柳鋼轉(zhuǎn)爐廠大流量氧槍銅頭的改造與應(yīng)用

李健暢

摘要：本文敘述了柳鋼轉(zhuǎn)爐廠對(duì)大流量氧槍銅頭的設(shè)計(jì)計(jì)算和改造工作，并就改造后效果進(jìn)行了論述，供讀者參考。

關(guān)鍵詞：噴頭馬赫數(shù)；噴頭夾角；沖擊深度；轉(zhuǎn)爐生產(chǎn)指標(biāo)

0 前言

氧槍噴頭作為煉鋼工藝中的一個(gè)設(shè)備，不僅對(duì)冶煉過(guò)程噴濺、冶煉終點(diǎn)鋼水的質(zhì)量有著舉足輕重的作用，還對(duì)生產(chǎn)節(jié)奏的控制以及轉(zhuǎn)爐爐型的維護(hù)都有著非常大的影響。柳鋼轉(zhuǎn)爐廠冶三車(chē)間自投產(chǎn)以來(lái)使用的是供氧強(qiáng)度為3.0的五孔噴頭，隨著生產(chǎn)要求的不斷提高，此噴頭冶煉周期長(zhǎng)，冶煉過(guò)程易噴濺等缺點(diǎn)越來(lái)越明顯。針對(duì)以上問(wèn)題，通過(guò)對(duì)氧槍噴頭的供氧流量、壓力、噴頭的夾角、喉口的大小等參數(shù)進(jìn)行了改造優(yōu)化，很好的解決了這些問(wèn)題，取得了良好的冶煉操作效果。

1 優(yōu)化與改造

1.1 銅頭各項(xiàng)參數(shù)的確定

1.1.1 馬赫數(shù)的確定

馬赫數(shù)（M）是氧槍噴頭中非常重要的一個(gè)參數(shù)，M是氧氣射流在噴頭出口的速度，決定著氧氣流股對(duì)熔池液面的沖擊能力，當(dāng)M越大時(shí)候，熔池內(nèi)反應(yīng)劇烈，容易產(chǎn)生噴濺，而M偏小的時(shí)候，氧氣流股對(duì)熔池起不到良好的攪拌作用。與此同時(shí)，氧槍噴頭的另一個(gè)參數(shù)P出，同樣對(duì)熔池有著與M相同的作用，為了使吹煉過(guò)程的穩(wěn)定，對(duì)M和P出做了兩者的關(guān)系研究。

由圖可見(jiàn)，當(dāng)P出＜2的范圍里，曲線斜率較大，表示當(dāng)壓力有細(xì)微的變化時(shí)，M都有明顯的上升趨勢(shì)，當(dāng)P出＞3的范圍內(nèi)。曲線斜率相對(duì)較小，表示出口壓力的增加對(duì)氧氣的出口速度影響降低。而實(shí)際生產(chǎn)中，過(guò)高的馬赫數(shù)需要特殊材料的管線設(shè)備，投資較大且反應(yīng)激烈，而馬赫數(shù)較小時(shí)，氧氣管道的壓力沒(méi)有充分的利用，也不經(jīng)濟(jì)，綜合考慮，馬赫數(shù)M=2.05為最佳。

1.1.2 氧流量與銅頭喉口直接的確定

首先確定氧槍正常用氧流量，柳鋼轉(zhuǎn)爐廠三區(qū)改造新銅頭目標(biāo)氧氣流量為Q=33 000 Nm?/h，根據(jù)轉(zhuǎn)爐工況采用5孔拉瓦爾式噴槍，然后再根據(jù)公式2.1計(jì)算喉口直徑d喉。

Q=1.782CD×A喉×P0÷√T0 Nm?/min（公式2.1）

式中：CD–噴孔流量系數(shù)，CD=0.9～0.96，一般取0.96

T0–氧氣滯止溫度K，一般按當(dāng)?shù)叵募緶囟冗x取T0=273+（20～30）K，取T0=300

A喉–喉口總面積，At=π×d喉2/4×5

P0–理論設(shè)計(jì)氧壓，考慮氧氣壓力損失5%～8%

計(jì)算出d喉=41.3 mm。

1.1.3 出口直徑以及噴頭結(jié)構(gòu)的確定

查等熵流表：當(dāng)M=2.05時(shí)，然后根據(jù)A出/

A喉=1.76計(jì)算出d出=54.8 mm，其中為了便于加工，喉口直段取L喉=15 mm，喉口段長(zhǎng)度L喉為穩(wěn)定氣流。根據(jù)計(jì)算，擴(kuò)張段長(zhǎng)度L擴(kuò)=（d出-d喉）/2tanɑ（擴(kuò)張半錐角選取為4°）計(jì)算得出

