摘  要：通过对倒T形脱硫喷枪破损过程的现场跟踪、喷枪构成与枪芯结构分析、纵裂纹烧穿破损机理分析，完成了枪芯结构的改进、喷枪的工业性试验与推广应用，取得了优良的试验效果，达到了大幅度提高高喷枪使用寿命的目的。

关键词：喷枪破损；纵裂纹；烧穿；寿命

     喷枪是铁水喷吹预处理设备的重要组成部分，其使用性能的优劣将直接影响到脱硫预处理生产的技术经济指标。由国内多家钢铁企业铁水混合喷吹脱硫预处理用倒T形喷枪实际使用情况可知，枪体纵裂纹烧穿是喷枪破损的主要原因；由此可见，如何有效地避免或遏制喷枪的纵裂纹烧穿是大幅度提高喷枪使用寿命的关键所在。因而，开展延缓倒T形脱硫喷枪的纵裂纹烧穿破损进程的研究具有良好的现实意义。

1  倒T形脱硫喷枪的构成与构件的作用

    倒T形脱硫喷枪主要由枪杆与枪体两部分组成，枪杆的主要作用是完成与脱硫喷吹系统的连接和喷枪的安装固定；枪体是由金属枪芯与耐火材料枪衬组成，其主要作用是将脱硫剂导入到熔融的铁水之中进行铁水脱硫，因而，喷枪的破损都是发生在枪体部分。所谓延长喷枪的使用寿命就是延长枪体部分的使用寿命。

    倒T形脱硫喷枪的枪体是由金属枪芯与耐；火材料枪衬组成的。目前国内外倒T形脱砒喷枪的金属枪芯结构基本上是新日铁20世纪70 年代末期研制的枪芯结构，具体如图1所示。枪体耐火材料枪衬所采用的耐火浇注料材质大致有粘土质、高铝质、镁铝尖晶石质、刚玉质和莫来石一刚玉质耐火浇注料，并且基本上都采用钢纤维进行增强，以提高耐火材料枪衬的力学性能、抗热震性能和防爆性能；目前，国内的倒T形脱硫喷。枪枪衬耐火材料均采用钢纤维增强莫来石一刚玉质耐火浇注料，并添加红柱石进行抗热震性能的改善和高温烧后线变化率的调节。

2倒T形脱硫喷枪纵裂纹烧穿的因素分析

  针对倒T形脱硫喷枪实际应用中出现的破损问题，特对喷枪使用过程中的枪体变化情况进行分析，发现枪体破损都是以枪衬的开裂为起点，以新裂纹的产生、旧裂纹的发展和枪衬局部热结构剥落为过程，最终以枪体破损而终止使用，其中70％以上的喷枪是以纵裂纹烧穿的形式破损的。说明纵裂纹的形成与发展是影响喷枪使用寿命的最主要因素。此外，对使用后的废枪的枪衬进行了细致的解离分析，解离发现喷枪枪体的耐火材料枪衬熔损较少，熔渣渗透深度一般为5～7 mm左右，这一厚度与枪体耐火材料枪衬最薄处厚度64．5 mm相比仅为10％左右，并且，发现残留在枪体上的耐火材料枪衬断口凹凸不平，说明枪体破损是由纵裂纹引起的；由此可见，在一定的喷枪使用寿命条件下，枪衬耐火材料的抗熔渣侵蚀、抗高温性能不是影响喷枪使用寿命的主要原因。因而，要达到提高倒T形脱硫喷枪使用寿命的目的，就必须探明枪衬纵裂纹的形成与发展过程的相关影响因素，研究抑制相关因素对喷枪破损的影响程度，起到推迟纵裂纹的形成与延缓纵裂纹发展速度的作用，达到延长喷枪使用寿命的目的。

