（冶金工程专业论文）通钢120t复吹转炉氧枪喷头改进的技术研究.pdf

， ad i s s e r t a t i o ni nm e t a l l u r g y e n g i n e e r i n g i l ll l ii l li l lli ll l iu l y 1716 8 5 8 r e s e a r c ho nl a n c e n o z z l eo p t i m i z a t i o no f1 2 0 tc o m b i n e d b l o w nc o n v e r t e ra tt o n g h u as t e e lp l a n t b yz h a n gh o n g g a n g s u p e r v i s o r s ：p r o f e s s o rz h o n g l i a n g c a i n o r t h e a s t e r nu n i v e r s i t y j u n e2 0 0 9 一 独创- 陛声明 本人声明，所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得 的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表或撰写过 的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。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 ：也 思0 学位论文作者签名：耀0 欠、阶 日 期：z o o ，虿 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位论 文的规定：即学校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。本人同意东北大学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、交流。 ( 如作者和导师不同意网上交流，请在下方签名；否则视为同意。) 学位论文作者签名： 签字日期： 导师签名： 签字日期： i 盎皇堡盘鲎塑鲎焦迨塞 垫差 通钢12 0 t 复吹转炉氧枪喷头改进的技术研究 摘要 氧枪是转炉炼钢的关键设备，直接影响到钢的产量、质量、原材料消耗和成本等主 要技术经济指标。通化钢铁股份有限公司( 以下简称通钢) 炼轧厂有1 2 0 吨顶底复吹转 炉两座，生产初期采用四孔氧枪喷头进行吹炼，技术指标不理想，随后对氧枪喷头进行 了研究，并实施了方案改进后的现场试验，共实验了四套方案：方案一：四孔喷头，马 赫数为2 0 ；方案二：四孔喷头，马赫数为1 9 5 ；方案三：五孔喷头，马赫数为1 9 8 ； 方案四：五孔喷头，马赫数为2 o 。试验方案对比的指标包括：吹炼时间、化渣效果、 氧气消耗等，经过方案试验结果的对比确定方案四为其中的最优选择，可以促进化渣效 果，缩短冶炼周期，降低氧气消耗量，给企业带来经济效益和社会效益。 研究结果表明，通钢1 2 0 吨复吹转炉原用马赫数为2 o 的四孔拉瓦尔氧枪喷头( 方 案一) 吹炼过程中喷溅现象较严重，且氧气等气体介质消耗较高，钢铁料和石灰的消耗 也偏高，迫切需要进行改进。 通过喷头冷态实验，设计的喷头方案二、三、四的喷溅量比喷头方案一低；喷头方 案三的冲击深度最低，喷头方案一的冲击深度最大，而喷头方案四的冲击深度适中。 马赫数为1 9 5 的四孔拉瓦尔氧枪喷头( 方案二) ，对喷溅现象略有好转，其喷溅炉 次数比例为1 1 3 4 ，较喷头一的喷溅炉次数比例1 6 1 8 降低了4 8 4 ，但其它各项技 术经济指标较差，氧气消耗6 4 1 6 n m 3 t ，石灰消耗7 3 8 k g t ，钢铁料消耗1 1 0 2 2k g t 。马 赫数为1 9 8 的五孔拉瓦尔氧枪喷头( 方案三) ，较四孔喷头在化渣效果上有明显的优势， 其主要技术经济指标较四孔氧枪喷头有了明显的改善。喷头三的使用经济性较四孔氧枪 喷头更好。马赫数为2 0 的五孔拉瓦尔氧枪喷头( 方案四) 得到了较好的效果，由于其 出口氧射流对熔池的综合搅拌效果均匀、充分，其在现场试验过程中获得的主要技术经 济指标为氧气消耗5 4 6 9 n m 3 t ，石灰消耗6 6 7 k 卧，钢铁料消耗1 0 9 5 3k g t 。 喷头改进后可使转炉炼钢的原料( 氧气、氮气、氩气、石灰、钢铁料) 降低，节约 生产成本约1 2 4 8 元t 。使钢厂的直接经济效益得以显著提高，更有节能降耗的环保间 接经济、社会效益。 通过设计的氧枪喷头在溅渣护炉上的应用效果的现场实验，在相似的操作条件下各 个喷头对溅渣层厚度的影响结果表明，喷头一至喷头四的溅渣层平均厚度依次为1 5 m m 、 1 0 m m 、l l m m 、1 3 r n m 。