CN111850232A - 高效脱磷的氧枪喷头和吹炼工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明属于钢铁冶金技术领域，尤其是涉及一种高效脱磷的氧枪喷头和吹炼工艺，高效脱磷的氧枪喷头，包括喷头氧气入口，进水环缝，出水环缝，数个氧枪喷孔，其特征在于数个氧枪喷孔为一组氧枪喷孔I和一组氧枪喷孔II交错排列分布，一组氧枪喷孔I布置在喷头端面的***，一组氧枪喷孔II布置在喷头端面的内侧，氧枪喷孔I直径大于氧枪喷孔II直径，氧枪喷孔I的倾斜角度大于氧枪喷孔II的倾斜角度。本发明与相同转炉容量下的传统氧枪喷头相比，氧枪喷头的大喷孔的布置方案弱化了各射流流股之间的相互作用，增大了射流与熔池的接触面积，射流与熔池作用的液滴生成速率有了显着提高，脱磷效果显著。
Description
技术领域
本发明属于钢铁冶金技术领域，尤其是涉及一种高效脱磷的氧枪喷头和吹炼工艺。
背景技术
在顶吹转炉炼钢(BOF)过程中，形成具有适当组分(如碱度和FeO含量)的熔融态炉渣是非常重要的，因为脱磷主要取决于炉渣成分、炉内温度以及通过液态金属和炉渣混合的动力学和传质过程。在吹炼中，碳氧化形成一氧化碳气体并试图通过炉渣逸出从而造成体积膨胀，通常将其称为炉渣泡沫化，这种泡沫在炉渣、金属和气相之间提供了巨大的界面区域，从而促进了界面反应，提高了脱磷效果。炉渣泡沫的产生和维持主要由氧枪的氧气射流控制。因此，提高泡沫渣中金属液滴的生成量，是目前钢厂改善渣-金界面反应，提高脱磷率所面临的巨大挑战。此外，氧枪高度的变化是炼钢厂在转炉吹炼过程中的关键过程控制手段。通过改变氧枪高度，可以改变熔渣和金属相之间的氧分布，从而影响化学反应。因此，必须对氧枪进行恰当的设计，并在吹炼过程中控制氧枪枪位以及氧流量，以提高炼钢工艺的效率并改善所生产钢材的品质。
目前，我国钢企广泛采用的多孔拉瓦尔氧枪喷头结构如图1所示，其特点在于喷头的各喷孔尺寸和形状相同，并且围绕氧枪轴线均匀分布，在确定的转炉容量下，传统结构氧枪的喷孔倾角以及喷孔数量有比较严格的限定。因为氧枪喷头是在特定的压力比和流量设计的，因此改变传统结构氧枪喷嘴的流速是不可能。根据转炉的操作条件进行氧枪设计，并通过枪位调节改变吹炼效果，这仍然是吹气过程中的最常见的工艺控制参数。
发明内容
本发明的目的是提出一种高效脱磷的氧枪喷头和吹炼工艺，旨在改善吹炼时喷溅钢液的产生，以加速反应过程，尤其是脱磷反应，从而提高脱磷效率。
本发明的目的是通过下述技术方案来实现的：
本发明的高效脱磷的氧枪喷头，包括喷头氧气入口，进水环缝，出水环缝，数个氧枪喷孔，其特征在于所述的数个氧枪喷孔为一组氧枪喷孔Ⅰ和一组氧枪喷孔Ⅱ交错排列分布，所述的一组氧枪喷孔Ⅰ布置在喷头端面的***，所述的一组氧枪喷孔Ⅱ布置在喷头端面的内侧，
所述的氧枪喷孔Ⅰ直径大于所述的氧枪喷孔Ⅱ直径，所述的氧枪喷孔Ⅰ的倾斜角度大于所述的氧枪喷孔Ⅱ的倾斜角度。
所述的一组氧枪喷孔Ⅰ和一组氧枪喷孔Ⅱ均为拉瓦尔喷管。
所述的氧枪喷孔Ⅰ喉部直径d12与氧枪喷孔Ⅱ喉部直径d22比值为d12/d22＝1.05～1.55。
