本发明涉及铁水预处理技术领域，具体涉及一种铁水自脉冲全域混合长寿命搅拌器。
背景技术：
铁水kr机械搅拌脱硫工艺通过浸入铁水中的矩形或倒直角梯形叶片单层十字交叉布置搅拌器的旋转搅拌，使投加在铁水液面的脱硫剂循环卷入铁水，实现脱硫剂在铁水中的持续分散和界面脱硫反应，因而，具有优良的脱硫反应动力学条件，并成为铁水深脱硫的首选工艺。
根据铁水kr机械搅拌脱硫流体动力学研究资料报道，从kr搅拌混合宏观行为来看，在搅拌器高速旋转的过程中，由于搅拌离心力的作用，推动流体质点径向外流，在铁水罐壁的阻挡作用下，搅拌中心铁水液面下凹、外侧铁水液面涌起，形成搅拌旋涡和卷吸负压，铁水液面脱硫剂在旋涡负压的卷吸作用下，卷入铁水进行脱硫反应，并随着搅拌离心力形成的径向射流排出搅拌叶，径向射流在铁水罐壁面的阻挡作用下，分化成沿罐壁向上与向下两股流，并进一步流向搅拌中心，产生上下两个循环流，由于受底部罐壁的阻碍迟滞作用，上循环流动强度远大于下循环流；由于受铁水浮升力的作用，密度轻的脱硫剂主要跟随上循环流运动，而下循环流区域中的脱硫剂分布较少。因而铁水kr搅拌脱硫反应主要发生在上循环流动区域，铁水罐下部铁水只能通过低强度的下循环流对流与传质进行脱硫反应，导致下部铁水脱硫不充分、深脱硫的稳定性差、脱硫时间长、脱硫剂消耗高等不足；此外，随着搅拌器服役历程的持续，搅拌器叶片耐火材料衬的磨损、侵蚀与剥落不断加剧，搅拌转速上升、搅拌功率下降，导致铁水罐内搅拌流场速度不断降低、上下循环流区域不断缩小、脱硫反应速度与罐内铁水脱硫均匀性显著下降，造成铁水脱硫时间延长、脱硫剂消耗上升、搅拌器寿命缩短等，甚至引起铁水二次脱硫和无法达到铁水深脱硫要求。
根据上述铁水kr机械搅拌脱硫搅拌流场分布与脱硫剂混合分散行为可见，扩展铁水机械搅拌脱硫的上下循环流区域大小、提高循环流动速度，是提高脱硫剂搅拌混合分散效果、改善铁水脱硫反应动力学条件的重要手段，提高搅拌器抗损毁能力则是提高铁水深脱硫稳定性、改善铁水kr搅拌脱硫技术经济指标的重要途径。
基于铁水kr机械搅拌脱硫反应动力学条件的改善需求，中国专利“欧阳德刚、李明晖、李华、刘洋，铁水全域搅拌脱硫搅拌器及其使用方法，授权公告号cn108546795b”公开了一种上下两层正反螺旋叶片结构的全域混合搅拌器及其使用方法；通过上下布置的双层搅拌叶片结构，大幅度增加了搅拌叶片在搅拌轴长度方向的布置距离，扩展了搅拌器对铁水罐内铁水的搅拌深度和有效搅拌区域，通过上层正螺旋叶片的设计，强化了脱硫剂的搅拌卷吸混合循环量，提高脱硫剂有效卷入量，通过下层反螺旋叶片的结构设计，提高搅拌下循环流强度与循环区域，改善下循环区反应动力学条件，通过上下循环流在双层叶片间的排出与冲击混合，强化脱硫剂的分散均匀性，避免脱硫剂团聚，实现下循环区铁水与上循环区卷入脱硫剂的高效混合，达到罐内全部铁水与脱硫剂的充分混合与接触反应目的。虽然上述专利为铁水kr搅拌脱硫的高效混合提供了可靠的技术途径，并在实际生产中取得了提高铁水深脱硫稳定性、降低脱硫剂与搅拌电力消耗、缩短搅拌时间等综合效果，得到了用户的抑制肯定，但也存在搅拌器结构复杂、成本高、制作困难的不足；此外，由于下循环流区域与流场速度的大幅增大以及搅拌叶片铁水接触面数量与面积的显著增加，加剧了搅拌器叶片磨损与侵蚀，制约了搅拌器寿命的延长。
