氧槍噴頭參數優化與應用

蘇 醒，郭文波

（新余鋼鐵集團有限公司，江西 新余 338001）

1 前言

在近幾年鋼材效益較好的大環境下，各鋼鐵廠為搶抓市場機遇均立足于縮短轉爐冶煉周期來開展工作，其中供氧環節作為冶煉周期中的重要環節，不僅關系到供氧時間的長短，而且決定了終點命中率的高低，作為供氧的核心部件氧槍噴頭，其參數的設計非常關鍵。目前限制我廠供氧時間縮短的主要原因在于供氧流量在現有水平下繼續增加會造成氧壓偏高、增加操作難度如噴濺發生率上升、加劇爐底侵蝕等問題[1]。因此，要達到縮短供氧時間、優化終點命中率的目的改進現有氧槍噴頭參數十分必要。

2 現狀分析

我廠轉爐公稱噸位110噸、裝入量約121噸，原有氧槍噴頭采用四孔拉瓦爾型，中心夾角12°、馬赫數2.0、喉口直徑38.4mm，吹煉過程中普遍使用19500m3/h和23000m3/h兩個檔位的供氧流量。使用供氧流量23000m3/h時對應氧槍支管閥后壓力高達0.93Mpa～0.95Mpa。高氧壓操作一方面增加了吹煉控制難度，噴濺發生率增加，另一方面易對爐底造成侵蝕（具體沖擊深度見表1）。現有供氧條件下平均吹煉時間長達787秒，如采用低檔位19500m3/h氧流量則吹煉時間會更長。

表1 原有噴頭不同氧壓條件下氧射流沖擊深度對比

上表中沖擊深度根據佛林公式計算得出：

式中：H—操作槍位cm；

P—使用壓力MPa；

d喉—喉口直徑cm。

此公式對單孔噴頭適用，對于多孔噴頭取修正系數0.90。

由表1可見，在正常拉碳槍位1200mm下將氧流量從23000m3/h提高到25000m3/h后，沖擊深度增加5cm、沖擊比例增加4%。據相關資料介紹，氧射流沖擊深度控制在70%比較理想，過淺脫碳速度和氧氣利用率降低；過深易損壞爐底，造成嚴重噴濺[2]。因此利用現有氧槍噴頭通過提高供氧流量來達到縮短供氧時間的目的不現實。

3 優化方案及實施效果

3.1 一次改進及實施效果

為解決增加氧流量氧壓不升高的問題，嘗試增加噴頭的喉口直徑，其它參數未變，見表2：

表2 一次改進氧槍噴頭參數

第一次改進噴頭設計供氧流量25000m3/h、壓力控制在0.8Mpa～0.9Mpa，喉口直徑在原有基礎上增加1.4mm、出口直徑增加了1.8mm，馬赫數未變，具體見圖1。

圖1 一次改進噴頭剖面圖

經過一次改進后對上線噴頭進行了試用、跟蹤，著重對氧壓進行了對比如下：

表3 不同氧流量（m3/h）對應氧壓（MPa）對比（一次）

通過對比發現，一次改進噴頭供氧流量在23000m3/h～24000m3/h之間對應氧壓較原有噴頭降低約0.03Mpa，在25000m3/h時氧壓高達0.97Mpa，未達到設計氧壓要求，提高氧流量操作不現實，因此一次改進噴頭未起到明顯效果。

3.2 二次改進方案

針對一次改進噴頭在大流量范圍內仍然存在氧壓偏高的問題，對噴頭參數進行了二次改進，將噴頭喉口直徑由原先的39.8mm增加到了41.0mm，相應出口直徑由51.7mm調整到53.9mm[3]。

另外，為進一步加強攪拌效果，使渣鋼界面進行充分反應，將馬赫數由原有2.00提高到2.03，實際使用過程中相同供氧流量條件下氧壓有了比較明顯的降低：

表4 不同氧流量（m3/h）對應氧壓（MPa）對比（二次）

在相同供氧流量的前提下二次改進噴頭操作氧壓較原有噴頭平均降低了0.08Mpa。使用二次改進噴頭供氧流量由原先的23000m3/h提高到25000m3/h，氧壓對應為0.90MPa，較原先氧流量為23000m3/h時所對應的0.93MPa甚至降低了0.03MPa。操作氧壓的降低為供氧流量的提升乃至供氧時間的縮短創造了條件[4]。

3.3 二次改進實施效果

喉口直徑進一步加大后在供氧流量的提升時氧壓在原有基礎上得以降低，使得供氧流量的增加成為現實，供氧強度有原先的3.4m3/（t.min）提高到3.7m3/（t.min），加之馬赫數的提高使得熔池攪拌效果更佳，化學反應更加趨于平衡，供氧時間平均較原有噴頭至少縮短了75秒。在終渣堿度、TFe分別與原先保持一致的前提下殘錳率、脫磷率均有所提高，特別是一倒出鋼率較之前有大幅度提升[5]。實際吹煉效果對比情況如下表所示：

表5 實際吹煉指標對比

氧槍噴頭經過二次改進后氧流量從原先的23000m3/h提高到25000m3/h，吹煉時間降低的同時氧氣利用率提高，噸鋼氧耗由原先的44.6m3/t降低到42.9m3/t。

同時，根據使用過程中的實際氧壓及參數用佛林公式再次驗證了氧射流對熔池的沖擊深度和沖擊比例如下表：

表6 不同槍位下沖擊深度對比

上表中的計算依據為改進噴頭使用25000m3/h供氧流量、原有噴頭使用23000m3/h流量，通過對比發現，改進噴頭在不同槍位條件下沖擊深度雖較原有噴頭平均增加了4cm，但沖擊比例在合理范圍內，因此吹煉過程中槍位可保持不變或者小范圍內提高約4cm即可。

目前二次改進噴頭在我廠已進行推廣使用，因留渣模式、過程槍位、刮渣系統等方面因素影響，目前槍齡普遍不高、有待改善。

4 結語

（1）經過對氧槍噴頭參數進行二次改進后，供氧流量由原先23000m3/h提高到25000m3/h后操作氧壓未升高甚至降低了0.03Mpa。采用25000m3/h恒流量操作后供氧時間較原先至少縮短75秒，對比相同鋼種在終渣堿度、TFe與原先保持一致的前提下終點脫磷率提高3.1%、一倒出鋼率提升28.6%。

（2）因改進氧槍噴頭喉口直徑較原有噴頭增加2.6mm，相同槍位條件下氧射流沖擊深度較原先增加了40mm，沖擊比例仍在合理范圍內，實際吹煉過程中槍位可保持不變或者小范圍內提高約40mm。

（3）由于留渣模式、過程槍位、刮渣系統等綜合因素影響，目前槍齡普遍偏低，仍有待改善。