張弘弼 薛長江 王子錚

作者：張弘弼，男，34歲，煉鋼工程師

收稿日期：2024-01-30

摘 要：氧槍是氧氣轉爐中的最重要工藝設備之一，其性能特征直接影響到冶煉效果和吹煉時間，從而影響最終的鋼材性能和鋼產量。氧槍通過氧氣射流流股與熔池的相互作用來實現吹煉交互，這種作用取決于氧氣射流達到熔池表面時的速度大小和其沖擊面積、沖擊深度，因此優(yōu)化氧槍噴頭的工藝參數和合理的結構設計非常重要。通過對本鋼板材煉鋼廠的氧槍噴頭工作參數進行計算，結合現場的實際工況，得出最適合本鋼的操作模式。

關鍵詞：氧槍噴頭；沖擊深度；沖擊面積；供氧流量

ANALYSIS OF OXYGEN LANCE NOZZLES WORKING PARAMETERS OF BENSTEEL SHEET STEELMAKING PLANT

Zhang 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 rate

0? ? 前? ? 言

本鋼板材煉鋼廠現有180 t頂底復吹轉爐7座，年生產能力在1 000萬t以上。為了更好地了解和使用現有氧槍噴頭，對煉鋼廠現階段使用的氧槍噴頭相關工作參數做出一系列計算，并根據計算結果規(guī)范氧槍操作制度。

“軟吹”是由于使用氧壓P用低于設計氧壓P0時，氧氣流股在氧孔出口斷面上射流過分膨脹，在氧孔出口處產生斜激波，大大地降低了對熔池的穿透能力和攪拌能力，射流的性能很不穩(wěn)定，致使吹煉操作很不穩(wěn)定。操作氧壓過低時，熔池攪拌減弱，渣中TFe含量過高，氧氣利用率降低。同時由于噴頭端面和氧孔內造成負壓，極易吸入鋼渣，造成噴頭損壞。因此，軟吹在轉爐操作中，危害很大，是要極力避免的。

“硬吹”就是在使用氧壓P用高于設計氧壓P0 20%左右時，氧氣射流的特性不會發(fā)生明顯變化。硬吹時，氧氣射流的動量大，穿透能力強，攪拌力度大，吹煉效果較好。但是如果操作氧壓過高時，造成化渣不好、噴濺增加，能量損失增加，氧流也不穩(wěn)定，所以不能用過高的氧壓操作。

“硬吹”和“軟吹”是相對的[1]。

1? ? 現階段使用氧槍噴頭參數

本鋼板材煉鋼廠現階段所采用的氧槍噴頭結構及參數如圖1及表1所示，為鍛壓組裝式拉瓦爾型五孔噴頭，噴頭夾角為14 °，馬赫數為2.02。

2? ? 對噴頭進行沖擊深度和有效沖擊面積的計算

在本鋼板材煉鋼廠實際工作參數下，計算轉爐熔池內的沖擊深度和有效沖擊面積，以得出最合適的工作參數。

2.1? ? 參數選取

取喉口直徑43.5 mm；分別取P0=0.83、0.88、0.94 MPa；計算熔池深度大約為140 cm。

2.2? ? 沖擊深度計算

為保證計算結果正確，采用了兩種方式計算沖擊深度。

第一種方式[2]：

340×P0×Φ0

h= ——————

√H+3.8

式中：h為沖擊深度，cm；P0為喉口前壓力，MPa；Φ0為噴孔喉口直徑，cm：

H為氧槍槍位，cm。

第二種方式[2]：

1.5×P0×Φ0

h= —————— - 1.5

√H

式中：h為沖擊深度，n（lin=25.4 mm）；P0為喉口前壓力，1 b/in2（1l bf/in2=6 894.76 Pa）；Φ0為噴孔喉口直徑，in；H為氧槍槍位，in。

分別計算三種工作壓力下的氧槍槍位從150～400 cm的沖擊深度及與熔池深度比值，并繪制表2～表4、圖2～圖4。

可以看出，使用兩種方式計算出的不同槍位下沖擊深度及與熔池深度比值趨勢是一致的，都是隨著氧槍槍位的提高，沖擊深度逐漸降低，且氧槍工作壓力越大，在相同的槍位條件下，沖擊深度越深。

2.3? ? 計算有效沖擊面積

為保證計算結果正確，采用了兩種方式計算有效沖擊半徑。

第一種方式[2]：

5×h2×g×ρ鐵

R效=————————

2×V2 max×ρ氧氣

式中：R效為有效沖擊半徑，m；h為沖擊深度，m；g為重力加速度，9.81 m/s2；ρ鐵為鐵水比重，7 000 kg/m3；ρ氧氣為氧氣比重，1.429 kg/m3；Vmax為液面氧射流中心流速，m/s。