原用氧枪喷头( 方案一) 更适宜在通钢的1 2 0 吨复吹转炉上进 ， 行溅渣护炉操作。 关键词：复吹转炉；氧枪；喷头设计；优化；现场试验 i l r e s e a r c ho nl a n c en o z z l e o p t i m i z a t i o no f 12 0 t c o m b i n e db l o w nc o n v e r t e ra tt o n g h u as t e e l p l a n t a bs t r a c t o x y g e nl a n c ei sav e r yi m p o r t a n te q u i p m e n ti ns t e e l m a k i n gp l a n t ，i tc a na f f e c tt h ey i e l d ， q u a l i t ya n dc o n s u m eo ft h es t e e lp r o d u c t i o n t h e r ea r et w oc o m b i n e db l o w nc o n v e r t e r si n t o n g h u as t e e lp l a n t ，a ti n i t i a ls t a g e s f o u rh o l el a n c en o z z l ew a su s e di nb l o w i n gp r o c e s sa n d t h eb l o w i n ge f f e c ti su n i d e a l s os t u d yo nt h el a n c en o z z l ew a sc o n d u c t e d ，a n dt e s ti ns c e n eo f t h ep l a n tw a sc a r r i e do u t t h e r ea r ef o u rs c h e m e sf o rt h el a n c en o z z l eo p t i m i z a t i o ni na 1 1 t h e f i r s ti sf o u rh o l e sa n dm a c hn u m b e ri s2 0 t h es e c o n di sf o u rh o l e sa n dm a t hn u m b e ri s1 9 5 t h et h i r di sf i v eh o l e sa n dm a c hn u m b e ri s1 9 8 1 1 l ef o u r t hi sf i v eh o l e sa n dm a t hn u m b e ri s 2 0 t h ea p p l i c a t i o ne f f e c ti n c l u d e sb l o w i n gt i m e ，s l a gm e l t i n g ，o x y g e nc o n s u m p t i o na n ds oo n b yc o n t r a s t i n gt h ee f f e c to ft h et e s t s ，i ti sc o n f i r m e dt h a tt h ef o u r t hs c h e m ei st h eb e s to n e i t c a ni m p r o v et h ee f f e c to fs l a gm e l t i n g ，s h o r t e nt h es m e l tp e r i o da n dr e d u c et h eo x y g e n c o n s u m p t i o n i tw i l lb r i n ge c o n o m yb e n e f i ta n ds o c i e t yb e n e f i tf o rt o n g h h as t e e lp l a n t a c c o r d i n gt ot h er e s u l to fr e s e a r c h ，t h es p l a s h i n go ft h ef i r s tt y p el a n c en o z z l ei ss e r i o u s d u r i n gb l o w i n gp e r i o da n di t sc o n s u m p t i o no fo x y g e n ，m e t a la n dl i m ei sh i g h ，s oi tn e e d st o b ei m p r o v e d t h r o u g ht h ec o l dm o d e le x p e r i m e n t s ，t h es p l a s h i n