CN109628689B - 高铁水比电炉供氧方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高铁水比电炉供氧方法，采用同轴双超音速氧流集束氧枪，该氧枪由多层同轴套管构成：内层为圆孔超音速喷管组件，产生1.8‑2.2马赫的第一速超音速氧气射流；外层为水冷套管组件，保护氧枪免受高温环境的损伤，保证氧枪在高温环境下长期使用；内、外层组件之间为环孔超音速喷管组件，产生1‑1.5马赫的第二速超音速氧气射流以及产生高速稀薄膨胀燃烧气流，进一步封套和向心压缩超音速氧气射流，形成集束氧气射流，增加氧气射流的长度和对钢液面的冲击搅拌作用，提高氧气在钢液中的溶解度。

Description

高铁水比电炉供氧方法
技术领域
本发明属于冶金技术领域，特别涉及一种高铁水比电炉供氧方法。
背景技术
高铁水比电炉冶炼是指加入电炉的铁水达到50～90％以上的电炉冶炼工艺，通过采用氧枪向熔池吹入大量氧气，它可以获得200KW以下的吨钢电耗，甚至无需电极加热，是现代电炉一种先进的高效炼钢工艺，冶炼周期已领达到32min/炉以内。电炉炼钢过程中，脱磷和脱碳是在两个不同的温度区域发生的化学反应。如何经济高效地将高磷铁水中的磷脱到极低，生产出高附加值的产品，是目前高铁水比电炉冶炼的难题。脱磷主要采用石灰造渣，并伴随超音速氧气进入到钢液生成氧化铁，可以使石灰快速形成泡沫渣，提高脱磷率。但过度用氧会使铁水温度快速升高，阻断脱磷进程。
同时，高效脱碳需要向钢液高速吹入大量氧气，强力搅拌钢液，缩短高铁水比电炉冶炼周期，匹配高拉速的连铸机。
虽然现有技术中公开了一种环燃的集束碳氧枪结构，增强了电炉氧枪的烧嘴功能，但其仅仅适合全废钢或高废钢比电炉的冶炼工艺，无法满足高铁水比电炉的冶炼要求。
现有技术中还公开了一种转炉氧枪，脱磷喷粉氧枪和脱碳双流氧枪均具有位于中心的副氧流通道和位于副氧流通道***的主氧流通道。但是这类氧枪为适应转炉冶炼采用了一定偏转角度的多喷口结构，不适合电炉冶炼工况。
由此可见，高铁水比电炉炼钢用氧需要在不同工况下采用不同的吹氧制度。因此有必要开发一种双流速的高效氧枪，目前国内还未见这样的适合高铁水比电炉使用的同轴超音速长射流双流速氧枪。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种高铁水比电炉供氧方法，以实现高铁水比电炉的高效用氧。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明技术方案如下：
一种高铁水比电炉供氧方法，采用同轴双超音速氧流集束氧枪，所述同轴双超音速氧流集束氧枪具有水冷套管、用于通入氧气并产生第一束超音速氧气射流的第一氧气通道、用于通入氧气并产生第二束超音速氧气射流的第二氧气通道和用于喷射燃气的燃气通道，所述第二氧气通道位于第一氧气通道***，燃气通道位于第二氧气通道***，其中：
在电炉冶炼过程中，在水冷套管内注入冷却水，对氧枪进行冷却；
在脱磷期，在第二氧气通道内通入0.8～1.2MPa高压氧气，形成1-1.5马赫的超音速集束氧气射流，流量控制在500～1500Nm3/h，在铁水液面产生氧化铁；
在造渣期，在第一氧气通道内通入1.0～1.5MPa高压氧气，产生1.8-2.2马赫的超音速射流，流量控制在1500～3500Nm3/h，在铁水表面迅速形成泡沫渣；
