一種鐵水精煉過程中氣泡細化及其彌散化方法

專利名稱：一種鐵水精煉過程中氣泡細化及其彌散化方法
技術領域：
本發明涉及一種鐵水預處理的方法，尤其涉及一種提高鐵 水精煉反應效率的方法，屬于鋼鐵冶金技術領域。二背景技術：
在金屬精煉領域，經常使用氣體噴吹技術。氣體噴吹法一 般用來混合金屬熔體，包括夾雜物去除在內的金屬精煉以及促進渣和金屬間反 應等。特別是利用噴吹進行金屬精煉的場合，向金屬熔體中噴吹氣體可以有效 增加反應界面的面積。但是，利用氣體噴吹的精煉效率一般都較低。其原因在 于，精煉過程中從少數出氣口噴出大量氣體時，會生成大氣泡并集中于局部地 方，造成氣泡上升速度很大，很快就從金屬熔體中溢出。在化學工業中，為了細化吹入的氣泡，開發了許多精巧的氣體噴吹裝置， 以提高氣液間的接觸效率。然而，在高溫的金屬精煉過程中，由于需要使用耐 火材料，制作形狀復雜的氣體噴吹裝置是困難的。而且，由于精煉過程會造成 耐火材料燒損，引發材料變形。因此，在金屬精煉領域，無法采用化學工業中 經常采用的精巧的氣體噴吹裝置。作為簡單的細化液體中氣泡的方法，機械攪拌經常被采用。但是，由于攪 拌槳的持續攪拌會形成穩定的回旋流，在攪拌槳的周圍形成倒錐狀的漩渦。噴 吹進液體的氣泡會在漩渦附近而無法分散到整個液體中，難以被細化而很快從 液體中溢出造成氣液間的接觸反應，效率低下。因此，在機械攪拌的同時，往 往在容器壁上安裝擋板避免形成穩定的回旋流，通過利用液體中強烈的渦流達 到氣泡細化的目的。但是，在高溫的金屬精煉過程中，擋板的設置和維修將導 致生產費用的大幅增加。由于上述種種弊端，利用機械攪拌的氣體噴吹精煉過程的例子非常少。作 為其中之一的成功例是利用高速旋轉水口的溶鋁的氣體噴吹精煉法，在這種方 法中，強烈的辨切力使從旋轉水口半徑方向噴出的氣體發生細化。而且，由于攪拌槳尺寸不是很大，難以形成強大的回轉流，有利于氣泡在整個金屬熔體中 彌散分布。除此之外，還有在高速攪拌槳上部設置圓板促進氣泡細化的方法。 在這種情況下由于攪拌槳很小，所需要的攪拌動力也很少，氣泡的細化是由于 從旋轉槳上部的圓盤周圍噴出的氣體受到剪斷力的作用所致。另一方面，利用 攪拌槳的正反轉，即可以細化氣泡，還可以抑制液體金屬表面波動，有效防止了氧化物的巻入，獲得了潔凈的A1液。在鐵水精煉領域，利用旋轉的攪拌漿型噴吹裝置，采用正反轉或者旋轉/ 停止的方法提高精煉效率的方法也曾引起重視。但是由于攪拌槳強度問題，無 法進行強烈攪拌，而且由于高溫的緣故，無法達到和鋁液相同的旋轉速度。因 此，為進一步細化氣泡并促進其彌散分布，有必要改善現有技術。
發明內容
1、 發明目的本發明提供了一種鐵水精煉過程中氣泡細化及其彌散化方 法，其目的在于解決鐵水精煉過程中氣泡不能持續的細化和彌散到整個金屬熔 體中，導致精煉反應效率下降、生產成本提高等這方面所存在的問題。2、 技術方案本發明是通過以下技術方案來實現的一種鐵水精煉過程中氣泡細化及其彌散化方法，其特征在于將攪拌槳設 置在偏離容器中心的位置并使其轉動；為防止在攪拌槳周圍形成倒錐狀的漩 渦，將裝有出氣口的噴槍插入鐵水中并噴入氣體，噴出的氣體在攪拌槳周圍受 到強烈的剪切力作用而被破碎細化，而且，由于攪拌槳的偏心攪拌作用，在鐵 水全域內形成回轉流、循環流和渦流，將已經細化的氣泡進一步彌散化，防止 氣泡碰撞長大；通過這種方法，使氣泡在鐵水內的滯留時間延長，提高噴吹氣 體和熔融鐵水的接觸反應效率。