摘要：介绍了天津钢铁有限公司第二炼钢厂供氧系统管道和氧气喷吹系统的改造，改造后的供氧管道系统更加合理安全。新设计的四孔喷头氧枪喷吹强度增大，改善了炉内钢水流动和反应动力学条件。缩短了冶炼周期，降低了渣中FeO含量，减轻了炉内衬耐火材料的损耗，提高了溅渣护炉效果，延长了炉龄。改造后的供氧系统满足了天钢当前扩大生产的需要，并与后续的连铸工艺配合更加合理，取得了明显的经济效益。

关键词：炼钢；供氧系统；氧枪；喷头

供氧系统是炼钢工艺中的关键技术，送氧管道和氧枪是炼钢工艺的关键设备之一。合理的氧枪喷吹氧工艺可以提高钢液的质量，缩短冶炼时间，减少转炉炉衬的侵蚀，提高炼钢炉的使用寿命，同时可以提高后续连铸工艺连铸坯的质量。近些年，天津钢铁有限公司(以下简称天钢)不断更新炼钢工艺技术和设备嘲，实施溅渣护炉新技术显著提高炉龄和生产作业率，开发铁水炉外脱硫技术缩短了冶炼周期，对炉壳改造减薄炉衬提高了转炉炉容比增加了单炉产量，为后续轧钢工艺提供了合格的钢坯。但炼钢厂仍使用原来的供氧管道和喷吹氧枪设备，由于供氧强度低，冶炼周期长等诸多不足，天钢第二炼钢厂的供氧技术和设备成为连铸坯质量进一步提高的主要限制性环节之一。为了进一步提高钢产量，增加天钢公司的整体规模水平，对原供氧系统包括车间内部分氧气管道和氧枪等相关设施进行了技术改造，确定了新的吹氧工艺参数。

1  供氧管路和氧气喷吹氧枪喷头设计

1．1  供氧管道内径的计算原理

为保证氧气管路安全，输送氧气流速不能超过安全氧气流速规定，各国对管道内氧气流速都有明确的安全规定，我国也明确规定了在一定的压力条件下氧气的最高限速。氧气在管道中的流速可以表示为：

  式中，V是气体流速，m／s；A是管截面积(πd²／4，d是管内径)，m²；Q_max是气体最大流量，m³／h；P₀是标准大气压，0．101 325 MPa；P为气体压力，MPa；T₀为绝对零度，273 K；t为气体温度，K。

    根据上式可以计算在气体压力P的条件下供氧管道内径保证安全的气速。新设计的氧气管道在满足用氧安全的同时为了保证冶炼效果，从溅渣护炉用N2气管路连接处开始扩大了管内径与进氧管内径保持一致。

1.2氧枪喷头的设计原理

        氧枪喷头的设计包括供氧量的计算、理论设计氧压的计算、喷头出口马赫数的计算、喷射扩张段的扩张角和扩张长度的计算、喷嘴喉口氧气流量的计算、拉瓦尔单个喷孔收缩尺寸的计算和喷嘴喉口段长度的计算等。

    (1)供氧量由每吨钢耗氧量、出钢量和吹氧量的物料平衡来计算确定。一般每吨钢氧耗量约在50～60 m³(在标准状态下)，高磷铁水每吨钢氧耗量在60～70 m³(在标准状态下)范围内选取。

    (2)理论设计氧压(绝对压力)是喷嘴进口处的氧压，是设计喷嘴喉口和出口直径的重要参数。一般使用氧压范围是0．78～1．18 MPa，理论设计氧压是使用氧压范围中的最低氧压。但在实际中允许使用氧压与理论设计氧压有一定偏离，生产实践中使用操作氧压不大于理论设计氧压的150％仍能很好的工作。但低于理论设计氧压时，即氧压出现负偏离，出现过度膨胀射流，气流在喷头内提前完成膨胀，到达出口前继续膨胀，而且气流离开喷头管壁时，出口压力小于环境压力(Pe<Pa)，在喷头内部产生的激波使射流能量损失增大。在压力差△P=Pe一Pa<0时，氧射流受到压缩而产生斜激波，△P越大，斜激波强度越高。激波是气体流动过程中的不连续面，由于激波产生压力和速度的急剧变化，射流能量损失增大，射流品质恶化，使射流速度迅速变为亚音速，严重影响吹炼效果。

  在选择理论设计氧压时，考虑到氧流附面层的存在，使喷嘴有效出口直径减少，会使实际的理论设计氧压大约降低0．049 MPa左右。一般理论设计氧压选择范围是0．686～0．786 MPa。

    (3)喷头出口射流马赫数的大小决定了喷嘴氧气出口速度，即决定了氧气射流对熔池的冲击能力。射流马赫数过大，则会出现喷溅，清渣费时，热损失增大，增大了渣料消耗及铁损，而且容易损坏转炉内衬及炉底；射流马赫数过低，气流搅拌作用减弱，降低氧气的利用率，渣中Fe含量增高，也会引起喷溅。一般推荐氧气射流马赫数选取的范围是M=1．8～2．1。对于小于15 t转炉，马赫数M=1．8～1．9；对于15～50 t转炉，马赫数M=1．90～1．95；对于50～100t转炉，马赫数M=1．95～2．0；对于大于120 t转炉，马赫数M=2．0～2．1。

