CN112708723B

CN112708723B - 一种喷吹高温氧化性气体的水冷式喷枪及喷吹氧化性气体的方法

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Publication number: CN112708723B
Application number: CN202011540789.1A
Authority: CN
Inventors: 胡绍岩; 朱杰; 周长吏; 王德永; 屈天鹏; 于京豪; 刘旭冉; 赵陆千龙; 罗鸿彬
Original assignee: Suzhou University
Current assignee: Suzhou University
Priority date: 2020-12-23
Filing date: 2020-12-23
Publication date: 2022-08-16
Anticipated expiration: 2040-12-23
Also published as: CN112708723A

Abstract

本发明公开了一种喷吹高温氧化性气体的水冷式喷枪及喷吹氧化性气体的方法，喷枪包括枪芯和水套；枪芯插入水套中；枪芯包括枪身和枪头，水套包括套身和套头，枪芯的枪头和水套的套头由导热系数高的金属材料加工而成；将喷吹高温氧化性气体的水冷式喷枪的枪身与输送高温氧化性气体的管道连通、枪头与冶金炉连通，从而完成氧化性气体的喷吹。本发明充分利用气体在枪头喷管内的内能‑动能转换规律，巧妙地设置防护涂层和真空隔热层，既能有效阻隔冷却水和高温氧化性气体之间的热量交换，又能抑制高温氧化性气体对管道的氧化侵蚀，而且还能强化喷枪端部的冷却。

Description

一种喷吹高温氧化性气体的水冷式喷枪及喷吹氧化性气体的方法

技术领域

本发明涉及冶金喷吹技术领域，特别涉及一种喷吹高温氧化性气体的水冷式喷枪及喷吹氧化性气体的方法。

背景技术

向熔池中喷吹氧化性气体是冶金过程中普遍使用的一种工艺手段，利用氧化性气体与熔池之间的物理化学作用实现熔池搅拌、升温、去杂质等一系列功能，较为典型的案例包括转炉或电弧炉炼钢过程的供氧操作，超音速氧气射流穿透炉气和炉渣后与钢水接触并发生化学反应。

冶金过程中喷吹氧化性气体，一方面提供熔池反应所需要的氧，另一方面提供熔池搅拌所需要的搅拌功。传统工艺喷吹的都是常温氧化性气体，最新研究表明，将气体预热后喷吹能够在不改变喷枪结构和气体流量的情况下提高气体射流的速度，从而提高其冲击搅拌能力。而且，传统的气体喷吹工艺只能调节气体流量，可调参数单一，气流速度随气体流量的变化而变化；而高温气体喷吹工艺的可调参数包括气体流量和气体温度，可实现气体流量和气流速度的独立调节。

但是，喷吹高温氧化性气体对喷枪结构提出了新的、更为严苛的设计要求，现有喷枪喷吹高温氧化性气体存在以下关键问题：（1）由于冶金炉窑内部温度高，为防止喷枪烧损，冶金喷枪通常设计为水冷结构，冷却水在保护喷枪的同时也将吸收高温氧化性气体的热量，一方面降低了氧化性气体的温度，浪费了气体预热所消耗的能量，另一方面冷却水吸热后温度升高，弱化了其保护喷枪的效果，极易导致喷枪烧损，甚至因喷枪漏水而引发爆炸事故；（2）喷枪枪体通常由不锈钢加工而成，喷枪枪头通常由紫铜加工而成，高温氧化性气体将对不锈钢和紫铜造成严重的氧化侵蚀。

发明内容

为了解决现有喷枪存在的问题，本发明提出一种喷吹高温氧化性气体的水冷式喷枪，充分利用气体在枪头喷管内的内能-动能转换规律，合理地设置防护涂层和真空隔热层，既能有效阻隔冷却水和高温氧化性气体之间的热量交换，又能抑制高温氧化性气体对管道的氧化侵蚀，而且还能强化喷枪端部的冷却。本发明能够在保障喷枪使用寿命的前提下充分发挥喷吹高温氧化性气体的有益效果。

本发明采用如下技术方案：

一种喷吹高温氧化性气体的水冷式喷枪，包括枪芯和水套；枪芯插入水套中；枪芯包括枪身和枪头；枪头由上到下包括倒圆台型管、直管、圆台型管；水套包括套身和套头；套身包括内壁、隔水板、外壁；套头的一端与内壁连接、另一端与外壁连接；枪芯内壁设有防护涂层。

