柳钢转炉厂大流量氧枪铜头的改造与应用

李健畅

摘要：本文叙述了柳钢转炉厂对大流量氧枪铜头的设计计算和改造工作，并就改造后效果进行了论述，供读者参考。

关键词：喷头马赫数；喷头夹角；冲击深度；转炉生产指标

0 前言

氧枪喷头作为炼钢工艺中的一个设备，不仅对冶炼过程喷溅、冶炼终点钢水的质量有着举足轻重的作用，还对生产节奏的控制以及转炉炉型的维护都有着非常大的影响。柳钢转炉厂冶三车间自投产以来使用的是供氧强度为3.0的五孔喷头，随着生產要求的不断提高，此喷头冶炼周期长，冶炼过程易喷溅等缺点越来越明显。针对以上问题，通过对氧枪喷头的供氧流量、压力、喷头的夹角、喉口的大小等参数进行了改造优化，很好的解决了这些问题，取得了良好的冶炼操作效果。

1 优化与改造

1.1 铜头各项参数的确定

1.1.1 马赫数的确定

马赫数（M）是氧枪喷头中非常重要的一个参数，M是氧气射流在喷头出口的速度，决定着氧气流股对熔池液面的冲击能力，当M越大时候，熔池内反应剧烈，容易产生喷溅，而M偏小的时候，氧气流股对熔池起不到良好的搅拌作用。与此同时，氧枪喷头的另一个参数P出，同样对熔池有着与M相同的作用，为了使吹炼过程的稳定，对M和P出做了两者的关系研究。

由图可见，当P出＜2的范围里，曲线斜率较大，表示当压力有细微的变化时，M都有明显的上升趋势，当P出＞3的范围内。曲线斜率相对较小，表示出口压力的增加对氧气的出口速度影响降低。而实际生产中，过高的马赫数需要特殊材料的管线设备，投资较大且反应激烈，而马赫数较小时，氧气管道的压力没有充分的利用，也不经济，综合考虑，马赫数M=2.05为最佳。

1.1.2 氧流量与铜头喉口直接的确定

首先确定氧枪正常用氧流量，柳钢转炉厂三区改造新铜头目标氧气流量为Q=33 000 Nm?/h，根据转炉工况采用5孔拉瓦尔式喷枪，然后再根据公式2.1计算喉口直径d喉。

Q=1.782CD×A喉×P0÷√T0 Nm?/min（公式2.1）

式中：CD–喷孔流量系数，CD=0.9～0.96，一般取0.96

T0–氧气滞止温度K，一般按当地夏季温度选取T0=273+（20～30）K，取T0=300

A喉–喉口总面积，At=π×d喉2/4×5

P0–理论设计氧压，考虑氧气压力损失5%～8%

计算出d喉=41.3 mm。

1.1.3 出口直径以及喷头结构的确定

查等熵流表：当M=2.05时，然后根据A出/

A喉=1.76计算出d出=54.8 mm，其中为了便于加工，喉口直段取L喉=15 mm，喉口段长度L喉为稳定气流。根据计算，扩张段长度L扩=（d出-d喉）/2tanɑ（扩张半锥角选取为4°）计算得出

L扩=96.5 mm。

1.2 新铜头理论效果计算

1.2.1 新铜头冲击深度

首先确定操作枪位H，根据公式H=1.15×（35～50）×d喉，计算得出H=1 660～2 380 mm然后根据佛林公式2.2.1计算出铜头冲击深度h1。

h1=340×P×d喉÷√H+3.81（公式2.2.1）

式中：H–操作枪位cm；

P–使用压力MPa；

d喉–喉口直径cm。

此公式对单孔喷头适用，对于多孔喷头取修正系数0.9，根据计算得出枪位与冲击深度的对应关系如表1。

1.2.2 新铜头的冲击面积

在计算铜头冲击面积时，首先需要确定铜头出口氧气流速，根据查等熵流函数表得出喷氧孔出口流速系数Ma*=1.6553则根据公式2.2.2计算出出口流速Va。

Va= Ma*×v= Ma*×19.07×√T0 m/s（公式2.2.2）

式中：Va–喷氧孔出口流速，m/s，

V–氧射流音速，m/s，

T0–氧气滞止温度K，一般按当地夏季温度选取T0=273+（20～30）K，取T0=300 K。

计算得出铜头出口氧气流速Va=546.75 m/s，再由出口流速Va计计算出铜头单孔冲击的直径d和对应的面积s。

铜头单孔冲击的直径公式d如下：

d=1.26× （ρ/ρ0*g）1/6×（Va *de）1/3×（H/B）1/2（公式2.2.3）

式中：g–重力加速度，9.81 m/s2，

de–喷氧孔喉口半径m，

H–氧枪操作枪位m，

B–常数，决定于射流马赫数，马赫数在0.5～3，距出口15 de出以后，B=6～9，取7.86。

根据公式2.2.3可以的出对应操作枪位下，铜头单孔冲击直径d，然后根据d得出有效冲击面积S，其对应关系如表2所示。

2 新喷头在生产实践中的应用效果

2.1 生产指标对比

如表3.1和表3.2所示，使用新喷头的平均工作压力保持在0.79 Mpa，供氧强度增至3.7，冶炼过程枪位控制在1 600 mm～1 800 mm，吹氧时间降至820 s，终点氧平均做到380 ppm，终点的CT命中率由原来的75%上升至85%，冶炼周期为35 min，完全符合炉机匹配节奏和工艺要求，而且过程碳氧反应十分充分，促进熔池的搅拌能力加强，终点炉渣的流动性较好，从终点炉渣的成分可见TFe%有了下降的趋势，金属回收率得到有效提高，炉渣碱度和氧化镁含量保持比较稳定，对炉况的稳定起了重要作用，通过不断地工艺优化，氧枪寿命更是提升105%，完全满足现有生产条件的要求。

2.2 冶炼过程煤气曲线对比

从两种喷头的煤气曲线可见，新喷头的CO%曲线斜率变大，说明在冶炼过程中供氧强度增加后，CO%的反应速度得到了明显的提升，有利于控制前期渣冒现象的解决。新喷头CO%的峰值要比原喷头的快且高，说明碳氧反应速度起来后整个转炉熔池的反应能力加强，有利于熔池的搅拌均匀，有利于过程稳定性的控制，并有利于煤气回收量的提升。

3 总结

（1）使用优化后的氧枪喷头，增加了冶炼过程的流量，提高了供氧强度，有效的提高了氧气射流对熔池的冲击能力，使碳氧反应能够更充分稳定的进行，减少了喷溅的发生，同时，供氧时间也缩短了近1.5 min，有效的降低了冶炼周期，满足连铸的快节奏要求。

（2）新喷头的使用，表现出了理想的化渣效果，提高了炉渣的脱磷率，实践生产中的各项经济指标都有不同程度的进步，在满足操作工艺要求的同时还合理提高了氧枪的枪龄，达到了操作稳定、喷溅减少、降低消耗、稳定炉况的作用，创造了优良的工艺效果。

参考文献

［1］ 王显军. 80t转炉四孔氧枪的设计应用［C］. 2011特钢年会论文集. 2011：20-24.

［2］ 高文芳，张剑君，陈钢，等. 复吹转炉氧枪喷头优化研究［J］. 炼钢，2007，23（5）：13-17