CN109680118A - 同轴双超音速氧流集束氧枪 - Google Patents

同轴双超音速氧流集束氧枪 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种同轴双超音速氧流集束氧枪，包括内层圆孔超音速喷管组件、外层水冷套管组件以及设置于内层圆孔超音速喷管组件与外层水冷套管组件之间的中间层环孔超音速喷管组件，所述圆孔超音速组件产生第一束超音速氧气射流，所述环孔超音速组件产生包围第一束超音速氧气射流的第二束超音速氧气射流；所述第二超声速氧气射流与第一束超音速氧气射流同向，且两超音速氧气射流独立供气、独立调节。本发明可形成同轴的双超音速氧流，能在超音速射流条件下灵活调整氧枪流量，可以满足高废钢比电炉各个不同工况的冶炼期对用氧制度的不同需求，从而提高电炉冶炼的效率，降低消耗，缩短冶炼周期。

Description

同轴双超音速氧流集束氧枪
技术领域
本发明属于冶金技术领域，特别涉及一种同轴双超音速氧流集束氧枪。
背景技术
高铁水比电炉冶炼是指加入电炉的铁水达到50～90％以上的电炉冶炼工艺，通过采用氧枪向熔池吹入大量氧气，它可以获得200KW以下的吨钢电耗，甚至无需电极加热，是现代电炉一种先进的高效炼钢工艺，冶炼周期已领达到32min/炉以内。电炉炼钢过程中，脱磷和脱碳是在两个不同的温度区域发生的化学反应。如何经济高效地将高磷铁水中的磷脱到极低，生产出高附加值的产品，是目前高铁水比电炉冶炼的难题。脱磷主要采用石灰造渣，并伴随超音速氧气进入到钢液生成氧化铁，可以使石灰快速形成泡沫渣，提高脱磷率。但过度用氧会使铁水温度快速升高，阻断脱磷进程。
同时，高效脱碳需要向钢液高速吹入大量氧气，强力搅拌钢液，缩短高铁水比电炉冶炼周期，匹配高拉速的连铸机。
虽然现有技术中公开了一种环燃的集束碳氧枪结构，增强了电炉氧枪的烧嘴功能，但其仅仅适合全废钢或高废钢比电炉的冶炼工艺，无法满足高铁水比电炉的冶炼要求。
现有技术中还公开了一种转炉氧枪，脱磷喷粉氧枪和脱碳双流氧枪均具有位于中心的副氧流通道和位于副氧流通道外围的主氧流通道。但是这类氧枪为适应转炉冶炼采用了一定偏转角度的多喷口结构，不适合电炉冶炼工况。
由此可见，高铁水比电炉炼钢用氧需要在不同工况下采用不同的吹氧制度。因此有必要开发一种双流速的高效氧枪，目前国内还未见这样的适合高铁水比电炉使用的同轴超音速长射流双流速氧枪。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种同轴双超音速氧流集束氧枪，以实现高铁水比电炉的高效用氧。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明技术方案如下：
一种同轴双超音速氧流集束氧枪，包括内层圆孔超音速喷管组件、外层水冷套管组件以及设置于内层圆孔超音速喷管组件与外层水冷套管组件之间的中间层环孔超音速喷管组件，所述圆孔超音速组件产生第一束超音速氧气射流，所述环孔超音速组件产生包围第一束超音速氧气射流的第二束超音速氧气射流；所述第二超声速氧气射流与第一束超音速氧气射流同向，且两超音速氧气射流独立供气、独立调节。
采用上述结构，单束第二束超音速氧气射流与第一束超音速氧气射流同向，所有的第二束超音速氧气射流以第一束超音速氧气射流为中心分布在第一束超音速氧气射流外围，从而形成同轴的双超音速氧流，两超音速氧气射流分开供气，各自独立调节气体压力和流量，能在超音速射流条件下灵活调整氧枪流量，可以满足高废钢比电炉各个不同工况的冶炼期对用氧制度的不同需求，从而提高电炉冶炼的效率，降低消耗，缩短冶炼周期。各种流量下均可实现集束超音速射流，延长了氧气的喷射距离，使得氧枪可以安装在离钢水液面更高的位置，减少高温辐射和渣液对喷枪的损伤，延长氧枪的使用寿命。
