轉爐氧槍噴頭的設計與應用

刁望才+韓春鵬+田野

摘 要：本文闡述了轉爐氧槍噴頭重要參數的設計和選取，并在實際運用過程中對轉爐生產的重要工藝參數進行統計分析，從而得出合理的氧槍噴頭參數設計和選取可以實現優越的轉爐冶煉效果。

關鍵詞：轉爐；氧槍；噴頭；設計

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

氧槍是轉爐煉鋼中的關鍵設備，氧槍噴頭各個參數的設計選取、精細加工和最佳的操作控制是實現轉爐煉鋼高效平穩吹煉的必要條件[1]。

1 氧槍噴頭的設計原則

氧槍噴頭的主要作用是通過噴射的氧氣射流對熔池的攪拌和與熔池的反應來合理控制轉爐鋼液中的乳化及泡沫現象，得到合適的渣中（FeO）含量，促進石灰的快速融化，得到合適的堿度，實現轉爐脫碳、升溫 、去磷的目的。

1.1 氧槍噴頭的設計原則

（1）通過氧槍噴頭參數的合理設計，在轉爐冶煉過程中得到合適的沖擊深度和沖擊面積，從而實現轉爐冶煉的效果和目的。

（2）氧槍噴頭不僅要有良好的冶金效果， 而且要在濺渣環節體現優越的性能[2]。

（3）與氧槍噴頭參數相適應的槍位設計是保證氧氣與鋼、渣充分且均勻反應的重要保障，同時保證更好的降低轉爐冶煉過程中氧氣射流對爐襯造成的損壞。

（4）要具備足夠高的噴頭壽命，要保證氧氣射流可以順著氧槍的軸線不還產生負壓區，同時避免湍流運動劇烈引起的負面影響。

1.2 氧槍噴頭的噴孔數量與夾角的選取規則

2 氧槍噴頭設計方案實例

2.1 鍛壓組合式氧槍噴頭[3]設計參數

2.2 氧槍噴頭參數設計核算

氧槍噴頭使用氧壓在超過設計氧壓一定范圍的情況下，可以發揮更好的作用。所以在噴頭設計中，設計供氧流量需低于實際供氧流量，在流量調節閥調整到實際使用流量時，氧槍噴頭的使用壓力自然會高于設計氧壓。據實際經驗，使用氧壓不超過設計氧壓的130%，氧槍噴頭可以達到更好的效果。260噸轉爐設計供氧流量按51000Nm3/h計算。

2.2.1 理論氧壓值計算

根據Ma=2.05，查等熵流表：P/ P0 =0.11823，由于爐膛壓力略大于大氣壓力，取爐膛壓力P為0.1041MPa，計算得出P0=0.88Mpa。現場供氧壓力滿足氧槍噴頭供氣壓力要求。

2.2.2 喉口直徑計算[4]

2.2.3 出口直徑計算

根據Ma=2.05，查等熵流表得A出/A喉=1.76

A出=A喉×1.76

計算D出=65.4mm，取D出=65.4mm。

2.2.4 擴張段長度計算

氧槍噴頭拉瓦爾擴張段實際使用的氣體膨脹角為7～10°。大擴張角控制膨脹作用小，氧氣流股對熔池的沖擊面積提高，利于化渣。選擇噴孔擴張9°，則擴張段長度

L擴=（D出-D喉）/2（tanβ/2）

計算L擴=102.28mm，取擴張段長度102.3mm。

2.2.5 喉口段長度的確定[4]

喉口段長度主要是穩定氣流和加工方便，推薦未5～40mm。喉口段長度取15mm。

2.2.6 收縮段長度計算

按經驗公式：收縮段的長度L收=（0.8～1.5）d喉，

收縮段取55mm。

2.2.7 操作槍位計算

根據經驗公式H=（30～45）×D出，則H=1962～2943mm，實際操作槍位按1900～2700mm控制。

2.2.8 沖擊深度（按出鋼量270噸核算）計算

根據佛林公式：

沖擊深度h=[346.7×P0×D喉÷+3.81]cos15.5°

按流量53000 Nm3/h，槍位2700mm、1800mm核算，沖擊深度分別為h=95.4cm、116cm。

熔池深度按193.1cm計算：

槍位2700mm時，穿透比=49.4%，

槍位1800mm時，穿透比=60.1%，

沖擊深度比的理想范圍為40%-60%之間，理論沖擊深度比在理想的范圍內。

3 實際生產統計分析結果

3.1 轉爐終渣全鐵含量w（TFe）%

轉爐渣中全鐵含量w（TFe）%與吹煉關系極為密切，應保證合適的渣中全鐵含量[5]。統計連續500爐的轉爐終渣全鐵含量w（TFe）%，其中小于20%的比率占90.4%，平均w（TFe）%為16.43%，達到了轉爐氧槍噴頭冶煉化渣的理想效果。詳見表3。

