（机械工程专业论文）转炉炼钢二级喷射氧枪的研究与开发.pdf

摘要 摘要 氧气顶吹转炉炼钢法的优点是；设备简单、投资少、生产率高等。但它同 样也存在着一些缺点，如：在吹炼的前期和后期，熔池搅拌弱、炉温不均，成 份不均、粘枪和烧枪等，而这些缺点与氧枪不合理结构是密切相关的，因此， 对氧气顶吹转炉氧枪进行技术改造是十分具有研究意义的。 造成氧气顶吹转炉炼钢缺点的主要原因是：( 1 ) 造成熔池搅拌弱、炉温不 均，成份不均的主要原因是气体射流与液态金属的冲击面积和冲击动能的配比 不够合理。( 2 ) 造成粘枪和烧枪的主要原因是氧枪的枪头是浸没在泡沫渣中的。 通过大量的理论研究和实践调研，本人对原氧枪进行了技术改造，在原氧 枪的喷头上方7 0 0 毫米处增设了一个由4 个单孔拉瓦尔喷嘴构成二级级喷头。 对所设计改造的二级喷射氧检进行了冷态水和甘油模拟冲击试验，可得出如下 主要结论：( 1 ) 搅拌液体的作用力是由二部分构成，即气体射流与液体之间的 摩檫力和溶解于液体中的气体上升时的浮力。( 2 ) 液体的运动是环流运动，并 有大量的小液滴存在。( 3 ) 二级氧枪可使气体射流与液态金属的冲击面积和冲 击动能的配比更为合理，使原氧枪的喷头处在上方喷头的气体保护下工作，从 而减轻粘枪和烧枪现象。 本论文的创新点在于顶吹转炉氧枪的技术改造，使用二级喷射氧枪可加强 熔池搅拌，使炉温不均，成份不均得以改善，二级喷射氧枪使用寿命得到明显 提高。 关键词：顶吹转妒炼钢；技术改造；二级喷射氧枪；冷态模拟试验 a b s w a c t a b s t r a c t 1 1 1 et o pb l o w no x y g e nc o n v e r t i n gp r o c e s sh a v em a n ya d v a n t a g e s s u c ha s s i m p l ei ns t e e l m a k i n ge q u i p m e n t ，s m a l l e ri n v e s t m e n ti nc a p i t a le o n t r u c t i n n ，h i g h p r o d u c t i v i t y e t c n 圮t o pb l o w no x y g e nc o n v e r t i n gp r o c e s sa l s oh a v es o m e d i s a d v e n m g e s f o re x a m p l e ，砒t h et o pb l o w no x y g e nc o n v e f t f f fb l o w i n gl a t e rp c d o d ， t h ea g i t a t i o no fb a t hi nt h em o l t e nf u r n a c ei sw e a k t h e r ea r cf u r n a c et e m p e r a t u r e g r a d i e n ta n dc o m p o s i t i o no ft h el i q u i ds t e e lh e t e r o g e n e o u sa n do x y g e ng u na d h e s i o n p h e n o m e n o na n ds oo i lh e n c e ，t h et e c h n o l o g i c a li n n o v a t i o no fe o n v e r t e l o x y g e n g u nh a sap r o f o u n ds t u d ys i g n i f i c a n c ef o rt h et o pb l o w no x y g e nc o n v e r t i n g i nt h i sp a p e rw es t u d ys t e e h n a k i n gt e c h n o l o g yo ft h et o pb l o w no x y g e n c o n v e r t e r w i t ht h ei n t e n to fs e e k i n gan e ws t e e l i l 尬h l gt e c h n o l o g yo f t h et o pb l o w n o x y g e nc o n v e r t e r t h i ss t c e h n a k i n gt e c h n o l o g yc a nn o to n l yc o n t i n u et oh a v et h e o r i g i n a lt h et o pb l o w no x y g e ne o n v a f t e r sa d v a n t a g e s ，b u ta l s oo v e r c o m e st h e o r i g i n a ls h o r t c o m i n g so f t h et o pb l o w no x y g e nc o n v e r t e r 1 1 掂c o n t