RH多功能顶枪喷粉管设计

刘 安，孙亚飞，任三兵

(1.宝钢工程技术集团有限公司，上海 201900；2.宝钢集团中央研究院，上海 201900)

RH多功能顶枪喷粉管设计

刘 安1，孙亚飞1，任三兵2

(1.宝钢工程技术集团有限公司，上海 201900；2.宝钢集团中央研究院，上海 201900)

研究了国内外带有喷粉功能的RH多功能顶枪，分析了脱硫粉剂喷吹强度(单位时间喷吹量)和喷吹枪位(顶枪喷吹时距钢液面的高度)以及脱硫粉剂颗粒大小对脱硫效果的影响，并采用CFD软件分析喷粉管位置对喷粉射流和吹氧射流的影响，得到喷粉管与氧枪喷头之间的合理位置范围。为某厂设计的RH多功能顶枪喷粉管距离喉口的距离L取60～70 mm之间，喷粉系统可达到的最大喷吹强度为250 kg/min，脱硫率可达52%，使用效果良好。

RH；喷粉；氧枪；数值模拟

0 前言

RH真空脱气装置由于其具备产能大、脱气效果好、钢水纯净度高、成分控制精确等优点而被广泛采用。随着RH精炼工艺技术的不断发展，RH冶金功能在不断拓展。RH已经由原来单一的脱气设备发展成为包含真空脱气、吹氧脱碳、喷粉脱硫、温度补偿、均匀温度和成分等的多功能炉外精炼设备。

日本住友和歌山厂于1994年开发了RH顶喷粉法(RH-PTB喷粉法)脱硫，即通过多功能顶枪向真空槽内的钢液喷吹脱硫粉剂进行脱硫[1]。RH喷粉脱硫具有独特的优越性： 高真空降低了钢液中的氧活度，更加有利于脱硫；脱硫过程主要在循环流动的钢液中进行，避开了钢包顶渣对脱硫的影响；脱硫过程隔绝空气不会因钢液表面紊流而吸氮；脱硫反应为脱硫剂-钢液界面反应，反应动力学条件更好。该方法喷吹的脱硫粉剂颗粒度小，与钢液持续接触的时间长，脱硫剂利用效率较高，能够快速有效地将钢液中的硫含量降低到极低水平[2-3]。

鉴于该RH喷粉法脱硫有很多优点，国内外其它厂家也相继开发了如RH-MESID、RH-KTB(PB)、RH-WPB等各种RH顶喷粉法[4-5]。带喷粉功能的RH多功能顶枪是RH顶吹喷粉法脱硫的关键装备之一，除具有传统的脱碳、加热、化学升温、二次燃烧等功能外，增加了喷粉功能，将脱硫粉剂喷吹到真空槽内的钢液中，能够快速有效地将钢液中的含硫量降低到目标范围内。本文针对带喷粉功能RH多功能顶枪的喷粉管设计进行了分析和研究。

1 RH顶喷粉法和多功能顶枪

RH顶吹喷粉法(RH-PTB)是在RH真空精炼处理时的真空条件下，通过RH真空槽顶部的多功能顶枪以惰性气体为载气将粉末状脱硫剂喷入真空槽内钢水中进行脱硫处理的工艺方法。RH顶吹喷粉法系统原理简图如图1所示。

图1 RH顶吹喷粉法系统原理简图

RH顶喷粉法(RH-PTB喷粉法)向钢液喷入脱硫剂粉是通过顶枪来完成的。与一般RH多功能顶枪不同，带喷粉功能的RH多功能顶枪是在RH多功能顶枪的氧气管中心设计一根喷粉管，接入喷吹系统，使原来的多功能顶枪增加喷粉功能。喷粉脱硫操作时，顶枪下降至喷粉枪位，脱硫粉剂经过喷粉管出口，通过头部的氧枪喷头(Laval管)喷出多功能顶枪进入真空槽内的钢水。RH多功能顶枪头部结构如图2所示。

图2 RH多功能顶枪头部结构示意图

2 设计与分析

国内外研究表明，RH多功能顶枪的脱硫粉剂喷吹强度(单位时间喷吹量)和喷吹枪位(顶枪喷吹时距钢液面的高度)以及脱硫粉剂颗粒大小直接影响脱硫效果。RH喷粉在真空槽内进行，部分粉剂会随真空槽内的气流运动被吸入真空系统，喷吹枪位合理、粉剂颗粒大小合适，进入钢水中粉剂多，粉剂利用率高，脱硫效果就好[3-6]。

