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氧枪设计说明书


氧枪设计说明书
唐斌

摘要
骤。

220t 顶吹氧气转炉的氧枪设计, 以及设计过程中应注意的环节和步

关键词

转炉

氧枪

喷头

设计

Lance Design Review
TangBin

Abstract

220t oxygen top-blown oxygen converter gun design,and

design process should pay attention to the links and steps。

Keywords 一、概述

Converter

Oxygen lance

Nozzle

Design

氧枪是转炉炼钢不可缺少的装置, 并对转炉冶炼过程的各项技术指标具有重 要的地位和决定性作用。 顶吹转炉问世以来,对氧枪进行了完善和改进,主要集中在氧枪喷头上,将 过去的单孔变为多孔,由锻造喷头改进成整体铸造或组合喷头,极大地推进了转 炉技术的发展。目前随着转炉容积的增大,要求按比例的增加氧气流量,使用一 个单孔直筒型喷嘴供应氧气,会增大喷溅,降低金属收得率。所以现代企业逐渐 地从直筒型喷嘴过渡到收缩-扩张型拉瓦尔式多孔喷嘴。多孔氧枪的主要优点是 容易化渣、减少喷溅、吹炼过程平稳,提高金属收得率、并提高了氧气效率。但 多孔喷头的缺点是氧射流的穿透能力减弱了。对同样的供氧能力,多孔氧枪的操 作枪位较低。这意味着除增加设计、制造的复杂性以外,多孔氧枪将处于更加恶 劣的工作条件,使氧枪喷头易被侵蚀,就需要更有效的水冷条件,就需增加冷却 水用量,改善喷头内冷却水通道的设计。因此,如何选择氧枪的最佳参数是优化 转炉生产操作的重要课题。

二、基本原理
氧枪喷头的设计包括供氧量的计算、理论设计氧压的计算、喷头出口马赫数 的计算、喷射扩张段的扩张角和扩张长度的计算、喷嘴喉口氧气流量的计算。收


缩尺寸的计算和喷嘴喉口段长度的计算等。 1,供氧量 单位时间的供氧量决定于供氧强度和炉容量,而供氧强度则与铁水成分、炉 容比和路容量有关。铁水含硅、磷高时,供氧量强度应降低,以免太喷溅影响金 属收得率,同理,炉容比小者也应降低供氧强度。供氧量由吨钢耗氧量、出钢量 和吹氧量的物料平衡来计算确定。一般每吨钢氧耗量约在 50-60m3(标态) ,高 磷铁水每吨钢氧耗量在 60-70m3(标态)范围内选取。对于中、小转炉,在一个 炉役中出钢量的变化很大,现以转炉公称吨位即炉役平均出钢量进行喷头计算:
供养量 = 每吨钢耗氧量 × 出钢量 吹氧时间

1 ○

2,理论设计氧压
理论设计氧压(绝对压力)是喷嘴进口处的氧压,是设计喷嘴喉口和出口直 径的重要参数。一般使用氧压范围为 0.78~1.18MPa,理论设计氧压是使用氧压 范围中的最低氧压。但在实际中允许使用氧压与理论设计氧压有一定偏离,生产 实践中使用操作氧压不大于理论设计氧压的 150%仍能很好的工作。但低于理论 设计氧压时,即氧压出现负偏离,出现过度膨胀射流,气流在喷头能提前完成膨 胀,到达出口前继续膨胀,而且气流离开喷头管壁时,出口压力小于环境压力, 在喷头内部产生的激波使射流能量损失增大。在压力差小于零时,氧射流受到收 缩而产生斜激波,压力差越大,斜激波强度越高。激波使气体流动过程中的不连 续面, 由于激波产生压力和速度的急剧变化, 射流能量损失增大, 射流品质恶化, 使射流速度迅速变为亚声速,严重影响吹炼效果。在计算时根据马赫数 Ma 查等 熵值表计算。

3,出口射流马赫数
喷头出口射流马赫数的大小决定了喷嘴氧气出口速度, 既决定了氧气射流对 熔池的冲击能力。射流马赫数过大,则会出现喷溅,清渣费时,热损失增大,增 大了渣料消耗及铁损,而且容易损坏转炉内衬及炉底;气流搅拌作用减弱,降低 氧气的利用率,渣中铁含量增高,也会引起喷溅。一般推荐氧气射流马赫数选取 的范围为 Ma=1.8~2.1。对于大于 120t 转炉,马赫数 Ma=2.0~2.1。