在脱碳期，在第一氧气通道内通入1.0～1.5MPa高压氧气，流量控制1500～3500Nm3/h，同时在第二氧气通道内通入0.8～1.2MPa高压氧气，流量控制在500～1500Nm3/h，并且在燃气通道内通入0.2～0.3MPa燃气，形成超音速集束氧气射流，搅拌钢液并快速脱碳；
在各通道内没有通入氧气或燃气的所有时间里，始终通入吹扫气进行保护和冷却。
本发明可形成同轴的双超音速氧流，能在超音速射流条件下灵活调整氧枪流量，可以满足高废钢比电炉各个不同工况的冶炼期对用氧制度的不同需求，从而提高电炉冶炼的效率，降低消耗，缩短冶炼周期。燃气喷口产生高速稀薄膨胀燃烧气流，进一步封套和向心压缩超音速氧气射流，使之形成集束氧气射流，增加氧气射流的长度和对钢液面的冲击搅拌作用，提高氧气在钢液中的溶解度。各种流量下均可实现集束超音速射流，延长了氧气的喷射距离，使得氧枪可以安装在离钢水液面更高的位置，减少高温辐射和渣液对喷枪的损伤，延长氧枪的使用寿命。
可选地，所述同轴双超音速氧流集束氧枪还包括与第二氧气通道连通的副氧通道，所述副氧通道将第二氧气通道的氧流分流成外套气，包围第二束超音速氧气射流，并与燃气通道喷出的燃气混合燃烧，产生膨胀气流，进一步封套和向心压缩第二束超音速氧气射流，使之形成集束射流。
可选地，所述同轴双超音速氧流集束氧枪包括由内至外依次同轴设置的中心管、环孔超音速喷管和水冷套管，所述中心管口部为拉瓦尔喷孔，该拉瓦尔喷孔形成所述第一氧气通道，所述环孔超音速喷管与中心管之间形成第二氧气通道，且环孔超音速喷管口部内廓面与中心管外廓面之间沿射流方向形成先收缩再扩张的超音速射流通道，所述环孔超音速喷管与水冷套管之间形成所述燃气通道。
可选地，所述中心管包括相连接的第一套管和拉瓦尔喷管，所述环孔超音速喷管包括相连接的第二套管和环孔喷头，所述拉瓦尔喷管***所述环孔喷头内，所述环孔喷头内廓设有氧气槽口，外廓面设有集束环燃槽孔，氧气槽口与集束环燃槽孔之间设置有沿射流方向贯穿环氧喷头的集束环氧小孔，所述集束环氧小孔形成所述副氧通道。
可选地，所述氧气槽口、集束环氧小孔和集束环燃槽孔分别沿环氧喷头周向均布。
可选地，所述水冷套管包括水冷内管、中间套管、水冷外管和封头，所述水冷内管和水冷外管分别与封头焊接，中间套管隔开进水与回水通道。
可选地，所述环孔喷头内廓为直管，拉瓦尔喷管外廓横断面先由小变大，再由大变小。
可选地，所述拉瓦尔喷管外廓为直管，所述环孔喷头内廓横断面先由大变小，再由小变大。
可选地，所述拉瓦尔喷管外廓横断面先由小变大，同时环孔喷头内廓内廓横断面由大变小；拉瓦尔喷管外廓横断面再由大变小，同时环孔喷头内廓横断面由小变大。
本发明的有益效果是：本发明可形成同轴的双超音速氧流，能在超音速射流条件下灵活调整氧枪流量，可以满足高废钢比电炉各个不同工况的冶炼期对用氧制度的不同需求，从而提高电炉冶炼的效率，降低消耗，缩短冶炼周期。燃气喷口产生高速稀薄膨胀燃烧气流，进一步封套和向心压缩超音速氧气射流，形成集束氧气射流，增加氧气射流的长度和对钢液面的冲击搅拌作用，提高氧气在钢液中的溶解度。各种流量下均可实现集束超音速射流，延长了氧气的喷射距离，使得氧枪可以安装在离钢水液面更高的位置，减少高温辐射和渣液对喷枪的损伤，延长氧枪的使用寿命。
附图说明
