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转炉供氧参数对喷溅的影响

杨文远1，张先贵2，吕英华3，崔怀周1，肖尊湖4，侯春3

(1．钢铁研究总院冶金工艺研究所，北京100081；2．武汉钢铁公司炼钢厂，湖北武汉430080；3．鞍山热能研究院，辽宁鞍山114000；4．涟源钢铁公司炼钢厂，湖南涟源417100)

摘 要：通过水模实验测量了氧枪喷头参数及供氧条件对喷溅率的影响。试验结果加深了对氧射流与熔池作用的认识，为氧枪喷头设计及制定供氧制度提供了依据。多孔喷头射流对熔池的作用是各单孔喷头叠加的结果。为获得良好的冶金效果，要把氧枪喷头参数和供氧制度都控制在合理范围。

关 键 词：转炉；氧枪喷头；氧流量；喷溅

喷溅是转炉炼钢过程中经常发生的现象。喷溅会增加金属和渣料的消耗。严重的喷溅会造成人身和设备事故。产生喷溅的原因很多。本文通过水模试验测定喷头参数、氧流量、枪位高度等不同喷吹条件下的喷溅量，以了解氧射流性质对转炉喷溅量的影响。这些试验结果与转炉钢厂的实际情况基本符合，对于设计转炉氧枪喷头和制定供氧制度有一定的参考价值。

1  水模试验

1．1  试验原理

转炉炼钢过程中，由于顶吹氧射流的冲击和底吹气体的搅拌作用，熔池液体呈高度紊流状态。在此情况下流体的黏性力和表面张力并非影响熔池运动的主要因素。根据相似原理，水模试验应使转炉原型与实验室模型的几何尺寸相似以及气体惯性力与熔池重力之比的修正弗劳德准数相等[1]。

式中，ρl、ρl1为原型与模型的液体密度，kg／m3；ug、ug1为原型与模型的气体速度，m／s；ρg、ρg1为原型与模型的气体密度，kg／m3；Qg、Qg1为原型与模型的气体流量，m3／h；g为重力加速度，m／s。；上述物理量符号中带有下标1的为水模参数，不带下标的为转炉原型参数。

试验中用无油压缩空气模拟氧气，用水模拟钢液。在进行水模试验时，对所用的每个喷头都要测定压力—流量关系图。根据相似原理计算出不同转炉氧流量所对应的水模试验模拟流量。

1．2  操作步骤

对某个喷头进行水模喷溅量测定时，先根据计算的喷吹参数调节仪表流量及压力，使其达到预定值。喷溅量小时在炉口放吸水纸，喷吹后称量吸水纸增重，即为本次喷吹的喷溅量。喷溅量大时采用套筒集水法。在炉帽位置装1个有机玻璃套筒，将喷出的水收集并流入水桶中，喷吹结束后称量水的质量。通常每个枪位喷吹3次，取其喷溅量的平均值。

2  试验结果

2．1  单孔喷头和三孔喷头喷溅率的比较

在LD转炉炼钢早期都用单孔喷头。单孔喷头结构简单，寿命较长。转炉吨位增大后，为减少喷溅采用了3孔喷头，后又发展为多孔喷头。

水模试验喷头是以首钢一炼钢和三明钢厂30t转炉喷头作为试验原型，模型与实型之比为1：4，试验结果如图1所示(喷溅率=(喷溅量／熔池液体总质量)×100％)。

由图1可见，单孔喷头的喷溅率比三孔喷头高4．28倍。三孔喷头的喷溅率低是由于单个喷孔的氧流量仅为单孔喷头的1／3。在相同枪位时氧射流对熔池的冲击深度，三孔喷头为单孔喷头的55％。现在大型转炉的喷孔个数已经达到7个。但喷孔数量过多会降低射流对熔池的冲击深度。对于容量为200t以上的大型转炉，单个喷孔的流量应保持在150～200m3／min。

1971年1月上钢一厂30t转炉最早在中国使用三孔喷头吹炼中磷铁水，取得了缩短吹氧时间和提高脱磷率的效果。此后，三孔喷头在中国各转炉钢厂很快得到推广。

2．2  氧流量对喷溅率的影响

此项试验按300t转炉的参数进行大流量供氧模拟试验。氧流量分别为80000m3／h和90000m3／h。水模试验的模拟流量分别为75．5m3／h和83．1m3／h，底吹供气量为2．0m3／h。不同氧流量下的喷溅率如图2所示。

由图2可见，氧流量由80000m3／h提高到90000m3／h时，其喷溅率由1．16%增加到1．72％。对于采用变流量吹氧的300t的大型转炉，当氧流量为50000、57000和63000m3／h时，喷溅率分别为0．07％、0．12％和0．36％。氧流量增加26％，喷溅率提高4．2倍(见图3)。

对300t大型转炉所做的水模试验中发现，供氧强度低于2．0m3／(t·min)(相当于双联法炼钢脱磷炉的供氧强度)时，在正常枪位范围内喷溅量都为零。这是由于氧流量低时，射流出口动量小，氧射流对熔池冲击所产生液滴的飞溅高度达不到炉口位置。

2．3  枪位高度对喷溅率的影响

在转炉炼钢的操作枪位的升高而降低。因为枪位升高后，氧射流到达熔池液面时速度和射流密度都降低，对液面的冲击力减小，喷溅率下降。对射流速度和射流密度衰减所进行的实测和理论计算都证实了这种规律[2]。转炉内射流速度的衰减较常温环境中要慢[3]。