4,孔数及孔间夹角



对于多孔喷头,喷头孔数和孔间夹角之间关系对射流影响比较大。喷孔之间 的间距过于小,氧气射流之间相互吸引,射流向中心偏移,影响每股射流中心速 度的衰减。一般要求在喷头端面,喷孔中心同氧枪中心轴线之间距离一般保持在 。喷头喷孔数和对应夹角关系 (0.8~1.0) d出 (喷孔出口直径) 表1 孔数 夹角 3
9 0 ~ 110

喷头喷孔数和对应夹角关系表 4
10 0 ~ 130

5
13 0 ~ 15 0

>5
15 0 ~ 17 0

5,扩张角与扩张段长度

对于 4 孔喷头喷孔与氧枪中心线夹角为 12.5 0 ,绘图时可选取 12 0 或者 13 0 。 ,扩张段长度 L 计算经验表 射流扩张段的扩张角一般取 8 0 ~ 12 0 (半锥角 4 0 ~ 6 0 ) 达式为:
L= d出 - d 喉
2 tan ? 2 ○

扩张段长度也可以由经验数据选定,即:扩张段长度/出口直径 ≈ 1.2~1.5。 6,喉口氧气流量 对于标准状态下得氧气,氧气密度为 1.429kg/m3,,并考虑氧气在管道中流 动时的摩擦,乘以流量系数 C D 加以修正:
Q实 = 1.782C D A喉 p 0 T0

3 ○

式中, Q实 为实际氧量量(标态) m 3 /min; p 0 为绝对氧压,MPa; T0 为氧气滞 , 止温度,一般按当地夏天选取, T0 = 273 + (30 ~ 40)K;C D 为喷孔流量系数,对 多孔喷头, C D = 0.90 ~ 0.96 。 7,收缩段长度 收缩段的作用是将气流从低速约 Ma=0.2 加速到马赫数 Ma=1。从氧枪内管到 收缩段的过度状况的加工精度同样要求较高, 收缩段到喉口的过渡应比较平缓和 光滑。收缩段应尽量短些,以减少紫铜用量。收缩段长度计算经验公式:



L收 = 0.8 ~ 1.5)d 喉 ( 8,扩张角与扩张段

4 ○

扩张角 ? 扩 要适当,如果 ? 扩 过小,出口直径 d出 一定,则扩张段过长,使得 该段的边界层增加,相当于减小了出口直径,压力损失也增加;如果 ? 扩 过大, 则会使扩张段过短,流股在一截面处实际截面膨胀不到该处的喷孔截面积啊,易 出现流股与管壁脱离的现象,即 A气<A孔 ,这样势必导致流股不稳定,并在管壁 附近形成负压区, 其后果是喷孔内不能吸进钢渣而烧坏喷孔或因吸进质量比氧气 大的物质而损失能量。合适的扩张段的半锥角( ? 扩 /2)一般为 4 0 ~ 6 0 ,可保证 气流不脱离孔壁。扩张段长度 L扩 在确定了 ? 扩 后可按下式求出:

L扩 = d 出 - d 喉) 2 tan ( ? 扩 /2) ( /( )
2 d出 = A / A喉)d喉 ( 1

5 ○ 6 ○

三、设计任务
设计一 220t 顶吹氧气转炉的氧枪,铁水条件为:[C]= 4.11%;[Si]=0.80%; [Mn]=0.62%;[P]=0.15%;[S]= 0.040%;铁水温度:1300℃;Ma=2.04;铁水比 85%; 废钢比 15%; 出钢 198t (按合金收得率 90%计算) 渣量是金属装入量的 10%, , 渣中 FeO 含量占 16%,Fe2O3 含量 5%,金属料中 85%的碳氧化生成 CO,15%的碳氧化 生成 CO2,四孔喷头。

四、计算过程
3.1 铁水、废钢及成品钢的化学成分见表 1. 表2 元素 铁水/% 废钢/% 脱氧前钢液/% 成品钢/% C 4.11 0.16 0.15 0.16 铁水、废钢及成品钢的化学成分 Si 0.80 0.18 0.02 0.18 Mn 0.62 0.60 0.05 0.5 P 0.15 0.02 0.02 0.02 S 0.04 0.03 0.03 0.03

3.2 氧的平衡计算(以 100Kg 炉料计算)



