本钢板材炼钢厂氧枪喷头工作参数分析.pdf

METALLURGICAL INFORMATION REVIEW 2024.226冶金信息导刊应用研究Application Research本钢板材炼钢厂氧枪喷头工作参数分析张弘弼 薛长江 王子铮（鞍钢集团本钢板材炼钢厂 本溪 117000）摘要：氧枪是氧气转炉中的最重要工艺设备之一，其性能特征直接影响到冶炼效果和吹炼时间，从而影响最终的钢材性能和钢产量。氧枪通过氧气射流流股与熔池的相互作用来实现吹炼交互，这种作用取决于氧气射流达到熔池表面时的速度大小和其冲击面积、冲击深度，因此优化氧枪喷头的工艺参数和合理的结构设计非常重要。通过对本钢板材炼钢厂的氧枪喷头工作参数进行计算，结合现场的实际工况，得出最适合本钢的操作模式。关键词：氧枪喷头；冲击深度；冲击面积；供氧流量ANALYSIS OF OXYGEN LANCE NOZZLES WORKING PARAMETERS OF BENSTEEL SHEET STEELMAKING PLANTZhang Hongbi Xue Changjiang Wang Zizheng(Steelmaking Plant of BenSteel Plate Co.,Ltd.Benxi 117000,China)Abstract：As one of the most important process equipment in oxygen converters,the smelting effect and blowing time were directly affected by oxygen lances,their performance will thereby have impacted on the final steel performance and output.As we all know,oxygen lances function by interactive blowing through the interaction between oxygen jet stream and molten pools,which depends on the oxygen impingement speed,area and depth when it reaches the surface of molten pools;thus,it is of great significance to optimize the process parameters and reasonable structural design of oxygen nozzles.This article calculated the working parameters of the oxygen lance nozzles in Bensteel sheet steelmaking plant,combined with the actual working conditions on site,and obtained the most suitable operating mode for Bensteel.Key words:oxygen lance nozzles;impact depth;impact area;oxygen supply flow rate0 前 言本钢板材炼钢厂现有 180 t 顶底复吹转炉 7 座，年生产能力在 1 000 万 t 以上。为了更好地了解和使用现有氧枪喷头，对炼钢厂现阶段使用的氧枪喷头相关工作参数做出一系列计算，并根据计算结果规范氧枪操作制度。“软吹”是由于使用氧压 P 用低于设计氧压P0时，氧气流股在氧孔出口断面上射流过分膨胀，在氧孔出口处产生斜激波，大大地降低了对熔池的穿透能力和搅拌能力，射流的性能很不稳定，致使吹炼操作很不稳定。操作氧压过低时，熔池搅拌减弱，渣中 TFe 含量过高，氧气利用率降低。同时由于喷头端面和氧孔内造成负压，极易吸入钢渣，造成喷头损坏。因此，软吹在转炉操作中，危害很大，是要极力避免的。作者：张弘弼，男，34 岁，炼钢工程师收稿日期：2024-01-30METALLURGICAL INFORMATION REVIEW 2024.227冶金信息导刊应用研究Application Research“硬吹”就是在使用氧压P用高于设计氧压P0 20%左右时，氧气射流的特性不会发生明显变化。硬吹时，氧气射流的动量大，穿透能力强，搅拌力度大，吹炼效果较好。