e n ti n c l u d et h a tt h e t h e o r e t i c a l s t u d yo ft h ec o n v e r t e rs t e e i m a l d n gt e c h n o l o g y ，t h et e c h n o l o g c a l i n n o v a t i o no ft h ej e to x y g e ng u n ，t h ec o l ds i m u l a t i o nt e s to ft h ed u a lb l o w nh e a d o x y g e ng u n ，t h et h e o r e t i c a la n a l y s i so ft h ec o l ds i m u l a t i o nt e s t ，t h ed e s i g n c a l c u l a t i o no f t h ed u a lb l o w nh e a do x y g e ng u na n ds t u d yo f t h ef e a s i b i l i t yo f t h ed u a l b l o w nh e mo x y g e ng u nf o ri n d u s t r i a l i z a t i o np r o d u c t i o n t h e ma r cs o m em a i nr e a s o n sf o rt h et o pb l o w no x y g e nc o n v e r t e r s d i s a d v a n t a g e s ：( 1 ) t h ai m p a c t a r e aa n di m p a c tk i n e l i c e n e r g y m i xi sn o t r e a s o n a b l e n e s s ( 2 ) t h eb l o w nh e a do f o x y g e ng u nw a ss o a k e df o a ms l a gw h e nt h eo x y g e ng u nw o r k ih a v ec a r r i e do u tt h eo r i g i n a lo x y g e ng u nt e c h n o l o g i c a li n n o v a t i o nb yag r e a t o f t h e o r e t i c a ls t u d ya n dp l m t i c ei n v e s t i g a t ea n ds t u d y , t h ed u a lb l o w nh 船do x y g e n g u nw a sd e s i g n e db yu s i ta d d so n eb l o w nh e a dt ot h eo r i g h l a lo x y g e ng u n0 1 1t h e o r i g i n a lo x y g e ng u nb l o w nh e a d7 0 0 m m o th a sf o u rs i n g l eo p e n i n gb l o w nh e a d ) t 1 l ed u a lb l o w nh e a do x y g e ng u nw a sd e s i g n e da n dr e m a d eb yu s ，w em a k e w a t e ra n dg l y c e r o lc o l ds i m u l a t i o ni m p a c tt e s t ，t h ec o l de x p e r i m e n ti n d i c a t e st h a t a b s t r a c t ( 1 ) l i q u i da g i t a t i o ni si n t e n s i o no rw e a k ，t h i si sd i r e c tp r o p o r t i o nw i t hg a si m p a c t k i n e t i c 伽嘲( 2 ) l i q u i da g i t a t i o nf o r c ew a sc o m p o s e do ft w op a n s ：t h ef r i c t i o n a l f o r c eb e t w o e i ig a sj e ta n dl i q u i da n dt h eb u o y a n c yt h a ti sw h e nt h eg a sd i s s o l v e si n l i q u i dg ou p ( 3 ) a e , e rt h eg a sj e tg u s h e df r o mt h eb l o w nh e a d ，t h ec r o s ss t ，2 t i o l li s g r a d u u l l ye x t e n d e da n ds p e e di sd e