CN113215353B - 一种双马赫数氧枪喷头 - Google Patents

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Abstract

一种双马赫数氧枪喷头属于钢铁冶金技术领域，尤其涉及一种双马赫数氧枪喷头。本发明提供一种双马赫数氧枪喷头。本发明双马赫数（Ma）氧枪喷头包括氧气入口1、进水环缝2、出水环缝3、***孔4、中心孔5和折流板6，其特征在于***孔4为多个向外周倾斜（即***孔4与氧气入口1的连接端更靠近喷头的中心，如图1所示）的***孔，***孔4围绕中心孔5均匀布置；中心孔5的出口的马赫数低于***孔4的出口的马赫数，吹炼用氧气从氧气支管进入氧气入口1，而后分别进入***孔4和中心孔5完成射流加速过程，冷却水则从进水环缝2进入完成对氧枪喷头的冷却后经折流板6从出水环缝3流出。

Description

一种双马赫数氧枪喷头
技术领域
本发明属于钢铁冶金技术领域，尤其涉及一种双马赫数氧枪喷头。
背景技术
氧枪的性能、结构以及其对应的吹炼工艺与转炉炼钢的效果密切相关。特别对于顶吹氧气转炉炼钢，更是起到了主导全局的作用。它决定了氧气射流与转炉熔池的接触面积、射流的穿透深度、射流对熔池的搅拌效果、熔池的升温速速率、各类元素的氧化程度等系列重要的工艺因素，因而对化渣、喷溅、杂质去除、终点控制以及各项经济技术指标都起着至关重要的作用。目前国内顶吹转炉炼钢普遍采用的多孔拉瓦尔氧枪喷头结构特点在于喷头的各喷孔尺寸和形状相同，出马赫数(Ma数)相同，并且围绕氧枪轴线均匀分布，在确定的转炉容量以及设计压力下，喷孔倾角和喷孔数量有比较严格的限定，通过调节氧枪枪位改变吹炼效果仍然是目前吹炼过程中最常见的工艺控制。然而在我国钢铁行业日益迫切的高效低成本炼钢的背景下，受困于射流性能控制的局限性，传统氧枪在吹炼过程的一系列问题也逐渐凸显，主要体现在：提高射流对熔池搅拌强度的同时容易造成炉外喷溅的发生。射流对熔池的搅拌强度对于转炉生产十分重要，搅拌强度越高，则转炉冶炼过程中吹炼时间越短，转炉的生产率越高，然而过高的搅拌强度意味着过大的冲击强度，容易导致金属液滴喷溅到氧枪引起粘枪、烧枪，从而缩短了氧枪使用寿命，甚至喷溅到炉外造成安全事故。近年来国外转炉的搅拌强度都有增大趋势，但是国内大型转炉搅拌强度与国外先进钢厂相比还有较大差距。
喷溅是高温熔融金属作业过程中发生频率最高、事故后果严重的典型事故，喷溅行为的发生会造成钢铁料消耗的增加，产生大量红尘，污染环境以及导致各类安全事故的发生。转炉作为钢铁冶炼的关键设备，伴随吹炼过程中物料平衡及热平衡等平衡状态的变化，炉口喷溅现象时有发生并直接影响到转炉钢铁料消耗和人身安全。因此，控制吹炼过程中炉口喷溅发生对降低钢铁料消耗，降低成本，增加钢铁企业效益起到至关重要的作用。目前国内外的转炉炼钢工艺已经大大改善了炉口喷溅的发生，然而传统氧枪在吹炼中发生的炉口跑渣、溢渣问题仍然时有发生。
目前，传统氧枪在提高搅拌强度同时降低炉口喷溅的问题上一直未能提供满意的解决方案。因此，改变氧枪射流特性以改进吹炼性能一直是国内外研究者不断探索的关键技术。
发明内容
本发明就是针对上述问题，提供一种双马赫数氧枪喷头。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案，本发明双马赫数(Ma)氧枪喷头包括氧气入口1、进水环缝2、出水环缝3、***孔4、中心孔5和折流板6，其特征在于***孔4为多个向外周倾斜(即***孔4与氧气入口1的连接端更靠近喷头的中心，如图1所示)的***孔，***孔4围绕中心孔5均匀布置；中心孔5的出口的马赫数低于***孔4的出口的马赫数，吹炼用氧气从氧气支管进入氧气入口1，而后分别进入***孔4和中心孔5完成射流加速过程，冷却水则从进水环缝2进入完成对氧枪喷头的冷却后经折流板6从出水环缝3流出。
作为一种优选方案，本发明所述***孔4和中心孔5均采用拉伐尔管结构。
作为另一种优选方案，本发明所述***孔4与喷头的中心轴线的夹角α为13～15°，中心孔5的中心轴与喷头的中心轴重合。
作为另一种优选方案，本发明所述折流板6为设置在进水环缝2底部的倾斜环板，环板由中下向外上倾斜，环板中心为过水孔。折流板延长流道长度,增加管间流速,增加湍流程度,提高氧枪喷头冷却效果的目的。
作为另一种优选方案，本发明所述环板的上端面为二折面，环板的下端面为斜面，上端面外圈折面8的倾斜度大于内圈折面7的倾斜度。
作为另一种优选方案，本发明所述中心孔5出口直径为do2、***孔4出口直径为do1，