但是如果操作氧压过高时，造成化渣不好、喷溅增加，能量损失增加，氧流也不稳定，所以不能用过高的氧压操作。“硬吹”和“软吹”是相对的1。1 现阶段使用氧枪喷头参数本钢板材炼钢厂现阶段所采用的氧枪喷头结构及参数如图 1 及表 1 所示，为锻压组装式拉瓦尔型五孔喷头，喷头夹角为 14，马赫数为 2.02。式中：h为冲击深度，cm；P0为喉口前压力，MPa；0为喷孔喉口直径，cm：H为氧枪枪位，cm。第二种方式2：1.5P00h=-1.5 H式中：h为冲击深度，n（lin=25.4 mm）；P0为喉口前压力，1 b/in2（1l bf/in2=6 894.76 Pa）；0为喷孔喉口直径，in；H为氧枪枪位，in。分别计算三种工作压力下的氧枪枪位从150 400 cm 的冲击深度及与熔池深度比值，并绘制表 2 表 4、图 2 图 4。可以看出，使用两种方式计算出的不同枪位下表 1 氧枪喷头参数喉口直径/mm出口直径/mm夹角/()喷孔数马赫数工作压力/MPa38 000 Nm3/h40 000 Nm3/h42 000 Nm3/h43.5571452.020.830.880.941-头冠；2-导水板；3-氧管；4-氧气盘；5-外管；6-中管；7-内管图 1 组装式锻压喷头结构示意12345672 对喷头进行冲击深度和有效冲击面积的计算在本钢板材炼钢厂实际工作参数下，计算转炉熔池内的冲击深度和有效冲击面积，以得出最合适的工作参数。2.1 参数选取取 喉 口 直 径 43.5 mm；分 别 取P0=0.83、0.88、0.94 MPa；计算熔池深度大约为 140 cm。2.2 冲击深度计算为保证计算结果正确，采用了两种方式计算冲击深度。第一种方式2：340P00h=H+3.8表 2 工作压力 0.83 MPa（即 38 000 Nm3/h）下的冲击深度及百分比氧枪枪位/cm150170180200220250280300350400冲击深度 1/cm104.0397.9595.3090.6086.5681.4477.1674.6769.4265.18冲击深度 2/cm98.4092.2089.5084.7180.5975.3671.0068.4763.1058.78冲击深度 1 与熔池深度比值/%74.3169.9668.0764.7261.8358.1755.1253.3449.5846.56冲击深度 2 与熔池深度比值/%70.2965.8663.9360.5157.5653.8350.7248.9045.0741.99表 3 工作压力 0.88 MPa（即 40 000 Nm3/h）下的冲击深度及百分比氧枪枪位/cm150170180200220250280300350400冲击深度 1/cm110.07103.62100.8195.8391.5586.1281.5878.9473.3768.88冲击深度 2/cm104.5697.9995.1290.0485.6780.1375.5172.8267.1462.55冲击深度 1 与熔池深度比值/%78.6274.0272.0168.4565.3961.5158.2756.3952.4149.20冲击深度 2 与熔池深度比值/%74.6969.9967.9464.3261.2057.2453.9452.0147.9544.68METALLURGICAL INFORMATION REVIEW 2024.228冶金信息导刊应用研究Application Research冲击深度及与熔池深度比值趋势是一致的，都是随着氧枪枪位的提高，冲击深度逐渐降低，且氧枪工作压力越大，在相同的枪位条件下，冲击深度越深。2.3 计算有效冲击面积为保证计算结果正确，采用了两种方式计算有效冲击半径。第一种方式2：5h2g铁R效=2V2 max氧气式中：R效为有效冲击半径，m；h为冲击深度，m；g为重力加速度，9.81 m/s2；铁为铁水比重，7 000 kg/m3；氧气为氧气比重，1.429 kg/m3；Vmax为液面氧射流中心流速，m/s。V出d出P0Vmax=0.404H式中：V出为氧射流在出口处的流速 m/s；d出为喷头出口直径，m；H为氧枪枪位，m；P0为喉口前压力，MPa。第二种方式2：h2R效=52.4110 000 V2 max式中：R效为有效冲击半径，m；h为冲击深度，m；Vmax为液面氧射流中心流速，m/s。V出d出P0Vmax=0.404H式中：V出为氧射流在出口处的流速,m/s；d出为喷头出口直径，m；H为氧枪枪位，m；P0为喉口前压力，MPa。