c r e a s e ( 4 ) t h em o v e m e n to ft h el i q u i di sl i q u i d c i r c u l a t i o na n dt h e r ea r ea l a r g e o f a d r o po f l i q u i do nl i q u i dl e v e l t h ei n n o v a t i o np o i n to ft h i sp a p e ri st h et e c h n o l o g c u li n n o v a t i o no fc o n v e r t e r o x y g e ng u n w eb e l i e v et h a ti tw i l li n t e n s i f ya g i t a t i o no fm o l t e nb a t h ，m a k i n g f u r n a c et e m p e r a t u r ea n dc o m p o s i t i o no fs t e e ll i q u i dg r a d i e n tc a ni m p r o v e ，m a k i n g t h es e r v i c el i f eo f t h e j e tg u ni n c r e a s e k e yw o r d s ：t h e t o pb l o w no x y g e nc o n v e r t i n g ：t e c l m o l o g i c a li n n o v a t i o n ： t h ed u a lb l o w nh e a do x y g e ng u n | c o l ds i m u l a t i o nt e s t i l l 学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得直昌盍堂或其他教育 机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：狲【司季 签字日期：弘矽年，月，善日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解南昌太堂有关保留、使用学位论文的规定，有权 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借 阅。本人授权直昌盍堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行 检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编本学位论文。同时授 权中国科学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库， 并通过网络向社会公众提供信息服务。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：藐九i ai导师签名：琴岔儡参 学位论文作者签名：群岛i p j 留导师签名：) 夕弘嘞矿 签字日期：弘切年谚月 ，矿日签字同期：刎年7 ) ，月，髟日 t 第1 章绪论 第1 章绪论 1 氧枪的构造及种类 氧枪的最重要部分是喷头，喷头的结构直接决定了氧气射流的气体动力学特 性。因此，对喷头的基本要求是，形成射流的动力学参数应符合工艺要求的规 定，并且在长期使用时能保持射流的特性不变。 喷头的类型很多。按喷头的结构形状可分为拉瓦尔型、直筒型和螺旋型等。 按喷头的孔数可分为单孔和多孔喷头。按吹入的物质可分为氧气喷头、氧气一 燃料喷头如喷微粒( 石灰粉) 喷头。 控瓦尔型喷头可以有效缝把氧气的压力锯转交为动能。并且可以得到稳定的 超声速射流。在要求射流有相同的深入熔池深度时，它的枪位最高，因而大大 改善了喷头的工作条件，提高了寿命。所以，拉瓦尔型喷头在氧气顶吹转炉上 得到广泛的采用。 直筒型喷头在高压下所产生的超声速射流是不稳定的，具有激波结构，因而 速度衰减较快，超声速段较短，所以一般不采用。它主要用于氧气石灰粉氧 枪上，可以使微粒在一个适当的长度内加速到接近于气流的速度，由于微粒质 量较大，所以射流仍能得到较大的动能和深入熔池的能力。 螺旋型喷头可以加强熔池的搅拌，改善造渣过程，减少喷溅，可以增大供氧 强度和提高金属收得率。但由于结构复杂，加工困难，寿命较短，所以很少被 采用。 随着氧气项吹转炉炼钢生产的发展，转炉容量的大型化和供氧强度的不断提 高，单孔喷头已日益不能满足炼钢工艺过程的要求，所以逐步发展了多孔喷头， 其中最常用的是三孔和四孑l 拉瓦尔型的唼头。 第1 章绪论 1 1 1 氧枪的构造 氧枪由三部分组成：喷头、枪身、枪身尾部。 喷头是由电解紫铜锻造或铸造而成。其作用是把高压氧气转换成高速氧射流。 枪身由三层同心管组成，中心管通氧气，内外环缝分别是进、出冷却水的通 道。 1 1 2 氧枪的种类 ( 1 ) 按氧枪喷头孔数分 单孔氧枪：喷孔通常为拉瓦尔型，多用于小型转炉。 多孔氧枪：喷孔从3 个到1 2 个。最有代表性的是三孔氧枪。 ( 2 ) 按氧枪喷头的制造方法分 锻造喷头：采用含铜量9 9 9 5 以上的电解紫铜，先模锻成喷头毛坯，再按图 加工喷头。加工方法简单、材质密、导热性能好，喷头孔间部位实心，不能通 水冷却，吹炼过程中易蚀进( 见图1 ) 结构合理，喷 瞅詈：魍卿 头一 一一 撇 卧! 薰伽 _ 三叭岛淼丛， 第l 章绪论 组装式( 焊接) 喷头，喷头分必部分锻造加工，最后组装焊接有铸造喷头 的全部优点，但制造工艺复杂( 见图3 ) 卿 图，1 3 组装喷头 f i g , 1 3a s s e m b l yn o z z l e 1 。2 氧气顶吹转炉炼钢工艺对氧枪的要求 由于各厂的具体条件不同( 如炉渣量、炉型、原材料尤其是铁水中的硅、磷、 钒等的含量) 而有所不同，但是，生产实践证明，下述要求是共同的： ( 1 ) 应提高生产率，即尽可能地增大供氧量以缩短吹炼时间； ( 2 ) 早化渣、化好渣，有利于脱除磷硫和减少对炉衬的侵蚀； ( 3 ) 吹炼过程平稳，避免金属和炉渣的喷溅，提高金属收得率； ( 4 ) 使炉内的动力学条件较好，炉衬侵蚀缓慢而均匀，以提高炉龄； ( 5 ) 有较高的喷头寿命 i 3 多孔喷头给生产带来的效益 生产实践证明，使用多孔喷头显著地改进了氧气顶吹转炉炼钢的主要技术 经济指标。由于减少了金属和炉渣的喷溅，使金属收得率提高1 0 3 o ； 可以提高供氧强度，从而提高了转炉的生产率；由于改善了炉内的动力学条件 炉衬侵蚀比较均匀，同时由于改善了成渣过程，从而提高了炉龄；由于熟效率 的提高，可使废钢比增加2 ；由于减少喷溅和炉口结瘤，减少了清理时间，使 3 第1 章绪论 转炉的作业率提高约8 。此外，在使用多孔喷头时，脱碳速度变化更均匀，最 大脱碳速度与平均脱碳速度之比，多孔喷头等于1 3 8 ，而单孔喷头等于1 6 0 ， 这为提高供氧强度创造了条件，减少最大排气量，增加平均排气量，能充分利 用现有设备条件提高供氧强度。由于多孔氧枪的枪位变化对熔池吹氧强度的影 响较小，吹炼过程较平稳，动枪次数和幅度较少，甚至可以恒枪操作，为实行 自动控制创造了有利条件。 1 4 问题的提出和本论文主要工作 1 4 1 问题的提出 氧气顶吹转炉炼钢法具有：设备简单，优质，高产，低耗，便于自动化控 制等优点。但它也存在一些缺点，( 1 ) 它所能冶炼的钢的品种不及电炉，特别 是冶炼高合金钢和高碳钢还有一定困难。( 2 ) 氧气顶吹转炉在吹炼末期和初期 熔池搅拌弱，搅拌不均匀，炉温分布不均匀，吹炼过程喷溅大、粘枪、烧枪， 成渣速度不能满足高冶炼强度的需要等。本论文是针对解决氧气顶吹转炉的第 二个缺点进行的研究。 1 4 2 本论文主要工作 通过理论研究分析找出氧气顶吹转炉炼钢法存在不足的原因，然后再通过 实践调研观察氧枪粘枪、烧枪的位置为转炉氧枪的技术改造提供实践数据，最 后对改造后的氧枪进行模拟试验。课题研究的主要内容包括三个方面；( 1 ) 实 践调研，( 2 ) 模拟试验，具体内容如下； l 、实践调研方面 ( 1 ) 深入工厂进行实地调查研究，把握整个项吹氧气转炉的炼钢过程和工艺。 ( 2 ) 对江西新余钢铁公司第三炼钢厂吹炼技术进行详细的研究。 2 、模拟试验方面 对改造后的氧枪进行模拟试验，观察它的冲击特性 4 第2 章氧气顶吹转炉供氧 第2 章氧气顶吹转炉供氧 2 1 氧气顶吹转炉供氧特点 2 1 1 转炉炉膛内氧气射流的特征 转炉炉膛是一个复杂的高温多相体系，喷吹入炉内的氧气射流离开喷头后， 由于炉内周围环境存在着温度差、浓度差和密度差的变化，使射流特性也变得 有些不能确定。开吹时，射流与熔池之间的炉内空间充满了热气体，主要是熔 池内排出的c o 和空气所组成。但是在吹氧几分钟后就开始形成炉渣，从熔池内 捧出的c o 气体速度也很快增大，开始产生泡沫渣，不久就把氧枪淹没了【2 ”。在 这种情况下，不可能在真实的转炉上直接测定射流特性，也无法找到合适的实 验方法来模拟炉内的情况。同时，炉膛内还存在着反向流动的介质和化学反应。 因此，炉膛内的氧气射流与在静止条件下研究自由射流存在很大的差异，它是 处于反向流动介质条件下的具有伴随流的非等温紊流射流。 2 1 。2 顶吹转炉炉膛内实际射流的规律及其影响因素 ( 1 ) 顶吹转炉炉膛的氧气射流，是以出口马赫数运大于l 的喷头中喷出的 超音速射流，它与自由射流不同。实际氧气射流在初始段几乎不扩展，而且不 与周围介质相作用。继此段后，射流仍按一般混合规律和扩展角进行流动。实 际射流的超音速初始段的相对长度与氧枪进口氧气全压和喷头出口射流马赫数 有关，随氧气进口全压和出口马赫数增加而增加，实际流股的轴心速度和射流 射程都相应地超过自由射流。实际射流到达熔池液面时，具有超音速或亚音速 的流速。 ( 2 ) 在转炉炉膛内，氧气射流受到与射流运动方向相反，以c o 为主的相 遇气流的作用，使射流的衰减加速，反向气流的影响在吹炼的不同时期和不同 地点是不同的。在强烈脱碳的吹炼中期比吹炼的初期和末期影响要大。在氧气 射流下，越接近一次反应区的位置，由于脱碳反应强烈，c o 逸出量较集中而且 流速大，加之氧气射流速度减慢，密度减小，所以逆流的阻碍作用越强。 第2 章氧气顶吹转炉供氧 ( 3 ) 氧气射流在熔池流动过程中，将从周围环境卷吸烟尘，金属滴和渣滴 等比重较大的质量，使射流速度降低，扩展角减小。