图1为本发明氧枪喷头的结构示意图；
图2为本发明的喷头的仰视图。
零件标号说明
11-拉瓦尔喷管；12-第一套管；21-环孔喷头；22-第二套管；23-氧气槽口；24-集束环氧小孔；25-集束环燃槽孔；31-封头；32-水冷内管；33-中间套管；34-水冷外管；A-第一氧气通道；B-第二氧气通道；C-燃气通道。
具体实施方式
以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。
须知，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。
如图1和图2所示，本发明提供一种高铁水比电炉供氧方法，采用同轴双超音速氧流集束氧枪，所述同轴双超音速氧流集束氧枪具有用于冷却的水冷套管、用于通入氧气并产生第一束超音速氧气射流的第一氧气通道A、用于通入氧气并产生第二束超音速氧气射流的第二氧气通道B和用于喷射燃气的燃气通道C，所述第二氧气通道B位于第一氧气通道A***，燃气通道C位于第二氧气通道B***，其中：
在电炉冶炼的整个过程中，在水冷套管内注入冷却水，对氧枪进行持续冷却；
在高铁水比电炉冶炼的脱磷期，在第二氧气通道B内通入0.8～1.2MPa高压氧气，形成1-1.5马赫的超音速集束氧气射流，流量控制在500～1500Nm3/h，在铁水液面产生大量氧化铁；
在高铁水比电炉冶炼的造渣期，在第一氧气通道A内通入1.0～1.5MPa高压氧气，产生1.8-2.2马赫的超音速射流，流量控制在1500～3500Nm3/h，在铁水表面迅速形成泡沫渣；
在高铁水比电炉冶炼的脱碳期，在第一氧气通道A内通入1.0～1.5MPa高压氧气，流量控制1500～3500Nm3/h，同时在第二氧气通道B内通入0.8～1.2MPa高压氧气，流量控制在500～1500Nm3/h，并且在燃气通道C内通入0.2～0.3MPa燃气，形成高流量的超音速集束氧气射流，搅拌钢液并快速脱碳；
在各通道内没有通入氧气或燃气的所有时间里，始终通入吹扫气进行保护和冷却。
在一个实施方式中，同轴双超音速氧流集束氧枪还包括与第二氧气通道B连通的副氧通道，副氧通道位于第二束超音速射流与燃气通道C之间，副氧通道将第二氧气通道B的氧流分流成外套气，包围第二束超音速氧气射流，该外套气与燃气通道C喷出的燃气混合燃烧，产生稀薄的膨胀气流，进一步封套和向心压缩第二束超音速氧气射流，使之形成集束射流。
具体地，同轴双超音速氧流集束氧枪，由喷头和多层同轴套管构成，包括由内至外依次同轴设置的中心管、环孔超音速喷管和水冷套管，其中，中心管内形成所述第一氧气通道A，中心管口部为拉瓦尔喷孔，用于产生第一束超音速氧气射流；所述环孔超音速喷管与中心管之间形成第二氧气通道B，所述环孔超音速喷管口部内廓面与中心管口部外廓面之间沿射流方向形成先收缩再扩张的超音速射流通道，用于产生第二束超音速氧气射流；所述环孔超音速喷管与水冷套管之间形成所述燃气通道C。
其中，中心管包括第一套管12和与第一套管12焊接的拉瓦尔喷管11，环孔超音速喷管包括第二套管22以及与第二套管22连接的环孔喷头21，拉瓦尔喷管11***所述环孔喷头21内，环孔喷头21内廓的候口处设有氧气槽口23，环孔喷头21外壁沿平行于轴线方向设有集束环燃槽孔25，氧气槽口23与集束环燃槽孔25之间设置有沿射流方向贯穿环氧喷头的集束环氧小孔24，集束环氧小孔24形成所述副氧通道。
