KR法脫硫中攪拌工藝與槳葉尺寸對脫硫劑分散行為的影響

摘要：根據(jù)相似理論，按模型與原型尺寸的1∶5建立鐵水包物理模型，用于進(jìn)行固液兩相流實驗，研究攪拌槳插入深度與轉(zhuǎn)速對鐵水包內(nèi)粒子分散行為的影響；在此基礎(chǔ)上，采用Fluent軟件中的流體體積（VOF）模型與離散相模型（DPM）模擬分析槳葉尺寸對鐵水包流場及脫硫劑分散效果的影響。結(jié)果表明：攪拌槳插入深度為95～125 mm時，隨插入深度的增加，鐵水包底部的粒子數(shù)先增后減；插入深度在105～115 mm區(qū)間粒子分散效果較好。轉(zhuǎn)速為112～180 r/min時，隨轉(zhuǎn)速的增加，鐵水包底部的粒子數(shù)先明顯增多后略有減少；轉(zhuǎn)速大于180 r/min時，底部粒子數(shù)基本不受轉(zhuǎn)速影響，粒子混合效果較好的物理模擬工況為攪拌槳插入深度115 mm、轉(zhuǎn)速147 r/min。旋轉(zhuǎn)槳葉下方存在弱流區(qū)，流場速度低于0.4 m·s?1，增加槳葉直徑，流場整體速度增加，漩渦深度加深，弱流區(qū)有減小趨勢；槳葉直徑超過1 440 mm時，弱流區(qū)基本不變，同時隨槳葉直徑的增加，鐵水包底部區(qū)域脫硫劑含量增加，有利于提高脫硫劑利用率，節(jié)約成本；槳葉直徑為1 540 mm時，攪拌槳上表面中心部分裸露，槳葉直徑過大易出現(xiàn)卷吸空氣的現(xiàn)象，降低鐵的收得率；槳葉距離鐵水包包壁較近，會增大流體對鐵水包壁面的沖刷作用，有損鐵水包的工作壽命。綜合攪拌效果與脫硫劑分散程度，攪拌槳直徑1 440 mm時粒子混合與脫硫劑分散效果較好，攪拌槳槳葉與鐵水包最優(yōu)直徑比為0.401。

關(guān)鍵詞：KR脫硫；脫硫劑；分散行為；槳葉；數(shù)值模擬；硅鋼；新能源

中圖分類號：TF 53文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A doi：10.12415/j.issn.1671?7872.24077

文章編號：1671-7872（2024）04-0457-09

Effect of Stirring Process and Blade Size on Dispersion Behavior of Desulfurizer in KR Desulfurization

CHENG Gong1，CAO Ruihong1，2，LIAO Jianjun2，ZHONG Wei2，LI Minghui1，WANG Haijun1

（1.School of Metallurgical Engineering，Anhui University of Technology，Maanshan 243032，China;2.Silicon Steelamp;Sheet Business Division，Xinyu Iron and Steel Group Co.，Ltd，Xinyu 338001，China）