本发明中，位置关系以氧化性气体入口为上、出口为下；枪身在枪头上方，氧化性气体从现有输送高温氧化性气体的管道首先进入枪身，再经过枪头喷入现有冶金炉；套身位于套头上方，套头的一端与内壁连接、另一端与外壁连接形成密闭结构。

本发明中，枪芯用于氧化性气体流通，其整体为管状结构，枪身为直管，枪头先收缩再直后扩张，三段式结构使得高温氧化性气体在枪头内发生“内能-动能”转换，速度升高，温度降低，从而高温氧化性气体在此处的热量损失是极低的；套身中，隔水板位于内壁、外壁之间，隔水板、内壁组成进水流道，隔水板、外壁组成出水流道；在进水流道上设有进水管，在出水流道上设有出水管，从而形成水循环。

本发明中，隔水板不与套头接触，进水流道、出水流道的下端部都为开口结构，进水出水形成连通；套头的一端与内壁连接、另一端与外壁连接形成密闭结构，用于水流通；优选的，隔水板下端设有弯折结构，该弯折结构朝向内壁，冷水顺着弯折结构冲向枪头位置，提高换热效果；弯折结构的角度没有特别限定，能够使得水流冲着枪头位置即可。

本发明中，套身的内壁为中空结构，优选真空结构，进一步优选的，中空结构的宽度为2～10mm，中空结构可大幅降低内层管壁的导热系数，减少高温氧化性气体的热量散失。

本发明中，枪芯插入水套中，形成水套套在枪芯外侧壁，互相接触，组合成为喷枪，组合后枪芯的下端和水套的下端平齐，枪芯可由水套内拔出，枪芯可更换。

本发明中，枪芯整体为管状结构，具有金属管壁，其内壁设有防护涂层，形成高温氧化性气体流道；金属管壁从上到下分为枪身和枪头，枪身为直管，枪头为先收缩再直后扩张的三段式结构；所述防护涂层为通过物理气相沉积方法获得的氧化物涂层或碳氮化物涂层，涂层厚度50~1000μm，具体材料以及制备方法为现有技术。

本发明中，水套包括套身和套头，套身的外层管壁与套头的外管壁相连，套身的内壁与套头的内管壁相连，且套身内壁与套头内管壁平齐，从而水套的中心通道为竖直光滑结构，用于枪芯的插入，提高接触效果。

本发明中，套身的内壁下端与枪身的下端平齐。枪芯的枪头和水套的套头由导热系数高的金属材料加工而成，比如紫铜。

本发明公开了利用上述喷吹高温氧化性气体的水冷式喷枪喷吹氧化性气体的方法，将喷吹高温氧化性气体的水冷式喷枪的枪身与输送高温氧化性气体的管道连通、枪头与冶金炉连通，从而完成氧化性气体的喷吹，利用上述喷吹高温氧化性气体的水冷式喷枪将氧化性气体从输送高温氧化性气体的管道喷吹入冶金炉。

本发明利用上述喷吹高温氧化性气体的水冷式喷枪喷吹氧化性气体的方法可以将高温氧化性气体由现有输送高温氧化性气体的管道喷入现有冶金炉。

本发明中，氧化性气体为二氧化碳-氧气混合气、水蒸气-氧气混合气、二氧化碳-水蒸气混合气、二氧化碳气体或水蒸气。优选的，氧化性气体含有氧气；氧化性气体含有氧气时，氧化性气体进入喷吹高温氧化性气体的水冷式喷枪时的温度

如式1所示：

（1）

氧化性气体的喷吹流量L_实与气体实际温度

之间的变化关系如式2所示：

（2）

其中，

为喷枪在298K时的设计流量，单位为Nm³/h；

为氧化性气体中氧气的体积分数；避免喷枪出口附近形成负压区卷吸高温烟气和炉渣，加剧喷枪烧损。

本发明的技术原理和有益效果是：（1）水套内层管壁为中空结构或真空结构，内层管壁导热系数低，高效率、低成本地阻隔高温氧化性气体和冷却水之间的传热，减少高温氧化性气体的热量损失；（2）枪芯金属管壁的内壁面上设置有通过物理气相沉积获得的防护涂层，致密的涂层能够抵御高温氧化性气体的氧化侵蚀，避免金属管壁与高温氧化性气体直接接触；（3）枪芯的枪身下端与水套的内层管壁下端平齐，且中层管壁下端向内弯折，有助于强化冷却水对枪头的冷却保护，减轻高温氧化性气体对枪头的氧化侵蚀和冲刷侵蚀；（4）高温氧化性气体在枪头内发生“内能-动能”转换，速度升高，温度降低，高温氧化性气体在此处的热量损失是极低的；（5）喷枪是由枪芯和水套组合装配而成，枪芯损坏后可拆卸和更换，维护方便，更换成本低。

