CN117660721A - 一种长寿命二次燃烧氧枪及使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种长寿命二次燃烧氧枪其使用方法，该氧枪包括枪体和喷头，所述枪体由内至外依次包括中间管道、第一层环缝、第二层环缝和第三层环缝，所述中间管道为喷头的主喷孔氧气通道，喷头的主喷孔包括一个位于中间位的中心拉瓦尔型喷孔和若干个沿周向环绕该中心拉瓦尔型喷孔的周边拉瓦尔型喷孔；所述喷头还包括若干个沿周向均匀布置的副喷孔，所述副喷孔的出口设于喷头侧壁的壁面，所述第二层环缝为所述副喷孔的气体通道；所述第一层环缝和第三层环缝为冷却水通道。

Description

一种长寿命二次燃烧氧枪及使用方法

技术领域

本发明涉及转炉冶炼技术领域，尤其涉及一种长寿命二次燃烧氧枪结构及其使用方法。

背景技术

在氧气转炉炼钢中，氧枪是关键的工艺设备之一，它的作用是向转炉内提供大量氧气，将氧气喷向液态金属，以实现金属熔池的冶炼反应，氧枪在炉内高温下工作，采用循环水冷却。氧枪一般由喷枪，枪体和枪尾组成，其中喷枪最重要部分则是喷头，如果氧枪喷头粘渣钢严重，喷头粘渣钢没有及时去除，氧气会与喷头上粘附的渣钢产生氧化反应，造成喷头烧损而漏水，造成氧枪损坏。严重影响冶炼质量和效率的关键问题，不仅降低转炉生产作业率，阻碍炼钢工艺连续性，增加现场工人操作难度，增加生产成本，甚至可能会危及现场操作人员人身安全。

目前，各钢企广泛采用的多孔拉瓦尔氧枪喷头结构特点在于喷头的各喷孔尺寸和形状相同，各个喷孔马赫数相同，并且围绕氧枪轴线均匀分布，在确定的转炉容量以及设计压力下，喷孔倾角和喷孔数量有比较严格的控制，一般通过氧枪枪位来改变转炉冶炼效果。然而在我国钢铁行业日益迫切的高效低成本炼钢的背景下，受困于射流性能控制的局限性，传统氧枪在吹炼过程的一系列问题也逐渐凸显，主要体现在：提高射流对熔池的搅拌强度的同时容易造成转炉喷溅的发生。对于转炉冶炼，氧枪射流对熔池的搅拌强度越大则会使转炉冶炼时间缩短即提高转炉生产率，但是过大的搅拌强度容易产生一系列问题，包括转炉喷溅以及氧枪喷头端面粘钢漏水等。而改变传统氧枪喷口结构及流速是不能在根本上解决氧枪喷头端面粘钢的问题。因此长寿命氧枪结构设计和吹炼工艺一直是国内外研究者不断探索的关键技术。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术的上述不足，提供一种长寿命二次燃烧氧枪结构，以提高转炉冶炼效率，延长喷头使用寿命，提高生产安全性。

其所要解决的技术问题可以通过以下技术方案来实施。

一种长寿命二次燃烧氧枪，包括枪体和喷头，其特点为，所述枪体由内至外依次包括中间管道、第一层环缝、第二层环缝和第三层环缝，所述中间管道为喷头的主喷孔氧气通道，喷头的主喷孔包括一个位于中间位的中心拉瓦尔型喷孔和若干个沿周向环绕该中心拉瓦尔型喷孔的周边拉瓦尔型喷孔；所述喷头还包括若干个沿周向均匀布置的副喷孔，所述副喷孔的出口设于喷头侧壁的壁面，所述第二层环缝为所述副喷孔的气体通道；所述第一层环缝和第三层环缝为冷却水通道。

作为本技术方案的进一步改进，所述副喷孔的管道截面为椭圆形，该椭圆形满足x²/a²+y²/b²＝1，其中，长轴a为10～50mm，短轴b为5～15mm。长边所在的轴为x轴，短边所在的轴为y轴。

进一步，副喷孔轴线与其所在的喷头侧壁的璧面夹角为20～50°。

作为本发明的优选形式，所述第一层环缝和第三层环缝相连通。

作为本发明的优选实施例之一，若干个所述周边拉瓦尔型喷孔与若干个所述副喷孔沿周向错位排列。

也作为本发明的优选实施例之一，所述周边拉瓦尔型喷孔的个数为5个，所述副喷孔的个数为5个。

也作为本技术方案的进一步改进，所述中心拉瓦尔型喷孔由内至外依次由孔径渐窄的收缩段、孔径均匀的喉口段和孔径渐大的扩张段组成；所述周边拉瓦尔型喷孔由内至外依次由孔径渐窄的收缩段、孔径均匀的喉口段和孔径渐大的扩张段组成；所述中心拉瓦尔型喷孔的出口截面小于所述周边拉瓦尔型喷孔的出口截面。