Abstract：According to the similarity theory，a physical model of molten iron ladle was established at a ratio of 1∶5 between the model and the prototype size，which was used for solid-liquid two-phase flow experiments to study the influence of the insertion depth and speed of the stirring blade on the particle dispersion behavior inside the molten iron ladle.On this basis，the volume of fluid（VOF）model and discrete phase model（DPM）in Fluent software were used to simulate and analyze the influence of blade size on the flow field of hot metal ladle and the dispersion effect of desulfurizer.The results show that when the insertion depth of the impeller is 95–125 mm，with the increase of the insertion depth，the number of particles at the bottom of the ladle increases first and then decreases，and the particle dispersion effect is better in the insertion depth range of 105–115 mm.When the rotational speed is 112–180 r/min，with the increase of rotational speed，the number of particles at the bottom of the ladle increases significantly and then decreases slightly.When the rotational speed is greater than 180 r/min，the number of particles at the bottom is basically not affected by the rotational speed.The physical simulation conditions with better particle mixing effect are the insertion depth of the impeller 115 mm and the rotational speed 147 r/min.There is a weak flow zone below the rotating blade，with a flow velocity below 0.4 m·s?1.With the increase of the blade diameter，the overall velocity of the molten iron increases，the depth of the vortex deepens，and the range of the weak flow zone decreases.When the blade diameter exceeds 1 440 mm，the weak flow zone remains basically unchanged.At the same time，with the increase of blade diameter，the content of desulfurizer in the bottom area of hot metal ladle increases，which is beneficial to improve the utilization rate of desulfurizerand save cost.When the blade diameter is 1 540 mm，the central part of the upper surface of the impeller is exposed，indicating that excessive blade diameter is prone to entrain air and reduce the yield of iron.The blade is close to the wall of the molten iron ladle，which can increase the erosion effect of the fluid on the wall of the molten iron ladle and damage the working life of the molten iron ladle.According to the comprehensive stirring effect and the dispersion degree of desulfurizer，the particle mixing and desulfurization agent dispersion effect are better when the impeller diameter is 1 440 mm，and the optimal diameter ratio between the stirring blade and the molten iron ladle is 0.401.

Keywords：KR desulfurization;desulfurizer;dispersion behavior;blade;numerical simulation;silicon steel;new energy

近年來隨著國家工業(yè)的高速發(fā)展，尤其是新能源汽車、核電、風(fēng)電等清潔性行業(yè)的迅速發(fā)展，對電工鋼（亦稱硅鋼片）品質(zhì)提出了更高的要求。硫作為電工鋼中的有害元素，不僅會引起鋼的熱脆現(xiàn)象，降低鋼的機械性能，還會影響電工鋼的磁性能。目前在硅鋼生產(chǎn)中廣泛應(yīng)用的脫硫工藝為復(fù)合噴吹法和KR機械攪拌法[?]。與復(fù)合噴吹法相比，KR攪拌脫硫法因操作簡單，且在深脫硫和脫硫穩(wěn)定性、經(jīng)濟性以及脫硫反應(yīng)動力學(xué)等方面有顯著優(yōu)勢，逐漸成為現(xiàn)代化鋼鐵企業(yè)的主流脫硫工藝[?]。抽樣發(fā)現(xiàn)，部分鋼廠KR鐵水預(yù)處理脫硫站扒渣渣樣中自由CaO質(zhì)量分?jǐn)?shù)高達(dá)70%，而脫硫劑中原始CaO質(zhì)量分?jǐn)?shù)為78%，KR鐵水預(yù)處理過程中脫硫劑利用率低，未能有效發(fā)揮脫硫作用。因此，優(yōu)化KR工藝脫硫效果對于提高硅鋼產(chǎn)品性能，進(jìn)而促進(jìn)新能源技術(shù)的發(fā)展具有重要意義。

