转炉氧枪喷头的设计与应用

刁望才+韩春鹏+田野

摘 要：本文阐述了转炉氧枪喷头重要参数的设计和选取，并在实际运用过程中对转炉生产的重要工艺参数进行统计分析，从而得出合理的氧枪喷头参数设计和选取可以实现优越的转炉冶炼效果。

关键词：转炉；氧枪；喷头；设计

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.08.001

氧枪是转炉炼钢中的关键设备，氧枪喷头各个参数的设计选取、精细加工和最佳的操作控制是实现转炉炼钢高效平稳吹炼的必要条件[1]。

1 氧枪喷头的设计原则

氧枪喷头的主要作用是通过喷射的氧气射流对熔池的搅拌和与熔池的反应来合理控制转炉钢液中的乳化及泡沫现象，得到合适的渣中（FeO）含量，促进石灰的快速融化，得到合适的碱度，实现转炉脱碳、升温 、去磷的目的。

1.1 氧枪喷头的设计原则

（1）通过氧枪喷头参数的合理设计，在转炉冶炼过程中得到合适的冲击深度和冲击面积，從而实现转炉冶炼的效果和目的。

（2）氧枪喷头不仅要有良好的冶金效果， 而且要在溅渣环节体现优越的性能[2]。

（3）与氧枪喷头参数相适应的枪位设计是保证氧气与钢、渣充分且均匀反应的重要保障，同时保证更好的降低转炉冶炼过程中氧气射流对炉衬造成的损坏。

（4）要具备足够高的喷头寿命，要保证氧气射流可以顺着氧枪的轴线不还产生负压区，同时避免湍流运动剧烈引起的负面影响。

1.2 氧枪喷头的喷孔数量与夹角的选取规则

2 氧枪喷头设计方案实例

2.1 锻压组合式氧枪喷头[3]设计参数

2.2 氧枪喷头参数设计核算

氧枪喷头使用氧压在超过设计氧压一定范围的情况下，可以发挥更好的作用。所以在喷头设计中，设计供氧流量需低于实际供氧流量，在流量调节阀调整到实际使用流量时，氧枪喷头的使用压力自然会高于设计氧压。据实际经验，使用氧压不超过设计氧压的130%，氧枪喷头可以达到更好的效果。260吨转炉设计供氧流量按51000Nm3/h计算。

2.2.1 理论氧压值计算

根据Ma=2.05，查等熵流表：P/ P0 =0.11823，由于炉膛压力略大于大气压力，取炉膛压力P为0.1041MPa，计算得出P0=0.88Mpa。现场供氧压力满足氧枪喷头供气压力要求。

2.2.2 喉口直径计算[4]

2.2.3 出口直径计算

根据Ma=2.05，查等熵流表得A出/A喉=1.76

A出=A喉×1.76

计算D出=65.4mm，取D出=65.4mm。

2.2.4 扩张段长度计算

氧枪喷头拉瓦尔扩张段实际使用的气体膨胀角为7～10°。大扩张角控制膨胀作用小，氧气流股对熔池的冲击面积提高，利于化渣。选择喷孔扩张9°，则扩张段长度

L扩=（D出-D喉）/2（tanβ/2）

计算L扩=102.28mm，取扩张段长度102.3mm。

2.2.5 喉口段长度的确定[4]

喉口段长度主要是稳定气流和加工方便，推荐未5～40mm。喉口段长度取15mm。

2.2.6 收缩段长度计算

按经验公式：收缩段的长度L收=（0.8～1.5）d喉，

收缩段取55mm。

2.2.7 操作枪位计算

根据经验公式H=（30～45）×D出，则H=1962～2943mm，实际操作枪位按1900～2700mm控制。

2.2.8 冲击深度（按出钢量270吨核算）计算

根据佛林公式：

冲击深度h=[346.7×P0×D喉÷+3.81]cos15.5°

按流量53000 Nm3/h，枪位2700mm、1800mm核算，冲击深度分别为h=95.4cm、116cm。

熔池深度按193.1cm计算：

枪位2700mm时，穿透比=49.4%，

枪位1800mm时，穿透比=60.1%，

冲击深度比的理想范围为40%-60%之间，理论冲击深度比在理想的范围内。

3 实际生产统计分析结果

3.1 转炉终渣全铁含量w（TFe）%

转炉渣中全铁含量w（TFe）%与吹炼关系极为密切，应保证合适的渣中全铁含量[5]。统计连续500炉的转炉终渣全铁含量w（TFe）%，其中小于20%的比率占90.4%，平均w（TFe）%为16.43%，达到了转炉氧枪喷头冶炼化渣的理想效果。详见表3。

