重力势能驱动旋流反应器及冶金特性实验研究.pdfVIP

第 10 卷增刊 1 过 程 工 程 学 报 Vol.10 Suppl. No.1 2010 年 4月 The Chinese Journ al of Process Engin eering Apr. 2010 重力势能驱动旋流反应器及冶金特性实验研究 张刚刚， 刘 中秋， 王 强， 王 芳， 李宝宽 ( 东北大学材料与冶金学院，辽宁 沈阳 110004) 摘 要：针对传统钢铁炉外精炼设备及其搅拌工艺能耗大、资源利用率低、环境负荷重等问题，提出利用重力势能驱 动的旋流反应器用于金属的炉外精炼工艺，以达到降低环境负荷的目的. 该反应器通过革新传统冶金反应器的构造， 引入离心泵的设计原理，通过在漏斗形壁面上设置优 良叶型的导流叶片，使沿导流叶片下流的钢液产生旋流，达到利 用钢液本身的重力势能作为金属精炼搅拌动力的目的. 利用水模型实验验证了这种新型冶金反应器的冶金特性，即对 旋流生成与混合能力进行实验研究. 结果表明，该反应器在工作中无需外加动力，产生的旋流能够提供金属冶炼所需 的搅拌动力，较好的完成金属液的混合及冶炼过程；在已知的 3 种叶片形式中，前弯型叶片产生的旋流效果最佳. 关键词：重力势能；旋流；冶金反应器；漏斗；导流叶片 中图分类号：TF351 文献标识码：A 文章编号：1009−606X (20 10)S1−0025−06 日本学者横谷等[7 ]对 涡流式搅拌器 内的混合及分 1 前 言 离现象作了研究，提出了利用水平射流沿漏斗内壁流动 我国是一个能源消耗大国，但在工业生产过程中能 的搅拌方式 ，对于新型冶金反应器的研究具有指导意 源利用率却不是很高，不仅浪费了大量的能源，而且污 义，但 由于水平射流入射角度不易控制，加之射流对漏 染了环境. 因此现在大力倡导建设资源节约型、环境友 斗内壁有较大冲击及操作困难等原因，还需深入研究. 好型社会. 这不仅要求企业生产高质量[ 1] 、高性能 的产 针对上述方法中出现的问题，本工作提出并设计了 品，而且为了实现可持续发展，产品的生产工艺也必须 一种无需外加资源与能源，只利用重力势能驱动产生旋 高效率、低成本、节省资源和能源[2] . 流的冶金反应器. 该反应器通过革新传统冶金反应器的 在钢铁行业中，冶金反应器 占据 非常重要的地位. 构造，引入离心泵的设计原理，通过在漏斗形壁面上设 其工艺原理就是通过搅拌[3]方法来达到钢液与需要组分 置优 良叶型的导流叶片，使沿导流叶片下流的钢液产生 (合金元素及冶炼粉剂) 的混合及与有害组分(非金属夹 旋流，从而实现了仅利用钢液本身的重力势能作为金属 杂物) 的分离的目的. 目前钢铁行业冶金反应器中广泛 精炼搅拌动力的金属冶炼新工艺. 使用的是喷吹气体搅拌方法[4 ]. 氩气被喷进钢液精炼反 2 反应器设计 应器中，通过在喷嘴附近形成的氩气泡上浮作用，驱动 反应器 内金属液体做循环流动，均匀金属熔液温度和成 2. 1 概念设计及工艺流程 分，促进金属液内的化学反应. 同时，上浮的氩气泡还 本工作设计了一种无需外加资源与能源，只利用重 可以吸附周围的非金属夹杂物，从而可加速非金属夹杂 力势能驱动产生旋流的冶金反应器. 概念图和工艺流程 物的去除速度. 但为了防止高温条件 下气体与金属液发 图如图 1 和 2 所示，反应器 由上、下两部分构成：上部 生反应，喷入的都是价格昂贵的惰性气体，即氩气.