KR攪拌脫硫法是將外襯耐火材料經(jīng)攪拌器浸入鐵水包液面以下一定深度，通過持續(xù)旋轉(zhuǎn)在鐵水液面形成凹形旋渦，借其旋渦將加入鐵水表面的脫硫劑卷入鐵水中進(jìn)行固液脫硫反應(yīng)，達(dá)到鐵水脫硫的目的。脫硫劑在鐵水中的分散行為和混勻效果直接影響KR的脫硫效果，工業(yè)現(xiàn)場鐵水脫硫過程是在不可見的鐵水包中進(jìn)行的，難以直觀有效地對包內(nèi)鐵水流場和脫硫劑的分散情況進(jìn)行監(jiān)測?]。因此，冶金學(xué)者采用多相流模型、歐拉模型與離散相模型（discrete phase model，DPM）等模擬方法優(yōu)化KR脫硫工藝，提高脫硫效果。He等采用DPM研究發(fā)現(xiàn)，攪拌槳偏心100 mm時，鐵水包底部脫硫劑的質(zhì)量分?jǐn)?shù)提高0.9%：賈舒淵等[?]通過Fluent軟件模擬分析槳葉葉數(shù)與層數(shù)對鐵水包底部脫硫劑含量的影響，結(jié)果表明與傳統(tǒng)四葉槳相比，雙層三葉槳可使鐵水包底部脫硫劑的質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加172.41%；Ji等采用歐拉模型模擬發(fā)現(xiàn)，變速攪拌方式可改善鐵水流場和脫硫劑的分散效果；Xiao等采用RNGκ–ε湍流模型模擬發(fā)現(xiàn)偏心攪拌有利于脫硫；孫貞貞等]通過多重參考系法（multiple referenceframe，MRF）模擬發(fā)現(xiàn)，攪拌槳偏心可改善柱狀回轉(zhuǎn)區(qū)和弱流區(qū)范圍，但偏心距離過大會導(dǎo)致攪拌效果變差；王睿之等采用三維非穩(wěn)態(tài)數(shù)值模型模擬發(fā)現(xiàn)，在槳葉底部設(shè)計噴嘴有利于提高包內(nèi)脫硫劑的分散度，且隨噴嘴數(shù)量的增加鐵水混勻更快；閔昌飛等采用流體體積（volume of fluid，VOF）多相流模型模擬發(fā)現(xiàn)，在鐵水包內(nèi)加設(shè)擋板可擴大脫硫劑的分散區(qū)域；此外，松井章敏等]、趙艷宇等模擬發(fā)現(xiàn)，鐵水包底部傾斜可減少底部弱流區(qū)占比。現(xiàn)有研究成果對KR脫硫效果的提升起到了一定的作用，但多采用單一的數(shù)值模擬方法，槳葉與鐵水包的結(jié)構(gòu)設(shè)計比較復(fù)雜，模擬研究成果難以運用到脫硫生產(chǎn)實踐中。在現(xiàn)場生產(chǎn)中槳葉直徑便于修改，且槳葉直徑對KR脫硫劑的分散有一定影響，有必要在數(shù)值模擬的基礎(chǔ)上結(jié)合物理模擬方法對槳葉尺寸進(jìn)行優(yōu)化研究。為此，結(jié)合某鋼廠KR脫硫生產(chǎn)實際，采用物理和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，研究攪拌工藝（攪拌槳插入深度、攪拌轉(zhuǎn)速）與攪拌槳槳葉尺寸對KR脫硫過程中脫硫劑分散行為的影響，以期為脫硫劑的高效利用、鐵水脫硫劑單耗降低提供數(shù)據(jù)參考。

1物理模擬與數(shù)值模擬

某鋼廠鐵水包示意圖如，鐵水包為倒圓臺型，上大下小，整體高度為Hladle，上頂面、下底面的直徑分別為Dt，Db；初始液面高度為Hs，槳葉插入深度Hin為槳葉上表面到初始液面的距離。攪拌槳為常規(guī)四葉槳，槳葉結(jié)構(gòu)如（b），上大下小，上下表面直徑分別為dt，db，槳葉高度為h，這種結(jié)構(gòu)可加強流體軸向流動，也有利于減少攪拌槳槳葉附近的結(jié)渣。鐵水包和攪拌槳原型尺寸及物性參數(shù)如。

1.1物理模擬

1.1.1相似原理

根據(jù)相似理論，按模型與原型尺寸的1∶5建立鐵水包物理模型，用于進(jìn)行固液兩相流實驗，考察鐵水包底部1/3區(qū)域脫硫劑的分散情況。采用有機玻璃材質(zhì)制作的罐體和攪拌槳代替原型鐵水包和攪拌槳，高溫下鐵水的運動黏度與常溫下水的運動黏度相近，用水代替鐵水。物理模型如。

為使物理模擬結(jié)果能夠放大到原型，在保證幾何相似的基礎(chǔ)上，需保證動力相似，即保證修訂后的弗勞德數(shù)（Fr）相等：

式中：下標(biāo)m和p分別表示鐵水包模型和原型；g為重力加速度；L為鐵水包直徑；P為攪拌功率；r為攪拌槳半徑；d為攪拌槳直徑；K為功率系數(shù)；ρ為流體密度。