Figure BDA0003067137190000031
Q2为中心孔流量，Q1为***孔流量，Ma1为***孔的出口的马赫数，Ma2为中心孔的出口的马赫数，v01为***孔的出口速度，v02为中心孔的出口速度。
作为另一种优选方案，本发明所述Q2/Q1的范围为30/70～35/65。
其次，本发明所述中心孔5的出口Ma＝1.7～1.9，所述***孔4的出口Ma＝2.00～2.09。
另外，本发明双马赫数(Ma)氧枪喷头适用范围为200-300吨转炉，中心孔5的数量为1个，***孔4的数量为4个，吹炼过程的前期化渣枪位为2.6～3.2m，中期脱碳枪位为2.4～2.8m，后期拉碳枪位为2.0～2.4m。
本发明有益效果。
本发明改变传统多孔射流喷头结构，采用一个低马赫数(Ma数)中心孔以保证氧枪射流的强度，采用多个高Ma数、大倾斜角度的***孔环绕中心孔布置，以维持氧射流的有效吹炼面积，降低炉口的喷溅问题。该技术方案的创新之处在于中心孔采用低Ma数的单孔大流量布置，一方面低Ma数能有效降低射流与熔池作用产生的喷溅现象，另一方面单股大流量可以弥补低Ma数所造成的供氧强度下降的缺陷。而对于中心孔环绕的***孔，借助高Ma数的大倾斜度的结构特点，一方面大倾斜度增大了射流与熔池的作用面积，另一方面高Ma数弥补了大倾斜度所降低的冲击强度。两种Ma数协同布置，丰富了氧枪喷头的设计参数和工艺参数，克服了通过调节氧枪枪位改变吹炼效果这一传统的吹炼工艺，在一定程度上可以有效解决吹炼过程中提高搅拌强度同时降低炉口喷溅的问题。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。本发明保护范围不仅局限于以下内容的表述。
图1为200-300吨转炉用的双马赫数氧枪喷头前视剖面图。
图2为200-300吨转炉用的双马赫数氧枪喷头俯视图。
图3为200-300吨转炉用的双马赫数氧枪喷头仰视图。
图4为200-300吨转炉用的双马赫数氧枪喷头二等角轴测图。
图5为本发明剖视图。
具体实施方式
实施例1：260吨转炉用双马赫数氧枪喷头及吹炼工艺的水模型实验
由于实际高温吹炼中采集炉口喷溅量难度较大，因此在实施例1中，以260吨转炉为原型，按比例缩少7倍，建立转炉-氧枪水模型***。该***主要包括空气压缩机、定压罐、转炉模型、氧枪喷头、升降装置组成。
实验枪位在实际吹炼过程中操作枪位的基础上，通过模型与原型的几何相似确定为0.24m～0.4m。吹氧量通过相似准则数Froude数计算得(140-180)Nm3/h。喷溅量通过在炉口覆盖吸水海绵，并对单位时间的海绵重量变化进行记录求得。
氧枪射流对熔池的搅拌强度无法直接获得，因此采用目前常规方法——混匀时间法，间接反应射流对熔池的搅拌强度。混匀时间越短，则搅拌强度越大。
模型氧枪喷头分别采用传统5孔氧枪喷头、传统6孔氧枪喷头和双Ma数氧枪喷头三种类型，具体几何尺寸如表2所示。
表1.转炉原型和模型的几何尺寸
类别 原型 1/7模型
容量(ton) 260 -
熔池直径(m) 6.12 0.87
熔池深度(m) 1.80 0.26
表2.模型氧枪喷头的几何尺寸
Figure BDA0003067137190000041
Figure BDA0003067137190000051
本实施方案中的三种氧枪喷头在不同供气流量和不同喷吹高度下的炉口喷溅量分别如表3、4和5所示。
表3.传统五孔氧枪喷头炉口喷溅量/g m-2min-1
工况点 0.24m 0.32m 0.4m
140Nm<sup>3</sup>/h 3.212 3.0871 2.788
160Nm<sup>3</sup>/h 3.312 2.991 2.983
180Nm<sup>3</sup>/h 3.8 3.650 3.400
表4.传统六孔氧枪喷头炉口喷溅量/g m-2min-1
工况点 0.24m 0.32m 0.4m
140Nm<sup>3</sup>/h 3.314 3.101 2.811
160Nm<sup>3</sup>/h 3.57 3.399 3.213
180Nm<sup>3</sup>/h 4.089 3.771 3.596
表5.双Ma数氧枪喷头炉口喷溅量/g m-2min-1
工况点 0.24m 0.32m 0.4m
70Nm<sup>3</sup>/h 2.9556 2.823 2.6777
80Nm<sup>3</sup>/h 3.220 2.901 2.980
90Nm<sup>3</sup>/h 3.745 3.501 3.315