所述的氧枪喷孔Ⅰ出口直径d13与氧枪喷孔Ⅱ出口直径d23的比值为d13/d23＝1.05～1.55。
所述的氧枪喷孔Ⅰ中心轴线与喷头的中心轴线夹角α1和氧枪喷孔II的中心轴线与喷头的中心轴线夹角α2关系为α1-α2＝3°～5°。
所述的氧枪喷孔I出口圆心距喷头中心线为L1和氧枪喷孔II出口圆心距喷头中心线为L2关系为L1/L2＝1.10～1.30。
所述的一组氧枪喷孔I和一组氧枪喷孔II的总数为4个、6个或8个，
所述的一组氧枪喷孔I和一组氧枪喷孔II的总数为4个时，所述的氧枪喷孔I数为2个，所述的氧枪喷孔II数为2个，
所述的一组氧枪喷孔I和一组氧枪喷孔II的总数为6个时，所述的氧枪喷孔I数为3个，所述的氧枪喷孔II数为3个，
所述的一组氧枪喷孔I和一组氧枪喷孔II的总数为8个时，所述的氧枪喷孔I数为4个，所述的氧枪喷孔II数为4个。
一种高效脱磷的氧枪喷头吹炼工艺，其特征在于工艺条件为：
(1)总管氧压≥1.3MPa，工作氧压0.9MPa～1.1MPa；
(2)结合高效脱磷的氧枪喷头结构特点，
开吹枪位在(35～40)倍氧枪喷孔I出口直径变化；
过程枪位在(30～35)倍氧枪喷孔I出口直径变化；
拉碳枪位(20～25)倍氧枪喷孔I出口直径变化。
本发明的优点：
(1)本发明的高效脱磷的氧枪喷头和吹炼工艺，与相同转炉容量下的传统氧枪喷头相比，氧枪喷头的大喷孔的布置方案弱化了各射流流股之间的相互作用，增大了射流与熔池的接触面积，射流与熔池作用的液滴生成速率有了显着提高，脱磷效果显著；在保证转炉炼钢过程中相同的铁水预处理成分，相同废钢加入量以及相同加入渣量的前提下对同一钢种进行冶炼，脱磷率提高3％～8％；
(2)本发明的高效脱磷的氧枪喷头和吹炼工艺，使用高效脱磷的氧枪喷头，延长了氧枪喷头的使用寿命：***大喷孔与内侧小喷孔交错排列的布置方案提供了更利于流体流动的水冷空间，相同冶炼条件下，本发明的氧枪比传统氧枪的冶炼炉数提高30炉次～50炉次；
(3)本发明的高效脱磷的氧枪喷头和吹炼工艺，使用高效脱磷的氧枪喷头，防止炉渣返干：在吹炼中期，熔池中氧量有下降趋势，FeO可能会被还原，炉渣成黏稠状，本发明可以弥补该不足，从而防止干渣形成；
(4)本发明的高效脱磷的氧枪喷头和吹炼工艺，使用高效脱磷的氧枪喷头，更好的过程控制：金属滴的产生会影响磷和碳的去除，本发明的高效脱磷的氧枪喷头的大小孔流量比可控，从而影响液滴的产生，因此可以充当另一个吹炼过程控制要素，方便吹炼过程的动态控制。
附图说明
图1为传统氧枪喷头6孔喷口形状示意图。
图2为本发明的氧枪喷头剖面图。
图3为本发明氧枪喷头4孔喷口形状示意图。
图4为本发明氧枪喷头6孔喷口形状示意图。
图5为本发明氧枪喷头8孔喷口形状示意图。
具体实施方式
下面结合附图进一步说明本发明的具体实施方式。
如图1-5所示，本发明的高效脱磷的氧枪喷头，包括喷头氧气入口，进水环缝，出水环缝，数个氧枪喷孔，其特征在于所述的数个氧枪喷孔为一组氧枪喷孔I和一组氧枪喷孔II交错排列分布，所述的一组氧枪喷孔I布置在喷头端面的***，所述的一组氧枪喷孔II布置在喷头端面的内侧，