综上，本发明解决了喷吹高温氧化性气体的水冷式喷枪设计问题，既能减少高温氧化性气体在喷枪内的热量损失，又能保障喷枪的使用寿命。

附图说明

图1为本发明的喷吹高温氧化性气体的水冷式喷枪的组合结构图；

图2为本发明的水冷式喷枪的枪芯结构图；

图3为本发明的水冷式喷枪的水套结构图；

图4为本发明弯折结构示意图（标注角度）；

图5为隔水板下端为竖直结构示意图；

图6为水套的内层管壁下端与枪芯的枪头下端平齐示意图；

图7为圆台型管的结构示意图；

图8为枪头为竖直结构示意图；

图中：1、枪芯；2、水套；3、现有输送高温氧化性气体的管道；1-1、金属管壁；1-2、防护涂层；1-3、高温氧化性气体流道；1-4、枪身；1-5、枪头；1-6、倒圆台型管；1-7、直管；1-8、圆台型管；2-1、套身；2-2、套头；2-3、外壁；2-4、出水流道；2-5、隔水板；2-6、进水流道；2-7、内壁；2-8、中心通道；2-9、内层管壁；2-10、进水管；2-11、出水管；2-12、外层管壁；2-13、外管壁；2-14、内管壁；2-15、弯折结构。

具体实施方式

本发明中，喷枪的使用以及与现有输送高温氧化性气体的管道、冶金炉窑的连接安装都为常规技术，冶金结果的测试、比较都为常规方法。根据冶金技术领域要求，喷枪枪芯、水套需要由金属材料制备，其中枪芯的枪头和水套的套头由导热系数高的金属材料（比如紫铜）加工而成，其余部件可以为不锈钢，制备方法为常规技术。

实施例1

参见附图1-4：

一种喷吹高温氧化性气体的水冷式喷枪，包括枪芯1和水套2；枪芯插入水套中；枪芯包括枪身1-4和枪头1-5；枪头由上到下包括倒圆台型管1-6、直管1-7、圆台型管1-8；水套包括套身2-1和套头2-2；套身包括内壁2-7、隔水板2-5、外壁2-3；套头的一端与内壁连接、另一端与外壁连接；枪芯内壁设有防护涂层，枪芯插入水套中，组合成为喷枪，组合后枪芯和水套的下端平齐，枪芯可由水套内拔出，枪芯可更换；

枪芯中空作为高温氧化性气体流道1-3，具有金属管壁1-1、防护涂层1-2，防护涂层覆盖在金属管壁内侧；金属管壁从上到下分为枪身和枪头，枪身为直管，枪头为先收缩后扩张的三段式结构，倒圆台型指圆台结构的大面积底面朝上、圆台结构指小面积底面朝上；

所述防护涂层为通过现有电子束物理气相沉积（EB-PVD）方法获得的氧化物涂层，涂层成分为MgO和ZrO₂，涂层厚度0.1mm；

水套包括套身和套头，套身中，隔水板位于内壁、外壁之间，隔水板、内壁组成进水流道2-6，隔水板、外壁组成出水流道2-4；在进水流道上设有进水管2-10，在出水流道上设有出水管2-11，套身的外层管壁2-12与套头的外管壁2-13相连，套身的内层管壁与套头的内管壁相连，从而形成水循环；且套身内壁的内层管壁2-9与套头内管壁2-14平齐，保证水套的中心通道2-8为竖直光滑通道；

隔水板不与套头接触，进水流道、出水流道都为开口结构，套头的一端与内壁连接、另一端与外壁连接形成密闭结构，用于水流通；隔水板下端设有弯折结构2-15，该弯折结构朝向内壁，冷水顺着弯折结构冲向枪头位置，提高换热效果，弯折角度为30°；