由鐵水包模型與原型之比λ=型攪拌功率關(guān)系：

1.1.2實驗過程

根據(jù)以上相似原理，結(jié)合鋼廠實際生產(chǎn)工況，設(shè)計物理實驗中攪拌槳插入深度Hin和轉(zhuǎn)速n，如。

經(jīng)相似比換算得到物理模型攪拌槳上下表面直徑dt，db分別為268，248 mm。為直觀表征攪拌槳旋轉(zhuǎn)過程中塑料粒子的分散行為與固液混合效果，用高速攝像機對鐵水包固液兩相流的實驗過程進(jìn)行拍照，取固定區(qū)域內(nèi)粒子數(shù)量作為分析依據(jù)。實驗過程中待漩渦穩(wěn)定，從鐵水包Dt/4處加入1 000顆塑料粒子，選定基準(zhǔn)線以下的區(qū)域統(tǒng)計粒子數(shù)量，定義該區(qū)域為Ⅲ區(qū)?；鶞?zhǔn)線距離初始液面280 mm，且基準(zhǔn)線始終保持不變。采用Image–Pro Plus軟件統(tǒng)計分析拍攝的塑料粒子分布與數(shù)量，其流程示意圖如。為減小實驗誤差，截取每個流場視頻10個不同時刻的圖片進(jìn)行統(tǒng)計，取其平均值為最終粒子的數(shù)量。

1.2數(shù)值模擬

1.2.1控制方程

鐵水包內(nèi)的鐵水流動屬于湍流流動，為使數(shù)值模擬過程符合實際情況且提高計算效率，對模擬現(xiàn)象進(jìn)行以下基本假設(shè)：

1）將鐵水視為不可壓縮黏性牛頓流體，密度、黏度等各相物性恒定；

2）忽略鐵水與外面?zhèn)鳠峒霸鼘﹁F水流動和溫度狀態(tài)的影響；

3）脫硫劑的粒度一致，為球形顆粒，采用隨機運動模型描述湍流中粒子的軌跡與停留位置。

在上述假設(shè)的基礎(chǔ)上建立1∶1的鐵水包模型，采用Fluent軟件模擬分析不同槳葉尺寸下鐵水流場流速分布與脫硫劑的分散行為。模擬用攪拌槳的槳葉直徑為在原型攪拌槳槳葉直徑的基礎(chǔ)上減小100 mm和增大100，200 mm，具體如。

采用VOF多相流模型中的隱式分離法描述攪拌過程中鐵水的流動情況；采用滑移網(wǎng)格法（slidingmesh，SM）描述槳葉旋轉(zhuǎn)情況；采用DPM描述脫硫劑的分散行為。求解的控制方程包括動量方程、VOF多相流模型以及標(biāo)準(zhǔn)的κ–ε雙方程模型。

動量方程：

（ρu）+Δ（ρuu）=?Δp+Δ[μ（Δu+ΔuT）]+ρg+F（3）

式中：ρ為混合相的密度；u為運動速度；μ為混合相的黏度；p為壓強；F為源項。

VOF多相流模型：

?t（φqρq）+Δ（φqρquq）=0（4）

φq=1（5）

式中：φq為第q相的體積分?jǐn)?shù)；uq為第q相的速度；ρq為第q相的密度；t為時間；m為連續(xù)相的總數(shù)。

湍動能κ方程：

湍動能耗散率ε方程：

φlρl+=φl（μ++φlC1εGκ?φlC2ερl

其中Gκ為湍動能源項，對應(yīng)表達(dá)式為

Gκ=uκ（+）（8）

式中：φl為鐵水的體積分?jǐn)?shù)；ui，uj分別為i，j方向的速度；xi，xj分別為i，j方向的坐標(biāo)；μκ為湍流黏度；C1ε=1.44，C2ε=1.92為κ–ε模型中的經(jīng)驗常數(shù)。

