动态自由喷枪铁水预处理脱硫

　　动态自由喷枪铁水预处理脱硫范全荣（上海市斜土路1175号，景泰商务楼207室）有限。自由喷枪铁水脱硫简单地改动固定式喷枪的顶端，去除喷枪上的夹持器，在喷气的作用力下，把静止状态喷枪改为整体摆动的自由运动喷枪，减少喷枪的内应力以延长喷枪的使用寿命。在没有复杂的驱动装置下，根据喷枪的浸没深度，对脱硫剂在上浮过程进行机械搅拌，同时比静态喷枪多了一个有利于生产的直接观察点。在喷吹时，喷口处于游动状态，脱硫剂分散地喷人铁水池，扩大了脱硫反应区，相对缩小了外围的液相区，使整个铁水池的脱硫更均匀。喷枪对液面渣层的搅拌可进一步促进渣一铁间的脱硫。从自由喷枪水模型看见，喷枪的摆动对喷气流产生明显的影响，喷口下的气流受到了液相的推力改变了运动轨迹。2 m长，15 kg重耐火喷枪顶端的悬挂设计和冷试分析表明重达上百公斤的工业耐火喷枪可以在铁水中摆动，适合大型铁水包和鱼雷车的铁水脱硫，产生和固定喷枪不一样的喷射搅拌以提高脱硫效率。

　　铁水预处理是指高炉铁水在出铁槽，铁水包，鱼雷车，进入炼钢炉之前的脱硫，脱硅、脱磷。其中脱硫工序发展更新*快，在高炉和转炉间新建增建的铁水脱硫站已成为独立的生产环节，优化了工艺流程，提高了生产效率。高炉铁水硫含量高，氧含量低，具备良好的热力学条件生产低硫铁水，但是没有良好的动力学条件，也不能快速有效脱硫。从动力学上选择*佳的铁水脱硫技术，开发更为合理的喷吹工艺都可以进一步降低成本，提高脱硫效率。

　　铁水脱硫在工业上使用的主要有KR法和喷枪喷吹法。KR法在搅拌头的搅拌下，脱硫剂直接加人铁水进行脱硫处理。设备复杂投资较大的旋转机构是KR法的主要特征。喷枪喷吹法是将脱硫剂喷吹至铁水中的脱硫方法，设备简单的喷吹法已成为铁水脱硫的主要方法，但是喷吹过程铁水和脱硫剂的动力混合有待进一步完善，从单口到多喷口喷枪的改进，大型钢包中双喷枪的应用，鱼雷车采用底部喷气搅拌，和旋转耐火喷枪的试用，都是在提高搅拌动力学方面的努力。高速喷气和铁水晃动使固定喷枪的振动很大，在喷吹时需采用夹持器来固定震动的喷枪，不仅要求喷枪机械强度高，而且还要求升降设备有较强的承载能力。本文介绍的自由喷枪将保留喷吹法的脱硫优点，同时改变喷吹方法以提高铁水动力搅拌，降低铁水喷溅，在没有夹持器的情况下，减少喷枪震动，以延长喷枪使用寿命。为观察自由喷枪的摆动和气流的运动轨迹，建立了自由喷枪水模型，喷枪的摆动对喷气流产生明显的影响并改变了喷气流的运动轨迹。2 m长，15 kg重的耐火喷枪已用于自由喷枪冷试，检验了喷枪顶端的悬挂设计，实现了喷枪的摆动，分析表明重达上百公斤的耐火喷枪可以在铁水中游动，尤其是在大型铁水包和鱼雷车中的脱硫，产生和固定喷枪不一样的喷吹效果以提高脱硫效率，减少喷溅和铁水降温。

　　自由喷枪铁水脱硫目前通用的脱硫喷枪为固定式喷枪，高速喷射气体使静态喷枪产生不可避免的震动，在喷枪上需用夹持器固定喷枪。固定式喷吹法能满足铁水深脱硫的要求，但是喷吹过程铁水和脱硫剂的动力混合有待进一步改进提高。

