CN105441624B - 一种双路氧流调节转炉顶吹氧流量的枪头结构及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种双路氧流调节转炉顶吹氧流量的枪头结构及方法。采用双路氧流通道，主氧流保证氧枪的超音速射流，副氧流保证在一定范围内连续调节供氧量。枪头结构包括多层同心套管和多功能喷头，主氧流通过喷头上的拉瓦尔型喷口和环槽缝喷口以超音速恒流量射入转炉，副氧流通过的中心管穿过喷头中心直接将氧气以亚音速变流量送入转炉，副氧流还可以携带转炉炼钢用粉剂在环槽缝氧流的裹挟下送入转炉而不影响主氧流的马赫数，并且获得较高的粉剂利用率。

Description

一种双路氧流调节转炉顶吹氧流量的枪头结构及方法

技术领域

本发明属于冶金行业中炼钢领域，特别涉及一种双路氧流调节转炉顶吹氧流量的枪头结构及方法。

背景技术

转炉炼钢是钢铁生产的重要手段，而顶吹氧枪是氧气转炉炼钢的关键设备之一。转炉顶吹氧枪能实现将氧气压力能转换为动能，目前一般采用单孔和多孔圆孔拉瓦管的超音速喷头设计，供氧系统常为单气路高压氧。转炉吹炼前期渣碱度低，易过氧化、过泡沫化并诱发喷溅，脱磷效率低，吹炼后期脱碳反应机理的转变早，钢渣间反应离平衡远，氧的脱碳利用率低等，致使钢水质量较难控制，原材料消耗较高。通常的处理办法是恒流量调枪位或恒枪位调流量，但提枪操作会降低氧气利用率，而减小氧流量会偏离超音速射流设计点，影响喷射搅拌效果。发明专利89103227.4提出了由中心孔和三至四个带有内旋角的四周孔的双流道顶吹氧枪采用变枪位和双流道全变流量吹炼，用于解决转炉吹炼前、后期熔池搅拌强度不足等问题。但由于其中心孔和四周孔均为拉瓦尔喷口，其变流量调节必然偏离超音速射流设计点，影响喷射搅拌效果，其技术未得到广泛认可与应用。

授权公告号为CN102134627的发明专利涉及一种双流道氧枪，其双流道仅在枪体部分，其喷头仍是普通单气路拉瓦尔喷头，双流道仅实现CO₂作冷却气体替代铁矿石、氧化皮等冷却料。

申请号为200510011201.2的发明专利公开了一种转炉炼钢双流道集束射流氧枪冶炼工艺及喷头，其氧气导流管将氧气分为中心氧射流及外层环形氧射流，中心氧通过1～8个拉瓦尔喷头射出超音速氧流，每个拉瓦尔喷头均环绕外层环形射流且与转炉CO燃烧产生高温稀薄气体，包裹中心射流形成集束氧流。本技术氧气流量及压力可根据冶炼过程进行调整，化渣阶段中心主氧为设计供氧量的70％，环形氧为设计氧量的100％；脱碳阶段中心主氧为设计氧量的100％，环形氧为设计氧量的50％；炉渣及温度调整阶段中心主氧为设计氧量的50％，环形氧为设计氧量的50％。实际上，仿真和实践均说明：当中心主氧供氧流量开始小于超音速设计流量时，射流的马赫数迅速降低，其射流冲击和搅拌能力迅速下降，以致不降低枪位就无法使氧流穿透泡沫渣到达熔池表面。

对于转炉常规冶炼来说，目前转炉吹炼更适合于冶炼磷含量小于0.15％以下的铁水，对于冶炼磷含量大于0.15％甚至高达0.2％的铁水，意味着要进一步提高转炉炼钢过程的脱磷率，以满足成品钢水磷含量的要求。根据以往经验，在转炉吹炼过程中增加喷粉功能可实现中高磷铁水的冶炼。此外，向转炉喷吹煤粉可以获得热补偿，1kg煤粉可多熔化7kg废钢。但目前钢厂转炉的大多数喷粉装置，如专利申请号201210123055.2、201220155429.4、201410542384.X等所公布的技术方案，直接在现有的氧枪系统引入顶吹喷粉功能，没有对喷头和供氧系统进行合理化设计。一类方案是将粉剂混入主氧流从拉瓦尔孔喷出，随机波动的流体密度破坏了超音速气流的生成条件，无法实现稳定的超音速射流；另一类方案设计有粉剂的专有通道，但喷出的粉剂会被四周超音速氧流产生的负压区气流卷走，严重影响了粉剂的利用率，而降低枪位以便更多粉剂进入熔池又会增加冶炼过程产生的喷溅，造成粘枪甚至导致安全事故的风险，因此现有转炉喷粉技术难于达成高效脱磷的预期效果，成为转炉处理中高磷铁水工艺面临的难题之一。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种双路氧流调节转炉吹氧流量的枪头结构及方法，以保证恒定超音速射流。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明技术方案如下：