設(shè)脫硫劑為離散相，其運動受牛頓第二定律控制，方程式為

m1=F1+Fg+F2+Fp+F3（9）

式中：ml為離散相的質(zhì)量；F1，F(xiàn)g，F(xiàn)2，F(xiàn)p與F3分別為曳力、重力、浮力、壓力梯度力和虛擬質(zhì)量力。

1.2.2網(wǎng)格劃分與邊界條件

計算域分為旋轉(zhuǎn)區(qū)域和靜止區(qū)域兩部分，使用四面體網(wǎng)格對旋轉(zhuǎn)區(qū)域網(wǎng)格進(jìn)行劃分；為提高計算精度，使用六面體與多面體網(wǎng)格相結(jié)合的形式對靜止區(qū)域網(wǎng)格進(jìn)行劃分。靜止區(qū)域網(wǎng)格約32萬個，旋轉(zhuǎn)區(qū)域網(wǎng)格約19萬個，網(wǎng)格模型如。2個區(qū)域通過交界面（interface）進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。將鐵水包上頂面視為壓力出口邊界，鐵水包壁面、底部、攪拌軸及槳葉視為無滑移壁面，采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)處理，采用PISO（pressure implicit with splitting of operators，PISO）算法對壓力–速度進(jìn)行耦合求解。對于動量和湍流模型方程，采用二階迎風(fēng)格式，設(shè)時間步長為0.01 s，殘差收斂標(biāo)準(zhǔn)為各項均小于0.001，脫硫劑自鐵水包上表面Dt/4處加入。

1.2.3模擬驗證

為驗證本文數(shù)值模擬方法的的可靠性，比較攪拌槳插入深度115 mm、轉(zhuǎn)速為147，157 r/min時攪拌穩(wěn)定后漩渦參數(shù)的數(shù)值模擬與水模型實驗結(jié)果，如。

由圖5可見：數(shù)值模擬和水模型實驗?zāi)M的氣液兩相交界面吻合度較好，形成的漩渦深度、渦底位置和形狀基本一致；轉(zhuǎn)速從147 r/min提高至157 r/min時，漩渦深度有所增加，漩渦底部位置沿槳葉中心向下移動，數(shù)值模擬變化的幅度與水模型實驗?zāi)M的幅度基本相同，由此進(jìn)一步證明本文數(shù)值模擬方法的合理性與可靠性。

2結(jié)果與討論

2.1攪拌槳插入深度與轉(zhuǎn)速對粒子分散行為的影響

從鐵水包上方Dt/4處加入粒子發(fā)現(xiàn)，隨攪拌時間的延長，塑料粒子在鐵水包中的分散過程分為團(tuán)聚、卷入、下沉和動態(tài)平衡4個階段。團(tuán)聚階段指粒子剛加入鐵水包，整體作為連續(xù)相隨漩渦轉(zhuǎn)動，沒有或者少量粒子開始被卷入；卷入階段指粒子開始擴散，受攪拌槳卷吸，從液面位置開始向流體中分散，形成離散相；下沉階段指大部分粒子被漩渦集中在攪拌槳軸附近，受到槳葉徑向剪切力作用，粒子向攪拌槳下端下沉，擴散至鐵水包下半?yún)^(qū)域；動態(tài)平衡階段指粒子作為分散相與流體基本平衡，粒子的下沉和上浮保持平衡，隨攪拌時間的延長，流體中粒子的占比維持1個相對穩(wěn)定的范圍。以攪拌槳插入深度115 mm、轉(zhuǎn)速147 r/min工況為例，展示塑料粒子在鐵水包中的分散演變過程，如。從看出：攪拌槳開始旋轉(zhuǎn)后，前2 s時段內(nèi)粒子的分散處于團(tuán)聚階段；gt;2～4 s時粒子逐漸被卷入流體中，處于卷入階段；gt;4～13 s時粒子加速分散向包底運動，處于下沉階段；13 s后包底粒子基本不變，為動態(tài)平衡階段。