　　动态自由喷枪将有别于固定喷枪，在喷吹时，自由喷枪处于动态状态。无需对工艺过程，喷吹系统，耐火喷枪以及脱硫剂进行改变，**要做的就是将现有的耐火喷枪的顶端与可摆动机械装置进行联接，如所示在法兰和夹持器之间用简单的铁链相连，喷枪上没有夹持器，夹持器用于固定铁链的上端。在喷吹时靠自身的喷射气作用力，喷枪自身重力，底端喷口可在熔池中随机自由游动。喷枪的运动范围取决于气体的喷射速率，速率越大，自由喷枪的运动范围越广。自由喷枪把固定喷枪的震动化为喷枪的随机游动，减小枪体的内应力，有助于延长喷枪的使用寿命。在没有复杂的驱动装置的情况下，自由喷枪给熔池多了一个搅拌。静态喷枪把脱硫剂喷在铁水池中心的固定点上，自由喷枪将脱硫剂喷射在一个面上，使脱硫剂均匀分散和铁水混合，扩大了脱硫的反应区域。固定喷枪的高强度喷吹会导致铁水喷溅和损伤炉底，自由喷枪的游动可减缓这些负面影响。自由喷枪的物理模型显示出在同样的喷射条件下，自由喷枪比静态喷枪的喷溅强度低30%.自由喷枪水模型为观察自由喷枪的摆动和气流的运动轨迹，建立了自由喷枪水模型，为试验用长方型玻璃水池，尺寸为600X290X290 mm.4mm内径，6 mm外径，580mm长的铜管放在水池中。铜管的顶端连接T型三通，气体通过软气管，T型三通喷人水池。T型三通挂在120mm长的铁链上，铁链顶端到铜管底端喷口的总长为750mm.铜管底端上有长230mm，直径30mm的套管以模拟大直径耐火材料喷枪。水池的深度为210mm，铜管的喷口离水池底的距离为80mm.当气体喷人水池时，喷枪就开始游动，气流的作用力给了喷枪摆动的动力。为气流速率50m/s时的喷射气流照片，喷枪正在向右运动，喷口下的射流明显地受到水的推力，在远离喷枪的左边产生一群小气泡。在气流从喷口下方上浮至液面的途中，二相气泡流基本上围绕在喷枪的周围，自由喷枪的运动对上浮的气流进行搅拌，同时喷枪也在液面进行一定范围的机械搅拌。

　　动态自由喷枪气流喷射为自由喷枪向右运动接近*大摆动位置的照片，假如是静态喷枪处在这角度位置，气流轨迹将位于喷枪的右边上浮，而自由喷枪喷口下的气流上浮轨迹位于喷枪的左边，说明气流受到了推力改变了运动轨迹。和垂直固定喷枪相比，自由喷枪可把气流斜向喷向水池，加上喷枪自身的摆动，可增强水平方向的气液搅拌。从自由喷枪的水模型可见，自由喷枪的喷吹效果和静态喷枪不同，在固定喷枪垂直喷射时，气流沿着枪体在浮力的作用下快速地上浮离开水池，而自由喷枪的气流在喷枪的搅拌干扰下上浮，气流从自由喷枪喷出的时候受到明显的横向推力，喷枪也对液面进行一定的搅拌，自由喷枪的这些特征明显地区别于固定喷枪的喷射。