(1)金属成分的计算 C=4.11 × 0.85+0.16 × 0.15=3.5175(Kg) Si=0.80 × 0.85+0.18 × 0.15=0.707(Kg) Mn=0.62 × 0.85+0.60 × 0.15=0.617(Kg) P=0.15 × 0.85+0.02 × 0.15=0.1305(Kg) S=0.04 × 0.85+0.03 × 0.15=0.0385(Kg) (2)金属料各元素氧化至脱氧前所需氧量的计算 100Kg 金属料各元素氧化氧气耗量见表 2. 表3 元 素 100Kg 金属料各元素氧化氧气耗量

100Kg 金属料中该元素的氧 金属氧化反应式 氧气耗量/Kg 化量/Kg 及产物 C+1/2O2=CO 3.3675 × 85% × 16/12 =3.8165 C+O2=CO2 3.3675 × 15% × 32/12 =1.347

C

3.5175-0.15=3.3675

Si Mn P S

0.707-0.02=0.687 0.617-0.05=0.567 0.1305-0.02=0.111 0.0385-0.03=0.0085

Si+O2=SiO2 Mn+1/2O2=MnO2 2P+5/2O2=P2O5 S+O2=SO2

0.687 × 32/28=0.785 0.567 × 16/55=0.165 0.111 × 80/62=0.143 0.0085 × 1/4 × 32/32 =0.0021

Fe

100 × 10% × 16% × 56/72=1.244 100 × 10% × 5% × 112/160=0.35

Fe+1/2O2=FeO 2Fe+3/2O2=Fe2O3

1.244 × 16/56=0.355 0.35 × 48/112=0.15 6.7635

合 计

6.3345

注:气化脱硫量占脱硫总量的 1/4. (3)炼钢过程中,通常要加入铁矿石或铁矾土作为冷却剂。假设加入的铁矿石 用量是金属料的 0.6%,根据所加铁矿石的成分(见表 3)计算。 表4 铁矿石 TFe CaO AL2O3 铁矿石成分表 SIO2 MgO FeO P S



成分 所占比 例/% 注:此表数据参考钢铁大学网澳大利亚哈默斯利铁矿成分。 每 100Kg 金属料由 铁 矿石带入熔池 的氧量 =100 × 0.6% × 0.05% × 16/56+100 × 0.6% × 0.14% × 16/72+100 × 0.6% × 4.35% × 32/60+100 × 0.6% × 2.58% × 48/102+100 × 0.6% × 0.08% × 16/40=0.02167Kg 每 100Kg 金属料由铁矿石带入熔池的铁量: 100 × 0.6% × 62.74%+100 × 0.6% × 0.14% × 56/72=0.3771Kg 转炉吹炼过程中,铁被氧化,一部分进入渣中,还有一部分进入炉气。转炉冒的 红烟,就是铁被氧化造成的,这部分的铁量为: 100-90-6.3345+0.3771=4.0426Kg 烟尘中铁的氧化物,FeO 占 80%,Fe2O3 占 20%,这部分铁的氧化,氧气耗量是: 4.0426 × 80% × 16/56=0.924Kg; 4.0426 × 20% × 48/112=0.3465Kg; 则每 100Kg 金属料的氧耗量是: 6.7635-0.02167+0.924+0.3465=8.0123Kg 假设氧气的利用率为 98%,氧气的纯密度为 99.7%,密度(标态下)1.429kg/m?, 则每吨金属料的氧耗量是:
8.0123 1000 × = 57 m?/t 98% × 99.7% × 1.429 10

62.74

0.05

2.58

4.35

0.08

0.14

0.07

0.05

现以设计的转炉为例,转炉装入量为 220t,每吨钢耗量(标态下)57m?/t,吹 炼时间为 15min.则供氧量 Q 由公式○得: 1
Q= 57 × 220 = 836 m?/t 15

3.3 选择喷孔出口马赫数、孔数及其夹角 Ma 选取为 2.04,喷头孔数为 4 孔,喷头喷孔夹角的确定见表 1.根据表 1 数据, 选取喷孔夹角 12°。 3.4 理论设计氧压 查等熵流表:当 Ma=2.04 时,p/ p 0 =0.12009,p=0.0981Mpa,则:



p0 =0.0981/0.12009 × 10 6 =0.817 × 10 6 Pa

3.5 计算喉口直径 每 孔 氧 流 量 ( 标 态 ) q=Q/4=209m ? /min, 令 C D =0.93 , T0 =273+37=310K , 3 p0 =0.817Mpa,应用公式○计算:
2 πd喉 0.817 × 10 6 209=1.782 × 0.93 × × 4 310