可选地，所述内层圆孔超音速喷管组件包括拉瓦尔喷头和与拉瓦尔喷头焊接的第一供氧管；所述第一供氧管形成第一氧气通道，所述拉瓦尔喷头的内廓面构成超音速喷口，用于产生所述第一束超音速氧气射流。
可选地，所述中间层环孔超音速喷管组件包括环孔喷头和与所述环孔喷头焊接的第二供氧管；所述第二供氧管同轴套设于第一供氧管外围形成第二氧气通道，所述拉瓦尔喷头插入所述环孔喷头内，所述环孔喷头内廓与拉瓦尔喷头外廓之间沿气流方向形成逐步缩小截面积的圆环锥体上空腔和逐步扩大截面积的圆环锥体下空腔，连接上下变截面锥体空腔的是等截面的多个独立的氧气槽孔，多个所述独立的氧气槽孔以上下锥体轴线为中心，所述圆环锥体上空腔、氧气槽孔和圆环锥体下空腔构成环孔喷头的超音速喷口，用于产生第二束超音速氧气射流。
可选地，所述氧气槽孔沿环孔喷头径向分布为至少两层。
可选地，所述外层水冷套管组件包括水冷内管、中间套管、水冷外管和环形封头，所述水冷内管和水冷外管分别与环形封头内、外表面焊接，中间套管隔开进水与回水通道，所述环孔喷头插入所述环形封头中心，第二供氧管与水冷内管之间形成燃气通道。
可选地，所述环孔喷头外廓上沿平行于轴线方向开有供燃气流出的燃气槽孔，所述燃气槽孔沿环孔喷头周向分布，并与所述燃气通道连通。
可选地，所述水冷内管能够在水冷外管内相对滑动，并与水冷外管之间通过O型密封圈。
可选地，所述环孔喷头、拉瓦尔喷头和封头均由铜制成。
可选地，所述同轴双超音速氧流集束氧枪还包括尾管，所述尾管同轴设置于第一供氧管和第二供氧管外，所述尾管第一端与水冷外管通过第一密封法兰连接，第二端连接有第二密封法兰密封，所述第一供氧管穿过并支撑在所述第二密封法兰上，所述尾管上连接有相隔开的氧气进口和燃气进口；所述燃气进口与燃气通道连通，氧气进口与第二氧气通道连通。
可选地，所述尾管内壁设置有隔开燃气进口和氧气进口的隔环，所述第二供氧管插入所述隔环内，并与隔环焊接。
本发明的有益效果是：本发明可形成同轴的双超音速氧流，能在超音速射流条件下灵活调整氧枪流量，可以满足高废钢比电炉各个不同工况的冶炼期对用氧制度的不同需求，从而提高电炉冶炼的效率，降低消耗，缩短冶炼周期。各种流量下均可实现集束超音速射流，延长了氧气的喷射距离，使得氧枪可以安装在离钢水液面更高的位置，减少高温辐射和渣液对喷枪的损伤，延长氧枪的使用寿命。
附图说明
图1为本发明氧枪的结构示意图；
图2为本发明氧枪喷头的结构示意图；
图3为本发明的喷头的仰视图。
零件标号说明
11-拉瓦尔喷头；12-第一供氧管；21-环孔喷头；22-第二供氧管；23-氧气槽孔；24-环氧圆孔；25-燃气槽孔；26-圆锥体上空腔；27-圆锥体下空腔；31-环形封头；32-水冷内管；33-中间套管；34-水冷外管；35-进水管；36-出水管；41-尾管；42-隔环；43-氧气进口；44-燃气进口44；45-第一密封法兰；46-第二密封法兰；47-O型密封圈；48-第一氧气进口；A-第一氧气通道；B-第二氧气通道；C-燃气通道。
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。
须知，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。