改變攪拌槳插入深度與轉(zhuǎn)速，待鐵水包內(nèi)粒子分散達(dá)到動態(tài)平衡階段后，統(tǒng)計鐵水包內(nèi)Ⅲ區(qū)粒子數(shù)量，結(jié)果如。

由圖7（a）可知：攪拌槳同一插入深度下，轉(zhuǎn)速在112～157 r/min時，隨轉(zhuǎn)速的不斷增加，鐵水包底部的粒子數(shù)量不斷增多，這是因為轉(zhuǎn)速的增加導(dǎo)致攪拌槳徑向剪切力增大，可快速將槳葉附近的流體排開，加快鐵水包內(nèi)流場上下環(huán)流循環(huán)，流場卷吸能力增強，可將更多的粒子帶入鐵水包底部；轉(zhuǎn)速超過157 r/min時，隨轉(zhuǎn)速的增加，鐵水包底部的粒子數(shù)量有減少趨勢；轉(zhuǎn)速達(dá)到180 r/min后，鐵水包底部的粒子數(shù)量基本不變或少量減少。分析認(rèn)為，轉(zhuǎn)速過大，一方面槳葉附近流體湍動能增加，流速增大，鐵水包底部流體循環(huán)加快，部分粒子被重新帶回槳葉附近；另一方面，攪拌槳向心力增大，更多的粒子被吸附在攪拌軸附近，形成團(tuán)聚現(xiàn)象，難以分散。

由圖7（b）可知：攪拌槳同一轉(zhuǎn)速下，插入深度小于95 mm時，鐵水包底部的粒子數(shù)量較少且基本不變；插入深度在95～115 mm時，鐵水包底部的粒子數(shù)量隨插入深度的增加而增加，且插入深度在105～115 mm區(qū)間時效果較好；插入深度大于115 mm時，鐵水包底部的粒子數(shù)量開始減少或基本不變。這是因為在一定插入范圍內(nèi)，隨插入深度的增加，可形成更深的漩渦，更多的粒子被卷入鐵水包底部，但插入深度過大，流體湍動能在槳葉附近最大，難以更好地帶動液面流動，流場卷吸能力下降，粒子集中在液面中心處。綜上所述，粒子混合效果最好的攪拌槳工況為插入深度115 mm、轉(zhuǎn)速147 r/min。

2.2攪拌槳尺寸對鐵水速度場分布和脫硫劑分散行為的影響

KR脫硫過程具有不可見性與復(fù)雜性的特點，基于動力學(xué)條件考慮，參考2.1分析的結(jié)果，選取攪拌槳插入深度575 mm、轉(zhuǎn)速70 r/min工況，模擬分析攪拌槳尺寸對鐵水包內(nèi)鐵水的漩渦、速度場和脫硫劑分散行為的影響。

2.2.1流場速度分布

流體速度是固液兩相混合的主要動力，弄清槳葉旋轉(zhuǎn)如何影響鐵水包內(nèi)的鐵水運動，有利于設(shè)計優(yōu)化槳葉結(jié)構(gòu)。不同槳葉尺寸下鐵水包流場軸向切面速度分布如圖8。