则 d喉 =0.0588m≈58.8mm

计算出口直径。依据 Ma=2.04,查等熵流表得 A / A喉 =1.7452 由公式○: 6
2 d出 = A / A喉)d喉 =77.7mm ( 1

4 收缩段的长度由公式○:
L收 = 1.2 × d 喉 =1.2 × 58.8=71mm

计算扩张段的长度,取半锥角 5°时,由公式○得: 5
L扩 = 77.7 - 58.8) 2 tan 5°) ≈108mm ( /(

喷嘴喉口长度的确定:选取 L喉 =10mm 3.6 氧枪抢体的设计和计算 3.6.1 内管直径的计算 内管氧气的流通截面积可用下式计算:
A氧 = 6.3 × 10 -6 × QT0 p 0W氧

7 ○

已知 Q=836m?/min, T0 =310K, p0 =0.817Mpa, W氧 =55m/s,则
A氧 = 6.3 × 10 -6 × 836 × 310 = 0.0363 0.817 × 55

内管直径 d 氧 =

4 × 0.0363 = 0.2150 m) 215 mm) ( = ( π

铜管壁厚选用 10mm,选部颁标准钢管 Φ 219 × 10。 3.6.2 中层管和外管直径的计算 进水环缝有效流通截面积 F进 , F进 = 冷却水流量(m 3 / s) (㎡) 进水流速(m / s)


8 ○

回水环缝有效流通截面积 F回 , F回 =

冷却水流量(m 3 / s) 2 (m ) 回水流速(m / s)
Q冷 C × ?t = Q吸 C × ?t

9 ○

冷却水流量按下式计算:

M水 =

10 ○

由上述计算知内管直径 Φ 219,加上进水环缝 23 × 2=46(mm) ,加上中层管壁厚 8 × 2=16(mm) ,加上回水环缝 13 × 2=15.3(mm) ,加上外管壁厚 12 × 2=24(mm) , 则氧枪外径预计为 331mm。氧枪伸入炉内大约 15m,则氧枪的受热面为:
( 0.331 2 ) ×π+ 0.331 × 15 ×π= 15.676 m 2) ( 2

Q吸 = 0.96 × 10 6 × 15.676 = 15.05 × 10 6 KJ / h

取 ? t=15℃,可算出冷却水量 M 水 =

15.05 × 10 6 = 240 m 3 / h) 0.067(m 3 / s ) ( = 4180 × 15

8 带入公式○ F进 =0.067/5=0.014( m 3 )

( 因为 F进 =

Φ 2 π 2 Φ中 2 2 ) ? 内 ) = (Φ中 ? Φ内) π( π 2 2 4 4 F进
1 2 2 + Φ内) = (

12 ○
1

所以 Φ 中 = (

π

4 × 0.014 2 + 0.219 2) = 0.257 m) ( π

中层管得壁径厚选 8mm,则中层管得外径为 0.257+0.008 × 2=0.273(m) 选部颁标准 Φ 299 × 8 管。 代入公式○ 9
F回 =0.067/6=0.011(㎡)

π 2 π 2 π 2 2 因为 F回 = Φ 外 ? Φ中 = (Φ 外 ? Φ中 ) 4 4 4 所以 Φ 外
4 × 0.011 2 = ( +Φ ) = ( + 0.299 2) = 0.321 m) ( π π 4 F回
1 2 2 中 1

13 ○

外径壁的壁厚选 12mm,则外管得外径为 0.321+0.012 × 2=0.345(m) 外管选为部颁标准 Φ 351 × 12 管 综上:所设计氧枪的三层钢管为 Φ 351 × 12, Φ 299 × 8, Φ 219 × 10 。



五 、结 语
对于大型转炉氧枪的设计,应尽量考虑到转炉的装入量及喷头数目,特别是 氧枪喷头的选取与设计,应以准确的氧流量、氧气管压力和装入量为依据,合理 确定喷孔倾角、冶炼周期,还应考虑与精炼、连铸等工序的配合。使用喷头要求 生产过程计量化、工艺操作规范化,炼钢车间应在冶炼时间、钢水收得率、渣中 FeO含量、操作稳定性及炉龄、枪龄等诸技术指标之间取得最佳平衡,来确定最 佳的吹炼操作工艺。 参考文献
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