其中，氧气槽口23、集束环氧小孔24和集束环燃槽孔25分别沿环氧喷头周向均布。
所述水冷套管同轴设置于环孔超音速喷管***，包括水冷内管32、中间套管33、水冷外管34和中空的封头31，所述水冷内管32和水冷外管34分别与封头31焊接，中间套管33隔开进水通道与回水通道，中间套管33与水冷内管32之间形成进水通道，中间套管33与水冷外管34之间形成回水通道，形成封闭的冷却水回路，所述环孔喷头21***所述封头31内。冷却水持续冷却，保证氧枪在高温环境下长期使用。
由第一套管12内通入氧气经拉瓦尔喷孔形成第一束超音速氧气射流；由第一套管12与第二套管22之间通入的氧气，分别经氧气槽口23和集束环氧小孔24喷出，形成第二束超音速氧气射流和外套气；经第二套管22与水冷内管32之间通入的燃气，经集束环燃槽孔25喷出，与外套气燃烧。其中每个氧气槽口23沿射流方向截面相等，每个集束环氧小孔24沿孔长度方向截面相等，不变化。
其中，环孔喷头21内廓与拉瓦尔喷管11外廓之间气流通道的截面面积的变化规律满足超音速射流的结构条件，以产生超音速射流。具体可采用以下形式：
a、环孔喷头21内廓面为直管，拉瓦尔喷管11外廓横断面(或外径)先由小变大，再由大变小。
b、所述拉瓦尔喷管11外廓为直管，所述环孔喷头21内廓横断面(或内径)先由大变小，再由小变大，如图1所示。
c、所述拉瓦尔喷管11外廓横断面(或外径)沿射流方向先由小变大，再由大变小；对应的环孔喷头21内廓横断面(或内径)沿射流方向先由大变小，再由小变大。
本发明，第一氧气通道A的出口处为拉瓦尔喷孔，通入的氧气通过拉瓦尔喷孔形成第一束超音速氧气射流；中心管与环孔超音速喷管之间形成第二氧气通道B，同于通入氧气；且所述环孔超音速喷管与中心管之间沿射流方向形成先收缩后扩张的射流通道，用于形成第二束超音速氧气射流，第二束超音速氧气射流位于第一束超音速氧气射流***，所述环孔超音速喷管与水冷套管之间构成燃气通道C，该环孔超音速喷管上设置有集束环燃槽孔，用于产生膨胀燃烧的稀薄高速气流，封套并向心压缩第二束超音速氧气射流，使之形成集束射流。从而增加氧气射流的长度和对钢液面的冲击搅拌作用，提高氧气在钢液中的溶解度。
由于形成同轴的双超音速氧流，能在超音速射流条件下灵活调整氧枪流量，可以满足高废钢比电炉各个不同工况的冶炼期对用氧制度的不同需求，从而提高电炉冶炼的效率，降低消耗，缩短冶炼周期。各种流量下均可实现集束超音速射流，延长了氧气的喷射距离，使得氧枪可以安装在离钢水液面更高的位置，减少高温辐射和渣液对喷枪的损伤，延长氧枪的使用寿命。
同轴双超音速氧流氧枪的供气，由供气阀站根据电炉的冶炼工艺要求，将供气管网的高压气源调制成冶炼工艺要求的压力，控制供气阀站注入氧枪的每一路氧气、燃气、吹扫气的气体流量、压力和时刻。
本发明可灵活调整氧枪流量，可以满足高废钢比电炉各个不同工况的冶炼期对用氧制度的不同需求，从而提高电炉冶炼的效率，降低消耗，缩短冶炼周期。
并且，在各种流量下均可实现集束超音速射流，延长了氧气的喷射距离，使得氧枪可以安装在离钢水液面更高的位置，减少高温辐射和渣液对喷枪的损伤，延长氧枪的使用寿命。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (8)