所述的氧枪喷孔I直径大于所述的氧枪喷孔II直径，所述的氧枪喷孔I的倾斜角度大于所述的氧枪喷孔II的倾斜角度。
所述的一组氧枪喷孔I和一组氧枪喷孔II均为拉瓦尔喷管。
所述的氧枪喷孔I喉部直径d12与氧枪喷孔II喉部直径d22比值为d12/d22＝1.05～1.55。
所述的氧枪喷孔I出口直径d13与氧枪喷孔II出口直径d23的比值为d13/d23＝1.05～1.55。
所述的氧枪喷孔I中心轴线与喷头的中心轴线夹角α1和氧枪喷孔II的中心轴线与喷头的中心轴线夹角α2关系为α1-α2＝3°～5°。
所述的氧枪喷孔I出口圆心距喷头中心线为L1和氧枪喷孔II出口圆心距喷头中心线为L2关系为L1/L2＝1.10～1.30。
所述的一组氧枪喷孔I和一组氧枪喷孔II的总数为4个、6个或8个，
所述的一组氧枪喷孔I和一组氧枪喷孔II的总数为4个时，所述的氧枪喷孔I数为2个，所述的氧枪喷孔II数为2个，
所述的一组氧枪喷孔I和一组氧枪喷孔II的总数为6个时，所述的氧枪喷孔I数为3个，所述的氧枪喷孔II数为3个，
所述的一组氧枪喷孔I和一组氧枪喷孔II的总数为8个时，所述的氧枪喷孔I数为4个，所述的氧枪喷孔II数为4个。
一种高效脱磷的氧枪喷头吹炼工艺，其特征在于工艺条件为：
(1)总管氧压≥1.3MPa，工作氧压0.9MPa～1.1MPa；
(2)结合高效脱磷的氧枪喷头结构特点，
开吹枪位在(35～40)倍氧枪喷孔I出口直径变化；
过程枪位在(30～35)倍氧枪喷孔I出口直径变化；
拉碳枪位(20～25)倍氧枪喷孔I出口直径变化。
本发明的高效脱磷的氧枪喷头，改变传统多孔射流氧枪喷头结构及喷吹工艺，采用一组大喷孔和一组小喷孔代替传统氧枪喷孔，大喷孔采用相对较大的倾斜度布置在喷头端面的***，在吹炼过程中，大喷孔的大倾斜角度避免了射流流股的快速融合，保证了各流股在射流方向的独立性，从而增大了射流流股与熔池的接触面积，而且分散的流股射流强度相对弱，在很大程度上防止喷溅过高而喷出炉口。与大喷孔相比，小喷孔则采用相对较小的倾斜度布置在喷头端面的内侧，较小的倾斜度使得射流流股融合较早，融合后的流股具有较大的射流能量，保证了吹炼过程对熔池的搅拌强度。
一种高效脱磷的氧枪喷头，如图2所示，由喷头氧气入口1、氧枪喷孔II2、氧枪喷孔I3、进水环缝4，出水环缝5构成。氧枪喷孔II2与氧枪喷孔I3均采用拉瓦尔喷管并且交错排列分布，氧枪喷孔I3中心轴线与喷头的中心轴线夹角为α1，氧枪喷孔II2的中心轴线与喷头的中心轴线夹角为α2；氧枪喷孔I3喉部直径为d12，出口直径为d13、氧枪喷孔II2喉部直径d22，出口直径d23；氧枪喷孔I3出口圆心距喷头中心线为L1，氧枪喷孔II2出口圆心距喷头中心线为L2；吹炼用氧气从氧气支管进入喷头氧气入口，而后进入氧枪喷孔I3和氧枪喷孔II2形成超音速射流。
所述氧枪喷孔I3喉部直径d12与氧枪喷孔II2喉部直径d22比值为d12/d22＝1.05～1.55，氧枪喷孔I3出口直径d13与氧枪喷孔II2出口直径d23的比值为d13/d23＝1.05～1.55，所述氧枪喷孔I3中心轴线与喷头的中心轴线夹角α1和氧枪喷孔II2的中心轴线与喷头的中心轴线夹角α2关系为α1-α2＝3°～5°，所述氧枪喷孔I3出口圆心距喷头中心线为L1和氧枪喷孔II2出口圆心距喷头中心线为L2关系为L1/L2＝1.10～1.30。