gr a t eo ft h es e c o n d ，t h et h j r da n dt h e f o u r t hd e s i g no ft h en o z z l e si sl o w e rt h a nt h ef i r s td e s i g no ft h en o z z l e t h ei m p a c td e p t ho f t h ef i r s td e s i g ni sm o s th i g h t h ei m p a c td e p t ho ft h ef o u r t hd e s i g ni sa p p r o p r i a t e t h es p l a s h i n go ft h es e c o n dd e s i g no ft h en o z z l ei sb e a e rt h a nt h ef i r s to n e i t ss p l a s h i n g r a t ei s11 3 4 ，w h i l et h ef i r s to n ei s16 18 t h es e c o n dd e s i g ni s4 8 4 l o w e rt h a nt h ef i r s t o n e ，b u tt h em a i ni n d e x e so ft h es e c o n dd e s i g ni sw o r s ei nt h eo x y g e nc o n s u m p t i o n ，b e i n g 6 4 1 6 n m 3 r ，t h el i m ec o n s u m p t i o n ，b e i n g7 3 8 k e d t ，a n dt h em e t a lc o n s u m p t i o n ，b e i n g1 1 0 2 2 k g t t h es l a gm e l t i n ge f f e c to f t h et h i r dd e s i g no ft h en o z z l ei sb e t t e rt h a nt h ef i r s ta n dt h e s e c o n dd e s i g n s a n dt h em a i ni n d e x e so ft h et h i r dd e s i g na r eb e t t e rt h a nt h e m t h ef o u r t h d e s i g ni st h eb e s ti nt h ec o l de x p e r i m e n t s b e c a u s et h eo x y g e nf l o wa tt h eo u t l e to ft h ef o u r t h d e s i g nm a k et h em e t a lb a t hm o r eu n i f o r r na n ds u f f i c i e n t , t h em a i ni n d e x e so ft h ef o u r t h i i i d e s i g n i st h eb e s tt h a nt h eo t h e r s t h eo x y g e ne o n s u m p t i o ni s5 4 6 9 n m 3 t ，t h el i m e c o n s u m p t i o ni s6 6 7 k g r ，a n dt h em e t a lc o n s u m p t i o n i s10 9 5 3k g t t h ei m p r o v e dn o z z l ee n a b l e st h ec o n s u m p t i o no fr a wm a t e r i a l s ( s u c ha so x y g e n ， n i t r o g e n ，a r g o n , l i m e ，a n dm e t a l ) o fc o n v e r t e rs t e e l m a k i n gt ob er e d u c e d ，a n dt h ep r o d u c t i o n c o s ts a v e sb ya b o u t12 4 8y u a r d t s ot h ed i r e c te c o n o m i cb e n e f i to fs t e e lp l a n ti si m p r o v e d s i g n i f i c a n t l y , a n dm o r ei n d i r e c te c o n o m i ca n ds o c i a lb e n e f i t ss u c