针对搅拌器服役过程破损引起的搅拌混合特性劣化速度快的不足，中国专利“欧阳德刚、欧阳思、李明晖、胡清明，低应力铁水脱硫搅拌器，授权公告号cn107904348b”公开了一种搅拌叶由组合式搅拌叶芯、隔热缓冲涂层及搅拌叶芯耐火材料衬组成的搅拌器，通过组合式搅拌叶芯中多根金属条钢或者金属棒材的间隔布置，实现搅拌叶芯金属材料与外衬耐火材料间性能差异引起的应力集中，缓解搅拌叶热机械应力裂纹破损，通过组合式搅拌叶芯表面喷涂隔热缓冲涂层，进一步吸收搅拌器服役过程热应力，延缓搅拌器破损进程，并在实际生产中取得了明显延长搅拌器使用寿命的积极效果，缓解了搅拌叶破损引起的搅拌混合特性劣化速度快的不足，但未能遏制搅拌混合过程中上循环区逐渐减小的发展趋势，也未能达到有效遏制搅拌器服役后期铁水深脱硫稳定性下降的目的。
针对上述铁水kr搅拌脱硫的不足，特采取水模与数模试验的手段，开展了搅拌器不同叶片结构特征对搅拌混合特性的影响规律研究。
对于叶片结构完整的新上线搅拌器，在搅拌器插入深度为铁水面深度一半时，随着搅拌转速的增加，搅拌旋涡深度不断增加；当搅拌旋涡抵达搅拌器叶片顶面时，液面脱硫剂开始卷入铁水，并从搅拌器叶片顶部径向射流排出，随着搅拌上循环流不断卷吸循环；随着搅拌转速的进一步提高，搅拌旋涡深入搅拌器叶片内部，上循环流区域不断增大，脱硫剂径向射流排出部位沿搅拌器叶片外侧面不断下移，脱硫剂卷入量及其卷吸循环混合分散区域液不断增大；随着搅拌转速的进一步提高，搅拌旋涡深度超越搅拌器底面，脱硫剂卷入量和搅拌混合分散区域进一步缓慢增加，达到脱硫剂在铁水中的最佳混合分散状态，脱硫剂径向射流排出部位沿搅拌器叶片外侧面继续下移，最终稳定在距离搅拌器叶片底面约1/2叶片高度区域，少量脱硫剂通过下循环流的粘附携带作用下潜一定深度，抵达深度略大于搅拌器叶片底面深度，脱硫剂平均卷入深度为1/2搅拌器叶片高度的铁水深度；继续增大搅拌转速，脱硫剂搅拌混合分散区域反而减少，并出现大量气泡卷入和搅拌喷溅现象。
对于服役过程中搅拌叶不同磨损状况的搅拌器，水模试验结果表明，叶片不同磨损量的搅拌器，搅拌转速对脱硫剂搅拌混合分散行为和脱硫剂径向射流排出部位的影响规律与叶片结构完整的新上线搅拌器相同，但搅拌旋涡抵达搅拌器叶片顶面的脱硫剂起始卷入搅拌转速以及搅拌旋涡超越搅拌器底面的充分混合分散搅拌速度增加，相同搅拌转速条件下搅拌旋涡深度与旋涡直径减小、搅拌功率急剧降低，脱硫剂径向射流排出部位上移、搅拌卷吸循环区域缩小、循环流速降低；随着搅拌器叶片磨损量的进一步增加，脱硫剂充分混合分散搅拌转速继续增大，脱硫剂径向射流排出部位继续上移，最终在搅拌设备最高设定转速条件下，脱硫剂排出部位上移至距离搅拌叶片顶面约1/4处时，搅拌混合特性难以满足铁水脱硫反应动力学的基本要求，导致铁水二次脱硫频发而终止服役。