3.2 脫磷效率

統計連續500爐的轉爐拉碳磷P%含量平均為0.0115%，入爐鐵水磷P%含量平均為0.153%，計算脫磷效率為92.5%。說明氧槍噴頭參數設計滿足在高鐵水磷含量的條件下脫磷效率要求。

轉爐拉碳磷含量大于0.020%的比率僅為3.8%，即磷的可控率達到96.2%以上，滿足鋼種磷含量要求。其中轉爐拉碳鋼水磷含量小于等于0.010%的比率達到36%以上，通過進一步優化，可實現超低磷鋼的冶煉工藝條件。

3.3 其它指標

經統計平均吹氧時間滿足生產組織需求，實際噸鋼氧氣消耗滿足低成本和設計要求，一次出鋼率達到全國先進水平。

3.4 氧槍槍位的影響

氧槍槍位和氧槍噴頭的結構對熔池內金屬液的運動均起著至關重要的作用。在氧壓不變的情況下，提高槍位，轉爐中鋼液被沖擊所產生的凹坑的最低點就會提高，沖擊深度降低，沖擊面積較小，環流會減弱，攪拌鋼液的效果變差；降低槍位，效果反之，同時容易損壞爐底，影響槍齡。因此在實際生產過程中，使用合理的氧槍槍位十分重要，圖1為此氧槍噴頭在實際生產中的氧槍槍位配合使用實例，各項指標較好，使用效果良好。

3.5 爐體侵蝕

轉爐新爐役80爐開始濺渣，圖分別為103爐和2334爐時爐襯測厚儀所測得的爐型圖，如圖2所示，轉爐冶煉2334爐時，除裝入側大面和渣線侵蝕嚴重部位有所降低，爐底有所變方，爐冒部位略有增長外，爐型整體保持較好。從爐型變化來分析，此氧槍噴頭配合氧槍槍位合理控制，其氮氣流的沖擊面積和渣粒反射角[6]合理，濺渣點均勻分布， 爐襯各部位厚度得到合理保持，濺渣效果較好。

3.6 氧槍噴頭壽命

鍛壓組合式氧槍噴頭在工藝參數設計合理的情況下，具有結構合理、冷卻效果好、使用壽命長的特點。[3]統計2016年全年氧槍噴頭使用壽命平均為498.2爐，其中一支氧槍噴頭由于操作不當使用334次時燒槍下線，其余均達到設計壽命400爐以上，如圖3所示。其中試驗槍頭2支，最高使用658次，在600次以上爐次生產過程中，氧槍噴頭噴孔出口磨損倒角加快，轉爐噴濺率明顯增加，因此控制氧槍噴頭使用壽命在600次以內，保證吹煉過程平穩運行。

4 結論

本文中氧槍噴頭的合理設計參數和選取運用到實際生產中，使渣中全鐵含量控制在既可以滿足化渣脫磷要求，又不影響脫碳速度，使吹煉過程均勻升溫，平穩的控制了轉爐冶煉過程，得到了較好的吹煉工藝效果，氧槍槍齡也得到了合理的提高。因此，在氧槍噴頭設計過程中，噴頭參數的合理計算和選取起著至關重要的作用，可以實現優越的轉爐冶煉效果。

參考文獻：

[1]李新林，劉海強，張振申.120t轉爐氧槍噴頭設計與應用[J].河南冶金，2006（08）：14-4.

[2]辛廣勝，張曉光，鄭穎.轉爐高效化冶煉用新型氧槍開發與應用[J].包鋼科技，2006（12）：32-6.

[3]李承祚，張飛虎，孫達庚，孟永社.氧氣轉爐鍛壓組合式氧槍噴頭的研制與應用[J].冶金設備，2002（04）：132-2.

[4]吳劍.超音速氧槍設計.冶金叢刊，2004（12）：154-6.

[5]畢永杰，李全君等.高效氧槍噴頭優化設計改造與應用[J].山東冶金，2007（03）：29.

[6]劉國，刁承民，葉勇.大流量氧槍噴頭供氣參數的優化[G].中國鋼鐵年會論文集，2011（08）.