ha se n v i r o n m e n t a l l y f r i e n d l y , e n e r g ys a v i n ga r eo b t a i n e d t h r o u g ht h ei n d u s t r a le x p e r i m e n t , t h er e s u l to ft h ev a r i o u sn o z z l ed e s i g n s o ns l a g s p l a s h i n ge f f e c ti ns i m i l a ro p e r a t i o nc o n d i t i o n si sg a i n e d ，t h es p l a s h i n gs l a gl a y e rt h i c k n e s so f t h ev a r i o u sn o z z l e sf r o mt h ef i r s tt ot h ef o u r t hd e s i g n si s 15 m m ，10 m m ，llm m ，13 m m ， r e s p e c t i v e l y s ot h eo r i g i n a lo x y g e n l a n c en o z z l em o r ea p p r o p r i a t e st os l a gs p l a s h i n g o p e r a t i o ni nt h e12 0 tc o m b i n e db l o w n c o n v e r t e rt h a no t h e r s k e yw o r d s ：c o n v e r t e r ；o x y g e nl a n c e ；n o z z l ed e s i g n ；o p t i m i z a t i o n ；i n d u s t r i a le x p e r i m e n t 独创性声明 目 i 学位论文版权使用授权书i 摘要 a b s l r i 乙a c t 。 第一章前言1 1 1 研究背景1 1 1 1 转炉炉体工艺参数1 1 1 2 氧枪的主要工艺参数1 1 1 3 底吹系统工艺参数2 1 1 4 副枪的主要工艺参数3 1 2 研究目标：j 4 1 3 研究内容4 1 4 研究意义4 第二章文献综述5 2 1 转炉氧枪技术5 2 2 氧枪喷头的设计原则5 2 2 1 喷头设计的主要要求5 2 2 2 主要参数的选择原则6 2 3 氧枪射流特性分析及相关研究9 2 3 1 氧气射流与熔池相互作用的概述9 ， 2 3 2 氧气射流的特性1 0 2 3 3 氧气射流特性的相关研究1 0 2 4 溅渣护炉对氧枪的设计要求1 4 r y 第三章喷头结构及冷态实验二：1 5 3 1 实验方法：_ k l5 3 2 喷头设计方案研究1 6 3 2 1 氧枪喷头设计工况参数：1 6 壅皇垦盘堂塑鲎焦缝塞 旦垂 3 , 2 2 各喷头设计方案确定_ 1 6 3 2 3 冷态实验结果分析2 5 第四章氧枪喷头工业实验结果及分析2 7 4 1 各喷头的现场应用2 7 4 1 1 各喷头在转炉吹炼过程中的应用效果2 7 4 1 2 各喷头在转炉溅渣护炉上的应用效果。3 4 4 2 各喷头设计方案的应用效果分析3 5 4 2 1 对转炉冶炼周期的影响3 5 4 2 2 对转炉氧气消耗的影响3 6 4 2 3 对转炉化渣效果的影响3 6 4 2 4 对钢铁料消耗的影响3 7 4 2 5 对转炉炼钢成本的影响3 8 4 2 6 对社会经济效益的影响。3 8 第五章结论3 9 参考文献4 l 作者简介4 5 攻读学位期间发表的论著、获奖情；兄4 7 致 4 9 论文包含图、表、公式及文献5 1 第一章前言 1 1 研究背景 通钢炼轧厂炼钢生产线现有1 2 0 吨顶底复吹转炉两座，转炉主要技术参数如 下。 1 1 1 转炉炉体工艺参数 转炉炉体主要工艺参数见表1 1 。转炉炉体采用筒球形设计，取适当的熔池 深度和较高的炉容比，可以使熔池得到充分搅拌的同时又能有效保护炉底不受氧 气射流的冲击，并且减少喷溅。 表1 1 转炉炉体主要工艺参数 t a b l e1 1m a i np a r a m e t e r so fc o n v e r t e rb o d y 1 1 2 氧枪的主要工艺参数 ， ， 采用四孔拉瓦尔喷头，多孔氧枪喷头可增加氧气与熔池的接触面积，吹炼过 程更平稳。采用较高的马赫数和适当的喷孔倾角，保证有较强的熔池搅拌能力和 各股氧流在到达熔池液面以前不汇合，充分发挥多孔喷头的优越性。氧枪主要工 艺参数见表1 2 。 j 丕皇垦盘鲎塑堂焦建塞笠= 主煎室 、 表i 2 氧枪工艺参数 ， t a b l e1 2m a i np a r a m e t e r so fo x y g e nl a n c e 项目数据 、一一 外层管( 外径壁厚) 三层呈。