分别计算三种工作压力下的氧枪枪位，从150 400 cm 的有效冲击半径及有效冲击面积，发现在不同工作压力下有效冲击半径及有效冲击面积变化不大，故只取一种工作压力（0.83 MPa）下的结果，并绘制表 5、图 5 图 6。可以看出，使用两种方式算出的不同枪位下有效冲击半径、有效冲击面积变化趋势是一致的，都是随着氧枪枪位的提高，冲击半径逐渐增大。2.4 根据计算结果确定合理枪位如图 7 所示，确定合适的枪位主要考虑两个因素3-4：一是要有一定的冲击面积；二是在保证炉表 4 工作压力 0.94 MPa（即 42 000 Nm3/h）下的冲击深度及百分比氧枪枪位/cm150170180200220250280300350400冲击深度 1/cm117.31110.43107.42102.1197.5391.7386.8884.0778.1173.31冲击深度 2/cm111.95104.93101.8696.4491.7885.8680.9278.0571.9767.08冲击深度 1 与熔池深度比值/%83.8078.8876.7372.9369.6765.5262.0660.0555.7952.37冲击深度 2 与熔池深度比值/%79.9674.9572.7668.8965.5561.3357.8055.7551.4147.91图 4 工作压力 0.94 MPa（即 42 000 Nm3/h）下的冲击深度及百分比806040200%150 170 180 200 220 250 280 300 350 400冲击深度 1 与熔池深度比值/%；冲击深度 2 与熔池深度比值/%图 2 工作压力 0.83 MPa（即 38 000 Nm3/h）下的冲击深度及百分比100806040200%150 170 180 200 220 250 280 300 350 400冲击深度 1 与熔池深度比值/%；冲击深度 2 与熔池深度比值/%图 3 工作压力 0.88 MPa（即 40 000 Nm3/h）下的冲击深度及百分比9080706050403020100%150 170 180 200 220 250 280 300 350 400冲击深度 1 与熔池深度比值/%；冲击深度 2 与熔池深度比值/%METALLURGICAL INFORMATION REVIEW 2024.229冶金信息导刊应用研究Application Research底不被损坏的条件下，有一定的冲击深度。枪位过高射流的冲击面积大，但冲击深度减小，熔池搅拌减弱，渣中TFe含量增加，吹炼时间延长。枪位过低，冲击面积小，冲击深度加大，渣中 TFe 含量减少，不利化渣，易损坏炉底。通常冲击深度L与熔池L0之比为 60%70%较为合理，若冲击深度过浅，脱碳速度与氧气利用率降低；若冲击深度过深，易损坏炉底，造成严重喷溅。冲击深度 60%为较低水平，冲击深度 75%为较深水平5-6。由表 2、表 3、表 4 可以看出，在38 000 Nm3/h 下吹炼，枪位在 250 cm 以上的冲击深度都较低，枪位在 150 cm 的冲击深度较深；在40 000 Nm3/h 下吹炼，枪位在 280 cm 以上的冲击深度都较低，枪位在 170 cm 以下的冲击深度较深；在 42 000 Nm3/h 下吹炼，枪位在 300 cm 以上的冲击深度较低，枪位在180 cm以下的冲击深度较深。本钢板材炼钢厂转炉熔池半径为 2.615 m。由表 5 表 6 可以看出，在枪位 280 cm 以上的时候，氧枪有效冲击半径偏大，占熔池半径的30%以上。根据理论计算合适的氧枪高度为H=（3550）d喉，即 152 218 cm。此项数据作为参考。3 结 论表 5 工作压力 0.83 MPa 下的有效冲击半径及有效冲击面积氧枪枪位/cm150170180200220250280300350400R效 1/m0.45 0.51 0.55 0.61 0.67 0.77 0.87 0.93 1.10 1.26 R效 2/m0.45 0.52 0.55 0.61 0.68 0.77 0.87 0.93 1.10 1.27 S效 1/m20.64 0.83 0.94 1.17 1.42 1.86 2.36 2.73 3.77 5.00 S效 2/m20.65 0.84 0.94 1.17 1.43 1.87 2.37 2.74 3.80 5.03图 6 工作压力 0.83 MPa 下的有效冲击面积图 7 吹炼初期、碳激烈氧化期气、渣、金属相对运动示意150 170 180 200 220 250 280 300 350 400R效1/m；R效2/m1.41.21.00.80.60.40.20.0图 5 工作压力 0.83 MPa 下的有效冲击半径150 170 180 200 220 250 280 300 350 400R效1/m；R效2/m6.05.04.03.02.01.00.0一氧化碳气泡金属炉渣液滴氧气气泡一氧化碳气泡金属炉渣液滴氧气气泡（下转第 49 页）METALLURGICAL INFORMATION REVIEW 2024.249冶金信息导刊工程装备Engineering Equipment声构件或用砖墙砌筑。