攀钢200T炼钢转炉氧枪设计与应用

张彦恒^１，２

（ １． 攀钢集团西昌钢钒有限公司，四川 西昌 ６１５０００ ；

２． 昆明理工大学，云南 昆明 ６５００９３ ）

摘 　 要：攀钢集团西昌钢钒有限公司 ２００　ｔ 炼钢转炉使用半钢冶炼，半钢不含硅、锰，造成初渣成渣困难，脱磷率低。同时在转炉不同的炉龄阶段，由于炉型变化较大，氧枪的匹配性较差。为改善半钢炼钢的化渣和炉龄带来的搅拌问题，通过氧枪喷头设计优化，解决了半钢炼钢成渣速度慢、脱磷率低和后期搅拌弱的问题。

关键词：转炉；炼钢；氧枪；氧枪喷头；参数优化

攀钢集团西昌钢钒有限公司炼钢厂现有２座２００　ｔ炼钢转炉。因铁水中钒钛含量较高，铁水均需提钒处理，提钒后的铁水称为半钢。半钢热值低（ ｗ （Ｃ ） ＝３．４％ ～３．７％ ， ｗ （ Ｓｉ ） ＜０．０１％ ，ｗ （ Ｍｎ ） ＜０．０５％ ， Ｔ ＜１　３９０ ℃ ），不含成渣元素Ｓｉ和 Ｍｎ ，炉渣碱度高，枪位控制高，吹炼时间短，过程控制易出现“返干”和“喷溅”，常导致终点磷高、过氧化和碳氧积高等问题。同时，随着炉龄的增加，转炉的底吹效果逐步变差，炉容比从开炉的０．８７增加０．９３ ，熔池面积增加，熔池的搅拌减弱，脱磷能力急剧下降。

通过分析，转炉操作的稳定，除入炉原料的影响外，还与氧枪设计有关系^［１］。氧枪成渣的条件不佳、初渣中ＦｅＯ_ｎ含量低、熔池冲击力过强、终点枪位高是目前冶炼过程不易控制的直接影响因素。为改善炼钢转炉的冶金效果，对２００ｔ 炼钢转炉的氧枪喷头进行了重新设计和参数优化，适当降低马赫数，减弱氧枪冲击力，提升转炉的生产效率和冶金指标。

１　 氧枪喷头设计优化

转炉的公称容量为２００ｔ ，阀后管道压力为０．８０～１．０ＭＰａ ，原使用的５孔喉口直径为 Φ４５ｍｍ 的氧枪喷头（５４５型），马赫数设计为 ２．０５，新氧枪喷头（６４０ 型）设计如下。

１．１　 氧枪喷孔数、喷孔夹角及马赫数的确定

考虑半钢冶炼造渣速度慢的特点，氧枪的喷孔数选择６孔，喷孔夹角选择１５°，并将马赫数适当降低，取出口马赫数 Ｍ_ａ＝２．０４。选用多孔氧枪能保证分散供氧，提高冲击面积，容易化渣，提高金属收得率，吹炼过程平稳，并可提高氧气利用率^［２］。１５°的喷孔夹角能较好地匹配冲击面积和搅拌因素。

１．２　 设计工况压力 Ｐ_０

查等熵流表，详见表１，计算得出氧枪的滞止压力Ｐ_０，氧枪的工况压力即为滞止压力。

 由于炉膛压力近似于大气压力，选取Ｐ＝０．１０１ＭＰ_ａ，参照表１中Ｐ／Ｐ_０的数值，计算出氧枪的滞止压力为０．８４ＭＰ_ａ 。实际工况压力略高于滞止压力，才能保障射流的稳定性，因此Ｐ_０取值０．８５ＭＰ_ａ。

１．３　 喉口直径Ｄ_喉的确定

式中，Ｄ_喉为喉口直径，ｍ ；Ｑ 为工作氧气流量，４２０００ｍ^３／ｈ ；Ｔ_０为氧气滞止温度，取２９８Ｋ ；Ｃ_Ｄ为喷孔流量系数，多孔枪取０．９０ ；Ｐ_０ 为工况压力，０．８５　ＭＰ_ａ 。