喷孔数量根据转炉容量确定，对于100～150吨转炉，所述的氧枪喷头总数4个，其中2个氧枪喷孔I3，2个氧枪喷孔II2；对于200～260吨转炉，所述的氧枪喷头总数6个，其中3个氧枪喷孔I3，3个氧枪喷孔II2；对于300～350吨转炉，所述的氧枪喷头总数8个，其中4个氧枪喷孔I3，4个氧枪喷孔II2。
实施例1
为验证本发明相比于传统氧枪喷头的明显效果，进行了相同冶炼条件下的高效脱磷氧枪喷头与传统氧枪喷头的对比实验，两个氧枪喷头的具体尺寸见表1。
表1 260t转炉用传统氧枪喷头和高效脱磷氧枪喷头的几何参数
实验期间生产钢种为汽车板，铁水量装入260t，废钢量装入30-40t，总管氧压1.4MPa，工作氧压1.0MPa，供氧流量54000Nm3/h。开吹枪位在2.6m～3.1m变化，过程枪位在2.4m～2.7m变化，拉碳枪位在2.0m～2.3m变化，实际依据现场情况略有浮动。
为保证实验的准确，实验用预处理铁水成分见表2所示，各炉次以及均值差别不大。记录并对比分析具有代表性的连续5炉的吹炼效果。
表2预处理铁水成分对比
实验的具体结果见表3，表4所示。由于本实验冶炼钢种相同，因此在出钢成分上差别不大，表3统计了传统氧枪和新型结构氧枪的各自5炉的出钢成分平均值，结果显示两杆不同氧枪对出钢成分的控制是相近的。
表3出钢成分均值对比
| 氧枪类型 | C实际值 | Si实际值 | Mn实际值 | P实际值 | S实际值 |
| 传统氧枪％ | 0.0474 | 0.0047 | 0.0991 | 0.0213 | 0.0157 |
| 高效脱磷氧枪％ | 0.0463 | 0.0042 | 0.0979 | 0.0207 | 0.0124 |
表4脱磷率对比
| 氧枪类型 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 平均值 |
| 传统氧枪％ | 74.2 | 80.6 | 78.9 | 80.5 | 81.9 | 79.22 |
| 高效脱磷氧枪％ | 79.9 | 83.8 | 84.1 | 81.5 | 83.4 | 82.54 |
从表4的脱磷率对比发现，高效脱磷氧枪的连续5炉钢种的脱磷率要比传统氧枪的连续5炉相同钢种的脱磷率高出3.32％。脱磷率提高比较明显，其主要原因是采用大倾角的分散流股后，射流分布范围较大，射流流股的独立性好，流股的衰减速度变慢，从而形成的冲击坑面积增大，炉内形成的喷溅金属液滴更分散，这对于前期的快速化渣具有积极的效果，泡沫渣形成的时间缩短，提高了脱磷率。
实施例2