如图1至图3所示，本发明提供一种同轴双超音速氧流集束氧枪，由喷头和多层同轴套管构成，包括同轴设置的内层圆孔超音速喷管组件、外层水冷套管组件和中间层环孔超音速喷管组件，其中，中间层环孔超音速喷管组件位于内层圆孔超音速喷管组件与外层水冷套管组件之间；其中，所述圆孔超音速组件产生第一束超音速氧气射流，所述环孔超音速组件产生包围第一束超音速氧气射流的第二束超音速氧气射流；所述第二超声速氧气射流与第一束超音速氧气射流同向，且第二超声速氧气射流与第一束超音速氧气射流独立供气、独立调节。
具体而言，第二束超音速氧气射流由多束与第一束超音速氧气射流同向的单束超音速氧气射流形成，所有的单束超音速氧气射流以第一束超音速氧气射流为中心分布在第一束超音速氧气射流外围，合并后形成的第二束超音速氧气射流与所述第一束超音速氧气射流构成同轴，形成同轴的双超音速氧流。
其中，第二超声速氧气射流与第一超声速氧气射流分开供氧；第二超声速氧气射流和第一超声速氧气射流的各参数独立调节；包括流量和压力调节等；因而能在超音速射流条件下灵活调整氧枪流量，可以满足高废钢比电炉各个不同工况的冶炼期对用氧制度的不同需求，从而提高电炉冶炼的效率，降低消耗，缩短冶炼周期。各种流量下均可实现集束超音速射流，延长了氧气的喷射距离，使得氧枪可以安装在离钢水液面更高的位置，减少高温辐射和渣液对喷枪的损伤，延长氧枪的使用寿命。
在一个实施方式中，所述内层圆孔超音速喷管组件具有位于中心的第一氧气通道A和拉瓦尔喷孔，用于通入氧气并通过拉瓦尔喷孔产生所述第一束超音速氧气射流；内层圆孔超音速喷管组件与中间层环孔超音速喷管组件之间形成第二氧气通道B，同于通入氧气；且所述中间层环孔超音速喷管组件与内层圆孔超音速喷管组件之间形成超音速喷口，用于产生第二束超音速氧气射流；
在一个实施方式中，所述内层圆孔超音速喷管组件包括拉瓦尔喷头11和与拉瓦尔喷头11焊接的第一供氧管12，拉瓦尔喷头11由铜制成，中心开设所述拉瓦尔喷孔；第一供氧管12具有第一氧气进口48，用于连接供氧装置，提供氧流。
在一个实施方式中，所述中间层环孔超音速喷管组件包括环孔喷头21和与所述环孔喷头21焊接的第二供氧管22；所述第二供氧管22同轴套设于第一供氧管12外围，与第一供氧管12之间形成所述第二氧气通道B，拉瓦尔喷头11插入环孔喷头21内，所述环孔喷头21内廓与拉瓦尔喷头外廓之间沿气流方向形成逐步缩小截面积的圆环锥体上空腔26和逐步扩大截面积的圆环锥体下空腔27，连接上下变截面锥体空腔的是等截面的多个独立的氧气槽孔，其中，所述等截面指的是单个氧气槽孔沿孔长度方向截面不变，并非各氧气槽孔截面相等。多个所述独立的氧气槽孔以圆环锥体上空腔26和圆环锥体下空腔27共同的轴线为中心；其中，圆环锥体上空腔26、氧气槽孔、圆环锥体下空腔27构成环孔喷头21的超音速喷口，用于产生所述第二束超音速氧气射流。
在一个实施方式中，所述氧气槽孔沿环孔喷头径向分布为至少两层；具体而言至少包括内层的氧气槽口23和位于氧气槽口外围的环氧圆孔24，其中，所述环孔喷头21为中空结构，其内廓开有供氧气流出的氧气槽口23，氧气槽口23对应于喉口位置，所述氧气槽口23沿环孔喷头21内廓周向均布，其中从单个氧气槽口23中喷出的氧气射流与拉瓦尔喷头11喷出的氧气射流是同向且平行的，所有的氧气槽口23以拉瓦尔喷头11中心为圆心，均匀分布。环氧圆孔24沿环孔喷头21周向均布，环氧圆孔24和氧气槽口23的进气端均与第二氧气通道B连通，环氧圆孔24喷出的氧流包裹在氧气槽口23喷出的超音速氧流外围，使得第二束超音速氧气射流为集束射流，即第二束超音速氧气射流包括从环氧圆孔24和氧气槽口23喷出的氧流。