生产实践和研究都证明[3-8]：

(1)喷吹枪位越低(距钢液表面近)越好，但在实际生产中过低的枪位极易在枪头上粘结冷钢，损坏顶枪，喷枪寿命降低；枪位问题实际上反映的是粉剂颗粒到达钢液面时的速度问题。能够进入钢水的粉粒其临界条件：粉粒必须克服上升气流阻力、钢液表面张力和钢水浮力，粉粒进入钢水后速度逐渐降至零，进入钢水距离应不小于粉粒直径。因此粉剂颗粒喷出时应具备相应的出口速度。

(2)喷吹强度并非越大越好。喷吹强度大可缩短处理时间，但粉剂在钢液内凝聚使表观粒径变大而减少了滞留时间；在硫含量很低范围时，钢水中硫的扩散速度减慢；脱硫率并不随喷吹强度大而增大，如图3所示。

图3 喷吹强度对脱硫速度常数的影响

(3)粉剂颗粒大时，在钢水中上浮速度大而滞留时间短，粒径大反应界面变小；相反粒径过小时，容易被抽进真空排气系统，粉剂进入钢水的量减少，粉剂有效利用率也就变小。粉剂粒径存在合理的范围，如图4所示。

为得到较高的粉剂有效利用率、脱硫率，喷粉设备设计需要研究的有关因素是：枪位和粉剂出口速度、喷吹强度。对RH多功能顶枪的喷粉管设计而言，需要达到工艺操作要求的喷吹强度和粉剂出口速度。设计合理的管径及可以得到对应的粉剂出口速度、喷吹强度，喷粉管与氧枪喷头之间的位置关系会影响到粉剂出口速度及吹氧脱碳时氧气流的出口速度。

图4 脱硫率和石灰粉平均粒径的关系

2.1 管径设计

2.1.1 喷粉枪内径

根据国外经验公式[9]

式中，G为粉剂喷吹强度；D为喷枪出口内径。

2.1.2 喷粉枪的出口速度

为使粉剂能够穿透气、钢界面进入钢液内部，粉剂到达钢液面必须具有一定的速度，据文献[10]，此速度需>100 m/s，取110 m/s。

uP=(0.22～0.32)×ug[9]

式中，uP为粉气流速度，uP=0.25×ug；ug为气流速度，ug=440 m/s。

真空条件下射流速度的衰减，根据文献[11]，

式中，um为喷枪气流速度；ue为喷枪出口气流速度，约为530 m/s；x为枪位；K、α为系数；P0为喷粉枪入口压力；Pe-真空槽内压力。

2.2 喷粉管与氧枪喷头之间的位置

由于喷粉管在氧气通道内部，喷粉管出口位于氧气喷头入口处。尽管喷粉与吹氧操作不同时进行，但喷粉管与氧枪喷头之间位置设计不当，喷粉管位置会对氧气射流造成影响；氧气喷头也会对喷粉射流有影响。采用CFD软件分析喷粉管位置对喷粉射流的影响及喷粉管位置对吹氧射流的影响，以期获得喷粉管与氧枪喷头之间的合理位置范围。

2.2.1 建模

Fluent是通用的CFD软件，具有较强的适应及较广的应用面，可以用来求解一些几何形状和边界条件都很复杂的流动问题，还可以通过设置不同的控制参数进行各种的数值计算。更为重要的是Fluent不受物理模型和实验模型的限制，灵活性高，容易模拟真实条件和实验中只能接近而无法达到的理想条件。

本文以国内某钢厂RH多功能顶枪作为研究对象，按照其参数进行建模。

2.2.2 喷粉管位置对喷粉射流的影响

由于氧气喷头为Laval管，一定条件下，喷粉射流经过Laval管会对其流动产生影响。在多功能顶枪喷粉操作条件下，改变图2中喷粉管出口端到氧气喷头喉口距离L，结合工程实际，L取值在44～84 mm之间进行了几个位置的模拟，通过模拟可以看出粉剂通过喷粉管出口喷出后经氧气喷头的速度变化。

如图5、6、7所示，随着内置喷粉管到喉口距离L的增大，载气的出口速度及载气达到钢液面时的速度减小，当L=44 mm增加到L=84 mm时，载气达到钢液面时的速度减小了25 m/s左右。