进一步，所述周边拉瓦尔型喷孔与喷头主体的轴线形成喷孔夹角α，所述喷孔夹角α的角度为10°-20°。(优选12.5°)

作为本发明的另一优选实施例，所述主喷孔所在的部分为锻造成型，所述副孔所在的部分为铸造成型，相邻处以焊接的形式成型为一体。其中，各层环缝的成型形式可以根据实际灵活处理。

本发明所要解决的另一技术问题在于提供一种前述长寿命二次燃烧氧枪的使用方法，其特点为，氧枪喷头的氧气流量吹炼前中期到后期主喷孔供氧量保持为设计流量的100％～105％，副喷孔供氧量保持在设计流量的105～130％。

进一步，

主喷孔的供氧量Q1(Nm³/min)为：

副喷孔的供氧量Q2(Nm³/min)为：

式中：

Q1为主喷孔的供氧量Nm³/min，P₁为对应主管喷头上游入口绝对压力(MPa)，A_t1为对应主管喉口面积(cm²)，T₀₁为主管气体入口绝对温度(K)。

Q2为主喷孔的供氧量Nm³/min，P₂为对应副孔喷头上游入口绝对压力(MPa)，A_t2为对应副孔喉口面积(cm²)，T₀₂为副孔气体入口绝对温度(K)。

该发明优化设计的氧枪喷头和使用方法，能够增强喷头的超音速氧气射流的稳定性和减少喷头粘钢，不仅能够延长喷头的使用寿命，而且能够让吹炼平稳，从而提高了生产效率，减少了经济损失。

与现有技术相比，有益效果如下：

1.本发明提供的氧枪喷头，在氧枪喷头的端面开设一个中心拉瓦尔型喷孔，其出口马赫数要小于周边孔马赫数，能够提高冲击深度，加强熔池搅拌，消除负压区，利于熔池快速升温、脱碳。

2.本发明提供的氧枪喷头，采用中心拉瓦尔型喷孔和周边拉瓦尔型喷孔的组合设计，适用于转炉常规冶炼工艺，同时可以缩短冶炼时间，提高吹炼效果。

3.本发明的一种长寿命二次氧枪氧枪喷头，前端主孔部分采用锻造，副孔部分采用铸造，主孔部分与副孔部分采用焊接型式组合在一起，并把副孔周围的铜壁增厚，减少副孔烧损铜壁变薄后漏水，延长了氧枪喷头的使用寿命。

4.本发明提供提高寿命的转炉操作方法，吹炼前中期到后期主孔供氧量保持在设计流量的100％～105％，副孔供氧量保持在设计流量的105～130％，防止喷头吸渣而粘渣钢，进一步提升氧枪寿命。与传统氧枪喷头相比，氧枪喷头消除传统氧枪喷头产生的负压区，增大了射流与熔池的接触面积，显著提高了射流与熔池的反应速率。

5.在相同的冶炼条件下，本氧枪喷头寿命及使用方法比传统氧枪的冶炼炉数提高150～200炉次。

附图说明

图1为本发明提供的氧枪喷头主视剖面图；

图2为本发明提供的氧枪喷头的俯视图。

图中：

1-1、主管氧气通道；1-2、副孔气体通道；1-3、周边拉瓦尔型喷孔；1-4、中心拉瓦尔喷孔；1-5、冷却水通道；1-6、氧枪喷头管璧；1-7、氧枪副孔；1-8、冷却水通道；

31、收缩段；32、喉口；33、扩张段；

41、收缩段；42、喉口；43、扩张段。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的具体实施方式进行清楚、完整的描述。

本发明提供了一种长寿命转炉双流道二次燃烧氧枪，包括枪体和喷头。

所述枪体包括由氧枪主氧管道1-1﹑氧枪副管道1-2﹑冷缺水进水管路1-5和冷却水出水管道1-8组成。如图1所示，图中示意了喷头和枪体位于喷头处的部分结构；中间管道为主喷孔氧气通道(即图中的标号1-1)，由内往外第1和第3层环缝为冷却水通道(即图中的标号1-5和1-8)，两者在靠近喷孔的出口处相连通(其中，1-5是进水管路，1-8是出水管路，在喷头出口处相通，氧枪喷孔位置只是五个主孔和五个副孔管路穿过冷却水水管路区域，其他位置都是冷却)，所述第2层环缝为副孔气体通道1-2。上述设计主要为了实现主喷头和副孔两路氧气独立控制和枪的结构强度，保证吹炼是副孔的压力和流量，由于主喷头和副孔直径相差较大，如果不是独立控制会造成副孔氧气流量不能达到设计流量。