此外，还会受到熔池中喷 溅出来的金属和炉渣的冲击。 ( 4 ) 实际氧气射流进入炉膛时，它的温度比周围环境要低，密度要高，它 与1 5 7 3 - - 1 8 7 3 k 的周围介质接触后，温度升高，密度降低，这有利于延长氧流 射程。 ( 5 ) 实际氧气射流吸入的气体主要是c o ，它在高温下燃烧生成c 0 2 ，并 在射流外表面形成高温的气体火焰。这种火焰对炉衬可能是一种严重的威胁。 在熔体面以上的射流中主要是c o 燃烧，而沉没于熔体下的射流中主要是金属液 滴在燃烧。此外，炉衬和一次反应区的辐射热也会传递给氧气射流，但由于氧 气的透明性，所传递的热量可能是很少的。 通过上述分析可知，实际氧气射流比自由射流复杂得多，虽然它们都是一 种扩展流，都有卷吸周围介质并与其相混合、射流截面逐渐扩大，射流速度逐 渐减小的规律。但是，由于炉膛内多种因素的影响。实际氧气射流的结构和自 由射流相比有很大差异。因此，这种射流的衰减规律是十分复杂的。到目前为 止，尚未找到计算射流轴线速度分布，温度分布与横截面扩张率的适宜计算公 式嗍。 2 2 氧射流与熔池的相互作用 氧射流通过高温炉气冲击金属熔池，引起熔池内金属液的运动，起到机械 搅拌作用。搅拌作用强且均匀，则化学反应快，冶炼过程平稳，冶炼效率高。 搅拌作用的强弱和均匀程度与氧射流对熔池的冲击状况与熔池运动情况有 关。一般以熔池中产生的凹坑深度( 冲击深度) 和凹坑面积( 冲击面积) 来衡 量。由于氧射流对熔池的冲击是在高温下进行的实际测定有很多困难，本课题 采取冷模型进行研究。 l 、高压氧射流由喷头喷出后的运动规律 氧射流由喷头喷出后，在向前运动时，吸收了炉内气体，导致氧射流流量 不断增加，流股各截面速度逐渐变小，边缘速度比中间降低得快，截面逐渐扩 大。氧射流由喷头喷出后，射向熔池的情况见图，2 1 。距喷头不同距离氧射流 断面上的压力变化见图，2 2 2 9 。 6 第2 章氧气顶吹转炉供氧 图，2 1 射流特性 f i g , 2 - 1 t h e o x y g e n j e t s p e c i f i c p r o e r t y 矮【j 纱心 | 厂、| | 厂、| lf、| 距离冲击中心的距离m m 图, 2 - 2 氧射流冲击压力与枪高的关系 f i g 2 - 2 t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e l ls h o c k p r e s s u r e o f o x y g e n j e ta n dg l mp o s i t i o n 氧射流由喷头喷出后，由于是超音速气流，流股并不马上扩张，当射流速 度降到音速后，才扩张。射流展开角约1 2 度左右。由图2 - 2 可见，当供氧压力 一定时，若喷头距液面较近，则对液面的冲击力较大，接触面积较小。相反， 喷嘴距液面较远，则对液面的冲击力减小，接触面积增大。如果喷头到液面距 离一定时，供氧压力增大则氧射流动压头增大，对金属液面的冲击力也增大， 接触面积减小。 2 、凹坑的形成 氧射流冲击在熔池表面上，当这个冲击力大于维持液面静平衡状态的炉内 压力时，就会把铁水挤开而形成凹坑。 ( 1 ) 凹坑的特点：从凹坑处取样分析，发现该处金属液主要是铁的氧化物， 大部是f e o ( 可达8 5 9 8 ) ( 2 ) 中击深度：凹坑的最低点到熔池表面的距离称之为冲击深度，冲击深 度h 取决于氧射流冲击液面时的速度v s 和密度p s 。根据凹坑的最低点的压力平 衡关系，可得出下列关系式： 三p | v s 2 喇6 r o 式中 广铁水比重： ( 2 1 ) 兼v 第2 章氧气顶吹转炉供氧 b 冲击深度； 6 铁水表面张力；r 0 一凹坑底部的曲率半径； p s 一氧射流在凹坑最低点的气体密度； v s _ 氧射流在凹坑最低点处中心轴线上的速度。 当喷头尺寸已定，使用枪位确定后，则可根据射流衰减的规律，定出v l 和 p s 。若假定冲击凹坑具有与射流速度剖面相似的剖面形状，则可根据射流在与铁 水接触面位置的情况确定硒，6 也有一定值，这样就可按上式确定冲击深度。 但上述式子不能反映炉内的真实情况，所以在实际的工作中还是广泛采用佛林 的经验公式( 适用于单孔喷头，多孔喷头应作修正) ： h = 3 4 u o p o ；d t + 3 8 1 厘米( 2 2 1 d h 式中h 一冲击深度； p 0 一喷头前压力，公斤厘米2 ； d 卜一喉口直径，厘米； h - 一喷头距液面高度，厘米。 ( 3 ) 有效冲击面积：有效冲击面积的计算比较困难，尚无精确的计算公式。 3 、在氧流射作用下熔池内金属液的运动 氧射流冲击熔池液面后，使其形成凹坑，凹坑中心部分被吹入气流所占据， 排出气体沿坑壁流出，排出的气流层一方面与吹入气流的边界相接触，另一方 面与凹坑壁相接触。由于排出气体的速度比较大，因此对凹坑壁面有一种牵引 作用，这样就使邻近凹坑的液体层获得一定速度，沿坑底流向四周，随后沿坑 壁向上和向外运动往往沿凹坑周界形成一个“凸台”然后在熔池上层内继续 向四周流动。从凹坑内流出的铁水，为达到平衡必须由四周给予补充，于是就 引起熔池内液体运动，其总趋势是朝向凹坑，这样熔池内铁水就形成以射流的 凹坑最低点为中心的环状流，起到对熔池的搅拌作用 2 9 - 3 0 。