       由喷枪的具体使用过程可知，倒T形喷枪是垂直插入铁水进行喷吹脱硫，在喷枪频繁的喷吹与待喷交替过程中，在频繁的冷热交替作用下，耐火材料枪衬表面首先形成龟裂纹，随着喷枪使用次数的不断增加，裂纹长度与深度不断发展，但纵裂纹的发展速度明显高于环裂纹，在裂纹比较集中的部位往往因耐火材料枪衬的整体性损害严重而出现与热面平行的结构剥落，相应部位的裂纹应力能得到释放，但一次结构剥落厚度较薄，往往不引起喷枪的立即破损；同时，在紧接着的喷枪使用过程中，该部位又重复上述的裂纹形成与发展过程。当纵裂纹深度方向的发展抵达金属枪芯时，高温铁水的熔蚀作用将引起枪芯局部烧穿，导致喷枪破损而终止使用。在纵裂纹比较集中且裂纹深度快抵达金属枪芯的部位，因喷枪的振动将引起两条纵裂纹间的枪衬沿枪芯表面剥落，导致枪芯大面积烧穿。由此可见，喷枪的纵裂纹烧穿形式有局部烧穿和大面积烧穿两种，枪芯结构对纵裂纹烧穿具有重要的影响作用。图2是现场观察到的两种形式的纵裂纹烧穿破损的轮廓示意图。

    通过使用后废枪的枪体解离发现，纵裂纹烧穿集中出现在喷枪浸入段中部与枪芯加强筋相对应的部位，同时，发现还未导致烧穿的较深的纵裂纹也出现在与枪芯加强筋相对应的部位。根据这一现象和相关资料报道的喷吹流场分布情况，认为是枪体浸入段中部铁水冲刷比较剧烈所致。由倒T形脱硫枪枪芯结构图(图1)可见，加强筋处的枪衬厚度最薄，是枪衬最为薄弱的环节，也是喷枪使用过程中铁水加热枪体热阻最小的部位；同时，对于枪芯主管内流动的载气和脱硫剂对枪芯金属表面的对流冷却来说，由于加强筋为中空的钢管，且加强筋与主管外壁线接触热阻和填充的耐火浇注料导热性能远小于金属，导致与枪衬接触的加强筋顶端冷却强度为整个枪芯金属表面的最小部位；由于加强筋直径远小于主管直径，致使枪芯加强筋处易出现应力集中。在喷枪实际脱硫的间歇式使用过程中，由于枪衬表面经历频繁又剧烈的加热与冷却过程，导致枪体表层径向温度梯度最大，并且是周期性正负交变，因而，裂纹的形成首先是从枪体耐火材料枪衬表面开始的；同时，由于枪芯加强筋的存在，引起沿枪体周向的枪衬温度变化速度不均匀，导致与加强筋相对应的枪衬表面应力最大，枪体表面裂纹便率先在该部位形成；由于枪体插入段的外部条件沿轴向变化较小，在喷枪的喷吹和待喷过程中，枪体径向温差远大于轴向温差，枪体的主要应力为周向的交替变化的压应力与张应力，因而，枪体的纵裂纹发展速度远大于周向裂纹的发展速度，喷枪的烧穿形式是纵裂纹引起的烧穿；由于枪芯加强筋处枪衬热阻小和加强筋的对流冷却强度偏低，在喷枪脱硫过程中，加强筋相对应的耐火材料枪衬升温速度明显高于其它部位，加强筋的温度也明显高于主管，由于材料的热膨胀性能，致使枪芯和耐火材料枪衬均出现不均匀膨胀；由于金属材料与耐火材料热膨胀性能的差异，加快了与加强筋对应的枪衬裂纹的产生与发展速度，导致喷枪从加强筋对应的枪衬处形成纵裂纹烧穿。此外，枪芯加强筋引起的应力集中又进一步加剧了纵裂纹的发展的进程。具体喷吹工艺过程与喷吹频率对喷枪的热状态也有严重的影响。由此可见，喷枪的烧穿破损是由纵裂纹引起的，影响纵裂纹的形成与发展的原因较多，有枪芯金属材料与枪衬耐火材料热膨胀性能的差异、枪芯结构、脱硫的具体工艺过程参数等。