竺套管 ；荟暑：荞茬：主善； 中阜臀( 考卜释橙匣) 尺寸 高荟晷：算茬重；内层臀( 外径壁厚) 2 9 9 m m 0 7 0 o 8 5 m p a 2 6 0 3 5 0 m 3 h 1 0 1 3 m p a 9 5 2 以后，氧气射流出口速度v 的增加变慢，而p o 提高更快，这在经济上是 不合适的。目前国内外氧枪喷头出口马赫数多选取2 0 左右，在总管氧压允许的 条件下，也有选取2 2 - - 2 3 左右。 选好凡后一般是将炉役期的最低操作氧压定为设计氧压来进行喷头设计。 根据实验数据，当操作氧压低于设计工况氧压( 负偏离) 1 0 ，或不超过设计工 况氧压( 正偏离) 5 0 时，产生的激波或膨胀波都不严重。一般测压点的压力可 以偏离设计工况压力的2 0 左右。 ( 4 ) 炉膛压力 喷头出口的环境压力对氧枪喷头来说是指炉膛压力，它与喷头射流的出口压 力的差异决定了氧气出口后的流动状态，所以炉膛压力也是喷头设计的重要参数 之一。在吹炼的过程中喷头周围的情况是复杂的，炉膛压力也随之变化，其影响 还需专题研究。另外转炉容量不同，炉膛压力也稍有差异。根据实测数据，一般 炉膛压力高于当地大气压1 - 2 k p a 。为了使氧气射流的展开和速度衰减变慢，一 般应选取喷头出口压力等于炉膛压力。 ? ( 5 ) 喷孔夹角和喷孔间距 一 多孔喷头的喷孔夹角是指喷孔几何中心线和喷头中轴线之间的夹角，它是多 孔喷头设计的重要参数之- 一。氧气射流沿喷孔向外喷射过程中，多股射流之间发 生相互卷吸而使射流向中心偏移。每股射流在同熔池作用处的最大冲击力点和喷 头中轴线之间的距离称为冲击半径，其大小主要决定于喷孔夹角和枪位，同时也 受马赫数、氧压、喷孔间距的影响。 生产实践表明：冲击半径r 冲和熔池的半径r 熔之比( 称为循环比欠比) 是对 转炉冶炼有重要影响的参数之一，因为它影响着熔池的循环运动。多孔喷头要求 r 比，= 0 1 - 一0 2 ，中小型转炉r 比= o 1 0 1 5 。选取r 比时还应参考熔池深度与熔池 直径的比值大小，该比值大，则尺比可小些，反之则r 比大些。随着喷头孔数的 增加，喷孔夹角应增大，它们之间的关系参考表2 2 。 表2 2 多孔喷头孔数和喷孔夹角之间的关系 t a b l e2 2r e l a t i o nb e t w e e nn u m b e ra n da n g l eo fh o l e s 喷孔间距似问) 是指喷头出1 ：3 中心线与喷头中轴线之间的距离，它对射流之间 的相互作用也产生很大影响。其值大小常用喷孔分散度m 沏= d 问d 出) 来表示。如 果喷孔间距过小，会增大氧气射流之间的吸引程度。从降低喷孔之间的氧气射流 交汇趋势的角度考虑，增大喷孔间距同增大喷孔夹角是一致的。因此，喷头设计 时原则上应尽可能增大喷孔间距，而不应轻易增大喷孔夹角，但是增大喷孔间距 又往往受喷头尺寸的限制。根据三孔喷头的冷态测定实验表明，在喷头端面，当 喷孔分散度m = o 8 - - 1 0 时，不会对氧气射流的速度衰减产生明显的影响。 ( 6 ) 喷孔端面形状 对于单孔喷头，其端面呈平面。对于多孔喷头由于每个喷孔同喷头中轴线呈 一定夹角。如果整个喷头端面形状是平面，则每个喷孔出口断面将呈斜面形状， 斜口超音速喷管射流流出的边界条件是不对称的，这时射流流态必然受到边界几 何条件的影响，产生射流沿斜口管壁流动的复杂情况。因此，喷头端面应设计成 与喷头轴线的垂直平面相交的夹角圆锥面，而其夹角正相当于喷孔夹角，这样喷 、孔便成为正口拉瓦尔喷管。为了改善锥面受热情况若喷头中心线处未设喷孔， 可用一个垂直于喷头中心线的小平面代替尖锥顶较为合适。 ( 7 ) 喷孔的形状 壅韭盘鲎塑茎焦逾塞箜三童塞然绫垄 现代转炉氧枪顶吹基本上都是用拉瓦尔管来获得超音速的，它由收缩段、喉 口和扩张段三部分组成。设计一个气动特性很好的超音速喷管需要进行大量的计 算，而且喷管内形是一个复杂的曲面，其喉口又是收缩段和扩张段曲面相接的一 个面，其长度趋于零，加工比较困难。氧气喷孔的主要作用是将压力能转换为动 能，使获得的氧气射流对熔池有较大的冲击能力。因此，要对喷管的设计进行简 化，使喷管呈圆锥形，也便于加工制造。实践证明这样做是可以满足冶炼要求的。 圆锥形喷管的收缩段的半角可允许达到3 0 0 左右，收缩段入口处的直径一般 希望大于喉口直径的二倍。若半锥角为3 0 0 时，则收缩段长度约相当于喉口直径 的一倍。 圆锥形喷管的喉口有一定的长度，其等截面长度应尽量短，一般取为2 l o m m 。而且要求收缩段和扩张段与喉口直径成圆滑连接，不要出现棱角。这种 喷管加工容易，可保证喉口尺寸精确。 圆锥形的喷管扩张段的半锥角一般为4 , - - , 6 0 ，根据喉口直径选定半锥角后便 可算出扩张段长度。 