴向流动，促进了搅拌器1刚性回转体区域的紊流，减少了刚性回转体半径，提高了搅拌器1叶片的有效作用长度，进步一步加强了脱硫剂颗粒的“排出”分散，也有效减少了刚性回转体引起的搅拌器1叶片之间粘渣严重引起的搅拌性能下降和搅拌器1寿命短等问题。
步骤四、脱硫剂喷吹至规定值后，停止喷吹脱硫剂，改为喷吹氮气：
喷吹氮气的压力为0.3～0.8mpa、喷吹流量为12～23nm3/h，控制喷吹压力使铁水液面翻花直径保持在200～300mm之间，小于此范围，调高压力；反之，则调低压力；通过在脱硫剂加完后继续喷吹氮气，促进铁水中脱硫渣的上浮，达到提高脱硫速度与铁水纯净度的目的。
步骤五、喷吹氮气搅拌至脱硫结束，再次进行扒渣，扒至铁水液面裸露面积达到80％以上，并进行测温和取样。
实施例2
本实施例的一种基于底吹粉剂的铁水机械搅拌脱硫方法，其步骤为：
步骤一、对铁水进行扒渣，扒渣至铁水液面裸露面积达到60％以上，测量液面深度，并进行测温和取样；
步骤二、将搅拌器1插入铁水中，搅拌器1的插入深度较常规kr法中插入深度增加10％，开始进行旋转，其中，搅拌器1为常规叶片结构形式的搅拌器；
步骤三、待转速提高至工作转速后，将脱硫剂自铁水罐2底部喷入铁水中；其中，透气砖3安装于罐底中心，脱硫剂的质量百分比组分为：cao：58％、al2o3：14％、sio2：4％、mgo：10％、caf2：2％、纯碱：3.5％、k2o：5％、na2o：3.5％；
步骤四、脱硫剂喷吹至规定值后，停止喷吹脱硫剂，改为喷吹氮气；
步骤五、喷吹氮气搅拌至脱硫结束，再次进行扒渣，扒至铁水液面裸露面积达到80％以上，并进行测温和取样。
实施例3
本实施例的一种基于底吹粉剂的铁水机械搅拌脱硫方法，其步骤为：
步骤一、对铁水进行扒渣，扒渣至铁水液面裸露面积达到60％以上，测量液面深度，并进行测温和取样；
步骤二、将搅拌器1插入铁水中，搅拌器1的插入深度较常规kr法中插入深度增加20％，开始进行旋转，其中，搅拌器1为常规叶片结构形式的搅拌器；
步骤三、待转速提高至工作转速后，将脱硫剂自铁水罐2底部喷入铁水中；其中，透气砖3安装于罐底中心，脱硫剂的质量百分比组分为：cao：59％、al2o3：13％、sio2：3％、mgo：10.5％、caf2：2.5％、纯碱：4％、k2o：4％、na2o：4％；
步骤四、脱硫剂喷吹至规定值后，停止喷吹脱硫剂，改为喷吹氮气；
步骤五、喷吹氮气搅拌至脱硫结束，再次进行扒渣，扒至铁水液面裸露面积达到80％以上，并进行测温和取样。
以上示意性的对本发明及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，附图中所示的也只是本发明的实施方式之一，实际的结构并不局限于此。所以，如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本发明的保护范围。
1.一种基于底吹粉剂的铁水机械搅拌脱硫方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、对铁水进行扒渣，测量液面深度，并进行测温和取样；
步骤二、将搅拌器(1)插入铁水深处，开始进行旋转；
步骤三、转速提高到工作转速后，将脱硫剂自铁水罐(2)底部喷入铁水；
步骤四、脱硫剂喷吹至规定值后，停止喷吹脱硫剂，改为喷吹氮气；
步骤五、喷吹氮气搅拌至脱硫结束，再次进行扒渣、测温和取样。
2.根据权利要求1所述的一种基于底吹粉剂的铁水机械搅拌脱硫方法，其特征在于：步骤二中，搅拌器(1)插入深度较常规kr法中插入深度增加10％～30％。
3.根据权利要求1或2所述的一种基于底吹粉剂的铁水机械搅拌脱硫方法，其特征在于：步骤三中，脱硫剂的粒度＜0.1mm，通过安装在铁水罐(2)底部的透气砖(3)喷入铁水。
4.根据权利要求3所述的一种基于底吹粉剂的铁水机械搅拌脱硫方法，其特征在于：所述的透气砖(3)采用狭缝式喷粉透气砖，其安装位置距罐底中心距离为d，0≤d＜l/2，其中l为搅拌器(1)旋转直径长度。
5.根据权利要求4所述的一种基于底吹粉剂的铁水机械搅拌脱硫方法，其特征在于：所述步骤三中喷吹脱硫剂时，喷吹压强为铁水罐(2)底部铁水压强的1.2倍。
6.根据权利要求5所述的一种基于底吹粉剂的铁水机械搅拌脱硫方法，其特征在于：所述步骤四中，氮气的喷吹流量为12～23nm3/h，喷吹压力为0.3～0.8mpa。
7.根据权利要求6所述的一种基于底吹粉剂的铁水机械搅拌脱硫方法，其特征在于：所述步骤三中加入的脱硫剂，组分的质量百分比为：cao：58～60％、al2o3：12～14％、sio2：3～5％、mgo：10～11％、caf2：2～3％、纯碱：3～4％、k2o：3～5％、na2o：3～4％；所述脱硫剂碾压至粒度＜0.1mm。
8.根据权利要求7所述的一种基于底吹粉剂的铁水机械搅拌脱硫方法，其特征在于：步骤一中扒渣至铁水液面裸露面积达到60％以上；步骤五中，扒渣至铁水液面裸露面积达到80％以上。
技术总结