套身的内壁为中空结构，中空结构的宽度为3mm，中空结构可大幅降低内层管壁的导热系数，减少高温氧化性气体的热量散失；

套身的内壁下端与枪芯的枪身下端平齐；

枪身常规与现有输送高温氧化性气体的管道3连通，枪头常规与现有冶金炉连通。

实施例2

在实施例1的基础上，套身内壁的中空层抽真空，真空结构的宽度为3mm，进一步降低导热系数，增强隔热效果；其余不变。

实施例3

在实施例1的基础上，隔水板下端为竖直结构（参见图5）；其余不变。

对比例1

在实施例1的基础上，水套内层管壁为是实心结构；其余不变。

对比例2

在实施例1的基础上，枪芯金属管壁内侧不设置防护涂层；其余不变。

对比例3

在实施例1的基础上，水套的内层管壁下端与枪芯的枪头下端平齐，参见图6；其余不变，此时套头为平板结构。

本发明中，圆台型管1-8的结构示意图如图7，倒圆台型管为其翻转结构。

应用实施例

本发明中，氧化性气体为二氧化碳-氧气混合气、水蒸气-氧气混合气、二氧化碳-水蒸气混合气、二氧化碳气体或水蒸气。优选的，氧化性气体含有氧气时，氧化性气体的温度

（K）随混合气中氧气体积分数

的增加而降低，如式1所示：

（1）

优选的，氧化性气体的喷吹流量

与气体温度

之间的变化关系如式2所示：

（2）

其中，

为喷枪在298K时的设计流量，为额定值，

为氧化性气体的实际温度；避免喷枪出口附近形成负压区卷吸高温烟气和炉渣，加剧喷枪烧损。

为氧化性气体进入喷枪时的温度，由在线测温仪测试。氧化性气体的流程为，常温氧化性气体混合后（或者单独组分）由现有加热装置加热，得到高温氧化性气体，再由现有氧化性气体输送管道输送至喷枪，依次经过枪身、枪头，再通过冶金炉的入气口喷吹入冶金炉。

应用在100吨炼钢电弧炉上，该电弧炉的炉壁上安装有3支喷枪，喷枪在298K时的设计流量为2000Nm³/h。

应用本发明的喷枪的喷吹介质为二氧化碳-氧气混合气，其中氧气体积分数为20%，混合气进入喷枪时的温度

为540K，混合气的总流量

选取1800Nm³/h，冷却介质为水。

同时以喷吹2000Nm³/h常温（298K）二氧化碳-氧气（20%）混合气的工况为对比，冶炼过程以及钢种一样。

应用本发明实施例1的喷枪，在喷枪水套进水温度为30℃的情况下，喷枪回水温度为45℃，略高于喷吹常温气体时的回水温度（40℃）。电弧炉炼钢的终点炉渣（FeO）含量比喷吹常温气体时降低了2.65%，终点钢水碳氧积降低了3.0*10^-4，钢水性能提升明显。喷枪使用600炉后，因喷枪出口烧蚀而下线。

应用本发明实施例2的喷枪，在喷枪进水温度为30℃的情况下，喷枪回水温度为42℃，略高于喷吹常温气体时的回水温度（40℃），说明喷枪水套内层管壁的隔热效果进一步改善。电弧炉炼钢的终点炉渣（FeO）含量比喷吹常温气体时降低了2.73%，终点钢水碳氧积降低了3.4*10^-4。喷枪使用688炉后，因喷枪出口烧蚀而下线。

应用本发明实施例3的喷枪，在喷枪水套进水温度为30℃的情况下，喷枪回水温度为43℃，略高于喷吹常温气体时的回水温度（40℃）。电弧炉炼钢的终点炉渣（FeO）含量比喷吹常温气体时降低了2.66%，终点钢水碳氧积降低了3.1*10^-4。喷枪使用519炉后，因喷枪出口烧蚀而下线。

应用对比例1的喷枪，在喷枪进水温度为30℃的情况下，喷枪回水温度为55℃，高于安全回水温度，说明冷却水大量吸收了气体的热量。电弧炉炼钢的终点炉渣（FeO）含量比喷吹常温气体时降低了1.5%，终点钢水碳氧积降低了1.3*10^-4，说明气体温度降低减弱了氧气射流的冲击搅拌能力。喷枪使用400炉后便因喷枪出口烧蚀漏水而下线。

应用对比例2的喷枪，高温气体与金属管壁直接接触，造成金属管壁严重氧化蚀损，喷枪使用438炉后便因喷枪出口烧蚀漏水而下线。

应用对比例3的喷枪，枪头温度升高、强度下降，在高温高速氧气流的冲刷下侵蚀加剧，喉口逐渐扩大，气体射流的冲击搅拌效果下降。喷枪使用100炉后，冶金效果便开始急剧恶化，劣于喷吹常温气体，使用251炉后因喷枪出口烧蚀漏水而下线。

