[发明专利]铁水KR搅拌脱硫装置与搅拌工艺协同优化设计方法

权利要求书

1.一种铁水KR搅拌脱硫装置与搅拌工艺协同优化方法，其特征在于：包括以下步骤：

1)根据转炉炼钢容量，确定铁水罐铁水额定装载量W、铁水罐平均直径D、铁水深度H和铁水罐自由空间高度h；

2)五个设计参数协同优化计算范围设定为

(1)搅拌器插入深度F为：F＝(0.4～0.6)×H

(2)搅拌器转速N为：60～150rpm

(3)搅拌器叶轮直径d为：d＝(0.34～0.42)×D

(4)搅拌器叶片有效高度b为：b＝(0.55～0.75)×d

(5)搅拌器叶片数量n_p为3～4片；

3)搅拌漩涡深度ΔH₁和漩涡液面涌起高度ΔH₂动力学条件过程参数的计算

具体计算过程如下：

根据的公式(1)～公式(5)，计算不同搅拌装置结构参数与搅拌工艺参数组合条件下的搅拌漩涡深度ΔH₁和搅拌漩涡面涌起高度ΔH₂；

式中：D为铁水罐的平均直径，N为搅拌器转速，b为搅拌器叶片有效高度，d为搅拌器叶轮直径，y为刚性回转体和容器半径之比，r_c为刚性回转体半径，Re为雷诺数，g为重力加速度，μ为液体粘度，n_p为叶片个数，n_p为3个或4个，ρ为液体密度；

4)旋涡面与搅拌器叶片上表面相交圆半径r_b动力学条件过程参数的计算

具体计算过程如下：

根据搅拌自由涡流区漩涡液面方程(6)，选取Z坐标值为Z₀+b代入方程(6)，获得旋涡面r坐标值r_b的计算方程(7)，采用公式(7)计算不同搅拌装置结构参数与搅拌工艺参数组合条件下的r_b；

式中：Z为自由涡流区漩涡液面方程的纵坐标，Z₀为漩涡最低点0点的纵坐标值，ω为搅拌角速度，r为自由涡流区漩涡液面方程的径向坐标，r_c刚性回转体半径；

其中，当Re≥10³～10⁴时，搅拌流动处于第二自模拟区的湍流状态，r_c与r_s存在公式(8)的近似关系；

式中：r_s为搅拌叶片半径(m)，即：r_s＝d/2

式中：D为铁水罐的平均直径，N为搅拌器转速，b为搅拌器叶片有效高度，d为搅拌器叶轮直径，y为刚性回转体和容器半径之比，r_c为刚性回转体半径，Re为雷诺数，g为重力加速度，μ为液体粘度，n_p为叶片个数，n_p为3个或4个，ρ为液体密度；

5)搅拌混合特性优化准则建立

(1)旋涡面与搅拌器叶片上表面相交圆半径r_b的优化准则为r_c≤r_b＜r_s；

(2)搅拌漩涡深度ΔH₁和搅拌漩涡面涌起高度△H₂优化准则为：ΔH₁/H比值≤0.9、ΔH₁/F≥1.1和h≮ΔH₂+0.5m；

(3)对于铁水罐额定转载量W≤200t的铁水罐，搅拌器叶片数量n_p为3片，对于铁水罐额定转载量W＞200t的铁水罐，搅拌器叶片数量n_p为4片；

6)搅拌装置结构参数与工艺参数协同计算

根据步骤3)和步骤4)的计算以及步骤1)中的额定铁水量和铁水罐相关结构参数，根据步骤2)中五个设计参数的计算范围设定，通过其中1个参数变化，其它4个参数固定不变，计算获得在4个固定参数条件下，单一变化参数对动力学条件过程参数的影响结果，通过变化参数的顺序改变以及固定参数数值的变化，获得步骤2)中5个设计参数设定范围内任意数值组合下的动力学条件过程参数计算结果；

7)搅拌装置结构参数与工艺参数协同优化

根据步骤6)中计算结果，按照步骤5)中的优化准则，选取对应的5个设计参数的组合系列；

还包括理论搅拌功率的计算

根据搅拌功率计算公式(9)，根据步骤7)中五个设计参数的协同优化设计结果，计算不同搅拌装置结构参数与搅拌工艺参数组合条件下的理论搅拌功率；

式中：Ω为理论搅拌功率，N_p为功率准数，ρ为铁水密度，N为搅拌器转速，d为搅拌器旋转直径；

对于铁水KR搅拌脱硫常用的3叶或4叶搅拌器，在保持搅拌叶片上端面与液面距离相同的条件下，按照叶片数量n_p与叶片高度b₀的乘积相等则搅拌功率也相等的原则进行功率准数N_p的修正，对于三叶搅拌器，公式中的b＝(3/2)b₀，对于四叶搅拌器，b＝2b₀，其中，b₀为三叶或四叶搅拌器的叶片高度，功率计算时对于3叶与4叶搅拌器的液面高度分别为H+b₀和H+2b₀，相应的搅拌器插入深度为F+0.5b₀和F+b₀；

搅拌电机的选型

根据理论搅拌功率Ω，采用公式(14)进行经验修正，获得搅拌电机功率Ω_d

Ω_d＝K×Ω÷η……(14)

Ω_d为搅拌电机功率，K为经验修正系数，取5.51，η为机械传动效率，取0.8；根据电机型号，按照电机功率≥Ω_d的原则进行电机选型。