柳鋼轉爐廠大流量氧槍銅頭的改造與應用

李健暢

摘要：本文敘述了柳鋼轉爐廠對大流量氧槍銅頭的設計計算和改造工作，并就改造后效果進行了論述，供讀者參考。

關鍵詞：噴頭馬赫數；噴頭夾角；沖擊深度；轉爐生產指標

0 前言

氧槍噴頭作為煉鋼工藝中的一個設備，不僅對冶煉過程噴濺、冶煉終點鋼水的質量有著舉足輕重的作用，還對生產節奏的控制以及轉爐爐型的維護都有著非常大的影響。柳鋼轉爐廠冶三車間自投產以來使用的是供氧強度為3.0的五孔噴頭，隨著生產要求的不斷提高，此噴頭冶煉周期長，冶煉過程易噴濺等缺點越來越明顯。針對以上問題，通過對氧槍噴頭的供氧流量、壓力、噴頭的夾角、喉口的大小等參數進行了改造優化，很好的解決了這些問題，取得了良好的冶煉操作效果。

1 優化與改造

1.1 銅頭各項參數的確定

1.1.1 馬赫數的確定

馬赫數（M）是氧槍噴頭中非常重要的一個參數，M是氧氣射流在噴頭出口的速度，決定著氧氣流股對熔池液面的沖擊能力，當M越大時候，熔池內反應劇烈，容易產生噴濺，而M偏小的時候，氧氣流股對熔池起不到良好的攪拌作用。與此同時，氧槍噴頭的另一個參數P出，同樣對熔池有著與M相同的作用，為了使吹煉過程的穩定，對M和P出做了兩者的關系研究。

由圖可見，當P出＜2的范圍里，曲線斜率較大，表示當壓力有細微的變化時，M都有明顯的上升趨勢，當P出＞3的范圍內。曲線斜率相對較小，表示出口壓力的增加對氧氣的出口速度影響降低。而實際生產中，過高的馬赫數需要特殊材料的管線設備，投資較大且反應激烈，而馬赫數較小時，氧氣管道的壓力沒有充分的利用，也不經濟，綜合考慮，馬赫數M=2.05為最佳。

1.1.2 氧流量與銅頭喉口直接的確定

首先確定氧槍正常用氧流量，柳鋼轉爐廠三區改造新銅頭目標氧氣流量為Q=33 000 Nm?/h，根據轉爐工況采用5孔拉瓦爾式噴槍，然后再根據公式2.1計算喉口直徑d喉。

Q=1.782CD×A喉×P0÷√T0 Nm?/min（公式2.1）

式中：CD–噴孔流量系數，CD=0.9～0.96，一般取0.96

T0–氧氣滯止溫度K，一般按當地夏季溫度選取T0=273+（20～30）K，取T0=300

A喉–喉口總面積，At=π×d喉2/4×5

P0–理論設計氧壓，考慮氧氣壓力損失5%～8%

計算出d喉=41.3 mm。

1.1.3 出口直徑以及噴頭結構的確定

查等熵流表：當M=2.05時，然后根據A出/

A喉=1.76計算出d出=54.8 mm，其中為了便于加工，喉口直段取L喉=15 mm，喉口段長度L喉為穩定氣流。根據計算，擴張段長度L擴=（d出-d喉）/2tanɑ（擴張半錐角選取為4°）計算得出

L擴=96.5 mm。

1.2 新銅頭理論效果計算

1.2.1 新銅頭沖擊深度

首先確定操作槍位H，根據公式H=1.15×（35～50）×d喉，計算得出H=1 660～2 380 mm然后根據佛林公式2.2.1計算出銅頭沖擊深度h1。

h1=340×P×d喉÷√H+3.81（公式2.2.1）

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0.9，根據計算得出槍位與沖擊深度的對應關系如表1。

1.2.2 新銅頭的沖擊面積

在計算銅頭沖擊面積時，首先需要確定銅頭出口氧氣流速，根據查等熵流函數表得出噴氧孔出口流速系數Ma*=1.6553則根據公式2.2.2計算出出口流速Va。

Va= Ma*×v= Ma*×19.07×√T0 m/s（公式2.2.2）

式中：Va–噴氧孔出口流速，m/s，

V–氧射流音速，m/s，

T0–氧氣滯止溫度K，一般按當地夏季溫度選取T0=273+（20～30）K，取T0=300 K。

計算得出銅頭出口氧氣流速Va=546.75 m/s，再由出口流速Va計計算出銅頭單孔沖擊的直徑d和對應的面積s。

銅頭單孔沖擊的直徑公式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–噴氧孔喉口半徑m，

H–氧槍操作槍位m，

B–常數，決定于射流馬赫數，馬赫數在0.5～3，距出口15 de出以后，B=6～9，取7.86。

根據公式2.2.3可以的出對應操作槍位下，銅頭單孔沖擊直徑d，然后根據d得出有效沖擊面積S，其對應關系如表2所示。

2 新噴頭在生產實踐中的應用效果

2.1 生產指標對比

如表3.1和表3.2所示，使用新噴頭的平均工作壓力保持在0.79 Mpa，供氧強度增至3.7，冶煉過程槍位控制在1 600 mm～1 800 mm，吹氧時間降至820 s，終點氧平均做到380 ppm，終點的CT命中率由原來的75%上升至85%，冶煉周期為35 min，完全符合爐機匹配節奏和工藝要求，而且過程碳氧反應十分充分，促進熔池的攪拌能力加強，終點爐渣的流動性較好，從終點爐渣的成分可見TFe%有了下降的趨勢，金屬回收率得到有效提高，爐渣堿度和氧化鎂含量保持比較穩定，對爐況的穩定起了重要作用，通過不斷地工藝優化，氧槍壽命更是提升105%，完全滿足現有生產條件的要求。

2.2 冶煉過程煤氣曲線對比

從兩種噴頭的煤氣曲線可見，新噴頭的CO%曲線斜率變大，說明在冶煉過程中供氧強度增加后，CO%的反應速度得到了明顯的提升，有利于控制前期渣冒現象的解決。新噴頭CO%的峰值要比原噴頭的快且高，說明碳氧反應速度起來后整個轉爐熔池的反應能力加強，有利于熔池的攪拌均勻，有利于過程穩定性的控制，并有利于煤氣回收量的提升。

3 總結

（1）使用優化后的氧槍噴頭，增加了冶煉過程的流量，提高了供氧強度，有效的提高了氧氣射流對熔池的沖擊能力，使碳氧反應能夠更充分穩定的進行，減少了噴濺的發生，同時，供氧時間也縮短了近1.5 min，有效的降低了冶煉周期，滿足連鑄的快節奏要求。

（2）新噴頭的使用，表現出了理想的化渣效果，提高了爐渣的脫磷率，實踐生產中的各項經濟指標都有不同程度的進步，在滿足操作工藝要求的同時還合理提高了氧槍的槍齡，達到了操作穩定、噴濺減少、降低消耗、穩定爐況的作用，創造了優良的工藝效果。

參考文獻

［1］ 王顯軍. 80t轉爐四孔氧槍的設計應用［C］. 2011特鋼年會論文集. 2011：20-24.

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