纵观上述常规叶片结构搅拌器的水模与数模试验结果可见，在铁水kr搅拌脱硫过程中，脱硫剂均是沿搅拌器叶片外侧面中部区域径向排出，并随着搅拌器磨损状态与搅拌工艺参数的不同，脱硫剂的排出部位与脱硫剂混合状态也随之变化，但脱硫剂从搅拌叶外侧面中部区域排出时，脱硫剂搅拌混合分散状态良好，当脱硫剂从搅拌器叶片外侧面中部排出时，搅拌混合状态、搅拌功率与搅拌稳定性等综合最优，这是实际生产中需要努力控制到达的搅拌混合状态。
对于中国专利“欧阳德刚、李明晖、李华、刘洋，铁水全域搅拌脱硫搅拌器及其使用方法，授权公告号cn108546795b”公开的上下两层正反螺旋叶片结构的全域混合搅拌器，在维持搅拌器上层叶片顶面铁水深度相同的搅拌器插入深度时，搅拌转速对脱硫剂搅拌混合分散行为的影响规律与叶片结构完整的新上线搅拌器相同，但脱硫剂起始卷入分散转速降低，脱硫剂径向射流排出部位下移速度加快，脱硫剂上下层叶片间排出的速度范围增大，最佳分散状态下的脱硫剂混合区域显著扩大，尤其是下循环流区域流场速度明显加快、上下循环流径向排出混合冲击强烈、脱硫剂分散数量显著增加、脱硫剂分散深度已接近铁水罐罐底。由此可见，上下两层正反螺旋叶片结构搅拌器基本实现了脱硫剂铁水罐内全域分散，并通过上下循环流径向排出的冲击混合，实现了铁水罐内全域铁水与脱硫剂的接触混合与界面反应，达到显著改善铁水机械搅拌脱硫反应动力学条件的目标。并在实际生产中取得了显著改善铁水kr搅拌脱硫技术经济指标的应用效果，虽然实际生产中应用的全域混合搅拌器采取了中国专利“欧阳德刚、欧阳思、李明晖、胡清明，低应力铁水脱硫搅拌器，授权公告号cn107904348b”公开的搅拌器长寿化技术，有效遏制了搅拌器的裂纹损毁，但大强度的上下循环流场对搅拌叶片的冲刷，导致搅拌其叶片磨损速度快，制约了脱硫剂高效混合分散效果的稳定保持与搅拌器的服役寿命。由此可见，对于上下两层正反螺旋叶片结构的全域搅拌器，如何抑制叶片磨损进展、提高搅拌叶片结构参数保持率是延长搅拌器使用寿命、稳定改善脱硫反应动力学条件的关键所在。
综上所述可见，如何稳定实现全域铁水与脱硫剂的接触混合、提高混合特性保持率、延长搅拌器服役寿命等，则是进一步提高铁水kr深脱硫稳定性、改善脱硫技术经济指标的技术关键。为此，急需开发性能优良的新型搅拌器，以进一步改善铁水机械搅拌脱硫反应动力学条件、提高脱硫技术经济指标的目的。
技术实现要素：
本发明的目的就是针对上述技术的不足，提供一种能延长搅拌器使用寿命、铁水罐内全域铁水与脱硫剂的搅拌混合充分、提高铁水深脱硫稳定性且改善铁水脱硫的铁水自脉冲全域混合长寿命搅拌器，。
为实现上述目的，本发明所设计的铁水自脉冲全域混合长寿命搅拌器，包括搅拌轴、3～4个固定在所述搅拌轴外周缘上且绕所述搅拌轴周向均匀分布的上层搅拌叶及3～4个固定在所述搅拌轴外周缘上且绕所述搅拌轴圆周方向的下层搅拌叶，所述上层搅拌叶的个数与所述下层搅拌叶的个数相同，且所述上层搅拌叶与下层搅拌叶呈交替间隔均匀分布；每个所述上层搅拌叶为与搅拌旋转方向同向旋转的正向螺旋叶片，每个所述下层搅拌叶为与搅拌旋转方向反向旋转的反向螺旋叶片。
