转炉氧枪及供氧技术知识

转炉氧枪及供氧技术知识1．喷头设计需考虑哪些因素?主要根据炼钢车间生产能力大小、原料条件、供氧能力、水冷条件和炉气净化设备的能力来决定。同时考虑到转炉的炉膛高度、直径大小、熔池深度等参数确定其孔数、喷孔出口马赫数和氧流股直径。对于原料中废钢比高、高磷铁水冶炼或需二次燃烧提温等情况，则其氧枪喷头的设计就需特殊考虑。根据以上因素确定氧气流量(Nm3／h)、喷头马赫数、操作氧压(MPa)、喷头孔数、喉口直径(mm)、喷孔出口直径(mm)，喷孔夹角等。2．转炉炉容比(V／T)的概念，及它对吹炼过程有何影响?转炉炉容比(V／T)是指转炉炉腔内的自由空间的容积V(m3)与金属装入量(铁水+废钢+生铁块单位t)之比。装入量过大，则炉容比相对就小，在吹炼过程中可能导致喷溅增加、金属损耗增加、易烧枪粘钢；装入量过小，则熔池变浅，炉底会因氧气射流对金属液的强烈冲击而过早损坏，甚至造成漏钢。大型转炉的炉容比一般在0．9-1．05m3／t之间，而小型转炉的炉容比在0．8m3／t左右。通常在转炉容量小、铁水含磷高、供氧强度大、喷孔数少，或用铁矿石或氧化铁皮做冷却剂等情况下，则炉容比应选取上限。反之则选取下限。3．如何选取熔池深度?通常最大冲击深度L与熔池深度h之比选取L/h=0．4—0．7。当L/h〈0．3时，即冲击深度过浅，则脱碳速度和氧的利用率会大为降低，还会导致出现终点成分及温度不均匀的现象；当L/h〉0．7时，即冲击深度过深，有可能损坏炉底和喷溅严重；在适合的炉容比情况下，如果熔池装入量过浅，可考虑将熔池砌成台阶形。4．如何计算冲击反应区深度?计算公式为：h/d出=（ρ出/ρ钢）1/2·（β/H）1/2·V出/g1/2(4．1)式中h—冲击反应区深度mρ出—出口气体密度kg／m3；ρ钢——钢液密度kg／m3；β—常数，决定于射流的马赫数M，当M=0．5—3．0时，距出口15×d出，β=6—9，M大，取上限；H—枪位m；V出—射流出口速度m／s；g——重力加速度m2／s。5．如何确定供氧强度?首先根据转炉工序的冶炼周期确定纯供氧时间。由纯供氧时间就可算出供氧强度，即单位时间内每吨金属的耗氧量，一般转炉的供氧强度为：3．0—4．0m3／t·min。供氧强度还应考虑转炉的附属设备能力，尤其是氧枪的冷却系统及炉气净化系统能力。6．在确定氧枪喷孔倾角时需考虑哪些因素?对于多孔喷头而言，每个喷孔轴线与喷头轴线之间的倾角为α。为避免从喷头射出的各股射流在到达熔池表面前相交，倾角应尽量取较大值。倾角过小，各射流的穿透能力增大，而冲击熔池的面积减小，倾角过大则射流的穿透能力减小，冲击熔池的面积增大，担心冲刷炉壁。必须考虑从同一喷头喷出几股射流之间相互作用的问题。流股射流中心为负压区，使射流互相牵引；射流间的距离减小或夹角减小，都会增加互相吸引的倾向；设计中大都取倾角为12°，以保证射流冲击区相互分开。7．氧流量的概念及如何确定?氧流量是指单位时间内通过氧枪的氧气量，Nm3／h；当喷孔出口马赫数M选定后，喉口面积就只与氧流量有关了。一旦喉口面积确定，氧流量也就确定。喉口面积取大了，氧流量过大，就会使化渣、脱碳失去平衡，造成喷溅；喉口面积取小了，氧气流量减小，会延长冶炼时间，降低生产率。影响最佳喷吹状态所需供氧强度的因素很多，如铁水成分，氧的利用率等很难用一个标准公式表示。一般每吨钢耗氧量约为50-60m3／t。8．吹炼时如何控制氧流量?对某一种喷头，设计的供氧流量就是工况流量，在吹炼时应该达到或超过设计的氧流量；若供氧流量小于设计工况点流量就会使射流在到达出口前产生过度膨胀，出口端产生负压区；造成喷孔出口端过早熔蚀成喇叭口。9．如何确认输氧管压力的范围?输氧管道中的压力范围制约着喷头前的滞止压力P0所能达到的范围。滞止压力P0是一个重要参数。氧枪喷孔出口马赫数M的确定，主要视滞止压力P0的大小而定，如所选取的M高了，则要求的滞止压力P0大，如超过管道压力，射流变成压音速射流。如某厂氧枪截止压力P0为1．