1.一种高铁水比电炉供氧方法，其特征在于：采用同轴双超音速氧流集束氧枪，所述同轴双超音速氧流集束氧枪包括由内至外依次同轴设置的中心管、环孔超音速喷管和水冷套管，所述中心管口部为拉瓦尔喷孔，该中心管内形成用于通入氧气并产生第一束超音速氧气射流的第一氧气通道；所述环孔超音速喷管与中心管之间形成用于通入氧气并产生第二束超音速氧气射流的第二氧气通道；所述环孔超音速喷管口部内廓面与中心管外廓面之间沿射流方向形成先收缩再扩张的超音速射流通道，所述环孔超音速喷管与水冷套管之间形成用于喷射燃气的燃气通道，所述第二氧气通道位于第一氧气通道***，燃气通道位于第二氧气通道***；
在电炉冶炼过程中，在水冷套管内注入冷却水，对氧枪进行冷却；
在脱磷期，在第二氧气通道内通入0.8～1.2MPa高压氧气，形成1-1.5马赫的超音速集束氧气射流，流量控制在500～1500Nm3/h，在铁水液面产生氧化铁；
在造渣期，在第一氧气通道内通入1.0～1.5MPa高压氧气，产生1.8-2.2马赫的超音速射流，流量控制在1500～3500Nm3/h，在铁水表面迅速形成泡沫渣；
在脱碳期，在第一氧气通道内通入1.0～1.5MPa高压氧气，流量控制在1500～3500Nm3/h，同时在第二氧气通道内通入0.8～1.2MPa高压氧气，流量控制在500～1500Nm3/h，并且在燃气通道内通入0.2～0.3MPa燃气，形成超音速集束氧气射流，搅拌钢液并快速脱碳；
在各通道内没有通入氧气或燃气的所有时间里，始终通入吹扫气进行保护和冷却。
2.根据权利要求1所述的高铁水比电炉供氧方法，其特征在于：所述同轴双超音速氧流集束氧枪还包括与第二氧气通道连通的副氧通道，所述副氧通道将第二氧气通道的氧流分流成外套气，包围第二束超音速氧气射流，并与燃气通道喷出的燃气混合燃烧，产生膨胀气流，进一步封套和向心压缩第二束超音速氧气射流，使之形成集束射流。
3.根据权利要求2所述的高铁水比电炉供氧方法，其特征在于：所述中心管包括相连接的第一套管和拉瓦尔喷管，所述环孔超音速喷管包括相连接的第二套管和环孔喷头，所述拉瓦尔喷管***所述环孔喷头内，所述环孔喷头内廓设有氧气槽口，外廓面设有集束环燃槽孔，氧气槽口与集束环燃槽孔之间设置有沿射流方向贯穿环氧喷头的集束环氧小孔，所述集束环氧小孔形成所述副氧通道。
4.根据权利要求3所述的高铁水比电炉供氧方法，其特征在于：所述氧气槽口、集束环氧小孔和集束环燃槽孔分别沿环氧喷头周向均布。
5.根据权利要求1所述的高铁水比电炉供氧方法，其特征在于：所述水冷套管包括水冷内管、中间套管、水冷外管和封头，所述水冷内管和水冷外管分别与封头焊接，中间套管隔开进水与回水通道。
6.根据权利要求3所述的高铁水比电炉供氧方法，其特征在于：所述环孔喷头内廓为直管，拉瓦尔喷管外廓横断面先由小变大，再由大变小。
7.根据权利要求3所述的高铁水比电炉供氧方法，其特征在于：所述拉瓦尔喷管外廓为直管，所述环孔喷头内廓横断面先由大变小，再由小变大。
8.根据权利要求3所述的高铁水比电炉供氧方法，其特征在于：所述拉瓦尔喷管外廓横断面先由小变大，同时环孔喷头内廓横断面由大变小；拉瓦尔喷管外廓横断面再由大变小，同时环孔喷头内廓横断面由小变大。
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