在一个实施方式中，所述外层水冷套管组件包括水冷内管32、中间套管33、水冷外管34和中空的环形封头31，所述水冷内管32和水冷外管34分别与环形封头31焊接，中间套管33隔开进水通道与回水通道，中间套管33与水冷内管32之间形成进水通道，中间套管33与水冷外管34之间形成回水通道，形成封闭的冷却水回路，进水通道连接有进水管35，回水通道连接有出水管36，所述环孔喷头21插入所述封头31内，第二供氧管22与水冷内管32之间形成燃气通道C。
所述环孔喷头21外廓面上沿平行于轴线方向开有供燃气流出的燃气槽孔25，燃气槽孔25沿环孔喷头21周向均匀分布，该燃气槽孔25形成燃气喷口，燃气槽孔25的进气端与燃气通道C连通。
其中，环氧圆孔24使第二氧气通道B内的氧气分流成外套气，燃气喷口喷出的燃气与环氧圆孔24的氧气混合燃烧，产生高速稀薄膨胀气流，进一步封套和向心压缩第二束超音速氧气射流，形成集束射流。从而增加氧气射流的长度和对钢液面的冲击搅拌作用，提高氧气在钢液中的溶解度。
在一个实施方式中，所述水冷内管32能够在水冷外管34内相对滑动，并与水冷外管34之间通过O型密封圈47。水冷内管32依靠O型密封圈47可以在水冷外管34内滑动，消除水冷外管34由于热胀冷缩变形产生的内应力。
在一个实施方式中，所述第一供氧管12和第二供氧管22外围同轴设置有尾管41，所述尾管41第一端与水冷外管34通过第一密封法兰45连接，尾管41的第二端安装有第二密封法兰46连接；第一供氧管12穿过第二密封法兰46并支撑在该第二密封法兰46上，从而同时实现密封和定位；所述尾管41上连接有相隔开的氧气进口43和燃气进口44；所述燃气进口44与燃气通道C连通，氧气进口43与第二氧气通道B连通。
具体而言，所述尾管41内壁设置有隔开燃气进口和氧气进口的隔环42，所述第二供氧管22插入所述隔环42内，并与隔环42焊接，第二供氧管22与隔环42将第二氧气通道B与燃气通道C隔开。
本发明第一束超音速氧气射流可产生速度为2马赫以上的氧流，所述第二速超音速氧气射流可产生速度为1.5马赫以上的氧流；所述燃气膨胀燃烧的气流速度可达1马赫以上。
本发明的同轴双超音速氧流集束氧枪的使用方法如下：
氧枪投入使用后，在外层水冷套管组件中注入循环流动的冷却水，水冷套入口进冷却水，水冷套出口出冷却水，形成持续的冷却水保护套；所有管道内没有通入氧气或燃气的时间里，始终通入吹扫气进行保护和冷却。而在高铁水比电炉冶炼的脱磷期，环孔超音速喷管组件的氧气进口43(第二氧气通道B)通入0.8～1.2MPa高压氧气，形成1-1.5马赫的低流量超音速集束氧气射流，流量控制在500～1500Nm3/h，在铁水液面产生大量的氧化铁；环孔超音速喷管组件的燃气进口44通入0.3MPa的天然气，形成稀薄燃烧气体隔离超音速氧气射流。在高铁水比电炉冶炼的造渣期，圆孔超音速喷管组件氧气管内(第一氧气通道A)通入1.0～1.5MPa高压氧气，产生1.8-2.2马赫的超音速射流，流量控制在1500～3500Nm3/h，迅速形成泡沫渣；在高铁水比电炉冶炼的脱碳期，圆孔超音速喷管组件的第一供氧管12内通入1.0～1.5MPa高压氧气，流量控制在1500～3500Nm3/h，同时环孔超音速喷管组件的第二供氧管22进口通入0.8～1.2MPa高压氧气，流量控制在500～1500Nm3/h，并且环孔超音速喷管组件的燃气进口44通入0.3MPa天燃气，形成高流量的超音速集束氧气射流，搅拌钢液并快速脱碳。
同轴双超音速氧流氧枪的供气，由供气阀站根据电炉的冶炼工艺要求，将供气管网的高压气源调制成冶炼工艺要求的压力，控制供气阀站注入氧枪的每一路氧气、燃气、吹扫气的气体流量、压力和时刻。