图5 距离L=44 mm喷粉时，laval喷管内部的速度云图

图6 距离L=84 mm喷粉时，laval喷管内部的速度云图

图7 不同喷粉管位置下，喷粉时气流速度的衰减曲线

2.2.3 喷粉管位置对吹氧射流的影响

当不进行喷粉操作时，氧枪需要完成吹氧操作，喷粉管的位置不合适会对氧气流产生影响。在多功能顶枪吹氧操作条件下，对喷粉管出口端到氧气喷头喉口距离L在44～84 mm之间进行了几个位置的模拟，通过模拟可以看出喷粉管位置对氧气喷头喷出的氧气流的影响及氧气喷头后的速度变化。

如图8、9、10所示，随着内置喷粉管到喉口距离L的增大，当L=44 mm增加到L=64 mm时，氧气的出口速度及氧气达到钢液面时的速度变化不大，但当L继续增大到74 mm时，氧气的出口速度及氧气达到钢液面时的速度增大，氧气衰减到钢液面时的速度增加了45 m/s左右，L继续增大到84 mm时，氧气的出口速度及氧气达到钢液面时的速度变化不大。

图8 距离L=44 mm吹氧时，laval喷管内部的速度云图

图9 距离L=84 mm吹氧时，laval喷管内部的速度云图

图10 不同喷粉管位置下，吹氧时气流速度的衰减曲线

分析：减小内置喷粉管到喉口距离L可以增大喷粉时载气的出口速度及载气达到钢液面时的速度，有利于喷粉脱硫反应，但减小到一定程度后将降低吹氧时氧气的出口速度及氧气达到钢液面时的速度。考虑到充分发挥RH多功能顶枪的喷粉与吹氧功能，喷粉管与氧枪拉瓦尔喷管之间的距离L存在合理的范围。在本文设计条件下，综合考虑使得吹氧管和喷粉管的速度都比较大，则喷粉管距离喉口的距离L取60～70 mm之间为宜。

3 使用效果

该多功能顶枪成功应用于国内某钢厂RH，喷粉系统可达到的最大喷吹强度为250 kg/min，通常使用喷吹强度为100～200 kg/min，脱硫时间5～10 min，在不影响生产节奏的前提下，对于4～5 kg/吨钢的脱硫剂单耗，平均脱硫率>40%。表1为某低硫钢种RH喷粉前后的成分变化，脱硫率可达52%，使用效果良好，且不影响顶枪的脱碳、加热、化学升温、二次燃烧等功能。

表1 RH顶枪喷粉装置使用效果 ×10-5

4 结束语

RH脱硫工艺操作要求的喷吹强度和粉剂出口速度决定RH多功能顶枪的喷粉管直径。本文根据文献资料进行了喷粉枪内径和喷枪出口气流速度设计计算。通过计算和Fluent软件模拟对带喷粉功能的RH多功能顶枪的喷粉管设计进行了研究分析，得到了在给定氧枪设计条件下喷粉管与氧气喷头之间位置的最佳范围，并成功应用于实际生产中，在不影响多功能顶枪传统功能的前提下，取得了令人满意的喷吹强度和脱硫效果。

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Design on powder injection pipe of RH multi-functional top lance

LIU An1，SUN Ya-fei1，REN San-bing2

(1.Baosteel Engineering & Technology Group Co.,Ltd.,Shanghai 201900,China；2.Baosteel Research Institute, Shanghai 201900,China)

This study investigates RH multi-functional top lance with powder injection at home and abroad. It analyzes what effect desulphurizing rate on three perspectives：powder jet intensity，grain size and the powder lance position. A computational fluid dynamics (CFD) software is used to analyze how powder injection pipe position effects powder injection and oxygen jet, which gets a reasonable range position between powder injection pipe and oxygen lance nozzle. An on-line designed situation shows when the distance L from powder injection pipe to nozzle throat is of 60～70 mm, the maximum injection strength could get 250 kg/min, desulfurization rate could be 52%.

RH;powder injection;oxygen lance;numerical simulation

TF777

A

1001-196X(2017)05-0074-05

2017-01-25；

2017-03-29

刘安(1964-)，男，陕西西安人，宝钢工程技术集团有限公司高级工程师，现从事炉外精炼设备设计、研发。