新型喷气机械搅拌炉外铁水原位脱硫的基础研究

课题在综合分析KR法和颗粒镁喷吹法的基础上，提出了喷气机械搅拌铁水炉外原位脱硫的新思路，即以MgO基（或白云石基）脱硫剂取代金属镁，在铁水中原位生成金属镁蒸汽，在惰性气体的带动下喷吹进入铁水熔池，并采用新型喷气机械搅拌装置细化和分散镁蒸汽气泡，从而达到提高镁脱硫效率和镁利用率的目的。围绕新的思路，在水模型实验中，采用片光源、图像处理和因次分析方法，研究搅拌桨桨型、搅拌模式、搅拌速度、喷气方式、喷嘴浸入深度等因素对气泡微细化和分散规律，建立气泡尺寸与各种因素的准数方程，探索高温喷气搅拌气泡微细化的方法；采用差热分析技术、元素分析、高温试验等手段，研究氧化镁基脱硫剂在高温铁水中原位反应产生镁蒸汽的热力学和动力学规律，以及新型脱硫剂原位脱硫的规律以及脱硫渣的组成、结构等；为新型喷气机械搅拌原位脱硫新方法提供科学和实验依据，利用我国丰富镁资源，提高我国钢材品质。

课题在综合分析KR 法和颗粒镁喷吹法的基础上，提出了喷气机械搅拌铁水炉外原位脱硫的新思路，即以MgO 基（或白云石基）脱硫剂取代金属镁，在铁水中原位生成镁蒸汽，在惰性气体的带动下喷吹进入铁水熔池，并采用新型喷气机械搅拌装置细化和分散镁蒸汽气泡，从而达到提高镁脱硫效率和镁利用率的目的。围绕新的思路，在水模型实验中，采用图像处理、吸收速率、数值模拟、功率测量及因次分析等方法，研究搅拌桨桨型、搅拌模式、搅拌速度、喷气方式、喷嘴浸入深度等因素对气泡微细化和分散规律，建立了气泡尺寸与各种因素的准数方程，探索高温喷气搅拌气泡微细化的方法；采用差热分析技术、元素分析、高温实验等手段，研究氧化镁基脱硫剂在高温铁水中原位反应产生镁蒸汽的热力学和动力学规律，以及新型脱硫剂原位脱硫的规律以及脱硫渣的组成、结构等；为新型喷气机械搅拌原位脱硫新方法提供科学和实验依据，同时应用商业CFD软件就新型搅拌桨对气泡的分散性的影响进行了数值模拟。数值模拟采用非稳态SM法结合欧拉多相模型和两相湍流模型，研究了喷气搅拌熔池内的气液两相流分布，液体速度，湍动能，功率等影响因素。并将结果与水模型实验结果对比，模拟结果与实验结果一致的基础上，得到以下结论：新型搅拌桨可以取得更好的气泡微细化效果，同时可以降低能耗；桨叶上加圆盘可以削弱桨叶上部的切向流，因此可以相应地增加气泡的停留时间以及气泡的分散范围；随着偏心度的增加，溶池内部气体分布范围也会相应增加，增大偏心度有利于溶池内部的气泡微细化效果。物理模拟的结果表明：新型搅拌桨可以实现最优化的气泡微细化效果同时达到最高的容积传质系数及二氧化碳气体利用率并且实现最低的功率消耗。5kg铁水脱硫实验表明，喷吹的实验结果优于投料和喷粉，脱硫率随着脱硫剂的用量的增加，配比中还原剂含量的增大以及初始硫含量的升高而增大，表面添加一定的CaO能有效的抑制回硫和提高脱硫率；在1t中频感应炉内进行的铁水炉外机械搅拌原位脱硫中试试验结果表明：使用该技术可有效降低铁水中的硫含量，喷吹+搅拌实验效果优于直接投放和只喷吹实验效果，在一定的预处理条件下，铁水中的硫含量可降至100ppm以下（最低22ppm），最大脱硫率为94.5%，镁蒸汽利用率可达80%以上，完全符合国家炼钢技术规程对入炉铁水硫含量的要求，部分结果达到了深脱硫的标准，优于目前钢铁企业铁水脱硫预处理的技术水平。