其示意图见图2 - 3 。 8 第2 章氧气顶吹转炉供氧 h 一直- 最是 h - 墙 l o - 簟 融 i o - 翻妓矗 图，2 - 3 熔泡运动示意图 f i g ，2 - 3 t h ed i a g r a mo f l h em o l t e nb a t hs t i r m g 2 3 金属熔池的搅拌强度和搅拌均匀性 氧枪喷头结构、枪位等对熔池内液体循环运动有着密切的影响。例如，z 在 一定的氧压下，提高枪位冲击深度将减小，环状流较弱，不能拖动熔池底层铁 水不利于冶炼的正常进行。相反，若枪位过低冲击深度过大，将会损伤炉底并 影响氧枪寿命。所以从熔池获得良好的搅拌条件出发，必须有一个合适的枪位， 以得到适当的冲击深度。一般认为冲击深度约为熔池深度的5 0 7 5 较适宜。 应当指出，氧射流的动能作用虽然能使熔池进行良好的搅拌，但吹炼过程 中脱碳反应产生的c o 气体，它的搅拌能量往往为氧射流能量的数倍。因此，碳 氧反应的均匀性往往是熔池能否正常搅动的重要因素。另外，脱碳反应速度及 其反应的均匀性又和氧射流与熔池的作用情况密切相关。 总之，熔池内液体的运动是液体受来自各方面的作用力的结果。射流的冲 击力，气泡的上浮、气体的膨胀等等，将造成熔池液相的流动或搅拌。液体所 受到的搅拌力，主要是单位时间内气体对液体所作的功。其中可能包括：( 1 ) 气体动量变化作功；( 2 ) 气泡上浮浮力作功；( 3 ) 气体吸热升温膨胀做功。( 4 ) 气体上浮因压力降低而膨胀做功等。此外，还有熔池本身各部分温度差引起的 液体对流运动。气体和液体的接触方式不同，所做功的多少也不同。 项吹转炉特点之一是吹炼前期和末期熔池搅拌强度较小和不足，原因是此 时c o 气泡对熔池的搅拌徼弱，另外，在氧射流与熔池发生机械作用的同时，氧 也就传给了熔池。因此，控制氧射流的机械搅拌作用的强度和均匀性，直接影 响熔池的化学反应速度和反应的均匀性。所以氧气射流对金属液面的冲击力和 9 第2 章氧气顶吹转炉供氧 冲击面积的大小，对于控制熔池的搅拌强度和搅拌均匀性起了极为重要的作用 d 1 1 。 2 3 1 射流和熔池之间的相互破碎和乳化 在顶吹转炉中，由于氧气射流和因它而产生的c o 气体的强烈的共同作用， 引起射流与金属、炉渣之间相互破碎和剧烈混合，在熔池中形成了发达的乳化 和泡沫状态。在顶吹转炉中，可能同时存在着乳化和泡沫现象。这是因为随着 射流向下运动，从周围卷吸液体，并在射流中将其击碎为液滴，到射流尾部， 小气泡逐渐增多，并逐渐渗混到液体中近似计算表明，整个转炉冶炼过程约 有l 3 熔池质量的金属和炉渣被卷吸到流股中，被粉碎并带入熔池。射流冲击熔 池造成的飞溅，c o 气泡上浮，还能将金属带入炉渣中。此外，还有射流被粉碎 形成的小气泡进入熔池，c o 气泡上浮进入渣中。可见，实际的转炉熔池结构是 十分复杂的。 研究表明，顶吹转炉吹炼时期，金属与炉渣是紧密相混，不存在单独的炉 渣层和钢水层，熔池中大部分熔体可看成为钢渣乳化状液，越靠近上层， 渣滴的比例越大，向下则是含炉渣夹杂物的金属。只有金属的底部才是实际上 的单相液体。因此，仅仅把氧气射流冲击的凹坑表面当做氧气与金属的接触面 积是不对的1 3 2 1 。所以转炉熔池中的化学反应主要是以熔池内各界面之间的快速 反应。 2 3 2 金属熔池的温度场和浓度场 在氧气射流作用下的金属熔池内的温度和浓度是极不均匀。熔池中最高温 度区域为氧气射流作用下的冲击区，即一次反应区，由于它温度高，呈光亮的 火焰状，亦称“火点”。目前，由于测试方法，冶炼条件和金属成分等因素的影 响，研究所提供的冲击区的温度的数据差异很大，报导的温度范围为 2 2 7 3 - 2 9 7 3 k ，比金属熔池平均温度高6 0 0 - 1 0 0 0 k 。在吹炼后半期温度波动较小。 采用“软吹”( 即高枪位吹炼) 时，温度波动可达1 0 0 k ，这说明温度变化与脱碳 速度密切相关d 3 1 。靠近炉壁及炉底部位的熔池温度比熔池中部低3 0 1 0 0 k 。 熔池内还同时存在着成分的不均匀性，其不均匀性随元素的不同而不同。 研究发现，熔池下部的碳浓度均高于靠近熔池表面的碳浓度，碳的浓度梯度在 1 0 第2 章氧气顶吹转炉供氧 总吹炼时间的2 5 - 3 0 时达到最大值。但熔池上下部之间磷、硫差别很小。 除金属熔池外，炉渣中成分和温度也存在着极不均匀现象。 2 4 供氧制度 将o 7 1 5 m p a 的高压氧气通过水冷氧枪从炉顶上方送入炉内，使氧气流股 直接与钢水熔池作用，完成吹炼作务。供氧制度是在供氧喷头结构一定的条件 下使氧气流股最合理的供给熔池，创造炉内良好的物理化学条件。因此，制订 供氧制度时应考虑喷头结构、供氧压力、供氧强度和氧枪高度控制等因素。 ( 1 ) 氧枪喷头：转炉供氧的射流特征是通过氧枪喷头来实现的。因此，喷 头结构的合理选择是转炉供氧的关键。对喷头的选择要求：( a ) 应获得超音速流 股，有利于氧气利用率的提高。( b ) 合理的冲击面积，使熔池液面化渣快，对 炉村冲刷少。( c ) 用利于提高炉内的热效率。( d ) 便于加工制造，有一定的使用 寿命。 ( 2 ) 氧气压力控制：氧气压力控制受炉内介质压力和流股马赫数的影响。 