１．４ 出口直径 Ｄ 的确定

根据表１中 Ａ／ Ａ_０值，计算出氧枪的出口直径 Ｄ 。

Ｄ＝［（Ａ／Ａ_０）·Ｄ^２_喉 ］^１／２               （２）

式中，Ｄ为出口直径，ｍ ；Ａ／Ａ_０为喷头出口面积／喷头喉口面积，取１．７４５。

１．５　 扩张段长度Ｌ^扩的确定

Ｌ_扩＝（Ｄ－Ｄ_喉）／２·ｔａｎ（α／２）    （３ ）

式中，α 为氧枪出口的扩张半角，取９° ；气体膨胀角为７°～１０°^［３］，扩张段设计时半锥角取４．５°，小扩张角具有控制膨胀作，有利于提高热效率。

１．６　２００　ｔ 转炉氧枪喷头参数设定

氧枪的操作枪位 Ｈ 考虑为出口直径的３５～４０倍^［４］ 。结合式（１）～（３）计算，得出改进型氧枪喷头参数，见表２ 。

 从氧枪设计参数来看， ６４０型改进氧枪的马赫数略低，操作枪位较低。

１．７　 改进型喷头与原有喷头的射流特性比较

熔池的冲击深度根据 Ａ　Ｆｌｉｎｎ公式（４ ）^{［ ５ ］}计算。

式中， ｈ 为熔池的冲击深度，ｃｍ ； θ 为喷孔倾角，（°）。

熔池反应面积根据式（５ ）^［５］计算。

式中，Ａ_冲为熔池反应面积，ｍ^２；Ｒ为反应半径区，ｍ ；Ｌ为喷孔中心与喷头中心的距离， ｍ 。熔池的搅拌能根据式（６）^［５］计算。

式中，ε_ｖｔ为氧射流对熔池搅拌流量，Ｗ／ｍ^３ ；Ｖ_Ｌ 为金属体积，ｍ^３ ；Ｍ 为氧气分子量，ｇ；ｎ为喷孔个数，个。

熔池的混匀时间根据式（７）^［５］计算。

式中，τ为混匀时间，ｓ；ε_ｖｔ为氧射流对熔池搅拌流量，Ｗ／ｍ^３ ；Ｌ_０为熔池深度，取１．５ｍ ，７为钢水与水的密度比。

根据转炉的操作枪位，结合式（４）～（７）计算出氧枪的射流特性，见表３ 。

 从射流特性比较来看，在相同的枪位下， ６４０型改进氧枪的穿透深度和混匀时间略低于原５４５型氧枪，但冲击面积与原５４５型氧枪变化不大。

２　 实际应用效果

攀钢２００　ｔ炼钢转炉在开炉期间，炉容比为０．８７ ；随着炉龄的增加，炉衬的侵蚀，炉容比扩大至０．９３ 。为匹配炉容比的变化，采用提高流量来弥补熔池扩大造成的搅拌不足，转炉炉龄与氧流量匹配见图１ 。

２．１　 冶炼枪位对比

转炉吹炼初期执行相同的枪位，以满足干法除尘工艺需要；吹炼中期、吹炼后期的操作枪位，结合不同的流量条件（炉龄时期）的控制情况见图２ 。

图２可见，吹炼的中期：使用６４０型改进氧枪，可实现在不同的炉龄阶段，枪位控制相对平稳，枪位的极差值减小，降低喷溅的机率。吹炼的末期：使用６４０型改进氧枪，终点可保持在１．４ｍ的较低枪位，有利于改善终点碳氧积。在炉龄后期，熔池搅拌能力减弱，面积增大，熔池降低，使用６４０型改进氧枪的过程枪位控制、终点枪位控制均优于原 ５４５型氧枪，终点枪位低０．３ｍ ，有利于降低后期的ＦｅＯ_ｎ，降低转炉的碳氧积，提高金属收率。