如此设计施工可以降低噪声排放 35 40 dB。2.3.3 切换阀排气噪声切换阀排气噪声属于喷注噪声。测量表明，沿喷注表面，在喷口附近，声压较低，在 3 4倍喷口直径的距离内迅速增加到极大值，以后又慢慢降低，喷注噪声大部分来自混合区和过渡区的湍流运动，高频噪声主要是在喷口附近产生的，低频噪声主要是在下游产生的，频谱峰在核心的尖端附近3。目前，阀门切换排气消声使用多孔陶瓷消声器，由于其体积小巧、效果明显，具有一定优势。但其阻力上升快、使用周期较短，不利于其推广应用。因此，可以在距离阀门比较近的位置设置一台排气消声器，将所有阀门排气用管道引入消声器集中处理，这样可以做到“一劳永逸”。2.3.4 噪声治理设计中还存在一种情况，即厂房内负压高，检修门打开困难厂房隔声工艺越来越多采用室内进风的模式，即利用厂房内风机将室外空气引入室内，达到风机取气和对室内降温的作用。这样可以取消通常配置室内进风风机及消声器的做法，节约建设费用及运行成本。厂房隔声工艺必须根据室内风机风量，将进风消声面积设计得足够大，保证消声断面的流速小于 8 m/s。3 治理效果通过以上治理措施，制氧机厂房周围噪声可以达到 80 dB 以内，如果厂界距离较近，可以单独对真空泵、鼓风机设置隔声间，可以使厂房周边噪声进一步降低至 60 dB，通过距离衰减，厂界噪声可以达标。通过二级消声，放散塔顶部噪声排放降至75 dB，消除真空泵特征噪声扰民现象。4 结 语吸附式制氧是近年来建设较多的制氧系统，适应了当前钢铁工业发展的需要，但其突出的噪声污染是一个不可回避的问题，必须加以解决。上述是吸附式制氧机配套建设噪声治理中出现的常见问题，提出了切实可行的解决办法。为吸附式制氧机建设噪声污染治理设计、施工提供了思路，为吸附制氧机噪声排放达标、减少扰民现象提供了治理方向。参考文献1 吕玉恒,王庭佛.噪声与振动控制设备材料选用手册 M.第2 版.北京：机械工业出版社,1999.2 马大猷.噪声与振动控制工程手册 M.第 1 版.北京：机械工业出版社，2002.3 杨红伟，孙金凤，王艳，等.噪声控制新技术与消声器设计选用及质量检验标准规范实用手册M.第1版.北京：北方工业出版社，2006.目 前 炼 钢 厂 氧 枪 的 设 计 供 氧 流 量 为38 000 Nm3/h，因为回收系统的限制、废钢装配过多、吹炼过程溢渣等问题导致班组在吹炼时常使用36 00038 000 Nm3/h吹炼，也就是说一直处于“软吹”状态，软吹会大大地降低氧气对熔池的穿透能力和搅拌能力，射流的性能很不稳定，致使吹炼过程操作很不稳定，同时由于喷头端面和氧孔内造成负压，极易吸入钢渣，造成喷头损坏。因此，在吹炼中应尽量杜绝“软吹”，保证实际供氧流量在设计流量 38 000 Nm3/h 以上。在供氧流量为 38 000 Nm3/h 时，化渣枪位范围建议为 170 220 cm，拉碳枪位为 150 cm；在供氧流量为 40 000 Nm3/h 时，化渣枪位范围建议为 180 250 cm，拉碳枪位为 170 cm；在供氧流量为 42 000 Nm3/h 时，化渣枪位范围建议为 200 280 cm，拉碳枪位为 180 cm。参考文献1 王新华.钢铁冶金 M.北京:高等教育出版社,2010.2 张岩,张红文.氧气转炉炼钢工艺与设备 M.北京:冶金工业出版社,2019.3 刘锟,刘浏,何平,等.转炉生产低磷钢的脱磷反应热力学 J.钢铁,2012,47(1):34-39.4 Double Slag Operation Dephosphorization in BOF for Producing Low Phosphorus SteelJ.Journal of Iron and Steel Research(International),2009,16(3):6-14.5 阚永海,范鼎东,任茂勇,等.120 t 转炉氧枪喷吹射流特性及其冶金效果 J.天津冶金,2019(6):1-5.6 周振宇,唐萍,周遵传,等.200t 提钒复吹转炉氧枪喷头优化J.钢铁,2019(9):50-56,105.（上接第 29 页）