2 3 氧枪射流特性分析及相关研究 2 3 1 氧气射流与熔池相互作用的概述 在氧气顶吹转炉炼钢中，炉内的形态是由力学、物理化学作用形成的，具有 气、固、液三相反应的复杂的高温运动过程，综合地研究这一过程是困难的。但 就氧气射流与熔池的相互作用来看，氧气经过氧枪喷头流出，形成氧气射流，氧 气射流经过高温炉气，冲击在熔池表面上，或穿入熔池，引起了熔池运动，起机 械搅拌作用，若机械搅拌作用强，而且均匀，冲击面积大，则冶炼过程化学反应 快，冶炼平稳，效率高，有利于各项生产技术经济指标的提高。而氧气射流所产 生的机械搅拌作用的强弱、均匀程度则取决于射流与熔池的相互作用情况。氧气 射流冲击在熔池表面上时，当被冲击的表面地区所受到的冲击力超过了冲击区以 外熔池表面所受到的压力时，就在熔池表面形成了凹坑。显然，凹坑的形状和深 度取决于射流到达熔池表面处的速度分布。另一方面，射流在凹坑区的反射流动， 以及因此而引起的熔池运动：铁水液滴飞溅等情况，反过来对射流的运动衰减规 律也有影响。所以，射流与熔池的相互作用问题也是一个十分复杂的问题。 研究射流与熔池的相互作用问题，其主要就是研究氧气射流的特性问题，即 射流的衰减、分布情况。这一问题对于了解氧气项吹转炉的工作原理和指导氧气 顶吹转炉的实际冶炼有着重要的意义。 2 3 2 氧气射流的特性 由于从氧枪喷头流出的多股射流之间往往存在着相互干扰，所以其衰减规律 就不同于单股射流，另外转炉在实际冶炼时，从氧枪里流出的超音速射流的滞止 温度一般为室温，但炉内气氛的温度却高达1 6 0 0 。c 左右，氧气射流温度与周围 气氛温度相差很大。其次，炉内气流以一定速度向上流动，氧气射流逆着炉气的 运动方向向下推进，氧气射流是在逆向流中行进的。再则，炉气成分主要是一氧 化碳气体，在高温状态下，在氧气射流边界上，c o 与氧气射流会发生化学反应。 因此，转炉内氧气射流的流动就成为具有化学反应的逆向流中非等温超音速流流 动问题。 因此，这种射流的运动衰减规律是十分复杂的。目前还没有计算具有化学反 应的逆向流中非等温超音速射流轴线上速度分布、温度分布与横截面扩张率的理 想公式。此外，在转炉实际冶炼时，因为输氧管道总氧压的波动变化，或因为冶 炼炉况的实际需要，往往迫使氧枪的滞止氧压偏离实际点工作，这样氧气射流就 处在非工况条件下流动。其气体运动规律就更为复杂。 2 3 3 氧气射流特性的相关研究 由于转炉实际冶炼情况的复杂性，进行现场氧气射流的测试是比较困难的， 在现有技术条件下甚至是不可能的。超音速射流流动状态极为复杂且相应的湍流 理论尚未完善，所以对转炉氧气射流的研究还没有形成适用的理论公式或数学模 型。目前常用的研究方法有以下几种： ( 1 ) 理论分析与冷态模型实验相结合的研究 根据相似原理进行的冷态模型试验结果表明，氧气射流冲击在金属熔池表面 上时，当被冲击的熔池表面地区所受到的冲击力超过了冲击区以外熔池表面地区 所受到的压力时，就在熔池表面形成凹坑。凹坑的形状和深度取决于氧气射流到 达熔池表面处的射流截面的形状及气体动力学参数，其中最重要的是在该截面上 的轴心速度、速度分布和射流的直径，即氧气射流速度衰减规律和截面轴线速度 分布情况。知道氧气射流速度衰减规律和截面速度分布情况就可以计算氧气射流 对熔池的穿透深度和冲击面积。目前有关穿透深度的计算公式已有十多个，由于 每位作者的研究条件不同，各计算公式差别很大，实际应用时都要将计算结果与 生产数据结合起来以求得合适的穿透深度。 文献t a l 用模型实验研究顶吹氧气转炉炼钢过程中超音速氧气射流的特性及 其对熔池作用问题。其主要是应用相似原理进行实验室冷态模拟研究，得出超音 壅皇垦盘鲎塑鲎焦坌塞笠三童塞然绫姿 速氧气射流轴线上速度衰减、断面速度分布以及射流对液体熔池的穿透深度和冲 击面积等一些规律性的结果。根据这些结果建立了分析计算超音速氧气射流流场 特性和对熔池作用的数学模型，并结合钢厂的实际生产情况进行研究。 文献【5 】从喷孔分散度和流股分散度两个因素的影响角度，结合冷态试验得出 了射流穿透深度与喷孔分散度和流股分散度的关系式。 文献【6 】基于湍流射流理论，对转炉氧枪超音速射流的速度分布特征进行了理 论分析，得到了动量传递系数和断面速度分布系数的新关系式，从而得出速度关 系参数与喷头出口马赫数和驱动压力的关系，且是分别随着马赫数和驱动压力的 增加而减小的。结果如图2 1 、图2 2 所示。 从图中可以看出随着马赫数和驱动压力的增大，它们对速度的影响是减小 的，所以实际生产中的马赫数和驱动压力是有一定的限制。马赫数一般为2 左右， 驱动压力为0 6 1 1m p a 。 蒙 椎 髅 k 趔 鼎 驱动压力m p a 图2 1 滞止压力对速度关系系数的影响 f i g 2 1i n f l u e n c eo f s t a g n a n tp r e s s u r eo nv e l o c i t yr e l a t i o nc o e f f i c i e n t 妊 蹶 1 k 世 瑙 马赫数 图2 2 马赫数对速度关系系数的影响 f i g 2 2i n f l u e n c e o fm a c hn u m b e ro nv e l o c i t yr e l a t i o nc o e f f i c i e n t 文献7 1 对氧气超音速射流的冲击面积随操作枪位和驱动压力的变化规律进 行了深入的理论分析和研究。