喷头的主体沿其周向上均匀设置有一圈共5个拉瓦尔型喷孔(图中的周边拉瓦尔型喷孔1-3)，喷头正中心设置有一个拉瓦尔型喷孔(中心拉瓦尔型喷孔1-4)，中心拉瓦尔型喷孔1-4由收缩段41、喉口42和扩张段43三部分组成，周边拉瓦尔型喷孔1-3由收缩段31、喉口32和扩张段33三部分组成。

参阅图1所示，喷头主体包括：主管氧气通道1-1、副孔气体通道1-2、周边拉瓦尔型喷孔1-3、中心拉瓦尔型喷孔1-4、冷却水通道1-5和1-8、氧枪喷头管璧1-6以及氧枪副孔1-7。

中心拉瓦尔型喷孔1-4的喉口42的圆形截面内径为扩张段43出口的圆形截面内径为/>

周边拉瓦尔型喷孔1-3的扩张段33的出口圆形截面内径为喉口32的圆形截面内径为/>周边拉瓦尔型喷孔1-3与喷头主体的轴线形成喷孔夹角α，所述喷孔夹角α的角度为12.5°。

喷头璧面周向均匀分布5个副孔(即氧枪副孔1-7)，副孔和主孔气体流量为独立控制，副孔管道截面为椭圆形，按曲线方程x²/a²+y²/b²＝1，椭圆尺寸：长轴a：10～50mm×短轴b：5～15mm，副孔轴线与喷管璧面夹角为20～50°。

如图2所示，5个周边拉瓦尔型喷孔和5个副孔间隔错位排列。

该长寿命二次燃烧氧枪的氧枪喷头，前端主孔部分采用锻造，副孔部分采用铸造，主孔部分与副孔部分采用焊接型式组合在一起。副孔周围铜壁厚度由常规10mm增厚1.1-1.25倍至11-12.5mm，通过把副孔周围的铜壁增厚(壁厚增加)1-2.5mm，减少副孔烧损铜壁变薄后漏水，延长了氧枪喷头的使用寿命。管壁增厚部位和正常位置使用平滑曲线过渡，减少对冷却水的局部阻力。

转炉吹炼前中后期，如果喷头粘渣钢没有及时去除，氧气会与喷头上粘附的渣钢产生氧化反应，造成喷头烧损而漏水。具体在氧气流量控制方面：常规喷头通常氧气流量不超过喷头的设计流量，为了防止主孔在氧气流量未达到喷头设计流量容易吸渣粘附在主孔周围造成漏水，二次燃烧氧枪喷头的氧气流量吹炼前中期到后期主孔供氧量保持在

为设计流量的100％～105％。

副孔供氧量保持在

设计流量的105～130％。

式中：

Q1为主喷孔的供氧量Nm³/min，P₁为对应主管喷头上游入口绝对压力(MPa)，A_t1为对应主管喉口面积(cm²)，T₀₁为主管气体入口绝对温度(K)。

Q2为主喷孔的供氧量Nm³/min，P₂为对应副孔喷头上游入口绝对压力(MPa)，A_t2为对应副孔喉口面积(cm²)，T₀₂为副孔气体入口绝对温度(K)。

保证在喷头附近区域为正压，防止喷头吸渣而粘渣钢。

以下为更具体的实施例。

实施例：

本实施例为300吨转炉，实施例中提供的长寿命转炉双流道二次燃烧氧枪，

周边拉瓦尔型喷孔与喷头轴线的夹角α为12.5°，周边拉瓦尔型喷孔喉口内径为52mm，周边拉瓦尔型喷孔扩张段出口内径/>为67.5mm，周边拉瓦尔型喷孔孔数为5孔，马赫数2.0；中心拉瓦尔型喷孔的喉口内径/>为49mm，中心喷孔扩张段出口内径/>为60.2mm。中心拉瓦尔型喷孔马赫数1.86，设计氧压0.94MPa，设计总流量60000m³/h。

喷头璧面周向均匀分布5个副孔，副孔和主孔独立气体流量控制，副孔管道截面为椭圆形方程为x²/a²+y²/b²＝1，椭圆尺寸：长轴a为20mm，短轴b为8mm，副孔轴线与喷管璧面夹角为30°，副孔马赫数为1，设计氧压0.95MPa，设计流量为10000m³/h。

氧枪喷头的前端主孔部分采用锻造，副孔部分采用铸造，主孔部分与副孔部分采用焊接型式组合在一起。副孔周围铜壁厚度增加为喷头壁厚的1.1-1.25倍，副孔周围铜壁增厚5mm，提升副孔附近铜壁的寿命。管壁增厚部位和正常位置使用平滑曲线过渡，减少对冷却水的局部阻力。