一種鐵水精煉過程中氣泡細化及其彌散化方法，其特征在于將攪拌槳設 置在偏離容器中心的位置并使其轉動；為防止在攪拌槳周圍形成倒錐狀的漩 渦，并在中空的攪拌槳下部安裝噴氣水口，噴出的氣體在攪拌槳周圍受到強烈 的剪切力作用而被破碎細化。而且，由于攪拌槳的偏心攪拌作用，在鐵水精煉 爐內形成回轉流、循環流和渦流，將已經細化的氣泡進一步彌散化，防止氣泡 碰撞長大；通過這種方法，使氣泡在鐵水內的滯留時間延長，提高噴吹氣體和熔融鐵水的接觸反應效率。機械攪拌的參數是攪拌槳長為容器直徑的1 / 8 1/2，攪拌槳中心的位置為容器中心1 / 8 3 / 8容器直徑的距離，攪拌槳的旋轉速度為70 200rpm，攪拌漿的插入深度為溶池高度的1/4-3/4。氣體的噴吹流量與攪拌槳的旋轉速度配合使鐵水中的氣泡直徑1 2cm。 為進一步提高金屬熔體特別是攪拌漿下方的氣泡細化和彌散分布效果，采用裝有出氣口的噴槍插入鐵水中噴吹氣體時，噴槍出氣口和攪拌漿中心呈土60°的范圍內，或者噴槍出氣口位于攪拌漿下方。 3、優點及效果(1) 、可以采用單口等簡單的氣體噴吹裝置。(2) 、不在容器壁上設置擋板，氣泡的細化也是可能的。(3) 、由于單向攪拌也可以達到氣泡細化的目的，可以有效降低攪拌動力和 攪拌槳強度。(4) 、由于機械攪拌作用在金屬熔體內形成的回轉流和循環流等復雜的宏觀 流動以及微觀的渦流可以使鐵水中的氣泡細化并使其彌散分布。(5) 、由于氣泡細化和彌散分布，有效抑制了鐵水表面的擾動，即使氣體流 量很大時也可以減少金屬飛濺，從而減少容器的高度。(6) 在金屬精煉過程中采用本方法進行氣泡細化及其彌散化，可以使Mg噴 吹鐵水脫硫、惰性氣體噴吹鋼水脫氣以及夾雜物去除的效率獲得顯著提高。具體實施例方式在以往的氣體噴吹鐵水精煉過程中，無法使氣泡細化和彌散分布造成精煉 效率低下的原因有以下幾個方面。1 )噴吹氣體流量非常大，金屬熔體內生成的氣泡很大。 2) 由于處理溫度非常高，并且使用耐火材料，無法使用復雜精巧的氣體噴 吹裝置。3 )盡管精煉裝置非常龐大氣體噴出口卻很少，生成的大氣泡只存在于金屬 瑢體局部，氣泡上升速度很快導致其在金屬熔體內的滯留時間相應很短。為了使噴吹氣體在整個金屬熔體范圍內彌散分布，需要在金屬熔體內形成 回漩流、循環流和放射流等宏觀流動。為了使分散后的氣泡發生細化，強烈的 微觀渦流是必要的。由于單向機械攪拌所需的攪拌力較少，對攪拌槳的強度要 求也較低，是理想的攪拌方法。但是，如果單向攪拌時不在容器壁上設置擋板， 會在金屬熔體內形成強烈的回漩流，由于離心力和氣液密度差的緣故，氣泡會 向回漩流的中心軸集中。因此，氣泡無法在金屬熔體內彌散分布，也無法細化。 因此，如果采用單向攪拌而不在容器壁上設置擋板，到目前為止是無法使氣泡 細化并均勻地分散于金屬熔體中的。另一方面，通過改變攪拌槳的回轉方式，使之進行正反轉或者轉動/停止 操作，也可以在金屬熔體中形成強烈的微觀渦流而細化氣泡，如果攪拌槳的長 度足夠大，氣泡在金屬熔體內的彌散分布的效果也可能達成。然而，當采用上 述旋轉方式時，需要的攪拌動力很大而且對攪拌槳強度要求也很高，設備費及 其運行費用都會增加，在實際生產中是難以采用。本發明將提出 一種新型高效的噴吹精煉技術。攪拌槳單向旋轉而且不在容 器壁上設置擋板，使吹入鐵水中的氣泡彌散分布并在金屬熔體內彌散分布，從 而延長氣泡在金屬熔體內的滯留時間延長。本發明所涉及的是機械攪拌，攪拌槳并不設置在容器中心部位而偏離中 心。當增加攪拌槳的轉數時，漩渦的形成位置將在攪拌槳周圍以外而非中心位 置。