进一步地，所述上层搅拌叶平均搅拌直径d1与铁水罐平均直径d之比n1为0.377～0.450；所述上层搅拌叶垂直高度h1与所述上层搅拌叶平均搅拌直径d1之比为0.35～0.55；上层搅拌叶顶面和上层搅拌叶底面均为平面或均为外凸弧面，上层搅拌叶外侧面为外凸弧面；上层搅拌叶迎铁面为螺旋面，与上层搅拌叶外侧面的螺旋交线导程角α1为60～75°；上层搅拌叶背铁面为螺旋面，与上层搅拌叶外侧面的螺旋交线导程角β1比α1小0～5°。
进一步地，所述下层搅拌叶平均搅拌直径为d2，且d1-d2＝0～100mm；所述下层搅拌叶垂直高度为h2，且h2-h1＝0～100mm；下层搅拌叶顶面和下层搅拌叶底面均为平面或均为外凸弧面，下层搅拌叶外侧面为外凸弧面；下层搅拌叶迎铁面为螺旋面，与下层搅拌叶外侧面的螺旋交线导程角α2比导程角α1小0～5°；下层搅拌叶背铁面为螺旋面，与下层搅拌叶外侧面的螺旋交线导程角β2比α2小0～5°。
进一步地，所述上层搅拌叶与所述下层搅拌叶之间的重叠高度h为50～150mm。
进一步地，所述上层搅拌叶由搅拌叶耐火浇注料衬包裹搅拌叶芯组成；所述搅拌叶芯由垂直焊接在搅拌轴表面的多根上金属棒和焊接在每根上金属棒外表面的v形锚固件构成，多根所述上金属棒呈正向螺旋分布，且正向螺旋分布的螺旋中心线与所述上层搅拌叶的螺旋中心线重合。
进一步地，所述下层搅拌叶由搅拌叶耐火浇注料衬包裹搅拌叶芯组成；所述搅拌叶芯由垂直焊接在搅拌轴表面的多根下金属棒和焊接在每根下金属棒外表面的v形锚固件构成，多根所述下金属棒呈反向螺旋分布，且反向螺旋分布的螺旋中心线与所述下层搅拌叶的螺旋中心线重合。
进一步地，所述上金属棒直径
进一步地，所述下金属棒直径
与现有技术相比，本发明通过上下层正反螺旋搅拌叶错层交叉均匀间隔分布结果形式与搅拌叶结构参数的优化，实现了脱硫剂与全域铁水间的脉冲剪切混合分散，显著改善脱硫反应动力学条件，避免上层搅拌叶底面和下层搅拌叶顶面高速径向排出射流的剪切磨损，大幅度延长搅拌器服役寿命，达到全域铁水与脱硫剂的快速混合接触、铁水kr搅拌脱硫的高效、低成本、稳定生产综合目的。
附图说明
图1为本发明三叶片结构铁水自脉冲全域混合长寿命搅拌器立体示意图；
图2为图1的主视示意图；
图3为图1搅拌器金属芯的立体示意图；
图中各部件标号如下：搅拌器连接法兰1、搅拌轴2、上层搅拌叶3、上层搅拌叶顶面3.1、上层搅拌叶外侧面3.2、上层搅拌叶底面3.3、上层搅拌叶迎铁面3.4、上层搅拌叶背铁面3.5、下层搅拌叶4、下层搅拌叶顶面4.1、下层搅拌叶外侧面4.2、下层搅拌叶底面4.3、下层搅拌叶迎铁面4.4、下层搅拌叶背铁面4.5、上金属棒5、v形锚固件6、下金属棒7。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明。
如图1～3所示铁水自脉冲全域混合长寿命搅拌器，包括搅拌轴1、设置在搅拌轴2顶端的搅拌器连接法兰2、3个固定在搅拌轴2外周缘上且绕搅拌轴2周向均匀分布的上层搅拌叶3及3个固定在搅拌轴2外周缘上且绕搅拌轴2圆周方向的下层搅拌叶4，上层搅拌叶3与下层搅拌叶4呈交替间隔均匀分布；每个上层搅拌叶3为与搅拌旋转方向同向旋转的正向螺旋叶片，每个下层搅拌叶4为与搅拌旋转方向反向旋转的反向螺旋叶片。