一种双路氧流调节转炉顶吹氧流量的枪头结构，包括喷头和中心管，所述喷头具有中心孔，所述中心管伸入喷头中心孔内，中心管外壁与喷头内壁之间沿喷射方向形成先收缩后扩张的喷射通道，且所述中心管外壁与喷头喉口处内壁之间形成环槽缝喷口，所述中心孔四周的喷头上倾斜设置有多个拉瓦尔型喷口。

采用上述结构，在转炉吹炼过程中，主氧流通过喷头上的拉瓦尔型喷口和环槽缝喷口以超音速射入转炉，副氧流及粉剂通过中心管直接射入转炉。主氧流维持在超音速射流，保持对熔池的搅拌和冲击力恒定，可在枪位恒定并维持超音速射流的情况下，通过中心管内副氧流流量的调节实现供氧量的调节，以适应工艺需求。

作为优选：还包括由内至外依次设置的主氧管、隔水管和水冷管，所述主氧管和水冷管分别与喷头焊接，所述主氧管与隔水管之间构成冷却水进水通道，所述隔水管与水冷管之间构成冷却水回水通道。

作为优选：所述中心管插入喷头中心孔，中心管外壁与喷头喉口段内壁通过棱脊定位，形成所述环槽缝喷口。

作为优选：所述中心管内构成副氧流通道或粉剂通道，所述主氧管与中心管之间形成主氧流通道，主氧流经环槽缝喷口和拉瓦尔型喷口喷入转炉。

作为优选：所述中心管为直管，所述喷头中心孔沿喷射方向依次形成变径收缩段、等径喉口段和变径扩张段。

采用双路氧流通道，主氧流保证氧枪的超音速射流，副氧流保证在一定范围内连续调节供氧量。主氧流通过喷头上的拉瓦尔型喷口和环槽缝喷口以超音速恒流量射入转炉，副氧流通过的中心管穿过喷头中心直接将氧气以亚音速变流量送入转炉，副氧流还可以携带转炉炼钢用粉剂在环槽缝氧流的裹挟下送入转炉而不影响主氧流的马赫数，并且获得较高的粉剂利用率。

本发明同时提供一种双路氧流调节转炉顶吹氧流量的方法，包括上述的一种双路氧流调节转炉顶吹氧流量的枪头结构，所述中心管内为副氧流通道，所述环槽缝喷口和拉瓦尔型喷口为主氧流通道，所述主氧流通道和副氧流通道相互独立，在转炉吹炼过程中，主氧流通过拉瓦尔型喷口和环槽缝喷口以恒定超音速射入转炉，副氧流通过中心管以亚音速可变流量射入转炉，通过单独调节副氧流的流量实现总氧流量的调节。

在转炉吹炼过程中，通过调节副氧流实现供氧量的连续调节直至关闭，所述主氧流与副氧流的氧流量总和等于转炉吹炼所需的氧流量，所述主氧流与副氧流的最大流量总和等于转炉吹炼的最大设计流量。