炉内介质压力一般为o 1 2 0 1 3 m p a ，流股马赫数在1 8 2 2 之间。因此每目 前转炉上使用的工作压力为0 6 1 2 m p a 视各种转炉容量而定。 ( 3 ) 氧气流量和供氧强度：氧气流量( q ) 是指单位时间内向熔池供氧的 数量( m 3 m i n 或m h ) 它是根据冶炼中炉内金属料所需要的氧气量、金属装入 量和吹氧时间等因素来确定。但实际生产中，由于供氧压力的波动和氧枪喷头 加工尺寸的误差，有的工厂以氧气流量作为供氧制度的控制参数。q = 每吨金 属需氧量( m v t ) 吹氧时间( m i n ) 装入量( t ) 供氧强度( i ) 是指单 位时间内每吨金属的供氧量( m v t m i n ) 。i = 氧气流量( m v m i n ) 装入量( t ) ； 供氧强度的大小，主要受炉内喷溅的影响，通常在不影响喷溅的情况下可使用 较大的供氧强度 ( 4 ) 氧枪高度调节：目前氧枪操作有两种类型，一种是恒压变枪操作，就 一炉钢的吹炼过程，其供氧压力基本保持不变，通过氧枪枪位高低变化来改变 氧气流股与熔池的相互作用，以控制吹炼过程。另一种类型是恒枪变压，即在 一炉钢吹炼过程中，氧枪枪位基本不动，通过调节供氧压力来控制吹炼过程。 目前，我国大多数工厂是采用恒压变枪操作。下面就以恒压变枪操作来进行分 析。 第2 章氧气顶吹转炉供氧 枪位高低与炉内反应：根据氧气射流特性可知，枪位越低，氧气射流对熔 池的冲击动能愈大，熔池搅拌加强，氧气利用率高，其结果是加速了炉内脱硅、 脱碳反应，使渣中( f e o ) 含量降低。同时由于脱碳速度快，缩短了反应时间， 热损失相对减少，使熔池温度升温迅速。但枪位过低，则不利于成渣，也可能 冲击炉底，而枪位过高，熔池的搅拌能力弱，造成表面铁的氧化，使渣中( f e o ) 含量增加，导致炉渣严重泡沫化而引起喷溅。由此可见，只有合适的枪位才能 获得良好的吹炼效果。 氧枪高度确定：主要考虑两个主要因素，一是氧射流要有一定的冲击面积， 二是氧射流应有一定的冲击深度，但保证不能冲击炉底。目前，恒压变枪操作 是根据各厂所用原材料和冶炼钢种不同，氧枪操作也不一样。但枪位都是在高 枪位和低枪位之间交替变换操作即“软吹”和“硬吹”之间交替变换操作。( “软 吹”一就是高枪位吹炼；“硬吹”一就是低枪位吹炼。) 枪位确定一般是依据经 验公式h = b p d o ，h 氧枪喷头端面距离熔池液面的高度嘲，p 供氧压力l i p a ， d 。喷头出1 ：3 直径硼，b 一系数，随喷孔数而变化。三孔喷头b = 3 5 4 6 ，四孔 喷头b = 4 5 6 0 。 现就典型氧枪操作介绍如下： 例如：铁水条件s i o 7 ，p o 5 ，s o 0 4 5 ，温度1 2 8 0 2 2 冶炼低碳镇钢。 分析：根据铁水成份，冶炼中主要是考虑去p ，且铁水温度低，应先提温 后化渣，考虑采用双渣法操作，可用“硬”一“软”一“硬”吹炼的氧枪操作 模式，若采用单渣法，要防止炉渣返干造成回磷，故应采用“硬”一“软一一 “硬”一“软”一“硬”的多段吹炼的氧枪操作。其枪位变化见下图，2 4 。 黼，盘黼蜜 ( a ) 双渣法。硬”- “软”“硬”式 ( b ) 单渣法多段式 图，“氧枪的操作 f i g ，2 - 4 t h eo x y g e ng u no p e r a t i o n 1 2 第2 章氧气项吹转炉供氧 2 5 喷溅 喷溅是氧气顶吹转炉炼钢中一种非正常操作，特别是爆发性大喷溅是炼钢 的一种恶性事故例。事实证明，喷溅会造成大量的金属损失，并使热损失增加， 甚至造成人身设备事故，直接影响车间技术经济指标的提高；另外喷溅还会引 起对炉衬的冲刷加剧，降低炉子的使用寿命，引起粘枪、烧枪、炉口和烟罩挂 铁挂渣，影响造渣操作，使温度和及成分难于控制，加重了清渣的繁重劳动， 增加炉子间歇时间和停修时间，严重的喷溅还会造成危及人身安全。因此，转 炉操作过程中防止喷溅是十分重要的。 2 5 1 喷溅的分类 根据情况不同，喷溅分为下列三种。 ( 1 ) 金属喷溅；即喷铁，当吹炼条件不合适，造成化渣不良或炉渣发干， 在氧流直接冲击下，细小颗粒的铁珠向炉外溅出称为金属喷溅。当发生金属喷 溅时，可以通过适当提枪或加少量萤石等熔剂来化渣消除。 ( 2 ) 溢渣：在吹炼过程中，当炉渣过泡时，炉渣体积增长很大，使炉渣从 炉口溢出称为溢渣。发生溢渣一般是由于吹炼时长时间枪位过高致使渣中( f c o ) 含量较高所致。当溢渣时，可以采甩加，入石灰和降低氧枪等措施。 ( 3 ) 大喷：当炉内产生爆发式碳氧反应，使炉渣和钢液突然向炉外发散， 这就是大喷，大喷造成的损失最大，并且易造成设备事故。 2 5 2 喷溅产生的原因 铁水的比重大约为6 9 ，炉渣的比重约在3 0 - - 3 5 ，因此，没有足够的力量 要想把金属和炉渣吹出炉外是不可能的。那么造成喷溅的力量是从哪里来的 呢? 氧气顶吹转炉的显著特点是，供氧强度大和脱碳反应剧烈。所以促使产生 喷溅的原因在于( 1 ) 高速氧气流股的冲击能量；( 2 ) 碳一氧反应生成的大量 ( c o ) 气体的推动力。其中炉气的推动力对喷溅的产生起着主导作用，然而也 不应该忽视氧气流股冲击力的影响，事实上，喷溅的产生常常是两种力综合作 用的结果1 3 5 j 。 