对比“一种单流道双结构氧枪喷头及吹炼工艺”。该技术1)单流道双结构氧枪喷头及吹炼工艺目的是提高射流强度、保证射流氧枪对熔池的搅拌效果，同时减少喷溅发生。本发明的目的是增加氧枪喷头射流与熔池作用后产生的炉内喷溅量。2)二者的适用钢种是不同的，单流道双结构氧枪喷头适用性较广，但是对脱磷率要求高的钢种，脱磷效果与传统氧枪的相差不大，对比之下，高效脱磷氧枪对熔池的搅拌效果可能不如单流道双结构氧枪喷头，但是脱磷效果却非常显著。3)基于的射流原理是不同的，单流道双结构氧枪喷头分别定义了主、副孔。主孔的出口直径大倾角小，主要作用是增强射流对熔池的冲击效果和搅拌强度，延长喷头的射流核心区的距离，副孔出口直径小倾角大，主要作用是缓解主孔射流衰减，增加熔池冲击面积，间接改善化渣效果。高效脱磷氧枪的设计刚好相反，大喷孔布置在外侧并采用大倾角布置，保持了各股射流的独立性，增强了金属液滴的喷溅量，小喷孔布置在内侧并采用小倾角的设计则是基于小倾角射流更易于聚并的原理，以满足其对熔池足够的射流强度。
为验证两支不同类型的氧枪的吹炼差异性，结合实施例2，进一步对比了单流道双结构氧枪喷头和高效脱磷氧枪喷头在相同吹炼条件下的吹炼效果，实验过程与实施例1相同，两个氧枪喷头的具体尺寸见表5
表5 260t转炉用传统氧枪喷头和高效脱磷氧枪喷头的几何参数
实验期间生产钢种为汽车板，铁水量装入260t，废钢量装入35～45t，总管氧压1.4MPa，工作氧压1.0MPa，供氧流量54000Nm3/h。开吹枪位在2.6m～3.1m变化，过程枪位在2.4m～2.7m变化，拉碳枪位在2.0m～2.3m变化，实际依据现场有浮动。为保证实验的准确，预处理铁水成分以及均值差别±5％内。记录并对比分析具有代表性的连续5炉的吹炼效果。
在出钢成分差别不大的前提下(均值差别±5％内)，表6统计了高效脱磷氧枪和单流道双结构氧枪的各自连续5炉的关键冶炼指标的平均值。
表6关键冶炼指标分析
| 参数 | 单流道双结构氧枪 | 高效脱磷氧枪 |
| 吹炼时间/秒 | 14分37秒 | 15分19秒 |
| 脱磷率/％ | 79.98 | 84.02 |
| 氧耗/m<sup>3</sup>/t | 41.42 | 43.87 |
| 供氧强度/m<sup>3</sup>/t min | 3.19 | 2.87 |
| 钢铁料消耗/kg/t | 1110 | 1102 |
| 渣耗/t | 53.7 | 51.2 |
对比关键指标，结果发现，单流道双结构氧枪的优势体现在吹炼时间缩短42秒，供氧强度提高0.32m3/t min，氧耗减小2.45m3/t，这主要得益于单流道双结构氧枪的较高的射流冲击强度。高效脱磷氧枪的优势则体现在脱磷率提高4.04％，渣耗减小2.5t，钢铁料消耗降低98kg/t，这主要得益于高效脱磷氧枪与熔池作用形成的良好的炉内金属液滴喷溅。
综上所述，与目前的氧枪喷头相比，本发明所涉及的一种高效脱磷的氧枪喷头及吹炼工艺能够有效降低脱磷率，对于目前有较高脱磷任务的钢种具有广阔的前景。