改进型氧枪降低马赫数和氧气出口速度后，相同枪位下，更有利于生成ＦｅＯ_ｎ ，有利于改善半钢冶炼的造渣；吹炼临近终点时，由于石灰溶解完全 ，渣态好，可获得更低的终点枪位，对改善转炉的碳氧积控制起到了积极的作用。

２．２　 初渣来渣速度对比

在３８０００ｍ^３／ｈ的流量下，通过现场火焰判断，６４０型改进氧枪来渣时间为２０４ｓ ，较原５４５型氧枪提前２０ｓ ；４３０００ｍ^３ ／ｈ的流量下，６４０型改进氧枪来渣时间为２５３ｓ ，较原氧枪提前３４ｓ ；在４５０００ｍ３／ｈ的流量下，６４０型改进氧枪来渣时间为２８３ｓ ，较原型氧枪提前４２ｓ。可见，６４０型改进氧枪能够获得较早的来渣时间，改进型喷头对提高来渣速度作用明显。

２．３　 脱磷率的对比

改进型喷头与原喷头在不同的供氧流量下脱磷率比较见图３所示。

 图３可见：在３８０００ｍ^３／ｈ（炉役前期）流量下，６４０型改进氧枪与原５４５型氧枪脱磷率相当；在４３０００ｍ^３／ｈ（炉役前期）流量下，６４０型改进氧枪的脱磷率比原５４５型氧枪脱磷率高１．５％ ；在４５０００ｍ^３ ／ｈ （炉役后期）流量下，６４０型改进氧枪的脱磷率比原５４５型氧枪脱磷率高２．５％ 。

炉役前期，底吹效果好，石灰溶解速度相当，脱磷率差异不大；炉役中后期，熔池搅拌减弱，６４０型改进氧枪成渣速度快，石灰溶解完全，操作枪位低，搅拌更觉充分，改善了转炉的脱磷率。从氧枪的射流特性计算结果也可看出，６４０型改进氧枪终点１．４　ｍ 的枪位的熔池混匀时间较原５４５型的混匀时间要低１～２　ｓ ，低枪位对改善熔池的搅拌起到了重要作用。

２．４　 终渣中 ＴＦｅ 含量及终点钢水碳氧积对比

改进型喷头与原喷头在终渣 ＴＦｅ含量及终点钢水碳氧积控制上的对比见表４ 。

 表４可见，改进型氧枪较原有氧枪的碳氧积要低０．０００１ ，炉渣中 ｗ（ＴＦｅ）下降１．１％ 。

２．５　 使用寿命及炉衬侵蚀情况试验期间，

６４０型改进氧枪的平均使用寿命为５４２炉，高于现有氧枪４９８炉的寿命。改进型氧枪过程渣态活跃，粘枪下线支数少，氧枪使用寿命能满足现场使用要求。现场应用后转炉测厚来看，改进型氧枪与原５４５型氧枪的侵蚀速度相当。

３　 结 　 论

１ ）攀钢 ２００　ｔ炼钢转炉原使用的 ５４５型氧枪，因马赫数较高，冲击力较强，来渣速度慢，造成金属喷溅严重，脱磷率差。改进型６４０氧枪适当降低了马赫数，氧气射流稳定，减弱冲击深度，成渣速度快，有效地改善了半钢造渣工艺。

２ ） ６４０型改进氧枪，能显著缩短转炉的来渣时间，提高脱磷率。 在３８０００ ， ４３０００ ， ４５０００ｍ^３／ｈ下应用，来渣时间分别提前２０ ，３４，４２ｓ ，脱磷率分别提高０．１％ ， １．５％和２．５％ 。６４０型氧枪在转炉不同的炉龄阶段来渣时间和脱磷率均优于原５４５型氧枪。

３ ） ６４０型改进喷头，冶炼过程中枪位控制平稳，控制枪位较原５４５型低，碳氧积降低０．０００１ ，终渣 ｗ（ＴＦｅ）降低１．１％ ，冶金效果优。