由圖8可看出：鐵水包內(nèi)鐵水流速在槳葉附近最大，從槳葉位置沿軸向與徑向遞減，尤其是在槳葉下方區(qū)域鐵水流速最小，低于0.4 m·s?1，這是因為鐵水隨槳葉轉(zhuǎn)動，在槳葉下方形成回旋區(qū)，導(dǎo)致鐵水包底部中心位置鐵水流速較慢，形成弱流區(qū)，也是固液反應(yīng)困難的“死區(qū)”；與1號槳相比，2號槳（原型）攪拌下鐵水包內(nèi)鐵水的整體流速有所增加，槳葉下方弱流區(qū)較小，且漩渦深度明顯增加；結(jié)合（c），（d）可看出，隨槳葉直徑的增加，鐵水包內(nèi)鐵水的整體流速分布變化較小，但呈增長趨勢，槳葉下方弱流區(qū)逐漸減小，這是因為槳葉直徑增加可擴展槳葉間的卷吸空間，增強鐵水的軸向與徑向運動，同時漩渦深度與面積也隨槳葉直徑的增加而加大，較大的漩渦面積與與較深的漩渦有利于脫硫劑的卷吸；與3號槳相比，4號槳的弱流區(qū)明顯差異較小，弱流區(qū)減小幅度變小，槳葉直徑的繼續(xù)增加對弱流區(qū)的優(yōu)化效果減弱，槳葉存在最佳的直徑參數(shù)；4號槳工況下，漩渦渦心位置接近攪拌槳下表面，容易出現(xiàn)氣體卷吸現(xiàn)象，降低鐵的收得率。

為進(jìn)一步定量比較槳葉尺寸對鐵水速度場的影響，監(jiān)測統(tǒng)計鐵水包內(nèi)鐵水軸向（Y）和徑向（X）速度，結(jié)果如。線X是距離鐵水包下底面800 mm的水平線，線Y是距離鐵水包軸向中心線1 400 mm的垂線。

由圖9（a）可看出：鐵水徑向流速幾乎沿攪拌軸中心線呈對稱分布，且槳葉附近鐵水流速大于中心和包壁附近；隨槳葉直徑增加，線X相同位置處鐵水流速增加，但增加幅度不同，與2號槳相比，3號槳的鐵水流速略有增加，槳葉下方的鐵水流速最小，幾乎為零；但隨槳葉直徑的增加，槳葉下方的鐵水流速也有增加趨勢，說明槳葉直徑的增加有利于縮小弱流區(qū)。

由圖9（b）可看出：線Y上的鐵水流速隨Y值的增加先減后增，在1 650～2 650 mm處為較低流速范圍，該高度位于槳葉附近，說明槳葉轉(zhuǎn)動時，槳葉附近的鐵水流場存在上下環(huán)流，且環(huán)流渦心處在槳葉附近，導(dǎo)致槳葉附近鐵水速度減弱；4號槳工況下，槳葉附近的鐵水流速減小趨勢較大，說明槳葉直徑過大，槳葉同包壁距離減小，影響槳葉附近鐵水流場，使環(huán)流渦心向包壁靠近；隨槳葉直徑增加，相應(yīng)監(jiān)測點的鐵水流速明顯增加，2號槳與3號槳差異不大，但槳葉直徑增加至4號槳時，鐵水流速變化較大，說明在2號槳（原型）的基礎(chǔ)上增加槳葉直徑可提高鐵水流速，加快流體循環(huán)，促進(jìn)鐵水更好地進(jìn)行傳質(zhì)運動，有利于脫硫劑的下沉運動。

2.2.2脫硫劑分散行為

鐵水包底部脫硫劑的分布是影響鐵水脫硫效果的主要因素之一，研究脫硫劑的分散行為有利于改善鐵水脫硫效果，提高脫硫劑的利用率。以1號槳為例分析攪拌過程中脫硫劑在鐵水中的分散行為，其脫硫劑分散隨時間變化的過程如。

由圖10可看出：4 s時從鐵水液面處加入脫硫劑，初始加入的脫硫劑顆粒作為連續(xù)相存在氣液交界面，少量被卷入鐵水；受攪拌的作用，被卷入的顆粒逐漸增多，部分開始下沉至鐵水包底部，最后達(dá)到動態(tài)平衡；12，14 s時脫硫劑分散狀態(tài)基本不變，說明脫硫劑與鐵水整體達(dá)到動態(tài)平衡，該結(jié)果與示的物理模擬結(jié)果基本一致；脫硫劑與鐵水動態(tài)平衡后，鐵水包上部區(qū)域仍存在大量粒子，底部約1/3區(qū)域粒子數(shù)量較少，該區(qū)域脫硫效果較差，這也是工業(yè)生產(chǎn)中脫硫劑利用率較低的原因之一。