3MPa。而管道氧气压力只能到0．9～1．0MPa。10．氧枪枪位高低有何影响?枪位高低，对氧枪喷头出口马赫数M的选取有着直接影响。在一定的氧射流出口速度下，枪位高可避免烧枪，但为保持射流对熔化的搅拌能力，即保证一定的冲击深度，需要降枪；射流出口马赫数决定枪位。11．氧枪水冷相关参数如何确定?进水水速可按5-6m／s选取，出水流速按6-7m／s；喷头端部水冷是最关键的，国内缺少研究；国外先进喷头端部的水速是10-12m／s；而管道的水速是2-3m／s，出水是3-4m／s；水压的要求，一般按0．8-1．0MPa考虑。12．制造氧枪喷头时铜中含氧量如何控制?制造氧枪喷头所用铜的氧含量要控制极低(0．01％氧)，否则产生裂纹。氧很少固溶于铜。在铜凝固时，氧呈共晶体(Ca+Cu20)析出，分布在铜的晶界上。含氧高易得“氢病”不能在，3700c高温还原性气氛中加工(退火、焊接)使用。熔化电解铜时应严加保护。在浇铸过程中，如不采用保护气氛仍可吸收氧。脱氧一般用磷铜。13．焊缝质量如何控制?铜和钢的导热率、热膨胀系数、熔点等物理性质能相差较大。在焊接中铜一钢接缝是最为关键的环节，主要安全隐患之一；在焊缝处采用美国金属学会制定的“熔化极气体保护电弧焊(MIG焊)”，其优点是(1)连续送进焊丝；(2)没有熔渣；(3)焊丝直径较小电流密度高，可获得含氢量低的熔深更均匀的根部焊道。在厚度较小的局部区段，采用钨极气体保护电弧焊(TIG焊)，焊缝质量高。经过外观检查和焊缝表面机械加工之后确认其表面无缺陷，再进行X射线探伤，按GB3323—87的Ⅲ级作为评定标准。14．喷头更换的标准是什么?不能等喷头漏水时才更换喷头，铸造喷头一般用200—250炉次。当各项冶炼指标明显变化时，就应该判定是否要更换喷头。(1)化渣情况。由炉前观察，借助于声纳化渣仪判定来渣时间、取终渣样或过程渣样分析渣中FeO含量；(2)从记录纯供氧时间计算供氧强度；(3)计算每吨钢的氧单耗量；(4)观察冶炼过程喷溅程度和次数；(5)记录氧枪损坏原因及分析枪龄。15．喷头有哪些质量问题?(1)铜的纯度低，传热受影响；(2)铜—钢焊缝不合格；(3)尺寸加工精度达不到要求，未经用户同意修改喷头设计；(4)质量检验设备不全，检验制度不严格，向用户提供不合格的产品、钢厂使用不合理；(5)供氧操作不合理，造成烧枪、粘枪；(6)冷却水压力、流量达不到要求；(7)氧枪、喷头设计不合理；(8)不严格执行进货检验制度；(9)厂内管理不合理，喷头应有专人负责技术管理；并建立氧枪使用档案和喷头采购检验系统。16．随着国内外用氧技术的发展，氧枪结构发生了哪些变化?随着转炉吨位的增加，喷头孔数增加。喷孔的倾角有加大的趋势，有的氧枪喷孔倾角达到17°，近年来在日本、韩国、印度等国家试用的不同倾角交错布置的喷头在减少喷溅方面取得良好效果，喷孔出口马赫数变化在1．8-2．3之间。17．喷管的相关几何尺寸如何确定?通过几十年转炉氧枪的发展，喷管的几何形状基本定型。收缩段的角度并不严格，有的用球面与喉口连接。喉口长度由0到1．2d(d为喉口直径)。各国喷管扩张角在5．5—10°范围。小扩张角有控制气流膨胀作用，使气流出口有轻微膨胀；大扩张角可以减少管壁的摩擦损失。锻造组合式喷头的使用有增加的趋势，使用寿命一般为500—600炉，首钢80t转炉已用。喷头的水道系统研究主要在减少水流阻力，增加对喷头端面的冷却水流速，使水流分布更合理，包括加长挡水板，设置上、下分水锥和分水立柱等。18．枪体结构有什么改进?氧管直径有加大的趋势，大型转炉氧管内氧气流速低于40mm／s，管道压力损失在0．06MPa以下。大型转炉使用锥度枪较为普遍，以利于粘渣的脱落。枪体冷却水的流量加大，现在大型转炉氧枪的冷却水流量比80年代增加30％—50％。枪体的进水流速2．5—4．0m／s，出水流速4-4．7m／s。喷头端底的冷却水流速由l0m／s增加到15m／s。19．现代氧枪结构发生了哪些变化?