因而在金屬熔體內形成了回轉流、循環流等宏觀流動和渦流等微觀流動。 這種微觀渦流可以促進氣泡細化，宏觀流動可以使細化后的氣泡在金屬熔體內 均勻分布。噴氣方法可以采用在攪拌槳下部設置出氣口或者直接在金屬熔體內設置 噴槍。而且，噴槍的位置應使噴吹氣體可以隨宏觀流動和攪拌槳發生碰撞。大 氣泡在和攪拌槳碰撞以及亂流作用下首先發生分裂。分裂后的氣泡隨著宏觀流 動分散到整個金屬熔體中并在微觀渦流作用下進一步細化。而且，由于氣泡在 金屬熔體內彌散分布可以有效防止氣泡間的碰撞合體長大。氣泡細化和彌散分 布的結果將增加氣泡在金屬熔體內的停留時間。另一方面，不進行氣體噴吹時， 由于攪拌槳的回轉會在金屬熔體內形成漩渦。進行氣體噴吹時，氣體上升的結果使漩渦基本消失。這種氣泡細化和漩渦消失的結果使金屬熔體表面幾乎沒有 擾動，即使氣體流量很大，也可以抑制金屬飛濺。以下為從攪拌槳前端水口進行氣體噴吹的實例。實施例l:當氣體噴吹、無偏心攪拌時，進入液體中的氣體迅速長大并上升。實施例2:當無氣體噴吹、偏心攪拌時，會在液體中偏離中心的位置形成 漩渦。實施例3:當氣體噴吹、中心攪拌時，開始時氣泡被顯著細化并在金屬液 中彌散分布；但經過一段時間后，由于向心力和氣液密度差的原因，氣體全部 被擠向攪拌漿附近并迅速長大上升。實施例4:當氣體噴吹、偏心攪拌時，氣泡始終被顯著細化并彌散分布于 液體中，見實質審査請求書的附件照片1。而且，當攪拌漿浸入深度較淺時， 攪拌槳下部氣體分散效果不明顯，浸入深度應越深越好。實施例5:攪拌槳長為容器直徑的,1/8 1/2，攪拌槳中心的位置為容器中心W8 3/8容器直徑的距離，能夠獲得較好的實施效果，但攪拌槳長為 容器直徑l/4左右、進行氣體噴吹并偏心攪拌時，不僅氣泡始終被顯著細化并 彌散分布于整個金屬熔體中，而且金屬熔體表面也幾乎沒有擾動，不會引起金 屬飛濺，并減少設備材料和生產成本。 以下為從噴槍進行氣體噴吹的實例。實施例6:當通過噴槍向液體中噴氣時，在偏心攪拌形成的漩渦的作用下，氣體被顯著細化并被彌散分布于整個液體中，見實質審查請求書的附件照片2。取得的結果和攪拌槳前端水口進行氣體噴吹時效果相當。實施例7:關于噴槍出氣口和攪拌漿中心呈±60°的范圍內的實驗說明。噴槍出氣口位于攪拌槳的一側，噴槍出氣口與攪拌槳中心和噴槍中心的連線形成一定的角度，脫硫的效果是不一樣的，角度在±60°的范圍內，存在最 佳值。實施例8:噴槍出氣口位于攪拌漿下方的實驗結果，能夠解決攪拌槳下方的氣泡細化及彌散分布，從而進一步提高脫硫效果。實施例9: NaOH水溶液中C02的吸收速度實驗當朝NaOH水溶液中噴吹C02時，分別采用無攪拌、中心攪拌和偏心攪 拌的方法，考察了偏心攪拌前后NaOH水溶液中C02的吸收速度變化。實驗 表明，無攪拌比中心攪拌時，C02的吸收速度快，C02的利用率高；但對溶液 實施偏心攪拌時，C02的吸收速度和co2的利用率可分別提高三倍以上。實施例10:鐵水中Mg脫硫實驗當鐵水中的s濃度較高時，用噴鎂的方法進行鐵水脫硫的效率很高。為說 明機械攪拌情況下氣泡細化對脫硫效果的影響，本實施例對不同S濃度的鐵水 脫硫效果進行了實驗。實驗中，將500kg炭飽和鐵放入MgO坩鍋中，用高頻 感應加熱至140(TC，使之充分溶解。坩鍋直徑約為43cm，鐵水深度為約50 cm。 攪拌漿采用石墨制，除攪拌漿厚度有所增大外，其構造和水模型實驗基本一致。 攪拌漿轉速為120rpm。為了便于比較，也進行了不實施攪拌的脫硫實驗。通 過施加FeS，使S的初始濃度為50ppm。