上层搅拌叶3平均搅拌直径d1与铁水罐平均直径d之比n1为0.377～0.450；上层搅拌叶3垂直高度h1与上层搅拌叶3平均搅拌直径d1之比为0.35～0.55；上层搅拌叶顶面3.1和上层搅拌叶底面3.3均为平面或均为外凸弧面，上层搅拌叶外侧面3.2为外凸弧面；上层搅拌叶迎铁面3.4为螺旋面，与上层搅拌叶外侧面3.2的螺旋交线导程角α1为60～75°；上层搅拌叶背铁面3.5为螺旋面，与上层搅拌叶外侧面3.2的螺旋交线导程角β1比α1小0～5°。
下层搅拌叶4平均搅拌直径为d2，且d1-d2＝0～100mm；下层搅拌叶4垂直高度为h2，且h2-h1＝0～100mm；下层搅拌叶顶面4.1和下层搅拌叶底面4.3均为平面或均为外凸弧面，下层搅拌叶外侧面4.2为外凸弧面；下层搅拌叶迎铁面4.4为螺旋面，与下层搅拌叶外侧面4.2的螺旋交线导程角α2比导程角α1小0～5°；下层搅拌叶背铁面4.5为螺旋面，与下层搅拌叶外侧面4.2的螺旋交线导程角β2比α2小0～5°。且上层搅拌叶3与所述下层搅拌叶4之间的重叠高度h为50～150mm。
上层搅拌叶3由搅拌叶耐火浇注料衬包裹搅拌叶芯组成；搅拌叶芯由垂直焊接在搅拌轴2表面的多根上金属棒5和焊接在每根上金属棒5外表面的v形锚固件6构成，多根上金属棒5呈正向螺旋分布，且正向螺旋分布的螺旋中心线与上层搅拌叶3的螺旋中心线重合。上金属棒5直径
本发明的铁水自脉冲全域混合长寿命搅拌器，通过上层与搅拌旋转方向同向旋转的正向螺旋叶片结构设计，强化搅拌轴向流与径向流，提高脱硫剂颗粒的下拉卷吸力、脱硫剂卷吸量与卷吸深度，增大搅拌上循环流速度与循环区域，降低铁水冲刷剪切，达到缩小强制涡流区、扩大自由涡流区与改善搅拌混合特性等效果。通过下层与搅拌旋转方向反向旋转的反向螺旋叶片结构设计，提高了下部搅拌叶对铁水罐底部铁水的卷吸提升与径向排出循环速度，扩展下循环流区域，一方面，通过下循环流中铁水对脱硫剂的粘附携带作用，实现脱硫剂的进一步下拉，提高脱硫剂的下潜深度，扩大脱硫剂混合分散区域，另一方面，通过下循环流中铁水与上循环流中脱硫剂径向排出的射流冲击混合，提高脱硫传质速度，实现铁水罐下部铁水与上部脱硫剂的直接接触与界面反应，达到铁水罐全域铁水与脱硫剂的混合接触反应目的。通过上层正向螺旋叶片与下层方向螺旋叶片的错层交叉均匀间隔分布结构设计，一方面，实现搅拌上循环流与下循环流区域的重叠以及上下层搅拌叶流径向射流排出部位轴向、轴向的脉动冲击，提高脱硫剂与全域铁水间的混合分散动能，强化脱硫剂与铁水间的脉冲剪切混合分散行为，促进反应传质，提高脱硫反应速度与脱硫剂反应利用率，并通过上下层搅拌叶间交叉重叠高度的优化，保证了径向排出射流冲击强度与脉动频率的稳定，提高铁水深脱硫稳定性，另一方面，迫使上下循环径向射流排出点偏离上层搅拌叶底面和下层搅拌叶顶面，避免上层搅拌叶底面和下层搅拌叶顶面高速径向排出射流的剪切磨损，延长搅拌器使用寿命，提高上下层搅拌叶间交叉重叠高度结构参数的保持率与铁水脱硫反应动力学条件的稳定性。
进一步通过水模试验，优化了铁水自脉冲全域混合长寿命搅拌器搅拌叶结构参数，实现了铁水罐内全域铁水与脱硫剂间的稳定高效脉冲混合，保证了铁水kr搅拌脱硫的持续高效稳定。