3.2 脱磷效率

统计连续500炉的转炉拉碳磷P%含量平均为0.0115%，入炉铁水磷P%含量平均为0.153%，计算脱磷效率为92.5%。说明氧枪喷头参数设计满足在高铁水磷含量的条件下脱磷效率要求。

转炉拉碳磷含量大于0.020%的比率仅为3.8%，即磷的可控率达到96.2%以上，满足钢种磷含量要求。其中转炉拉碳钢水磷含量小于等于0.010%的比率达到36%以上，通过进一步优化，可实现超低磷钢的冶炼工艺条件。

3.3 其它指标

经统计平均吹氧时间满足生产组织需求，实际吨钢氧气消耗满足低成本和设计要求，一次出钢率达到全国先进水平。

3.4 氧枪枪位的影响

氧枪枪位和氧枪喷头的结构对熔池内金属液的运动均起着至关重要的作用。在氧压不变的情况下，提高枪位，转炉中钢液被冲击所产生的凹坑的最低点就会提高，冲击深度降低，冲击面积较小，环流会减弱，搅拌钢液的效果变差；降低枪位，效果反之，同时容易损坏炉底，影响枪龄。因此在实际生产过程中，使用合理的氧枪枪位十分重要，图1为此氧枪喷头在实际生产中的氧枪枪位配合使用实例，各项指标较好，使用效果良好。

3.5 炉体侵蚀

转炉新炉役80炉开始溅渣，图分别为103炉和2334炉时炉衬测厚仪所测得的炉型图，如图2所示，转炉冶炼2334炉时，除装入侧大面和渣线侵蚀严重部位有所降低，炉底有所变方，炉冒部位略有增长外，炉型整体保持较好。从炉型变化来分析，此氧枪喷头配合氧枪枪位合理控制，其氮气流的冲击面积和渣粒反射角[6]合理，溅渣点均匀分布， 炉衬各部位厚度得到合理保持，溅渣效果较好。

3.6 氧枪喷头寿命

锻压组合式氧枪喷头在工艺参数设计合理的情况下，具有结构合理、冷却效果好、使用寿命长的特点。[3]统计2016年全年氧枪喷头使用寿命平均为498.2炉，其中一支氧枪喷头由于操作不当使用334次时烧枪下线，其余均达到设计寿命400炉以上，如图3所示。其中试验枪头2支，最高使用658次，在600次以上炉次生产过程中，氧枪喷头喷孔出口磨损倒角加快，转炉喷溅率明显增加，因此控制氧枪喷头使用寿命在600次以内，保证吹炼过程平稳运行。

4 结论

本文中氧枪喷头的合理设计参数和选取运用到实际生产中，使渣中全铁含量控制在既可以满足化渣脱磷要求，又不影响脱碳速度，使吹炼过程均匀升温，平稳的控制了转炉冶炼过程，得到了较好的吹炼工艺效果，氧枪枪龄也得到了合理的提高。因此，在氧枪喷头设计过程中，喷头参数的合理计算和选取起着至关重要的作用，可以实现优越的转炉冶炼效果。

参考文献：

[1]李新林，刘海强，张振申.120t转炉氧枪喷头设计与应用[J].河南冶金，2006（08）：14-4.

[2]辛广胜，张晓光，郑颖.转炉高效化冶炼用新型氧枪开发与应用[J].包钢科技，2006（12）：32-6.

[3]李承祚，张飞虎，孙达庚，孟永社.氧气转炉锻压组合式氧枪喷头的研制与应用[J].冶金设备，2002（04）：132-2.

[4]吴剑.超音速氧枪设计.冶金丛刊，2004（12）：154-6.

[5]毕永杰，李全君等.高效氧枪喷头优化设计改造与应用[J].山东冶金，2007（03）：29.

[6]刘国，刁承民，叶勇.大流量氧枪喷头供气参数的优化[G].中国钢铁年会论文集，2011（08）.