    (4)对于多孔喷头，喷头孔数和孔间夹角之间关系对射流影响比较大。喷孔之间的间距过小，氧气射流之间相互吸引，射流向中心偏移，影响每股射流中心速度的衰减。一般要求在喷头端面，喷孔中心同氧枪中心轴线之间距离一般保持在(0．8～1．0)d_出(喷孔出口直径)。喷头喷孔数和对应夹角参数如表1所示。

    (5)射流扩张段的扩张角一般取8～12⁰(半锥角4～6⁰)，扩张段长度L计算经验表达式为：

扩张段长度／出口直径≈1．2～1．5。

    (6)喷嘴喉口的氧流量计算表达式是：

    式中，Q是氧气质量流量，kg／s；K是常数，双原子气体为1．4；R是气体常数，259．83 m²／(s²·K)；T₀是氧气滞止温度，K；A_喉是喉口总断面积，m²；P₀，是理论设计氧绝对压力，MPa。对于标准状态下的氧气，氧气密度为1．43 kg／m³，并考虑氧气在管道中流动时的摩擦，乘以流量系数C_D加以修正：

    (7)单个拉瓦尔喷孔收缩段的半锥角θ一般为18～23⁰，最大不超过30⁰。收缩段的长度L=(0．8～1．5)d_喉。收缩段人口处的直径，一般大约为喉口直径的2倍。

    (8)喷嘴喉口段长度对稳定气流影响较大，过长的喉口段会增大阻损，同时为了使收缩段和扩张段加工方便，喉口长度一般取值5～10 mm。

2供氧管道系统和氧枪喷头的改进

    扩大原管路上截止阀、快速切断阀的口径为Φ150 mm，将炼钢车间内23．6 m平台到28．5 m平台之间的氧气管道全部改为Φ159 mm不锈钢管道，将原备用枪系统改为每座转炉只设1套供氧系统使用氧枪快速更换接头装置，改进使用新氧枪并相应改造了与之适应的氧枪升降小车和氧枪重砣配重等设备。改造后氧气管道氧气流速为15～18 m／s，达到国家设计规范要求，消除了供氧系统安全隐患。图1为新四孔氧枪射流平面等速线与原三孔氧枪射流平面等速线对比图，图2为新四孔氧枪射流立体速度分布与原三孔氧枪立体速度分布对比图，可以看出新四孔氧枪喷头射流分布均匀合理。

    新氧枪采用四孔拉瓦尔喷头，喉口直径Φ22mm，出口直径Φ28．4 mm，马赫数M为1．96，喷孔扩张段长度55 mm，喷孔中心夹角11⁰，喷头氧气压力与相应的流量如表2。新氧枪改善了密封条件，增加了水泵保证新氧枪冷却水流量增加至80 t／h。将原Φ133 mm氧枪改造成Φ159 mm氧枪(氧枪外Φ159 mm，中Φ133 mm，内Φ102mm)，氧枪管氧气流速37～43 m／s，冷却水进水流速5．30 m／s，出水速度6．52 m／s。

3改进后使用效果和经济效益

  改造后的新氧枪供氧强度(在标准状态下)增加到4．6 m³／(min·t)，供氧强度加大，对熔池穿透能力加强。由于搅拌力的提高，改善了冶炼反应的动力学条件，从而提高了熔池的升温速度和脱碳速度，供氧时间由每炉的16．21 min缩短为13．23 min。新氧枪相对枪位变动小，吹炼平稳，不易出现喷溅和“返干”操作稳定，同时改善了炉内化渣，减少渣中FeO含量，溅渣护炉效果也由于扩大溅渣范围和提高了渣的粘附率而得到提高。

    改造后的供氧系统和喷吹氧气系统技术参数更加合理可靠，解决了氧气管道中氧气流速超标的安全隐患，改善冶炼条件使转炉操作稳定，炉龄提高，各种技术经济指标提高。同时缩短了冶炼周期，与后续连铸工艺更好的配合。提高的炼钢的生产效率每年就可以产生6000多万元效益，减少渣中铁损每年可以减少损失1 500多万元。

4结论

     (1)对天钢供氧管道的改造是合理有效的，改造后的供氧管道更加合理安全，满足了天钢扩大生产规模的要求。

    (2)天钢使用的新氧枪技术参数和工艺参数是合理的，操作更加安全，缩短了冶炼周期，提高了钢水质量，满足了天钢扩大生产的需要，与当前后续连铸工艺配合更加合理。

    (3)新氧枪喷吹射流分布均匀合理，减少了转炉内耐火材料的损耗，提高了溅渣护炉效果，提高了转炉炉龄。

    (4)天钢氧气管道和供氧系统的改造总体上产生了明显的经济效益，每年可以获得经济效益达7 500万元以上。