L擴(kuò)=96.5 mm。

1.2 新銅頭理論效果計(jì)算

1.2.1 新銅頭沖擊深度

首先確定操作槍位H，根據(jù)公式H=1.15×（35～50）×d喉，計(jì)算得出H=1 660～2 380 mm然后根據(jù)佛林公式2.2.1計(jì)算出銅頭沖擊深度h1。

h1=340×P×d喉÷√H+3.81（公式2.2.1）

式中：H–操作槍位cm；

P–使用壓力MPa；

d喉–喉口直徑cm。

此公式對(duì)單孔噴頭適用，對(duì)于多孔噴頭取修正系數(shù)0.9，根據(jù)計(jì)算得出槍位與沖擊深度的對(duì)應(yīng)關(guān)系如表1。

1.2.2 新銅頭的沖擊面積

在計(jì)算銅頭沖擊面積時(shí)，首先需要確定銅頭出口氧氣流速，根據(jù)查等熵流函數(shù)表得出噴氧孔出口流速系數(shù)Ma*=1.6553則根據(jù)公式2.2.2計(jì)算出出口流速Va。

Va= Ma*×v= Ma*×19.07×√T0 m/s（公式2.2.2）

式中：Va–噴氧孔出口流速，m/s，

V–氧射流音速，m/s，

T0–氧氣滯止溫度K，一般按當(dāng)?shù)叵募緶囟冗x取T0=273+（20～30）K，取T0=300 K。

計(jì)算得出銅頭出口氧氣流速Va=546.75 m/s，再由出口流速Va計(jì)計(jì)算出銅頭單孔沖擊的直徑d和對(duì)應(yīng)的面積s。

銅頭單孔沖擊的直徑公式d如下：

d=1.26× （ρ/ρ0*g）1/6×（Va *de）1/3×（H/B）1/2（公式2.2.3）

式中：g–重力加速度，9.81 m/s2，

de–噴氧孔喉口半徑m，

H–氧槍操作槍位m，

B–常數(shù)，決定于射流馬赫數(shù)，馬赫數(shù)在0.5～3，距出口15 de出以后，B=6～9，取7.86。

根據(jù)公式2.2.3可以的出對(duì)應(yīng)操作槍位下，銅頭單孔沖擊直徑d，然后根據(jù)d得出有效沖擊面積S，其對(duì)應(yīng)關(guān)系如表2所示。

2 新噴頭在生產(chǎn)實(shí)踐中的應(yīng)用效果

2.1 生產(chǎn)指標(biāo)對(duì)比

如表3.1和表3.2所示，使用新噴頭的平均工作壓力保持在0.79 Mpa，供氧強(qiáng)度增至3.7，冶煉過(guò)程槍位控制在1 600 mm～1 800 mm，吹氧時(shí)間降至820 s，終點(diǎn)氧平均做到380 ppm，終點(diǎn)的CT命中率由原來(lái)的75%上升至85%，冶煉周期為35 min，完全符合爐機(jī)匹配節(jié)奏和工藝要求，而且過(guò)程碳氧反應(yīng)十分充分，促進(jìn)熔池的攪拌能力加強(qiáng)，終點(diǎn)爐渣的流動(dòng)性較好，從終點(diǎn)爐渣的成分可見(jiàn)TFe%有了下降的趨勢(shì)，金屬回收率得到有效提高，爐渣堿度和氧化鎂含量保持比較穩(wěn)定，對(duì)爐況的穩(wěn)定起了重要作用，通過(guò)不斷地工藝優(yōu)化，氧槍壽命更是提升105%，完全滿足現(xiàn)有生產(chǎn)條件的要求。

2.2 冶煉過(guò)程煤氣曲線對(duì)比

從兩種噴頭的煤氣曲線可見(jiàn)，新噴頭的CO%曲線斜率變大，說(shuō)明在冶煉過(guò)程中供氧強(qiáng)度增加后，CO%的反應(yīng)速度得到了明顯的提升，有利于控制前期渣冒現(xiàn)象的解決。新噴頭CO%的峰值要比原噴頭的快且高，說(shuō)明碳氧反應(yīng)速度起來(lái)后整個(gè)轉(zhuǎn)爐熔池的反應(yīng)能力加強(qiáng)，有利于熔池的攪拌均勻，有利于過(guò)程穩(wěn)定性的控制，并有利于煤氣回收量的提升。

3 總結(jié)

（1）使用優(yōu)化后的氧槍噴頭，增加了冶煉過(guò)程的流量，提高了供氧強(qiáng)度，有效的提高了氧氣射流對(duì)熔池的沖擊能力，使碳氧反應(yīng)能夠更充分穩(wěn)定的進(jìn)行，減少了噴濺的發(fā)生，同時(shí)，供氧時(shí)間也縮短了近1.5 min，有效的降低了冶煉周期，滿足連鑄的快節(jié)奏要求。

（2）新噴頭的使用，表現(xiàn)出了理想的化渣效果，提高了爐渣的脫磷率，實(shí)踐生產(chǎn)中的各項(xiàng)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)都有不同程度的進(jìn)步，在滿足操作工藝要求的同時(shí)還合理提高了氧槍的槍齡，達(dá)到了操作穩(wěn)定、噴濺減少、降低消耗、穩(wěn)定爐況的作用，創(chuàng)造了優(yōu)良的工藝效果。

參考文獻(xiàn)

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