本发明的高效脱磷的氧枪喷头和吹炼工艺，与相同转炉容量下的传统氧枪喷头相比，氧枪喷头的大喷孔的布置方案弱化了各射流流股之间的相互作用，增大了射流与熔池的接触面积，射流与熔池作用的液滴生成速率有了显着提高，脱磷效果显著；在保证转炉炼钢过程中相同的铁水预处理成分，相同废钢加入量以及相同加入渣量的前提下对同一钢种进行冶炼，脱磷率提高3％～8％；本发明的高效脱磷的氧枪喷头和吹炼工艺，使用高效脱磷的氧枪喷头，延长了氧枪喷头的使用寿命：***大喷孔与内侧小喷孔交错排列的布置方案提供了更利于流体流动的水冷空间，相同冶炼条件下，本发明的氧枪比传统氧枪的冶炼炉数提高30炉次～50炉次；使用高效脱磷的氧枪喷头，防止炉渣返干：在吹炼中期，熔池中氧量有下降趋势，FeO可能会被还原，炉渣成黏稠状，本发明可以弥补该不足，从而防止干渣形成；使用高效脱磷的氧枪喷头，更好的过程控制：金属滴的产生会影响磷和碳的去除，本发明的高效脱磷的氧枪喷头的大小孔流量比可控，从而影响液滴的产生，因此可以充当另一个吹炼过程控制要素，方便吹炼过程的动态控制。
Claims (8)
1.一种高效脱磷的氧枪喷头，包括喷头氧气入口，进水环缝，出水环缝，数个氧枪喷孔，其特征在于所述的数个氧枪喷孔为一组氧枪喷孔Ⅰ和一组氧枪喷孔Ⅱ交错排列分布，所述的一组氧枪喷孔Ⅰ布置在喷头端面的***，所述的一组氧枪喷孔Ⅱ布置在喷头端面的内侧，
所述的氧枪喷孔Ⅰ直径大于所述的氧枪喷孔Ⅱ直径，所述的氧枪喷孔Ⅰ的倾斜角度大于所述的氧枪喷孔Ⅱ的倾斜角度。
2.根据权利要求1所述的高效脱磷的氧枪喷头，其特征在于所述的一组氧枪喷孔Ⅰ和一组氧枪喷孔Ⅱ均为拉瓦尔喷管。
3.根据权利要求1所述的高效脱磷的氧枪喷头，其特征在于所述的氧枪喷孔Ⅰ喉部直径d12与氧枪喷孔Ⅱ喉部直径d22比值为d12/d22＝1.05～1.55。
4.根据权利要求1所述的高效脱磷的氧枪喷头，其特征在于所述的氧枪喷孔Ⅰ出口直径d13与氧枪喷孔Ⅱ出口直径d23的比值为d13/d23＝1.05～1.55。
5.根据权利要求1所述的高效脱磷的氧枪喷头，其特征在于所述的氧枪喷孔Ⅰ中心轴线与喷头的中心轴线夹角α1和氧枪喷孔Ⅱ的中心轴线与喷头的中心轴线夹角α2关系为α1-α2＝3°～5°。
6.根据权利要求1所述的高效脱磷的氧枪喷头，其特征在于所述的氧枪喷孔Ⅰ出口圆心距喷头中心线为L1和氧枪喷孔Ⅱ出口圆心距喷头中心线为L2关系为L1/L2＝1.10～1.30。
7.根据权利要求1所述的高效脱磷的氧枪喷头，其特征在于所述的一组氧枪喷孔Ⅰ和一组氧枪喷孔Ⅱ的总数为4个、6个或8个，
所述的一组氧枪喷孔Ⅰ和一组氧枪喷孔Ⅱ的总数为4个时，所述的氧枪喷孔Ⅰ数为2个，所述的氧枪喷孔Ⅱ数为2个，
所述的一组氧枪喷孔Ⅰ和一组氧枪喷孔Ⅱ的总数为6个时，所述的氧枪喷孔Ⅰ数为3个，所述的氧枪喷孔Ⅱ数为3个，
所述的一组氧枪喷孔Ⅰ和一组氧枪喷孔Ⅱ的总数为8个时，所述的氧枪喷孔Ⅰ数为4个，所述的氧枪喷孔Ⅱ数为4个。
8.一种高效脱磷的氧枪喷头吹炼工艺，其特征在于工艺条件为：
(1)总管氧压≥1.3MPa，工作氧压0.9MPa～1.1MPa；
(2)结合高效脱磷的氧枪喷头结构特点，
开吹枪位在(35～40)倍氧枪喷孔Ⅰ出口直径变化；
过程枪位在(30～35)倍氧枪喷孔Ⅰ出口直径变化；
拉碳枪位(20～25)倍氧枪喷孔Ⅰ出口直径变化。
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