对比本实施例的实验结果，可以发现：在相同枪位和供气流量下，双Ma数氧枪喷头炉口喷溅量比传统5孔氧枪和6孔氧枪的都要低。这说明通过采用中心孔与***孔的双Ma数的布置方案在相同的喷吹工艺下能够有效的降低炉口喷溅量。其中双Ma数氧枪喷头在不同工况下的炉口喷溅量的平均值比传统5孔低4.00％，比传统6孔的低9.04％。
本实施方案中的三种氧枪喷头在不同供气流量和不同喷吹高度下的混匀时间分别如表6、7和8所示。
表3.传统五孔氧枪喷头混匀时间/s
Figure BDA0003067137190000052
Figure BDA0003067137190000061
表4.传统六孔氧枪喷头混匀时间/s
工况点 0.24m 0.32m 0.4m
140Nm<sup>3</sup>/h 70 71 74
160Nm<sup>3</sup>/h 60 62 68
180Nm<sup>3</sup>/h 54 60 62
表5.双Ma数氧枪喷头炉口混匀时间/s
工况点 0.24m 0.32m 0.4m
70Nm<sup>3</sup>/h 62 67 71
80Nm<sup>3</sup>/h 57 58 59
90Nm<sup>3</sup>/h 53 54 56
对比本实施例的实验结果，可以发现：在相同枪位和供气流量下，双Ma数氧枪喷头混匀时间比传统5孔氧枪和6孔氧枪的都要低。这说明通过采用中心孔与***孔的双Ma数的布置方案在相同的喷吹工艺下能够有效改善射流对熔池的搅拌强度。其中双Ma数氧枪喷头在不同工况下的炉口喷溅量的平均值为59.7s，比传统5孔氧枪低15.9s，比传统6孔的低4.8s。
从实施例的效果来看，双Ma数氧枪喷头能够实现提高射流对熔池搅拌强度的同时减小炉外喷溅的发生。
本发明与本领域技术成熟的传统氧枪喷头及其吹炼工艺相比，本发明彻底颠覆了传统结构氧枪喷头设计思想，本发明可以实现在相同转炉容量下，采用相同氧流量时，有效降低炉口喷溅率约2％～10％；而对于相同的炉口喷溅量下，有效缩短吹炼时间，供氧强度提高约3％～7％。由于吹炼工艺采用的吹炼枪位比目前传统氧枪的吹炼枪位高0.1～0.5m，因此本发明在氧枪喷头的粘枪问题上也会得到较大程度的改善，这对于氧枪喷头的使用寿命提高具有积极的效果。
可以理解的是，以上关于本发明的具体描述，仅用于说明本发明而并非受限于本发明实施例所描述的技术方案，本领域的普通技术人员应当理解，仍然可以对本发明进行修改或等同替换，以达到相同的技术效果；只要满足使用需要，都在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种双马赫数氧枪喷头，包括氧气入口(1)、进水环缝(2)、出水环缝(3)、***孔(4)、中心孔(5)和折流板(6)，其特征在于，***孔(4)为多个向外周倾斜的***孔，***孔(4)与氧气入口(1)的连接端更靠近喷头的中心，***孔(4)围绕中心孔(5)均匀布置；中心孔(5)的出口的马赫数低于***孔(4)的出口的马赫数，吹炼用氧气从氧气支管进入氧气入口(1)，而后分别进入***孔(4)和中心孔(5)完成射流加速过程，冷却水则从进水环缝(2)进入完成对氧枪喷头的冷却后经折流板(6)从出水环缝(3)流出；
所述***孔(4)和中心孔(5)均采用拉伐尔管结构；
所述***孔(4)与喷头的中心轴线的夹角α为13～15°，中心孔(5)的中心轴与喷头的中心轴重合；
所述折流板(6)为设置在进水环缝(2)底部的倾斜环板，环板由中下向外上倾斜，环板中心为过水孔；折流板延长流道长度,增加管间流速,增加湍流程度,提高氧枪喷头冷却效果的目的；
所述环板的上端面为二折面，环板的下端面为斜面，上端面外圈折面(8)的倾斜度大于内圈折面(7)的倾斜度；
所述中心孔(5)出口直径为do2、***孔(4)出口直径为do1，
Figure FDA0003856204080000011
Figure FDA0003856204080000012
Q2为中心孔流量，Q1为***孔流量，Ma1为***孔的出口的马赫数，Ma2为中心孔的出口的马赫数，v01为***孔的出口速度，v02为中心孔的出口速度；
所述Q2/Q1的范围为30/70～35/65；
所述中心孔(5)的出口Ma＝1.7～1.9，所述***孔(4)的出口Ma＝2.00～2.09；
双马赫数氧枪喷头适用范围为200-300吨转炉，中心孔(5)的数量为1个，***孔(4)的数量为4个，吹炼过程的前期化渣枪位为2.6～3.2m，中期脱碳枪位为2.4～2.8m，后期拉碳枪位为2.0～2.4m。
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