作为优选：所述副氧流通道用作转炉炼钢用粉剂的输入通道，输送粉剂的载气为氧气或惰性气体。

作为优选：所述转炉炼钢用粉剂为石灰粉、轻烧白云石粉、石灰石粉、萤石粉、铁矿石粉、锰矿石粉、除尘灰中的一种或多种。

作为优选：所述中心管喷射的氧流或粉剂被环槽缝喷口射出的超音速气流环绕包裹进入炼钢熔池。

如上所述，本发明的有益效果是：

1、吹炼过程中枪位可保持不变。

2、根据可吹炼进程在较大范围内及时连续调节氧枪总流量，调节范围为副氧流的最小值至最大值。

3、在调节氧枪总流量时，超音速拉瓦尔型喷口和环槽缝喷口的氧气射流流量和流速在吹炼过程中保持恒定，保持对熔池的搅拌和冲击力恒定。

4、主氧流超音速吹炼的同时，可以由中心管喷粉，提高脱磷、脱硫、脱碳等冶金效果。

5、环槽缝喷口的超音速射流环绕裹挟粉剂喷入熔池，提高粉剂利用率。

6、副氧流在环槽缝喷口的超音速射流裹挟下射入熔池，得到集束射流注入钢液的效果。

7、副氧流通道通入CO₂可以降低过高的转炉温度，防止炉渣“返干”或炉渣过度泡沫化，从而减少转炉发生喷溅。

8、斜置拉瓦尔型喷口可以提高熔池搅拌效果。

附图说明

图1为本发明枪头结构轴线剖面示意图；

图2为本发明枪头结构底面喷口示意图；

图3为本发明枪头结构3D剖面示意图。

零件标号说明

1 主氧流通道

2 副氧流通道

3 拉瓦尔型喷口

4 环槽缝喷口

5 冷却水进水通道

6 冷却水回水通道

7 喷头

8 中心管

9 主氧管

10 隔水管

11 水冷管

具体实施方式

以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。

如图1至图3所示，一种双路氧流调节转炉顶吹氧流量的枪头结构，包括喷头7和中心管8，所述喷头7具有中心孔，中心管8伸入喷头7中心孔内，中心管8外壁与喷头7内壁之间沿喷射方向形成先收缩后扩张的喷射通道，且所述中心管8外壁与喷头7喉口处内壁之间形成环槽缝喷口4，所述中心孔四周的喷头7上倾斜设置有多个拉瓦尔型喷口3。还包括由内至外依次设置的主氧管9、隔水管10和水冷管11，主氧管9和水冷管11分别与喷头7焊接，主氧管9与隔水管10之间构成冷却水进水通道5，隔水管10与水冷管11之间构成冷却水回水通道6，中心管8内形成副氧流通道2，可通入氧流，中心管8与主氧管9之间构成主氧流通道1，拉瓦尔型喷口3和环槽缝喷口4为主氧流喷射通道。在转炉吹炼过程中，主氧流通过拉瓦尔型喷口3和环槽缝喷口4以恒定超音速射入转炉，副氧流通过中心管8以亚音速可变流量射入转炉。

其中中心管8外壁与喷头7喉口段内壁通过棱脊定位，形成所述环槽缝喷口4，本例中的定位棱脊由设置在中心孔内壁的弧形突起形成，相邻突起和中心管8外壁构成环槽缝结构，其他实施例中，定位棱脊可以设在中心管8外壁上。

本例中，中心管8为直管，所述喷头7中心孔沿喷射方向依次形成直径逐渐减小的变径收缩段、等径喉口段和直径逐渐增大的变径扩张段。其他实施例中中心管8外壁也可以为变径结构等。

本发明同时提供一种双路氧流调节转炉吹氧流量的方法，基于上述的枪头结构，应用于脱碳转炉中。在转炉供氧系统中采用包括主氧流和副氧流的可控制的双路氧流，其中主氧流为超音速射流，在转炉吹炼过程中其流量和压力始终保证转炉氧枪枪头的拉瓦尔型喷口3与环槽缝喷口4产生超音速射流，其中副氧流为亚音速射流，根据冶炼工艺过程的需要保证在一定范围内连续调节供氧量直至关闭；主氧流等于转炉吹炼的最小设计流量，副氧流等于调节流量，主氧流与副氧流的最大流量总和等于转炉吹炼的最大设计流量。

当上述枪头结构应用于脱磷转炉时，主氧流按脱磷转炉所需流量、压力设计，氧气消耗为8～15Nm³/t，通过喷头7上的圆孔拉瓦尔型喷口3和环槽缝喷口4以恒定超音速射入脱磷转炉，中心管8作为粉剂输入通道，输送粉剂的载气为氧气或其它惰性气体，载气消耗为0.2～1.0Nm³/t。副氧流通道2输入的粉剂为脱磷粉剂、脱硫粉剂、脱碳粉剂等各种转炉冶炼所需粉剂，粉剂消耗为5～20kg/t。环槽缝喷口4的超音速射流环绕裹挟中心管8喷出的粉剂射入熔池，避免粉剂被圆孔拉瓦尔型喷口3超音速氧流产生的负压区气流卷吸，保证粉剂利用率。在转炉吹炼过程中，主氧流的流量和压力始终保证枪头拉瓦尔型喷口3及环槽缝喷口4产生超音速射流，副氧流则根据冶炼工艺过程的需要在一定范围内连续调节供氧量直至关闭。中心管8作为副氧流的通道同时用作粉剂输入通道，输送粉剂为石灰粉、轻烧白云石粉、石灰石粉、萤石粉、铁矿石粉、锰矿石粉、除尘灰等转炉冶炼工艺所需的各种粉剂中的一种或多种。