本发明可灵活调整氧枪流量，可以满足高废钢比电炉各个不同工况的冶炼期对用氧制度的不同需求，从而提高电炉冶炼的效率，降低消耗，缩短冶炼周期。
并且，在各种流量下均可实现集束超音速射流，延长了氧气的喷射距离，使得氧枪可以安装在离钢水液面更高的位置，减少高温辐射和渣液对喷枪的损伤，延长氧枪的使用寿命。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。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 (10)

1.一种同轴双超音速氧流集束氧枪，其特征在于：包括内层圆孔超音速喷管组件、外层水冷套管组件以及设置于内层圆孔超音速喷管组件与外层水冷套管组件之间的中间层环孔超音速喷管组件，所述圆孔超音速组件产生第一束超音速氧气射流，所述环孔超音速组件产生包围第一束超音速氧气射流的第二束超音速氧气射流；所述第二束超声速氧气射流与第一束超音速氧气射流同向，且两束超音速氧气射流独立供气、独立调节。
2.根据权利要求1所述的同轴双超音速氧流集束氧枪，其特征在于：所述内层圆孔超音速喷管组件包括拉瓦尔喷头和与拉瓦尔喷头焊接的第一供氧管，所述第一供氧管形成第一氧气通道，所述拉瓦尔喷头的内廓面构成超音速喷口，用于产生所述第一束超音速氧气射流。
3.根据权利要求2所述的同轴双超音速氧流集束氧枪，其特征在于：所述中间层环孔超音速喷管组件包括环孔喷头和与所述环孔喷头焊接的第二供氧管；所述第二供氧管同轴套设于第一供氧管外围形成第二氧气通道，所述拉瓦尔喷头插入所述环孔喷头内，所述环孔喷头内廓与拉瓦尔喷头外廓之间沿气流方向形成逐步缩小截面积的圆环锥体上空腔和逐步扩大截面积的圆环锥体下空腔，连接上下变截面锥体空腔的是等截面的多个独立的氧气槽孔，多个所述独立的氧气槽孔以上下锥体轴线为中心周向均布，所述圆环锥体上空腔、氧气槽孔和圆环锥体下空腔构成环孔喷头的超音速喷口，用于产生第二束超音速氧气射流。
4.根据权利要求3所述的同轴双超音速氧流集束氧枪，其特征在于：所述氧气槽孔沿环孔喷头径向分布为至少两层。
5.根据权利要求3所述的同轴双超音速氧流集束氧枪，其特征在于：所述外层水冷套管组件包括水冷内管、中间套管、水冷外管和环形封头，所述水冷内管和水冷外管分别与环形封头内、外表面焊接，中间套管隔开进水与回水通道，所述环孔喷头插入所述环形封头中心，第二供氧管与水冷内管之间形成燃气通道。
6.根据权利要求5所述的同轴双超音速氧流集束氧枪，其特征在于：所述环孔喷头外廓上沿平行于轴线方向开有供燃气流出的燃气槽孔，所述燃气槽孔沿环孔喷头周向分布，并与所述燃气通道连通。
7.根据权利要求5所述的同轴双超音速氧流集束氧枪，其特征在于：所述水冷内管能够在水冷外管内相对滑动，并与水冷外管之间通过O型密封圈。
8.根据权利要求5所述的同轴双超音速氧流集束氧枪，其特征在于：所述环孔喷头、拉瓦尔喷头和环形封头均由铜制成。
9.根据权利要求5所述的同轴双超音速氧流集束氧枪，其特征在于：所述同轴双超音速氧流集束氧枪还包括尾管，所述尾管同轴设置于第一供氧管和第二供氧管外，所述尾管第一端与水冷外管通过第一密封法兰连接，第二端连接有第二密封法兰密封，所述第一供氧管穿过并支撑在所述第二密封法兰上，所述尾管上连接有相隔开的氧气进口和燃气进口；所述燃气进口与燃气通道连通，氧气进口与第二氧气通道连通。
10.根据权利要求9所述的同轴双超音速氧流集束氧枪，其特征在于：所述尾管内壁设置有隔开燃气进口和氧气进口的隔环，所述第二供氧管插入所述隔环内，并与隔环焊接。
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