　　耐火喷枪冷试耐火喷枪冷试是为了观察喷枪顶端的悬挂设计和评估重达上百公斤的工业耐火喷枪在铁水中摆动的可行性。是长为2 m，重15kg，喷口直径11 mm用于自由喷枪冷试的耐火喷枪，耐火段的长度为1 m，直自由喷枪气流喷射径90 mm.上半段为长度1 m，直径35 mm的钢管。钢管的顶增和T型管连接，T型管挂在长200 mm的铁链上，铁链的顶端被固定，喷枪可绕着铁链的顶端运动。T型管k连接不锈钢软气管，高压气从不锈钢软气管进人喷枪。水池直径为500mm，深为450mm，喷枪口离水底的距离是150mm，耐火喷枪的浸没深度为300冷试用耐火喷枪当气流量为30m/s时，可看到喷枪在液面约200mm的直径范围内游动，喷枪底端喷口也在大约120mm的直径范围内游动。喷枪的运动有直线和弧线游动，大约为3s完成一次往返游动。喷口的摆动速度估算在0.08― 0.12 m/s.为液面气流的照片，喷枪在往上方向运动，在水流的推力下，气流在喷枪的下方喷出水面。液面的气流出口基本上跟着喷枪运动，说明气流受到了液相的推力，同时也给了喷枪推动力，浸没深度为300 mm的耐火喷枪对上浮气流的搅拌使气流更分散地在液面离开水池。讨论从耐火喷枪的冷试可见，重达15kg的喷枪可在水池中摆动，该喷枪是否也能在铁水中摆动，如果工业用重达上百公斤的耐火喷枪不能在铁水中游动，也就成了固定喷枪。为此对喷枪的受力情况作一分析。为15kg耐火喷枪从左向右直线摆动的受力示意图，当喷枪从左向垂直位子摆动时，喷枪的动力来自喷气流的推力和喷枪的重力，反力是来自水池对枪体的阻力，在运动方向总的受力为此时喷枪的重力是推动喷枪运动的动力。当喷枪从垂直位子向右摆动时，总的受力为耐火喷枪冷试喷枪的重力成了喷枪运动的阻力。估算30 m/S气流的推力（f=质量流速气流速）不足以克服喷枪运动方向的重力，但是喷枪在惯性的作用下可以继续摆动，也就是喷枪可用动能换势能。当喷枪从垂直位置向左或右摆动时，喷枪的重力为阻力，反之，就成了动力。重力即是动力又是阻力，对喷枪的摆动产生影响。在冷试中，耐火喷枪的浸没深度为0.3 m，如果在铁水中浸没0.3 m，受到的浮力是在水中的7.2倍，约为13kg，接近喷枪的重量，当喷口离开垂直位置50mm时，重力减去铁水的浮力在运动方向的分力约为。5kg，说明喷枪离开垂直位置摆动不大时，重力的影响有限，加上高温高压下更大的气流质量流速和流体速率，耐火喷枪有可能在铁水中摆动。以200mm直径工业耐火喷枪为例，当喷枪浸没深度为2. 5m时，铁水的浮力为565kg，可以抵消喷枪的部分重力，当喷枪在垂直位置时，重力在喷枪运动方向的分力为零，喷射气流只要克服铁水的阻力，喷枪就可以偏离垂直位置在铁水中摆动，喷枪的摆动大小由公式（1）中的四个分力决定。喷枪在垂直位置时的摆动速率越大，摆动位移越大。

　　当耐火喷枪在铁水中摆动时，将会产生所示和固定喷枪不一样的搅拌和铁水脱硫效果。如把铁水池分为喷枪周围的铁水一载气一脱硫剂反应区，外围的液相区，和液面的渣层区。静态喷吹的脱硫剂和气流沿着枪体在浮力的作用下快速地上浮进入渣层区，导致脱硫剂的利用率下降，而且铁水一载气一脱硫剂三相反应区域窄小，在脱硫剂源源不断地进人喷枪周围的三相反应区时，铁水流动进入反应区并不理想，并且取决于熔池的大小和几何形状，鱼雷车中水平方向二端的铁水就难进入位于喷枪附近的反应区。而自由喷枪的摆动将扩大三相反应区，使脱硫剂自然地喷向水平方向的熔池，改善横向区域的铁水搅动，使脱硫剂不断和未经处理的铁水接触，在铁水的冲击推力下，气流的气泡变小，脱硫剂更容易在喷口下方和载气分离进人铁水。在脱硫剂上浮过程中，根据喷枪插入深度，对区中的铁水和脱硫剂从喷口到渣层进行全程搅拌，使铁水和脱硫剂进一步混合。脱硫剂在铁水中的整个下吹和上浮过程中都受到喷枪的搅拌影响，使脱硫剂在铁水中的反应时间延长并和铁水混合更好。三相反应区的扩大也相对缩小了外围的液相区，使整个铁水池的脱硫更均匀，减小死角。对液面渔层区的搅拌可进一步促进渣一铁间的脱硫，气流在更大的面积范围离开水池，相对减弱了气流速率，减少铁水的喷溅。

　　自由喷枪不仅对铁水池的搅拌产生影响，也将减缓喷枪的振动。高速喷气和铁水晃动使静态喷枪产生振动，尤其是高强度喷吹时，固定喷枪承受更大的应力，不仅要求喷枪耐火材料和钢结构的强度，而且要求夹持器有较强的抗振能力。静态喷枪也容易导致喷射气流和铁水池的相互激励，使铁水池波越晃越大，引致自由喷枪摆动搅拌对整个铁水池的脱硫影响铁水对喷枪的冲刷和喷溉。自由喷枪不用夹持器，没有强制固定，整个喷枪的随机游动使枪体的内应力减少，有助于延长喷枪的使用寿命，同时减缓升降设备的抖动，这些负面的能量已部分化为自由喷枪的随机运动搅拌铁水。在没有复杂的驱动装置情况下，自由喷枪的运动比静态喷枪多了一个有利于生产控制的直接观察点。当气流量一定时，喷枪应在一定的范围内游动，如果喷枪游动有变化，说明喷吹有变，如发生堵枪，气流量变小，喷枪游动范围就会变小。