揭示了冲击面积在不同的冲击速度下存在最大冲击 面积位置的规律，并系统地考察了驱动压力对冲击面积的影响特征。其影响关系 如图2 3 所示。 鼍 逯 帮 e - 相对枪位 图2 3 枪位对冲击面积的影响 f i g 2 3i n f l u e n c eo fl a n c eh e i g h to ni m p a c ta r e a r j r ： 从图2 3 上看出冲击面积随着枪位的增高而逐渐增大，到一定位置时枪位增 高，冲击面积反而减小，所以得出在某一冲击速度下最大的冲击面积对应着一个 最佳的枪位。因此寻求合适的吹炼枪位是研究氧气射流问题的重要课题之一，+ ： ； ： 盔j 垦盘鲎塑鲎焦迨童 笠三童童然鐾鲨 由图2 4 看出驱动压力对冲击而积的影响不是很明显，在一定的冲击速度下 随着驱动压力的增大，冲击面积有所增加，其趋势逐渐平缓。所以实际操作中当 增大驱动压力时可以不考虑氧气射流对冲击面积的影响。 。善 隶 陶 巾 乇 驱动压力m p a 图2 4 驱动压力对冲击面积的影响 f i g 2 4i n f l u e n c eo f o x y g e np r e s s u r eo ni m p a c ta r e a 虽然人们没有找到有关氧枪超音速射流速度衰减规律理论公式，但是人们在 实验室里常温下所做冷态模型实验得出的半经验公式或模拟空气射流的特性规 律对研究氧气射流特性也是有参考与借鉴价值的。 由以上的结果可以看出在一定的冶炼条件下( 马赫数确定时) 合适的冲击 速度和冲击面积对应于一定范围的驱动压力和喷吹枪位。 ( 2 ) 使用专用测量设备系统进行测试研究 文献【6 7 】用d i s a 热线风速仪研究了氧枪射流中心线上和横截面下脉动速 度、湍流强度以及自相关系数的变化规律，其规律性的结果对转护吹炼过程中氧 气射流与熔池作用的研究、氧枪的设计以及氧枪的操作提供了参考。 文献【8 9 1 0 川1 报道了应用压力传感器快速扫描在线测量系统进行转炉炼钢中 二次燃烧双流道氧枪多股射流流场特性的研究，该测量系统取样速度快，准确可 靠，对1 9 2 个测点可在1 2 秒内完成，同时可得到射流速度的衰减，压力变化分 布，速度剖面以及气体流量等流场数据和图形。由这些数据和图形就可以分析、 计算得到射流的穿透深度、有效冲击面积以及最佳操作枪位等参数，为生产实践 中的氧枪操作和氧枪的设计提供了有效的理论依据。实践表明，多点压力测量扫 描阀系统能够满足用于氧枪炼钢中的双流道氧枪复射流流场测量要求，解决了氧 气射流特性测试研究困难这一课题。 2 4 溅渣护炉对氧枪的设计要求 溅渣护炉要求氧枪应能保证在3 m i n 左右的溅渣时间内，在炉衬各部位形成所 要求的溅渣层厚度，还要有较长的枪龄和低的氮气消耗量。 溅渣护炉依靠氮气射流作为动力冲击炉渣使其飞溅到炉衬内表面形成溅渣 层。如果炼钢与溅渣采用同一氧枪，则喷头参数应主要按满足炼钢工艺要求进行 设计。目前国内中、小型转炉多用一支氧枪，宝钢采用两支喷枪【1 2 以6 】。 ( 1 ) 马赫数 把喷头出口马赫数m a 提高到2 0 - - - 2 3 ，射流出口速度得到提高，致使单位体 积的氮气具有更高的能量，高动量的氮气射流速度衰减慢，效率高。采用高马赫 数喷枪喷吹氮气，可使溅渣护炉氮气消耗量下降2 0 。宝钢溅渣用喷枪马赫数为 2 1 。氮气气源压力提高后马赫数还可以进一步提古f 1 7 3 0 1 。 ( 2 ) 喷头的喷孔数 随着炉子容量增加，应适当增加喷头的喷孔数，这样可以使溅渣层厚度更均 匀。喷孔数增加会使每个喷孔的氮气流量下降，因此要与提高喷孔出口马赫数结 合起来进行考虑。溅渣用喷枪的喷孔数可参考表2 3 中的数字。 表2 3 溅渣喷头的喷孔数 t a b l e2 3h o l e so fl a n c en o z z l ef o rs l a gs p l a s h i n g 转炉公称吨位t喷孔数 2 0 0 1 0 0 2 0 0 1 0 0 5 - - 7 4 - - 5 3 - - - 4 ( 3 ) 喷孔倾角 专用溅渣氧枪喷孔的倾角可取1 2 - - - 1 4 0 。l 1 v 钢公司2 5 0 t 转炉使用1 2 0 喷孔倾 角效果为最好。宝钢3 0 0 t 转炉使用1 4 0 的喷孔倾角效果为最好。国内多数炼钢厂的 氧枪喷头在9 - - 1 4 0 范围内。喷孔的倾角与炉子高宽比( 脚f d ) 有关，剧d 小的炉 子倾角可大些。例如鞍钢转炉的h d 为1 1 7 ，倾角为1 4 0 ；宝钢转炉的h d 为1 5 9 ， 喷孔倾角为1 2 0 ：有些钢厂采用1 1 0 的倾角，效果也较好。