该长寿命二次氧枪的使用方法：转炉吹炼前中后期，二次燃烧氧枪喷头的氧气流量吹炼前中期到后期主孔供氧量保持在设计流量的100％，主孔吹氧气流量60000m³/h。副孔供氧量保持在设计流量的110％，流量11000m³/h。。

该长寿命二次氧枪及使用方法，能防止喷头吸渣而粘渣钢，喷头使用寿命为700炉次，比常规氧枪寿命提升100炉次。

本发明提供的长寿命二次燃烧氧枪及使用方法，适用于转炉常规冶炼工艺及转炉炼钢新工艺的转炉后期脱碳、升温；并且能够缩短冶炼时间，提高吹炼效果，大幅减少氧气喷头粘钢概率，增加氧枪喷头的使用寿命。本发明的氧枪喷头前端主孔部分采用锻造，副孔部分采用铸造，主孔部分与副孔部分采用焊接型式组合在一起，并把副孔周围的铜壁进行增厚。转炉吹炼中，二次燃烧氧枪喷头的氧气流量吹炼过程中，主副孔供氧量保持在设计流量100％以上，能有效防止喷头附近负压吸渣而粘渣钢，造成氧枪烧损，从而显著提升氧枪喷头的寿命。

Claims (11)

1.一种长寿命二次燃烧氧枪，包括枪体和喷头，其特征在于，所述枪体由内至外依次包括中间管道、第一层环缝、第二层环缝和第三层环缝，所述中间管道为喷头的主喷孔氧气通道，喷头的主喷孔包括一个位于中间位的中心拉瓦尔型喷孔和若干个沿周向环绕该中心拉瓦尔型喷孔的周边拉瓦尔型喷孔；所述喷头还包括若干个沿周向均匀布置的副喷孔，所述副喷孔的出口设于喷头侧壁的壁面，所述第二层环缝为所述副喷孔的气体通道；所述第一层环缝和第三层环缝为冷却水通道。

2.根据权利要求1所述的长寿命二次燃烧氧枪，其特征在于，所述副喷孔的管道截面为椭圆形，该椭圆形满足x²/a2+y2/b2＝1，其中，长轴a为10～50mm，短轴b为5～15mm。

3.根据权利要求1或2所述的长寿命二次燃烧氧枪，其特征在于，副喷孔轴线与其所在的喷头侧壁的璧面夹角为20～50°。

4.根据权利要求1所述的长寿命二次燃烧氧枪，其特征在于，所述第一层环缝和第三层环缝相连通。

5.根据权利要求1所述的长寿命二次燃烧氧枪，其特征在于，若干个所述周边拉瓦尔型喷孔与若干个所述副喷孔沿周向错位排列。

6.根据根据权利要求1或5所述的长寿命二次燃烧氧枪，其特征在于，所述周边拉瓦尔型喷孔的个数为5个，所述副喷孔的个数为5个。

7.根据权利要求1所述的长寿命二次燃烧氧枪，其特征在于，所述中心拉瓦尔型喷孔由内至外依次由孔径渐窄的收缩段、孔径均匀的喉口段和孔径渐大的扩张段组成；所述周边拉瓦尔型喷孔由内至外依次由孔径渐窄的收缩段、孔径均匀的喉口段和孔径渐大的扩张段组成；所述中心拉瓦尔型喷孔的出口截面小于所述周边拉瓦尔型喷孔的出口截面。

8.根据权利要求1或7所述的长寿命二次燃烧氧枪，其特征在于，所述周边拉瓦尔型喷孔与喷头主体的轴线形成喷孔夹角α，所述喷孔夹角α的角度为10°-20°。

9.根据权利要求1所述的长寿命二次燃烧氧枪，其特征在于，所述主喷孔所在的部分为锻造成型，所述副孔所在的部分为铸造成型，相邻处以焊接的形式成型为一体。

10.一种权利要求1-9中任一权利要求所述长寿命二次燃烧氧枪的使用方法，其特征在于，氧枪喷头的氧气流量吹炼前中期到后期主喷孔供氧量保持为设计流量的100％～105％，副喷孔供氧量保持在设计流量的105～130％。

11.根据权利要求10的使用方法，其特征在于，

主喷孔的供氧量Q1(Nm³/min)为：

副喷孔的供氧量Q2(Nm³/min)为：

式中：

Q1为主喷孔的供氧量Nm³/min，P₁为对应主管喷头上游入口绝对压力(MPa)，A_t1为对应主管喉口面积(cm²)，T₀₁为主管气体入口绝对温度(K)。

Q2为主喷孔的供氧量Nm³/min，P₂为对应副孔喷头上游入口绝对压力(MPa)，A_t2为对应副孔喉口面积(cm²)，T₀₂为副孔气体入口绝对温度(K)。