3  延缓倒T形脱硫喷枪纵裂纹烧穿进程的措施分析

  根据上述分析，认为合理的枪芯结构应首先有利于耐火材料枪衬与枪芯之间的有机结合，以保证枪体的整体性与均匀性；其二是枪芯应有足够的刚度，以抵抗喷枪使用过程中的外力作用；其三是枪芯应具有抑制纵裂纹发展速度的作用，延缓纵裂纹的损害进程；其四是枪芯应具有一定的吸收裂纹应力的功效，降低初始裂纹对枪体的危害；其五是枪芯应具有改善枪体温度分布不均匀的功能，延缓枪体周向纵裂纹的产生时间；其六是枪芯具有一定的热膨胀协调能力，以减轻耐火材料与金属枪芯之间的热膨胀差异对枪体的损害作用等。根据确定的T形脱硫喷枪枪芯的改进思路，通过实验室的模拟实验，完成了枪芯结构的改进，具体改进后的枪芯结构如图3所示。

    在改进设计的枪芯结构中，通过改变铆固件的形式与布置方式来增强枪衬与枪芯的结合，提高枪体的整体性；通过保留加强筋管和在筋管内填充导热粉来提高喷枪的刚度和改善枪体的周向温度分布；通过布置异形铆固件来抑制纵裂纹的径向发展速度；通过螺旋环铆固件的布置来吸收枪体表层裂纹应力；通过在枪芯表面涂刷有机涂层来协调枪衬与枪芯间的热膨胀差异。

4改进枪芯的应用效果

    2000年10月，采取上述改进枪芯生产的喷；枪首先在武钢第三炼钢厂320 t鱼雷罐进行了工。业性试验，试验喷枪的平均枪龄为25次／支，而同；期正常使用喷枪的平均枪龄为14．5次／支，取得；了大幅度延长喷枪使用寿命的优良结果，得到了用户的一致肯定，并在实际生产中推广应用。

    随着研究工作的不断深入，从更进一步提高喷枪使用寿命的角度出发，在喷枪的枪芯结构、枪芯金属材料的选择、枪衬耐火材料性能等方面开展了大量的研究工作，形成了第2代长寿命喷枪专利技术嘲，并在实际生产中得到推广应用。其中，研制的第2代喷枪在武钢三炼钢厂320 t混铁车上使用的平均枪龄已达45次／支，平均浸泡时间≥1 200min／支，取得了进一步提高喷枪使用寿命的优良效果。此后，在首钢第三炼钢厂280 t混铁车喷吹脱硫、太钢二炼钢厂100t铁水罐“三脱”喷吹预处理和沙钢150 t铁水罐喷吹脱硫得到进一步推广应用，喷枪平均枪龄分别从4．5次／支、15次／支、3．5次／支提高到28次／支、31．5次／支和35次／支，均取得了大幅度延长喷枪使用寿命的优良效果；根据原喷枪使用寿命的不同，研制的第2代喷枪可提高使用寿命1～9倍，大幅度地降低了应用单位铁水喷吹预处理的喷枪消耗，方便了应用单位高附加值钢的冶炼计划安排与生产调度。

5  结  论

    通过对倒T形脱硫喷枪破损过程的现场跟踪、喷枪构成与枪芯结构分析、纵裂纹烧穿破损机理分析，完成了枪芯结构的改进、喷枪的工业性试验与推广应用，取得了优良的试验效果，达到了大幅度提高喷枪使用寿命的目的。通过研究工作的不断深入，完成了使用寿命更长的第2代喷枪研制，并在多家钢铁企业得到推广应用，取得了大幅度延长喷枪使用寿命的应用效果。通过上述研究，可得如下结论：

  (1)喷枪破损的主要形式是纵裂纹引起的枪芯烧穿。

  (2)纵裂纹烧穿形式有局部烧穿和大面积烧穿两种。

  (3)枪芯结构对纵裂纹烧穿具有重要的影响作用。

  (4)合理枪芯结构应具有以下几方面的特点，即：有利于耐火材料枪衬与枪芯之间的有机结合、有足够的刚度、具有抑制纵裂纹发展速度的作用、具有一定的吸收裂纹应力的功效、具有改善枪体温度分布不均匀的功能和具有一定的热膨胀协调能力等。

  (5)研制的喷枪枪芯达到了大幅度提高喷枪使用寿命的目的。