　　近来巴西Usiminas钢铁公司脱硫站采用双孔旋转耐火喷枪（枪体围绕垂直轴线旋转）在65 t钢包中进行了工业测试，数据表明它可以将脱硫率提高2030%，减少金属喷溅损失，降温减少50%.很明显，旋转喷枪提高了铁水和脱硫剂的混合搅拌，改变了载气流上浮的轨迹，气泡变小，上浮速度变慢，脱硫剂和铁水混合更好，提高脱硫率并使喷溅强度降低。和旋转喷枪相比，自由喷枪的横向摆动也将改变气流喷射轨迹，脱硫剂和铁水在喷口下更大的区域混合，并在上浮的途中受到喷枪的搅拌。如果lt钢包耐火喷枪浸没深度2. 5 m，当自由喷枪在铁水中摆动时，脱硫剂将在全程上浮2. 5m的距离中受到喷枪的搅拌，动力混合的区域更大，时间更长，从动力学的原理上应该获得和旋转喷枪接近的脱硫效果，同时不需要设备复杂的旋转机构。

　　耐火喷枪的冷试分析认为，上百公斤的耐火喷枪可实现在铁水中的摆动，从而产生一系列不同的喷吹效果，如喷枪的整体摆动以延长喷枪的使用寿命，扩大三相动力混合反应区域以缩小外围的液相区，减少喷溅强度，在没有动力设备的情况下，对铁水进行深度搅拌。单口自由喷枪可替代固定式多喷口喷枪，大型钢包中自由喷枪也许可接近双喷枪的脱硫效果，鱼雷车中的自由喷枪脱硫可能不需要采用底部喷气搅拌，自由喷枪有望比静态喷枪，在几何形状不利于脱硫的铁水容器中，成为更有效的喷吹技术以提高脱硫效率。

　　结论：自由喷枪摆动时产生的液相推力改变了喷口下方气流的运动轨迹，导致了气流和液体更好地混合。

　　气流在上浮过程中，又受到了喷枪的搅拌干扰。在液面上，喷枪也对液面进行搅拌，气流在更大的面积范围离开水池，相对减弱了气流速率，减少喷溅。自由喷枪具有区别于固定喷枪的独特喷吹效果。

　　自由喷枪顶端的悬挂设计和冷试分析认为重达上百公斤的工业耐火喷枪可在铁水中摆动，改善水平方向的铁水搅动，分散脱硫剂的喷射，增强喷口下方脱硫剂和铁水混合，并对上浮的脱硫剂进行搅拌，搅拌的深度为喷枪浸没深度。喷枪的摆动扩大了三相反应区，缩小外围的液相区，使整个铁水池的脱硫更均匀，对液面渣层的搅拌可进一步促进渣一铁间的脱硫。结构简单的单口直筒型自由喷枪可代替双口固定式喷枪，在大型铁水包和鱼雷车上的应用将会取得明显的效果。

　　枪体上没有夹持器，没有强制固定，自由喷枪是整个枪体的摆动，减少喷枪的内应力，有助于延长喷枪的使用寿命，同时减缓升降设备的抖动，这些负面的能量已部分转化为自由喷枪的随机运动。

　　在没有复杂的驱动装置情况下，自由喷枪的运动给铁水一个从喷口到液面的搅拌，同时比静态喷枪多了有利于生产控制的直接观察点。

　　固定喷枪的高强度喷吹会导致铁水喷溅和损伤炉底，自由喷枪的高强度喷吹将推动喷枪在更大的范围摆动，可以减缓铁水喷溅和损伤炉底。

　　从动力学的原理上，自由喷枪应该在脱硫效率，减少喷溅和铁水降温上获得和旋转喷枪接近的效果。

　　浸没式耐火自由喷枪可用于脱硅、脱磷的铁水预处理，和铁水脱硫的动力学原理相同。

(完)