第2 章氧气顶吹转炉供氧 上述这两种力的作用，只是产生喷溅的必要条件，而不是充分条件。若要 使金属或炉渣抛到炉外，还必须使它们所得到的动能超过处于炉口以上的位能。 因此，喷溅还与金属及炉渣的液面高度有关，这也就是渣子过泡容易从炉口“溢 渣”的原因。此外，化渣情况，炉型等因素也对喷溅有直接影响。 一般来说，喷溅强度的变化基本与脱碳速度相一致；脱碳速度增加，喷溅 强度增加；碳的氧化速度最大，喷溅强度最高。 在氧气顶吹转炉操作过程中，常见的喷溅一般发生在开吹后不久因渣未化 好或渣子过泡而产生的金属喷溅或溢渣现象和加入二批料过早而引起的爆发性 喷溅或加入过晚而引起的金属喷溅，以及吹炼过程中炉渣发干时产生的金属喷 溅【3 q 。 1 4 第3 章氧枪的设计改造过程、设计原理及其工作特点 第3 章氧枪的设计改造过程、设计原理及其工作特点 3 1 氧枪的设计改造过程 江鹾新余钢铁有限责任公司第三炼钢厂是1 9 8 0 年建设的拥有3 座2 0 t 氧气 顶吹转炉的工厂，在2 0 多年的生产中，该转炉存在着一些不足之处，例如，在 吹炼后期，熔池搅拌弱，渣钢问反应平衡困难，另外，在吹炼过程中容易发生 喷溅，危及人身安全和损坏设备等。因此，对江西新余钢铁有限责任公司第三 炼钢厂的氧气顶吹转炉进行技术改造是十分必要和简便可行的，因为对现有的 氧气顶吹转炉进行改造可以无需大动厂房，而且还可以充分利用原有的炼钢设 备，建设时间短、投资很少。可使氧气顶吹转炉的搅拌不均、炉温分布不均、 粘枪、烧枪等系列重要缺点得以改善。 通过对前面的章节研究分析可知，在氧气顶吹转炉吹炼反应中，其主要的 反应有：硅、锰的氧化还原反应、碳的氧化反应、去磷和去硫反应。由于氧气 顶吹转炉炼钢的熔炼时问短，净吹时间仅仅只有十几分钟，从出钢到下一炉出 钢的一个冶炼周期一般只用半个小时左右。因此氧气顶吹转炉炼钢的化学反应 是在很短的时间内完成的，在炼钢过程中，由于同时还发生传热、反应物向反 应区的传质，反应物的自然和人工搅拌，以及反应产物的排出等，所以炼钢的 化学反应是很复杂的，但我们可以把炼钢熔池中发生的过程用以下几个阶段来 概括：( a ) 反应物向反应地点转移。( b ) 发生化学反应。( c ) 反应产物做为一个 相析出，并从反应地点排除掉。对于氧气转炉炼钢的整个过程来说，上述的化 学反应不会对炼钢的整个过程的速度起限制作用。炼钢整个过程的速度大多是 由反应物向反应地点供的速度。( 即反应物的传质速度) 或反应产物的析出及排 除条件决定的。 当在研究反应物向反应地点传输的有关问题时，我们应当考虑元素在炉渣 及金属中的扩散速度，元素通过界面的转移速度以及金属的自然搅拌( 如金属 在炉中的沸腾及对流) 和人工搅拌( 如用氧气对熔池进行吹炼) 等过程。 金属的搅拌可使整个熔池内金属成分的均匀化速度提高，因之也就提高了 整个过程的速度，若搅拌较强烈，则扩散过程在决定整个过程速度方面所起的 作用就变得不是那么重要了。另外，氧气转炉炼钢的绝大多数过程都是发生在 第3 章氧枪的设计改造过程、设计原理及其工作特点 相界处，即气渣、气金属、渣金属等，不同的炼钢过程及不同的 冶炼阶段，界面积是不同的，例如在沸腾的熔池中，渣金属界面积显然要 比平静的金属中大；在对熔池进行吹炼时，气渣金属界面积显然要增 加。如果氧气转炉吹炼时，在其熔池内能够得到充分的金属搅拌的话，那么一 方面就可以使金属熔池内的温度和浓度的极不均匀性得以改善，熔池的温度和 浓度梯度的程度取决于下列因素的综合作用的结果，这些因素是：局部产生热 量，局部发生的化学反应，熔池、液滴和炉渣的运动以及熔池的搅拌强度。因 此，搅拌强度大，化学反应速度低，可能不存在温度和浓度梯度。另一方面， 它可以使熔池内的气渣- 金属的界面积显著的增加，促进了熔池内的各 种化学反应均匀充分的进行。加强熔池内的金属搅拌，也可以使钢液中的夹杂 物、气体得以带出并排除在钢液以外。 根据上述的研究分析，我们知道，要想解决顶吹氧气转炉的缺点，首先要 解决的问题就是解决氧气转炉熔池内的金属搅拌问题，由于氧气顶吹转炉在不 同的吹炼阶段其金属的搅拌是不同的，它是随脱碳速度的变化而变化的。因此， 如果我们能够均匀加大对顶吹氧气转炉的人工搅拌，使传质、传热更加均匀化， 那么氧气顶吹转炉吹炼的一些不足之处就可以得到大大地改善。 3 2 氧枪设计改造的原理 针对江西新余钢铁有限责任公司第三炼钢厂的氧气顶吹转炉炼钢存在的缺 点，本人通过对氧气顶吹转炉炼钢的理论研究和经过数月的下厂实习得到的关 于该厂的大量生产数据和经验，构想出了一种独特的向转炉熔池内喷吹二种气 体( 氧气和起搅拌、保护氧枪的气体c 0 2 或氧气) 的二级氧枪，其设计改造的基本 原理是：根据空气动力学中的伴随流的非等温超音速湍流射流流动原理。在顶 吹氧气转炉炼钢过程中，当开吹时，通常枪位比较高，从喷头喷出的高速氧气 射流直接冲击金属液面，冲击成一定深度的凹坑，并有部分氧流和金属液滴沿 凹坑切线方向反射出来，同时使金属液体产生循环运动搅拌熔池内的金属液体。 此时，熔池的搅拌作用是依靠氧射流的冲击力，冲击力愈大，熔池的搅拌作用 愈强。冲击力的大小取决于氧压的大小，在吹炼中期时，由于熔池内的温度不 断的上升，脱碳的速度逐渐增加，从熔池的金属