V出×d出×P0

Vmax= ——————

0.404×H

式中：V出為氧射流在出口處的流速m/s；d出為噴頭出口直徑，m；H為氧槍槍位，m；P0為喉口前壓力，MPa。

第二種方式[2]：

h2

R效=5×2.41×10 000×——

V2 max

式中：R效為有效沖擊半徑，m；h為沖擊深度，m；Vmax為液面氧射流中心流速，m/s。

V出×d出×P0

Vmax= ——————

0.404×H

式中：V出為氧射流在出口處的流速， m/s；d出為噴頭出口直徑，m ；H為氧槍槍位，m；P0為喉口前壓力，MPa。

分別計算三種工作壓力下的氧槍槍位，從150～400 cm的有效沖擊半徑及有效沖擊面積，發(fā)現在不同工作壓力下有效沖擊半徑及有效沖擊面積變化不大，故只取一種工作壓力（0.83 MPa）下的結果，并繪制表5、圖5～圖6。

可以看出，使用兩種方式算出的不同槍位下有效沖擊半徑、有效沖擊面積變化趨勢是一致的，都是隨著氧槍槍位的提高，沖擊半徑逐漸增大。

2.4? ? 根據計算結果確定合理槍位

如圖7所示，確定合適的槍位主要考慮兩個因素[3-4]：一是要有一定的沖擊面積；二是在保證爐底不被損壞的條件下，有一定的沖擊深度。槍位過高射流的沖擊面積大，但沖擊深度減小，熔池攪拌減弱，渣中TFe含量增加，吹煉時間延長。槍位過低，沖擊面積小，沖擊深度加大，渣中TFe含量減少，不利化渣，易損壞爐底。

通常沖擊深度L與熔池L0之比為60%～70%較為合理，若沖擊深度過淺，脫碳速度與氧氣利用率降低；若沖擊深度過深，易損壞爐底，造成嚴重噴濺。

沖擊深度60%為較低水平，沖擊深度75%為較深水平[5-6]。由表2、表3、表4可以看出，在38 000 Nm3/h下吹煉，槍位在250 cm以上的沖擊深度都較低，槍位在150 cm的沖擊深度較深；在40 000 Nm3/h下吹煉，槍位在280 cm以上的沖擊深度都較低，槍位在170 cm以下的沖擊深度較深；在42 000 Nm3/h下吹煉，槍位在300 cm以上的沖擊深度較低，槍位在180 cm以下的沖擊深度較深。

本鋼板材煉鋼廠轉爐熔池半徑為2.615 m。由表5～表6可以看出，在槍位280 cm以上的時候，氧槍有效沖擊半徑偏大，占熔池半徑的30%以上。

根據理論計算合適的氧槍高度為H=（35～50）×d喉，即152～218 cm。此項數據作為參考。

3? ? 結? ? 論

目前煉鋼廠氧槍的設計供氧流量為38 000 Nm3/h，因為回收系統(tǒng)的限制、廢鋼裝配過多、吹煉過程溢渣等問題導致班組在吹煉時常使用36 000～38 000 Nm3/h吹煉，也就是說一直處于“軟吹”狀態(tài)，軟吹會大大地降低氧氣對熔池的穿透能力和攪拌能力，射流的性能很不穩(wěn)定，致使吹煉過程操作很不穩(wěn)定，同時由于噴頭端面和氧孔內造成負壓，極易吸入鋼渣，造成噴頭損壞。因此，在吹煉中應盡量杜絕“軟吹”，保證實際供氧流量在設計流量38 000 Nm3/h以上。

在供氧流量為38 000 Nm3/h時，化渣槍位范圍建議為170～220 cm，拉碳槍位為150 cm；在供氧流量為40 000 Nm3/h時，化渣槍位范圍建議為180～250 cm，拉碳槍位為170 cm；在供氧流量為42 000 Nm3/h時，化渣槍位范圍建議為200～280 cm，拉碳槍位為180 cm。

參考文獻

[1]? ? 王新華.鋼鐵冶金[M].北京：高等教育出版社，2010.

[2]? ? 張巖，張紅文.氧氣轉爐煉鋼工藝與設備[M].北京：冶金工業(yè)出版社，2019.

[3]? ? 劉錕，劉瀏，何平，等.轉爐生產低磷鋼的脫磷反應熱力學[J].鋼鐵，2012，47（1）：34-39.

[4]? ? Double Slag Operation Dephosphorization in BOF for Producing Low Phosphorus Steel[J]. Journal of Iron and Steel Research （International），2009，16（3）：6-14.

[5]? ? 闞永海，范鼎東，任茂勇，等.120 t轉爐氧槍噴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，周遵傳，等.200t提釩復吹轉爐氧槍噴頭優(yōu)化[J].鋼鐵，2019（9）： 50-56，105.