随着转炉吨位的加大，氧枪喷头孔数目增加，大型转炉氧枪喷头已达到6孔。喷孔的倾角有加大的趋势，有的氧枪喷孔的倾角达到17°。近年来在日本、韩国、印度等国家试用的不同倾角交错布置的喷头在减少喷溅方面取得良好效果。对于喷管几何尺寸，通过几十年转炉氧枪的发展，喷管的几何形状基本定型。收缩段的角度并不严格，有的用球面与喉口连接。喷管扩张角在5．5°—10°范围。锻造组合式喷头的使用有增加的趋势，其使用寿命达到600炉。喷头的水道系统研究主要在减少水流阻力，增加对喷头端面的冷却水流速，使水流分布更合理。枪体结构的改进：氧管直径有加大的趋势，大型转炉氧管内氧气流速低于40m/s。大型转炉使用锥度枪较为普遍。分体式氧枪在欧洲一些国家应用较多，可加快换枪速度。枪体冷却水的流量加大，现在大型转炉氧枪的冷却水流量比80年代增加30％—50％。20．喷枪的组成部分有哪些?喷枪由喷头、枪身和尾部所组成。枪身由三层同心圆管制成，一般中心管供氧，中心管和内管之间进入冷却水，而后从内管和外管之间排出。在尾部有氧气和冷却水的连接管头，以及把持喷枪的装置等。这种喷枪结构比较简单，使用较广泛。21．喷头的主要类型有哪些?喷枪的最重要部分是喷头，喷头的结构直接决定了氧气射流的气体动力学特性。因此，对喷头的基本要求是，形成射流的动力学参数应符合工艺要求的规定，并且在长期使用时能保持射流的特性不变。喷头的类型很多。按喷头的结构形状可分为拉瓦尔型、直筒型和螺旋型等。按喷头的孔数可分为单孔和多孔喷头。按吹入的物质可分为氧气喷头、氧气—燃料喷头如喷微粒(石灰粉)喷头。拉瓦尔型喷头可以有效地把氧气的压力能转变为动能。并且可以得到稳定的超声速射流。在要求射流有相同的深入熔池深度时，它的枪位最高，因而大大改善了喷头的工作条件，提高了寿命。所以，拉瓦尔型喷头在氧气顶吹转炉上得到广泛的采用。直筒型喷头在高压下所产生的超声速射流是不稳定的，具有激波结构，因而速度衰减较快，超声速段较短，所以一般不采用。它主要用于氧气—石灰粉喷枪上，可以使微粒在一个适当的长度内加速到接近于气流的速度，由于微粒质量较大，所以射流仍能得到较大的动能和深入熔池的能力。螺旋型喷头可以加强熔池的搅拌，改善造渣过程，减少喷溅，可以增大供氧强度和提高金属收得率。但由于结构复杂，加工困难，寿命较短，所以很少被采用。随着氧气顶吹转炉炼钢生产的发展，转炉容量的大型化和供氧强度的不断提高，单孔喷头已日益不能满足炼钢工艺过程的要求，所以逐步发展了多孔喷头，其中最常用的是三孔和四孔拉瓦尔型的喷头。22．氧气顶吹转炉炼钢工艺对氧气喷枪有哪些要求?由于各厂的具体条件不同(如炉渣量、炉型、原材料尤其是铁水中的硅、磷、钒等的含量)而有所不同，但是，生产实践证明，下述要求是共同的：(1)应提高生产率，即尽可能地增大供氧量以缩短吹炼时间；(2)早化渣、化好渣，有利于脱除磷硫和减少对炉衬的侵蚀；(3)吹炼过程平稳，避免金属和炉渣的喷溅，提高金属收得率；(4)使炉内的动力学条件较好，炉衬侵蚀缓慢而均匀，以提高炉龄；(5)有较高的喷头寿命。23．多孔喷头给生产带来了哪些方面的效益?生产实践证明，使用多孔喷头显著地改进了氧气顶吹转炉炼钢的主要技术经济指标。由于减少了金属和炉渣的喷溅，使金属收得率提高1．0％—3．0％；可以提高供氧强度，从而提高了转炉的生产率；由于改善了炉内的动力学条件，炉衬侵蚀比较均匀，同时由于改善了成渣过程，从而提高了炉龄；由于热效率的提高，可使废钢比增加2％；由于减少喷溅和炉口结瘤，减少了清理时间，使转炉的作业率提高约8％。此外，在使用多孔喷头时，脱碳速度变化更均匀，最大脱碳速度与平均脱碳速度之比，多孔喷头等于1.38，而单孔喷头等于1．60，这为提高供氧强度创造了条件，减少最大排气量，增加平均排气量，能充分利用现有设备条件提高供氧强度。由于多孔喷枪的枪位变化对熔池吹氧强度的影响较小，吹炼过程较平稳，动枪次数和幅度较少，甚至可以恒枪操作，为实行自动控制创造了有利条件。24．如何选择多孔喷头的孔