用水模对300t转炉做了模拟试验，模型比为1：10。改变枪位高度并测量其喷溅率，可得到图4结果。

从图4可以发现，由高枪位降低到2．0m时，喷溅率达到最高值。枪位继续降低，喷溅率反而减小。这是由于枪位过低时，顶吹射流对熔池的冲击能量很多被液体吸收，使熔池内液体运动加剧，熔池液体被击成液滴形成的喷溅量减少。对于300t转炉，枪位低于1．8m时，喷头寿命明显降低。图4中左侧低枪位部分(区域Ⅱ)在转炉炼钢中难以应用。图中喷溅率与枪位高度关系的曲线对于各种参数的喷头都存在。随着喷吹条件的差别，B点的位置有所不同。法国钢铁研究院工程师用直径300mm的水模模型所做枪位高度与喷溅率的试验也有相同的规律[4]。

2．4  喷孔布置方式对喷溅率的影响

分别用六孔交错喷头和喷孔均匀布置喷头做了水模试验。在顶吹模型流量为91．1m3／h时，2种喷头在不同枪位高度测得的喷溅率如图5所示。

由图5可见，在测量的枪位范围内，交错布置的喷头喷溅率低于均匀布置喷头。4个枪位喷溅率的平均值，交错布置喷头低28%。喷孔交错布置的喷头最早是由日本鹿岛钢厂研制的[5]，其目的是减少大流量供氧时的金属喷溅。这种喷头的喷孔以2种角度间隔布置，每组喷孔的流量和马赫数都可以有差别，使射流的总体功能达到有足够的穿透深度和良好的化渣性能。

钢铁研究总院与宝钢合作，利用六孔交错喷头使300t转炉的氧流量达到69000m3／h，创造了国内大型转炉吹炼普通铁水的先进指标[6]。

2．5底吹气体流量对喷溅率的影响

模拟试验采用300t转炉六孔交错喷头，顶吹氧流量91．1m3／h(实型流量69000m3／h)，底吹气体流量分别为2．6m3／h和0．85m3／h(实型2100m3／h和600m3／h)，在不同枪位高度测得的喷溅率如图6所示。

由图6可见，在不同的枪位高度下，底吹气体流量大时喷溅率都要减小。底吹气体流量为2．6m3／h时的喷溅率是0．85m3／h时的35．2％。根据试验观察，这是由于底吹向上运动的气流抵消了顶吹气流的一部分冲击能量。低枪位时底吹对喷溅量的影响相对较大，而高枪位时底吹流量对喷溅量的影响相对较小。

2．6  喷孔倾角对喷溅率的影响

喷孔倾角加大时，射流之间的相互交汇作用减小，喷溅率下降。在相同的喷吹条件下，喷孔倾角为16°时的喷溅率较倾角为12°时的喷溅率减少25％。但喷孔倾角增大会降低射流对熔池的穿透深度，并有增加炉壁冲刷的趋势。喷孔的倾角一般随喷孔的数目增多而加大。

2．7炉容比对喷溅率的影响

以300t转炉为原型，水模试验中取模拟炉容比范围内，喷溅率随枪位为0．95和1．2，测量不同氧流量和不同枪位高度吹炼时的喷溅率，所得结果如表1所示。

0．95m3／t是新砌300t转炉的炉容比，1．20m3／t是炉衬侵蚀400mm时的炉容比。由表1的测量数据可见，对于2种氧流量，炉容比大时喷溅率都明显降低。加大炉容比是减少喷溅的有效措施，但要增加基建投资。中国有些小型转炉过分超装，炉容比低于0．7m3／t，吹炼过程中喷溅严重，是不合理的炼钢操作。

3  结论

1)在供氧参数中，氧流量对喷溅率的影响最大。供氧强度大时，在控制喷溅、化渣和炉体维护等方面都增加了技术难度。200t以上的大型转炉，单个喷孔氧流量应在150～200m3／h。

2)设计喷头时，增加喷孔个数并使喷孔交错布置，可以有效地减少喷溅。但是喷孔数目过多会降低射流对熔池的穿透深度。

3)大中型转炉的枪位曲线通常采用由高到低的形式。氧气压力应控制在高于设计滞止压力5％～15％范围内。正确的喷头设计与合理的供氧长期条件相结合，才能获得良好的冶金效果。

4)一些小转炉的炉容比小于0．7m3／t，金属的喷溅损失过大。大中型转炉吹炼普通铁水的炉容比为0．85～1．0m3／t，小转炉的炉容比应为0．75～0．85m3／t。

5)喷孔交错布置的喷头，其喷溅率低。大型转炉高供氧强度吹氧时应采用这种喷头。

参 考 文 献：

[1]   沈颐身，李保卫．冶金传输原理基础[M]．北京：冶金工业出版社，2000．

[2]   马恩祥．120吨转炉双流适氧枪的研制及其使用效果[J]．钢铁，1990，25(9)：17．

[3]   Abramovich G N．The Theory of Turful Jets[M]．Cambridge，Mass：The MIT Press，1963．

[4]   Cheaille J．液面上顶吹时所产生的喷溅的研究[M]．肖同颖译．北京：首都钢铁公司出版社．1966．

[5]   顶底复吹转炉用新型喷枪[N]．世界金属导报，1993—05—24(3)．

[6]   杨文远，蒋晓放，王明林．大中型转炉高效吹氧技术研究[J]．钢铁，2009，44(1)：27．