1.一种铁水自脉冲全域混合长寿命搅拌器，其特征在于：包括搅拌轴(2)、3～4个固定在所述搅拌轴(2)外周缘上且绕所述搅拌轴(2)周向均匀分布的上层搅拌叶(3)及3～4个固定在所述搅拌轴(2)外周缘上且绕所述搅拌轴(2)圆周方向的下层搅拌叶(4)，所述上层搅拌叶(3)的个数与所述下层搅拌叶(4)的个数相同，且所述上层搅拌叶(2)与下层搅拌叶(4)呈交替间隔均匀分布；每个所述上层搅拌叶(3)为与搅拌旋转方向同向旋转的正向螺旋叶片，每个所述下层搅拌叶(4)为与搅拌旋转方向反向旋转的反向螺旋叶片。
2.根据权利要求1所述铁水自脉冲全域混合长寿命搅拌器，其特征在于：所述上层搅拌叶(3)平均搅拌直径d1与铁水罐平均直径d之比n1为0.377～0.450；所述上层搅拌叶(3)垂直高度h1与所述上层搅拌叶(3)平均搅拌直径d1之比为0.35～0.55；上层搅拌叶顶面(3.1)和上层搅拌叶底面(3.3)均为平面或均为外凸弧面，上层搅拌叶外侧面(3.2)为外凸弧面；上层搅拌叶迎铁面(3.4)为螺旋面，与上层搅拌叶外侧面(3.2)的螺旋交线导程角α1为60～75°；上层搅拌叶背铁面(3.5)为螺旋面，与上层搅拌叶外侧面(3.2)的螺旋交线导程角β1比α1小0～5°。
3.根据权利要求2所述铁水自脉冲全域混合长寿命搅拌器，其特征在于：所述下层搅拌叶(4)平均搅拌直径为d2，且d1-d2＝0～100mm；所述下层搅拌叶(4)垂直高度为h2，且h2-h1＝0～100mm；下层搅拌叶顶面(4.1)和下层搅拌叶底面(4.3)均为平面或均为外凸弧面，下层搅拌叶外侧面(4.2)为外凸弧面；下层搅拌叶迎铁面(4.4)为螺旋面，与下层搅拌叶外侧面(4.2)的螺旋交线导程角α2比导程角α1小0～5°；下层搅拌叶背铁面(4.5)为螺旋面，与下层搅拌叶外侧面(4.2)的螺旋交线导程角β2比α2小0～5°。
4.根据权利要求1所述铁水自脉冲全域混合长寿命搅拌器，其特征在于：所述上层搅拌叶(3)与所述下层搅拌叶(4)之间的重叠高度h为50～150mm。
5.根据权利要求1所述铁水自脉冲全域混合长寿命搅拌器，其特征在于：所述上层搅拌叶(3)由搅拌叶耐火浇注料衬包裹搅拌叶芯组成；所述搅拌叶芯由垂直焊接在搅拌轴(2)表面的多根上金属棒(5)和焊接在每根上金属棒(5)外表面的v形锚固件(6)构成，多根所述上金属棒(5)呈正向螺旋分布，且正向螺旋分布的螺旋中心线与所述上层搅拌叶(3)的螺旋中心线重合。
6.根据权利要求1所述铁水自脉冲全域混合长寿命搅拌器，其特征在于：所述下层搅拌叶(4)由搅拌叶耐火浇注料衬包裹搅拌叶芯组成；所述搅拌叶芯由垂直焊接在搅拌轴(2)表面的多根下金属棒(7)和焊接在每根下金属棒(7)外表面的v形锚固件(6)构成，多根所述下金属棒(7)呈反向螺旋分布，且反向螺旋分布的螺旋中心线与所述下层搅拌叶(4)的螺旋中心线重合。
7.根据权利要求5所述铁水自脉冲全域混合长寿命搅拌器，其特征在于：所述上金属棒(5)直径
8.根据权利要求6所述铁水自脉冲全域混合长寿命搅拌器，其特征在于：所述下金属棒(7)直径
