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莱钢50t转炉氧枪喷头的优化和应用

李俊

(山东钢铁股份有限公司莱芜分公司，菜芜 271126)

摘 要：为解决莱钢50t顶底复吹转炉使用氧枪过程中存在的喷溅严重、化渣差及冶炼时间短等问题，对氧枪喷头进行优化设计并改造，冶炼操作效果良好。

关 键 词：转炉；氧枪喷头；优化设计

0 前言

氧枪喷头是一个能量转换器，它的作用是最大限度地把氧气的压力转化为动能，获得超音速流股，借此向熔池供氧并搅拌熔池，以达到冶炼目的。莱钢股份有限公司炼钢厂50t顶底复吹转炉自投产以来，一直使用供氧强度为4．8m³／(t·min)的三孔枪，该枪在使用过程中存在喷溅严重、化渣差及冶炼时间长等缺点。所以对三孔氧枪喷头进行改造，选用四孔拉瓦尔喷头后，很好地解决了莱钢喷溅率高、钢铁料消耗高和冶炼周期长等问题，取得了良好的冶炼操作效果。

1 氧枪喷头的优化设计

1．1 喷孔倾角的确定

氧射流从多孔喷出时是多股的，每一股氧流在与其他各流股相接触以前，保持着自由流股的特性。当各流股接触后，开始了动量的交换、互相混合，最后当多流股汇合成一股氧流时，就形成了单流股。若喷头结构设计不合理，多股氧射流过早汇合，就与单个自由流股一样，减少了对熔池的冲击面积，对吹炼不利。因此，在设计多孔喷头时，就要合理确定氧枪喷头的每一个拉瓦尔喷孔与氧枪中心轴线的夹角，保证各股氧流在达到熔池液面以前基本上不汇合，这样就能充分发挥多孔喷头的优越性。

多孔喷头的射流流股是否发生汇交是以效应角θ为界：大于θ，各个流股就很少汇交；小于θ，就必定汇交。而效应角θ与喷孔数目有关，并随喷孔L数目的增加而增大^[1]，如图1所示。

效应角θ与喷孔倾角α的相关方程为：

Sinθ=sinα×sin180°／n    (1)

式中：θ为临界效应角(7．5°～9°)；α为喷孔倾角；n为喷孔数目。

则四孔喷头的倾角α在10．2°～12．8°。

可见对于四孔喷头来说，能保证倾角大于10．2°，就能满足射流不交汇的要求。结合50t转炉炉型为瘦高型，保证射流不冲刷炉壁，兼顾冲击面积，增加初期渣的反应，孔倾角可以取大一些。综合考虑，取四孔喷头倾角α=11°。

1．2 赫数的选择

马赫数(M)是设计喷头的一个重要参数。M的大小决定了氧气流股的出口速度(V_出)的大小，即决定了氧气流股对熔池的冲击能力的大小。M过大，流股对熔池的冲击能力越大，会导致喷溅严重；M过小，又会使熔池得不到良好的搅拌。P_设为设计操作压力。为使吹炼过程保持平稳，研究了M与(P_设)和(M_出)三者之间的关系，如图2所示。从图2可以看出，M—P_设和M—M_出两条曲线都是随着M的增大而单调增大的，但是两条曲线的斜率不相同，因此在两条曲线的斜率均相对较小范围内选择^[2]。

图3是喷头马赫数与操作压力的关系。由图3可知，当M>2．2以后，随着马赫数的增大，实际工况压力却增加很快；当M<1．8时，曲线斜率较大，表明操作压力稍有变化就会使实际的马赫数急剧变化，对射流特性影响较大。过高的马赫数需要高压管线设施，相对投资较大且反应激烈、操作难度大；而马赫数过小，则输氧管线的氧压没有被充分利用，也不经济。综合考虑，马赫数M=1．92为最佳。

1．3 喷头喉口直径及出口直径的优化

1．3．1 计算工况氧压P。

查等熵流表，当M=1．92时，P_出／P_o=0．14469。由于炉膛压力近似于大气压力，所以P_出=0．102MPa。则P_o=0．704MPa，约为7．2kg／cm²。

1．3．2 计算氧流量Q

由Q=吨钢氧耗×出钢量×60／纯供氧时间，得出：Q=12692Nm³／h，供氧强度为4．5Nm³／(t·min)。

1．3．3 计算喉口直径D_喉

由氧流量公式Q=64．3236×P_o×A_喉，其中A_喉为喉口截面积，得出D_喉=26．3mm。

1．3．4 计算出口直径D_出

根据M=1．92查等熵流表，得出A_出／A_喉=1．5804，其中A_出为出口截面积，得出D_出=33．9mm。

1．4 喷头参数比较

经过多次试验，结合莱钢自身的工况条件，与三孔氧枪对比再次进行修改后最终确定氧枪参数，参数对比如表1所示。

2 氧枪优化效果

2．1 过程控制更加平稳

四孔喷头冶炼的500炉中有413炉一次拉碳(占82．6％)，有72炉一次补吹，15炉两次补吹。由此说明四孔冶炼操作终点C—T协调一致，操作平稳，一次补吹率由76．43％提高至82．36％。

2．2 脱磷效率进一步提高

四孔氧枪设计注重化渣，在前期为去磷提供条件。统计2000炉数据表明，脱磷率比三孔氧枪提高了6．47％。

2．3 溅渣效果好，节约了氮气及耐材消耗

整体化渣效果好，过氧化炉次减少，四孔枪能够快速使炉渣冷却并均匀附着在炉衬上。6个月的统计数据显示，溅渣时间由100s降至85s，平均缩短15s／炉，节约氮气1．1m³／t钢，综合耐火材料由三孔枪的0．43kg／t钢降至四孔枪的0．24kg／t钢。

2．4 金属收得率提高

在使用四孔氧枪时，起渣时间明显比原来三孔氧枪提前10～20s。从起渣的情况看，炉口溢出渣泡沫化较好，炉内反应平稳，熔池温度均匀上升，炉内化渣以及碳氧反应能维持一个比较稳定的状态，避免渣中(FeO)过度集聚，从而防止喷溅。统计数据表明，喷溅率仅有12．6％，比三孔枪降低45．62％；金属收得率明显提高；钢铁料消耗降低1．39kg／t钢。

2．5 石灰消耗降低

提高枪位，低速区氧射流覆盖熔池面积增加而高速区减小，有利于化渣；降低枪位时，低速区减小而高速区增加，射流冲击溶池能量增加，有利于脱碳。满足在喷头测试过程中得到的结论，可获得较为良好的化渣能力。从拉碳情况看，大部分炉次拉碳渣较好，有一半炉次炉渣具备放钢的条件，石灰利用率相对提高，在碱度变化不大的情况下，石灰用量比三孔氧枪减少5．9kg／t钢。

3 结论

莱钢50t转炉四孔氧枪喷头的改造，在实际生产中证实符合莱钢现有的操作模式和原材料条件，并很好地解决了喷溅率高、供氧强度大等问题，获得了良好的冶炼操作效果。经过一年多的实践证明，四孔氧枪工艺参数设计合理，应用效果好，取得了良好的经济效益。

参 考 文 献：

[1]   孙正茂，张评．转炉氧枪喷头的优化设计与应用[J]．鞍钢技术，2000(9)：4—9．

[2]   蔡志鹏，谢裕生，夏安武．氧气炼钢过程中射流对熔池的作用[J]．钢铁，1980．15(1)：14—19