本发明取得了如下效果：

1)吹炼过程中可在枪位保持不变的情况下，实现总氧流量的调节，根据可吹炼进程在较大范围内连续调节氧枪总流量，调节范围为副氧流的最小值至最大值。

2)在调节氧枪总流量时，拉瓦尔型喷口3和环槽缝喷口4的氧气射流流量和流速保持恒定，在吹炼过程中保持对熔池的搅拌和冲击力恒定。斜置拉瓦尔型喷口3可以提高熔池搅拌效果。

3)副氧流在环槽缝喷口4的超音速射流裹挟下射入熔池，得到集束射流注入钢液的效果。

4)主氧流超音速吹炼的同时，可以由中心管8喷粉，提高脱磷、脱硫、脱碳等冶金效果。

5)环槽缝喷口4的超音速射流裹挟粉剂喷入熔池，避免了卷吸效应，提高粉剂利用率。

6)副氧流通道2通入CO₂可以降低过高的转炉温度，防止炉渣“返干”或炉渣过度泡沫化，从而减少转炉发生喷溅。

7)延伸的超音速射流提高了工作枪位，降低了冷却水耗量，延长了顶枪喷头寿命；

任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (9)

1.一种双路氧流调节转炉顶吹氧流量的方法，采用双路氧流调节转炉顶吹氧流量的枪头结构，其特征在于：所述双路氧流调节转炉顶吹氧流量的枪头结构包括喷头和中心管，所述喷头具有中心孔，所述中心管伸入喷头中心孔内，中心管外壁与喷头内壁之间沿喷射方向形成先收缩后扩张的喷射通道，且所述中心管外壁与喷头喉口处内壁之间形成环槽缝喷口，所述中心孔四周的喷头上倾斜设置有多个拉瓦尔型喷口；所述中心管内为副氧流通道，所述环槽缝喷口和拉瓦尔型喷口为主氧流通道，所述主氧流通道和副氧流通道相互独立，在转炉吹炼过程中，在枪位保持不变的情况下，主氧流通过拉瓦尔型喷口和环槽缝喷口以恒定超音速射入转炉，副氧流通过中心管以亚音速可变流量射入转炉，通过单独调节副氧流的流量实现总氧流量的调节。

2.根据权利要求1所述的一种双路氧流调节转炉顶吹氧流量的方法，其特征在于：所述双路氧流调节转炉顶吹氧流量的枪头结构还包括由内至外依次设置的主氧管、隔水管和水冷管，所述主氧管和水冷管分别与喷头焊接，所述主氧管与隔水管之间构成冷却水进水通道，所述隔水管与水冷管之间构成冷却水回水通道。

3.根据权利要求1所述的一种双路氧流调节转炉顶吹氧流量的方法，其特征在于：所述中心管插入喷头中心孔，中心管外壁与喷头喉口段内壁通过棱脊定位，形成所述环槽缝喷口。

4.根据权利要求2所述的一种双路氧流调节转炉顶吹氧流量的方法，其特征在于：所述中心管内构成副氧流通道或粉剂通道，所述主氧管与中心管之间形成主氧流通道。

5.根据权利要求1所述的一种双路氧流调节转炉顶吹氧流量的方法，其特征在于：所述中心管为直管，所述喷头中心孔沿喷射方向依次形成变径收缩段、等径喉口段和变径扩张段。

6.根据权利要求1所述的一种双路氧流调节转炉顶吹氧流量的方法，其特征在于：在转炉吹炼过程中，通过调节副氧流实现供氧量的连续调节直至关闭，所述主氧流与副氧流的氧流量总和等于转炉吹炼所需的氧流量，所述主氧流与副氧流的最大流量总和等于转炉吹炼的最大设计流量。

7.根据权利要求1所述的一种双路氧流调节转炉顶吹氧流量的方法，其特征在于：所述副氧流通道用作转炉炼钢用粉剂的输入通道，输送粉剂的载气为氧气或惰性气体。

8.根据权利要求7所述的一种双路氧流调节转炉顶吹氧流量的方法，其特征在于：所述转炉炼钢用粉剂为石灰粉、轻烧白云石粉、石灰石粉、萤石粉、铁矿石粉、锰矿石粉、除尘灰中的一种或多种。

9.根据权利要求1所述的一种双路氧流调节转炉顶吹氧流量的方法，其特征在于：所述中心管喷射的氧流或粉剂被环槽缝喷口射出的超音速气流环绕包裹进入炼钢熔池。

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