7氧气的供应及设备

2.9氧气的供应及设备2.9.1氧气的供应氧气转炉炼钢车间消耗大量工业纯氧，纯度要求≥99.5%。现代钢铁厂都有大规模的空气分离设备。供氧系统构成如下：制氧机、加压机、中压储氧罐、输氧管、控制闸阀、测量仪表及喷枪等。供氧系统的工艺流程图见图；制氧机→低压储气柜0.039MPa→增压机0.8-1.5MPa→中间储气罐1.0-3.0MPa→输氧管道→减压阀→仪表增压机0.8-1.5MPa中间储气罐1.0-3.0MPa制氧机低压储气柜0.039MPa（1）炼钢车间需氧量的计算需氧量取决于转炉座数、炉子容量、供氧强度、吹氧时间等；一般吹氧时间大约占冶炼周期的一半左右；故转炉吹炼过程中会出现供氧高峰负荷；计算出平均耗氧量和高峰耗氧量，并选择制氧机能力和台数。1）一座转炉吹炼时的小时耗氧量60GWQ2t260GW6015054Q1=12150t140平均小时耗氧量高峰小时耗氧量2）转炉车间的小时耗氧量车间平均小时耗氧量Q3=nQ1;车间高峰小时耗氧量Q4=1.5Q23）制氧机能力的选择据车间平均小时耗氧量确定，设置储气罐来满足高峰用氧量。按标准系列选取；除了转炉外，还需考虑其它工序小额用氧量，如炉外精炼设备。各种容量氧气转炉制氧机配备情况转炉容量，t305080120300制氧机台数及容量经常吹炼一座转炉1×6000m3/h1×6000m3/h1×10000m3/h1×20000m3/h2×26000m3/h经常吹炼二座转炉2×6000m3/h2×6000m3/h2×10000m3/h2×20000m3/h4×26000m3/h国内可供选择的氧气转炉制氧机系列：1000m3/h，1500m3/h，3200m3/h，6000m3/h，10000m3/h，20000m3/h，26000m3/h，35000m3/h2.9.2氧枪的设计吹炼过程在由氧枪所喷射的超音速氧气流股与金属熔池的相互作用下进行；冶炼效果与氧气流股的特性以及对金属熔池的冲击效果相关；氧枪的结构设计至关重要由于氧枪在吹炼过程中要承受热负荷（反应区温度2000-2600℃）及钢液和炉渣对氧枪的冲刷，要求氧枪有良好冷却效果和牢固的金属结构，保证耐高温、抗冲刷侵蚀和振动；氧枪按形状分直筒型、螺旋型、拉瓦尔型，按照孔数分3、4、5、6、7孔等等；氧枪结构由喷头、枪身和尾部结构三部分组成；转炉氧枪电炉氧枪转炉副枪（1）氧枪喷头的设计按照结构形状可以分为直筒型、螺旋型、拉瓦尔型，使用的大多为拉瓦尔型。此外，还有一些特殊用途的喷头，如长喉口氧-石灰喷头和氧-油-燃气喷头等；喷头：是氧枪的核心部分，可以称为能量转换器；即将氧气管中氧气的高压力能转换为动能，并通过氧气射流完成对熔池的作用。而氧气射流的参数主要由喷头参数所确定。拉瓦尔型1）氧气顶吹转炉对喷头设计主要要求A在一定的操作氧压和枪位条件下，为吹炼提供所需供氧强度（大型转炉3.3-3.6Nm3/t.min），使氧气射流获得较大的动能，达到合适的穿透深度（多孔氧枪hi=0.25-0.40h），对熔池进行搅拌的同时又不至于引起喷溅；B在合适枪位下，氧气射流形成合适的反应区，形成合适的冲击半径，保证熔池均匀，对炉衬侵蚀小；C氧枪喷头寿命要长，结构合理简单；氧气射流沿氧枪轴线不出现负压区和强的湍流运动；D多孔喷头的流股以多个中心射向熔池，在金属熔池液面上形成多个反应区，为使反应面积大又不冲刷炉墙，就得要求流股与金属熔池接触前，诸流股互不交汇；2）喷头设计参数的确定A氧流量或供氧强度氧流量qv：是指单位时间通过氧枪的氧量，以体积流量来表示，m3/h或m3/min；供氧强度：是指单位时间每吨钢的供氧量，m3/t.min；供氧强度=吨钢耗氧量/吹氧时间B喷枪的孔数早期转炉采用单孔喷嘴，随着炉子容量增加，要想保证吹氧时间少，就得增加供氧强度，60年代后出现了3、4孔和更多孔数的氧枪。