对比例4

在实施例1的基础上，枪头为竖直结构（参见图8）；其余不变。进行同样的喷吹实验（1800 Nm³/h、540K），由于气体射流难以达到超音速状态，对钢水的冲击搅拌效果急剧下降，电弧炉炼钢的终点炉渣（FeO）含量比喷吹常温气体时升高了2.2%，终点钢水碳氧积升高了2.5*10^-4，喷枪使用502炉后，因喷枪出口烧蚀而下线。

对比例5

在应用实施例的基础上（实施例2的结构），二氧化碳-氧气（20%）混合气的实际温度

被升高至650K，超过本发明方法限定的最高温度540K，其余不变。

应用所述同样喷吹实验，在氧气体积分数（20%）和混合气总流量（1800Nm³/h）不变的情况下，混合气温度升高至650K，射流的冲击搅拌能力增强，电弧炉炼钢的终点炉渣（FeO）含量比喷吹常温气体时下降了2.78%，终点钢水碳氧积降低了3.6*10^-4，冶金效果得到改善。但是，由于气体射流的温度过高、氧化性过强，喷枪使用309炉后因喷枪出口烧蚀漏水而下线，枪头的喉口位置也因氧化和冲刷而扩大。

对比例6

在应用实施例（实施例2的结构）的基础上，混合气的总流量由1800 Nm³/h调整为1000Nm³/h，其余不变。

在氧气体积分数（20%）和混合气温度（540K）不变的情况下，混合气总流量下调至1000Nm³/h，射流在喷枪出口处是过膨胀状态，射流静压低于环境压力，形成负压区，造成高温烟气和高温炉渣的卷吸冲刷，加剧了喷枪出口的冲刷侵蚀，喷枪使用451炉后因漏水而下线。与此同时，由于射流性能恶化，冲击搅拌效果下降，电弧炉炼钢的终点炉渣（FeO）含量比喷吹常温气体时升高了1.3%，终点钢水碳氧积升高了1.5*10^-4，相比于喷吹常温气体，冶金效果不仅没有得到改善，反而变得更差。

Claims

1.一种喷吹高温氧化性气体的水冷式喷枪，包括枪芯和水套；枪芯插入水套中；枪芯包括枪身和枪头；枪头由上到下包括倒圆台型管、直管、圆台型管；水套包括套身和套头；套身包括内壁、隔水板、外壁；套头的一端与内壁连接、另一端与外壁连接；枪芯内壁设有防护涂层；氧化性气体为二氧化碳-氧气混合气、水蒸气-氧气混合气、二氧化碳-水蒸气混合气、二氧化碳气体或水蒸气；套身的内壁为中空结构；隔水板下端设有弯折结构，该弯折结构朝向内壁；套身的内壁下端与枪身的下端平齐。

2.根据权利要求1所述喷吹高温氧化性气体的水冷式喷枪，其特征在于，套身中，隔水板位于内壁、外壁之间，隔水板、内壁组成进水流道，隔水板、外壁组成出水流道；进水流道上设有进水管，出水流道上设有出水管。

3.根据权利要求1所述喷吹高温氧化性气体的水冷式喷枪，其特征在于，隔水板不与套头接触。

4.根据权利要求1所述喷吹高温氧化性气体的水冷式喷枪，其特征在于，中空结构为真空结构。

5.根据权利要求1所述喷吹高温氧化性气体的水冷式喷枪，其特征在于，枪芯的枪头和水套的套头由导热系数高的金属材料加工而成。

6.利用权利要求1所述喷吹高温氧化性气体的水冷式喷枪喷吹氧化性气体的方法，其特征在于，将喷吹高温氧化性气体的水冷式喷枪的枪身与输送高温氧化性气体的管道连通、枪头与冶金炉连通，然后将高温氧化性气体通过喷吹高温氧化性气体的水冷式喷枪进入冶金炉，从而完成氧化性气体的喷吹；氧化性气体含有氧气时，氧化性气体进入喷吹高温氧化性气体的水冷式喷枪时的温度

如式（1）所示：

（1）

氧化性气体的喷吹流量

与气体实际温度

之间的变化关系如式（2）所示：

（2）

其中，

为喷枪在298K时的设计流量，单位为Nm³/h；

为氧化性气体中氧气的体积分数。

7.权利要求1所述喷吹高温氧化性气体的水冷式喷枪在将氧化性气体从输送高温氧化性气体的管道喷吹入冶金炉中的应用。