在实际操作中喷孔倾角 并不一定只在1 2 0 时为最好，也可以通过调整喷吹压力与枪位来调节溅渣情况 3 1 - 4 4 1n 1 第三章喷头结构及冷态实验 3 1 实验方法 采用水模实验进行模拟氧枪喷头的使用性能如冲击深度、冲击面积及喷溅速 率，冷态模拟实验在有机玻璃制成的转炉模型中进行。以通钢现有转炉为原型， 采用l ：7 的相似比制作模型，原型和模型的有关参数如表3 1 所示。模型实验将用 水模拟钢水，压缩空气模拟顶吹氧气和底吹氮气。采用标尺读数测定冲击坑直径 和深度。在距熔池表面4 0 0 - - 9 0 0 m m 的容器内部位置放置有吸水棉花，通过测量被 棉花所吸收的水滴重量可知道喷溅重量，进而，喷溅速率也可以通过将喷溅的重 量除以通入时间和吸水棉花的面积推算出来。实验设备如图3 1 所示。 表3 1 原型与模型有关参数 t a b l e3 1p a r a m e t e r so f p r o t o t y p ea n dm o d e l 图3 1冷态模拟实验装置示意图 f i g 3 1s c h e m a t i ci l l u s t r a t i o no fm o d e l i n ge x p e r i m e n te q u i p m e n t s 依据相似准则计算得到转炉顶吹和底吹气体流量的原型与模型相对应的相 似数据，实验时四种氧枪喷头采用的模型顶吹流量均为5 0 5 n m 3 h ；模型底吹流 量为0 5 8 n m 3 h ，在对四种喷头做冷态模拟实验时均采用此底吹流量值。 3 2 喷头设计方案研究 3 2 1氧枪喷头设计工况参数 通钢炼轧厂转炉冶炼的主要工况参数如下： ( 1 ) 装入量：1 6 1 吨： ( 2 ) 平均铁水成分如表3 2 所示： ( 3 ) 平均出钢量：1 4 5 吨；吨钢耗氧：5 3 - 一6 0 m 3 t ； ( 4 ) 操作氧流量：3 1 0 0 0 - 3 2 0 0 0 m 3 h ； ( 5 ) 炉膛直径：5 0 3 4 m m ；熔池深度：1 3 6 1 m m ； ( 6 ) 装入深度：1 3 1 0 m m ；转炉吨位：1 2 0 吨； ( 7 ) 冶炼钢种：低碳钢( c 卯0 6 ) ；普碳钢( 0 1 6 c 0 2 1 ) 。 表3 2 平均铁水成分 t a b l e3 2c o m p o s i t i o no fh o tm e t a l 3 2 2 各喷头设计方案确定 ( 1 ) 方案一 表3 3 方案一喷头的主要设计参数 t a b l e3 3m a i np a r a m e t e r so f t h ef i r s tt y p el a n c en o z z l e 项目参数 类型 喷孔数，个 马赫数 工况氧压，m p a 氧流量，n m 3 h 喉口直径，咖 出口直径，珊 扩张段长度，珊 喷孔倾角，o 孔分布圆直径，咖 操竺枪萋喜羹嚣蓑茬： 一 最低操作枪位，w i 设计基本枪位下的冲击深度 烘 跖 ， 删4加一螂湖m屹姗舢舢瑚 拉 壅a 垦盘堂塑鲎焦逾塞 蔓三童嗑苤缱垫丞垒查塞坠 方案一即通钢原用氧枪喷头，根据其它钢厂经验选取的主要设计参数见表 3 3 ，方案一的氧枪喷头尺寸如图3 2 所示。 十a 图3 2 方案一氧枪喷头尺寸示意图 f i g 3 2s c h e m a t i ci l l u s t r a t i o no f m a i nd i m e n s i o nf o rt h ef i r s tt y p el a n c en o z z l e 此喷头在使用过程中出现的主要问题是喷溅现象较严重，为此，依据相似原 理对此喷头进行了水模实验，实验参数见表3 4 ，实验结果如表3 5 和图3 3 所示， 分别给出了冲击深度和喷溅率的实验结果。 表3 4 喷头一原型与模型有关参数 t a b l e3 4p w a m e t e r so fp r o t o t y p ea n dm o d e lf o rt h ef i r s tt y p el a n c en o z z l e 壅a 垦盘鲎塑鲎焦迨塞 笠三童嗑盘丝煎丛垒查塞坠 表3 ；5 喷头一模拟实验的冲击深度 ， t a b l e3 5i m p a c td e p t hf o rt h ef i r s tt y p el a n c en o z z l ei nm o d e l i n ge x p e r i m e n t 久 叼 n e 、一 暨 - 盟 雹 p 三 器 五 t d s a m p l i n gh e i g h t m m 图3 3 喷头一模拟实验不同高度的喷溅率 f i g 3 3s p l a s h i n gr a t ea td i f f e r e n th e i g h tf o rt