在實驗過程中，鐵水表面覆蓋有石墨 和CaO粉末，防止環境中的氧氣造成脫硫生成物的氧化。作為脫硫劑的Mg 粉和作為輸送氣體的N2—起由攪拌漿前端吹入。鐵水表面距攪拌漿前端的距 離為30 cm。在10分鐘的時間內分別輸入Mg粉50和100 g ， N2流量分別為 2.8和1.1m3/h (1673 K)，總氣體流量為4.5 m3 / h(1673 K)。實驗表明，當S 濃度較低時，氣泡半徑為5cm時，脫硫效率低于10% (使用鎂粉100g， S濃 度降到32ppm)，當氣泡直徑為1 2cm時，脫硫效率可以提高至20 40% (使 用鎂粉50g， S濃度降到7ppm)。
權利要求
1、一種鐵水精煉過程中氣泡細化及其彌散化方法，其特征在于將攪拌槳設置在偏離容器中心的位置并使其轉動；為防止在攪拌槳周圍形成倒錐狀的漩渦，將裝有出氣口的噴槍插入鐵水中并噴入氣體，噴出的氣體在攪拌槳周圍受到強烈的剪切力作用而被破碎細化；而且，由于攪拌槳的偏心攪拌作用，在鐵水全域內形成回轉流、循環流和渦流，將已經細化的氣泡進一步彌散化，防止氣泡碰撞長大；通過這種方法，使氣泡在鐵水內的滯留時間延長，提高噴吹氣體和熔融鐵水的接觸反應效率。
2、 一種鐵水精煉過程中氣泡細化及其彌散化方法，其特征在于將攪拌 槳設置在偏離容器中心的位置并使其轉動；為防止在攪拌槳周圍形成倒錐狀的 漩渦，并在中空的攪拌槳下部安裝噴氣水口，噴出的氣體在攪拌槳周圍受到強 烈的剪切力作用而被破碎細化；而且，由于攪拌槳的偏心攪拌作用，在鐵水全 域內形成回轉流、循環流和渦流，將已經細化的氣泡進一步彌散化，防止氣泡 碰撞長大；通過這種方法，使氣泡在鐵水內的滯留時間延長，提高噴吹氣體和 熔融鐵水的接觸反應效率。
3、 根據權利要求1或2所述的一種鐵水精煉過程中氣泡細化及其彌散化 方法，其特征在于機械攪拌的參數是攪拌槳長為容器直徑的1/8 1/2，攪 拌槳中心的位置為容器中心1 / 8 3 / 8容器直徑的距離，攪拌槳的旋轉速度為 70 200rpm，攪拌漿的插入深度為溶池高度的1/4~3/4。
4、 根據權利要求1或2所述的一種鐵水精煉過程中氣泡細化及其彌散化 方法，其特征在于氣體的噴吹流量與攪拌槳的旋轉速度配合使鐵水中的氣泡 直徑1 2cm。
5、 根據權利要求1所述的一種鐵水精煉過程中氣泡細化及其彌散化方法， 其特征在于噴槍出氣口和攪拌漿中心呈±60°的范圍內。
6、 根據權利要求1所述的一種鐵水精煉過程中氣泡細化及其彌散化方法， 其特征在于噴槍出氣口位于攪拌漿下方。
全文摘要
本發明一種鐵水精煉過程中氣泡細化及其彌散化方法，涉及一種提高鐵水精煉反應效率的方法，屬于鋼鐵冶金技術領域。其特征在于將攪拌槳設置在偏離容器中心的位置，并在中空的攪拌槳下部安裝噴氣水口或使用噴槍插入鐵水中并噴入氣體，噴出的氣體在攪拌槳周圍受到強烈的剪切力作用而被破碎細化，而且，由于攪拌槳的偏心攪拌作用，在鐵水全域內形成回轉流、循環流和渦流，將已經細化的氣泡進一步彌散化，通過這種方法，使氣泡在鐵水內的滯留時間延長，提高噴吹氣體和熔融鐵水的接觸反應效率。本發明的目的在于解決鐵水精煉過程中氣泡不能持續的細化和彌散到整個金屬熔體中，導致精煉反應效率下降、生產成本提高等這方面所存在的問題。
文檔編號C21C7/072GK101245404SQ20081001072
公開日2008年8月20日 申請日期2008年3月21日 優先權日2008年3月21日
發明者丸川雄凈, 佐野正道, 燕 劉, 張廷安, 強 王, 赫冀成 申請人:東北大學