现在按照炉子容量大小选取，通常小于80吨转炉使用3孔，100-200吨采用4-5孔，大于200吨采用5-7孔氧枪；①单孔拉瓦尔型：这种喷头动能较高，对熔池冲击力大，小型转炉中还有采用；②多孔拉瓦尔型：多孔喷头的最大特点是变单孔喷头的集中供氧为多孔喷头的分散供氧。在熔池面上形成多个反应区，增大了氧气流股对于对熔池的冲击面积，有利于加快炉内的物理化学反应；例如三孔喷头的三个孔为3个拉瓦尔管，它们的中心线与喷头中轴线夹角为9-11º。3个孔以等边三角形分布，见图；实践证明，多孔喷枪具有较好的工艺性能；吹炼平稳、喷溅少，炉口结渣少，供氧强度提高，金属收得率高，冲击面积大，化渣快，热效率高、废钢比高等优点；但是多孔喷枪流股的流速衰减比单孔快，所以枪位低，导致易烧枪，从而对喷头的冷却要求高；转炉3孔氧枪转炉4孔氧枪转炉5孔氧枪3）喷头出口马赫数与设计工况氧压确定设计工况氧压又称理论计算氧压，是指喷头进口处的氧压，近似于滞止氧压P0。它是设计喷头、计算喉口和出口直径的重要参数。推荐选择0.686-0.786MPa；出口马赫数：是指气流速度与当地条件下的音速之比，M的大小决定了氧气流股的出口速度的大小，也就决定了对熔池冲击力的大小；M愈大，v出越大，同时对应较大的P0。当M=2.0左右时，v出=450-500m/s,可以满足冶炼要求；实际中常取2.0,最大2.5。选择好P0后，一般将炉役期内最低操作氧压定为设计工况氧压来进行喷头的设计；例如太钢二炼50吨转炉M=2.0，三孔拉瓦尔型，鞍钢180吨转炉M=2.0，四孔拉瓦尔型，供氧强度3.3m3/t.min，工作氧压0.78MPa；国内供氧制度多为恒压变枪操作，所谓恒压是分阶段恒压，在一个炉役期内，随着金属装入量的增加，供氧量增大，而供氧量增大是靠提高氧压来实现的，因此使用氧压并非恒等于设计氧压；4）炉膛压力为使氧气的压力能最大限度地转化为动能，氧气流股在喷头出口处的静压力应该等于炉膛压力，即P出=P膛；通常炉膛压力高于当地大气压200-1200Pa，为0.099-0.102MPa。首钢P膛的为1.24-1.38㎏/㎝2,前苏联的取1.24㎏/㎝2,P膛/P0是M的函数，M一定，P膛/P0是定值（查等熵流表），即可计算出所需P05）喷孔夹角和喷孔间距①喷孔夹角：是指喷孔的几何中心线和喷头中轴线之间的夹角β角；每股射流同熔池作用处的最大冲击点和喷头中轴线之间的距离称为冲击半径；冲击半径大小主要取决于喷孔夹角和枪位，也受马赫数、氧压和喷孔间距的影响。设计良好的喷头，氧气射流基本上沿着喷孔中心线流动，在熔池面上形成一定的冲击半径的反应区；生产实践证明，冲击半径和熔池半径之比循环比R比=R冲/R熔是对转炉冶炼有重大影响的参数。三孔喷头R比在正常枪位下在0.1-0.2范围内较好。此外，考虑喷孔夹角时还应该考虑熔池直径和熔池深度的比值大小，深熔池取下限，浅熔池取上限。随着孔数增加，喷孔夹角应该增大；孔数和夹角关系见表孔数3456夹角β9-1110-1313-1515-17孔数和夹角关系有时各企业的喷枪夹角也并不是严格遵循这一规范，例如鞍钢的4孔氧枪，喷孔夹角为14度，这主要是因为该设备的高径比小，内高8000㎜，内径5400㎜的缘故。要保证冲击半径的大小，必须增大喷孔夹角；②喷孔间距：是喷头喷孔出口处中心线与中轴线之间的距离，其大小用喷孔分散度m来表示，它等于喷孔间距和喷孔出口直径之比d间/d出。增大喷孔间距不会降低射流中心最大流速，因此喷头设计时，原则上尽可能增大喷孔间距而不宜增大喷孔夹角，但又受限于喷头的尺寸。喷孔间距太大，因喷头鼻部不宜通水，冷却强度降低，容易烧枪。合适的喷孔间距保持在A=（0.8-1.0）d出。不会对氧气射流的速度衰减产生明显影响；6）喷孔的形状超音速的拉瓦尔型，由收缩段、喉口和扩张段所组成。喷孔将压力能转化为动能，对熔池产生较大的冲击半径。形状上可以简化，使喷管呈圆锥体，便于加工制造。