為進(jìn)一步比較槳葉尺寸對脫硫劑顆粒分布的影響，以Y=1 525，2 625 mm平面為分界面將鐵水包計算域分為3個區(qū)域，分別對應(yīng)的區(qū)域A，B，C，統(tǒng)計不同槳葉尺寸下不同區(qū)域的顆粒分布，結(jié)果

由圖11可看出：區(qū)域C的顆粒占比隨槳葉直徑的增加逐漸增加，2號槳、3號槳和4號槳對應(yīng)區(qū)域C中顆粒占比分別為3.83%，4.90%，6.50%。說明槳葉直徑的增加有利于脫硫劑顆粒下沉運動，動態(tài)平衡階段有更多的顆粒在鐵水包底部，固液混合效果更好，有利于促進(jìn)脫硫劑顆粒與鐵水的反應(yīng)。4號槳在鐵水包流場速度和粒子分散方面均表現(xiàn)優(yōu)異，鐵水包流場整體速度更大，更多的脫硫劑顆粒達(dá)到鐵水包底部。但該工況下，鐵水漩渦太深，存在卷氣現(xiàn)象，且槳葉距離包壁過近，旋轉(zhuǎn)過程中加大了鐵水對鐵水包壁面的沖刷，對鐵水包的工作壽命不利。可見3號槳尺寸更適合鋼廠使用，攪拌槳槳葉與鐵水包最優(yōu)直徑比為0.401。

3結(jié)論

采用物理模擬與數(shù)值模擬相結(jié)合的方法對鋼廠KR脫硫過程進(jìn)行模擬，實驗研究攪拌工藝（攪拌槳插入深度與轉(zhuǎn)速）對粒子分散行為的影響，模擬分析攪拌槳尺寸對鐵水包流場及脫硫劑分散效果的影響，得到以下主要結(jié)論：

1）粒子在流體中的分散過程分為團(tuán)聚、卷入、下沉和動態(tài)平衡4個階段：團(tuán)聚階段粒子作為連續(xù)相存在氣液相交界處，聚集成團(tuán)；卷入階段粒子受漩渦作用向下分散，形成離散相；下沉階段粒子集中在攪拌槳軸處，向攪拌槳下端下沉；動態(tài)平衡階段粒子作為分散相與流體基本平衡，且隨攪拌時間的增加，流體中的粒子占比維持在一個相對穩(wěn)定的范圍。

2）攪拌槳插入深度與轉(zhuǎn)速對粒子的分散行為有顯著影響。插入深度在95～125 mm時，隨插入深度的增加，鐵水包底部的粒子先增后減，混合效果較好的插入深度區(qū)間為105～115 mm。轉(zhuǎn)速在112～180 r/min時，隨轉(zhuǎn)速的增加，鐵水包底部的粒子明顯增多；轉(zhuǎn)速大于157 r/min，底部粒子數(shù)量逐漸減少；轉(zhuǎn)速超過180 r/min，底部粒子數(shù)量基本不變，受轉(zhuǎn)速的影響較小。物理模擬中混合效果較好的工況為攪拌槳插入深度115 mm、轉(zhuǎn)速147 r/min。

3）槳葉直徑的增加可減小攪拌槳下方弱流區(qū)范圍，有利于更多的脫硫劑到達(dá)鐵水包底部，促進(jìn)固液反應(yīng)，提高脫硫劑利用率，降低脫硫單耗。但槳葉直徑過大，會導(dǎo)致漩渦深度較深，出現(xiàn)卷吸空氣的現(xiàn)象，影響鐵的收得率；同時槳葉與鐵水包包壁距離較近，增大了鐵水對壁面的沖刷，會縮短鐵水包的工作壽命。3號槳的脫硫劑混勻效果較好，更適合鋼廠使用，攪拌槳槳葉與鐵水包最優(yōu)直徑比為0.401。

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