喷孔形状圆锥形喷管收缩段进口直径相当于喉口直径的2倍，收缩角大约30度，长度大约是喉口直径的一倍。经过收缩段把低马赫数的气流加速到喉口处马赫数M=1.0，即达到音速。喉口长度2-10㎜，呈圆滑连接。圆锥形喷管扩张段半锥角4-6°，查表，根据喉口面积和出口面积A出/A喉,就可以计算出扩张段长度。气流在扩张段进一步被加速，到出口处达到设计所要求的马赫数；7)喷孔流量系数CD喷管氧气流量的公式是根据等熵流理论导出的，但即使设计加工再良好的喷管，也不可能实现等熵流。生产中氧流流过时，必有摩擦，不完全绝热，因此引入喷管流量系数来表示实际流量和理论流量的偏差，CD=Q实/Q理，因此喷管的实际流量计算式应该是（1）：一般单孔喷头CD=0.95-0.96，三孔喷头CD=0.90-0.95。如果取A喉取㎡，P0取的单位为Pa,则流量计算式应该是（2）这里滞止温度T0取273+夏天气温即30-40°。（1）（2）㎡001.782DAPQCT喉Pa0017.64DAPQCT喉㎏/㎝2㎝2（2）喷头的计算转炉公称容量为150吨，依据物料平衡计算知每吨钢铁料耗氧54m3，吹氧时间为18min。新炉参数：内径为4.908m，有效高度9.895m,熔池深度1.626m，炉熔比0.90m3/t。输氧管测压点氧气最高压力为1.18MPa，氧气平均温度为35℃，化渣枪位高度1.5~1.8m，吹炼枪位高度0.9~1.2m。装入制度：转炉公称容量为150t，采用阶段定量法。2)计算氧流量新炉时装入量为150t，氧气流量CSiMnPS4.0~4.50.3~0.50.15~0.250.100~0.2000.02~0.061)原始条件铁水成分如下表：Q=5415045018(Nm3/min)CSiMnPS4.0~4.50.3~0.50.15~0.250.100~0.2000.02~0.063)喷孔选择选定喷孔出口处马赫数为M=2.0，采用四孔喷头，喷孔为拉瓦尔型，夹角β=12°。4)计算设计工况氧压和喉口直径查等熵流表，当M=2.0时，P/P0=0.1278,取P=P膛=0.100MPa,则得设计工况氧压:0.1000.7820.1278P0=（MPa）每孔氧流量q=Q/4=112.5(Nm3/min)取Cd=0.92，T0=273+35=308(K),P0=0.782MPa=7.97kg/cm2,则有04qT4112.5308===4.417.64CdP17.640.927.97dcm喉=44㎜5)确定喷孔出口直径M=2.0，查等熵流表得A出/A喉=1.688，即(mm)，则A出=1.688A喉，则d出6)计算喷孔其它几何尺寸取喷孔喉口的直线段长度为3mm，扩张段的半锥角为4°，则扩张段长度为：L=mm7）收缩段：收缩段的直径以能使整个喷头布置得下四个喷孔为原则，尽可能采取收缩孔大一些。为此，取收缩段进口尺寸d收=82mm，L收=1.0d喉=44mm,则半锥角d=1.688d=1.6884457.2出喉mmd-d57.24493.02tg420.06993出喉（）d-d82-44θ=arctgarctg23312L244收喉锥收（3）氧枪枪身设计氧枪枪身由三层同心无缝钢管组成，其长度决定于炉子尺寸与工艺布置要求，计算如下：（1）中心钢管直径的确定：已知氧流量，氧气在中心钢管内的流速已知（相当于马赫数M=2.0左右）考虑，这样较为经济和安全。因为流速过高会增加氧气在管内的阻力，对钢管来说也不安全；流速过低则会增大枪身直径，使得热损失及耗水量增大。中心氧管是向喷头输送氧气的管道，直径大小取决于氧气在管道内流量和流速。计算式为A0=qv/v0管内氧气的工况体积流量qv取决于公称容量、供氧强度及吹氧时间。已在喷头设计时计算出标态下的流量q，由标态下q的向工况体积流量计算：00q..qPTvPT标标计算出的d再根据标准系列进行选择，一般资料上都有标注：外径×壁厚。中心氧管壁厚一般为4-6㎜q=GI公称容量