氧枪

氧枪(oxygen lance)

将高压高纯度氧气以超音速速度吹入转炉内金属熔池上方，并带有高压水冷却保护系统的管状设备。又叫贲枪。它是氧气顶吹炼钢的重要设备。在吹炼过程中，氧枪不但要承受火点2500℃左右的高温区的热辐射，还要承受钢和渣激烈的冲刷，工作条件十分恶劣。因此氧枪要有牢固的金属结构和强水冷系统，以保证它能耐受高温、抗冲刷侵蚀和抵抗振动。氧枪最先应用于平炉炼钢炉顶吹氧，1952年氧气顶吹转炉炼钢法问世，氧枪成为它的关键设备。此后，氧枪的应用范围又扩大到电弧炉和钢包精炼炉等领域；功能也从单一喷吹氧气发展到兼能喷吹造渣粉剂、燃烧粉剂的复合氧枪以及具有二次燃烧功能的分流式或双流式多层氧枪。

基本结构氧枪的结构及性能在很大程度上决定着氧气炼钢的效果。特别是对于顶吹氧气转炉炼钢过程，氧枪起着主导全局的作用。它支配着氧气射流与熔池的接触面积、氧气射流的穿透深度、熔池的搅拌状态、元素的氧化程度、熔池的升温速度、渣中氧化铁含量等重要工艺因素，因而对化渣、喷溅、杂质的去除、转炉炼钢终点控制以及各项炼钢技术经济指标都起着重要作用。氧枪由喷头、枪身和枪尾三部分构成(图1)。喷头由工业纯铜制造，是氧枪的最重要的部分。图2是几种喷头的结构，a、b、c为氧气转炉用喷头，高压氧(0．6～1．0MPa)由内管供入，在喷头处分流进入若干个先收缩后扩张的拉瓦尔型喷嘴，一般中小转炉采用3个喷嘴，称为三孔喷头，大炉子(100t以上)用4～6个喷嘴。为了使炼钢产生的CO气在炉内燃烧成CO2(二次燃烧)的比例增大，需应用双流喷头或分流喷头。双流喷头有利于主氧流和副氧流比值的调节，但要在枪身处增加一层副氧流道。平炉和电弧炉所用喷头，氧气沿内管和中管间的空隙流入，喷嘴为直圆筒形，但孔数较多，而且和中心线的夹角也大得多。枪身为3根(双流氧枪为4根)同心的无缝钢管，下端连接喷头，上头端和枪尾相连。枪尾包括供氧、进水和排水支管及连接法兰和密封胶圈，通过枪尾和车间的氧气管网和高压水管网相连接。(见彩图插页第12页)

喷嘴主要参数 按照转炉吹炼工艺的要求，氧枪应能保证需要的供氧强度，氧气射流对冶金熔池有合适的冲击深度和冲击半径。既要有一定的对熔池的搅拌能力，又要防止冲击炉衬、损害炉衬耐火材料。为此，氧枪喷头应能产生稳定的超音速射流，其数量、速度和铺展程度需要与转炉熔池的大小相协调。所以，喷头的主要设计参数有：喷嘴数目(n)、喷嘴出口马赫数(M)、喷嘴喉口直径(d*)、喷嘴扩张角、喷嘴出口直径(dt)以及喷嘴夹角(α)。为了获得超音速射流，首先要有足够高的氧气压力，其次要有收缩一扩张型喷嘴。根据气体力学定律可知：(M2-1)du/u=dF/F佃；式中u为气流速度，F为气流截面积，M为气流马赫数，马赫数是流速和音速之比(u/a)，M>1的气流称为超音速气流。由上式可知，M<1时，du／u和dF／F正负号相反，亦即缩小截面可增大流速；M>1时，二者正负号相同，亦即增大截面才能增加流速。截面最小处M=1，称为临界截面积或喉口面积。达到M=1的喉口压力和气源压力之比称为临界压力比户P*／p0，P*／po≈0．528，也就是说，氧气压力至少比喉口处压力大1倍，经过喉口后再有一段扩张才能获得超音速氧流。具有这种特性的喷嘴称为拉瓦尔(Laval)喷嘴。喷嘴出口马赫数决定了氧气射流的起始流速，为保证射流有较大的冲击力，应选用较大的马赫数。但出口流速和马赫数之间不是线性关系，M>2以后，出口速度随马赫数增大的趋势逐渐减弱。所以喷嘴出口马赫数多选用2．0～2．3。为保证出口马赫数所需的氧枪枪身内的氧压为：P0／P=(1+0．2M2)3.5；式中p为喷嘴出口处压力，P0为枪身内压力。如炉膛内压力为0．11MPa，当M=2时，po≈0．9MPa，也就是要有约九个大气压力的氧压。喉口面积决定了喷枪供氧能力，喉口面积F*(cm2)=5．78×103QT01/2/P0。式中Q为氧气流量，m3／min；P0为喷枪内氧气压力，Pa；T0为进入喷头前氧气温度，K。可见增加喉口面积可以增大氧流量。炼钢所需的氧流量由吨钢耗氧量、出钢量和吹炼时间决定

吨钢耗氧量由炼钢物料平衡计算确定。粗略估计，低磷铁水炼钢时耗氧量在50～57m3／t，高磷铁水炼钢时在62～69m3／t。吹炼时间根据经验在20min左右。吹炼时间过短则反应过分激烈，喷溅严重；过长则生产率低。喉口面积确定后，根据喷嘴数目分配给各个

喷嘴，如三孔喷头每孔各为1／3，由此即可求得各个喷嘴的喉口直径。喷嘴出口直径和喷嘴扩张角有关，一般拉瓦尔喷嘴的扩张角取60～100。多孔喷头的喷嘴夹角(a)是指喷嘴中心线和喷头几何中心线之间的夹角。n过小则多股射流相互吸引汇成一个射流，a过大则冲击范围过大甚至影响到炉衬。随着喷头孔数增加，喷嘴夹角相应增大：

氧枪中心供氧管道外有两层同心无缝钢管，通冷却水保护氧枪。冷却水最小流量QH2O(m3／h)=6．45×10-2D×L，D为氧枪外管直径，mm；L为氧枪受热长度，m。枪身进水速度取3～4m／s，出水速度取5～7m／s，喷头端部水速取10m／s，内外层钢管规格和喷头与钢管头间距即根据以上数据确定。

操作与维护为了获得最佳的氧枪寿命和吹氧效果，必须有良好的操作和必要的维护。吹炼过程中，氧枪往往在偏离设计氧压的状态下工作，从吹炼效果和提高氧枪寿命的观点出发，要求氧压在设计值到1．2倍设计值之间波动。操作人员要每天检查喷头的蚀损情况并标定枪位，这对吹炼效果和氧枪寿命以及操作安全都十分重要。充满水的氧枪在高温炉内工作，一旦大漏水，后果将十分严重。必须使氧压、水压和水流量的控制设备，提升机构和枪架保持良好的工作状态。软管接头应定期检查。水流量、回水温度与提升机构连锁，一旦出现异常即自动提枪、断氧。氧枪喷头在高温辐射和钢与渣的冲刷下，枪的端部最容易损坏。损坏到一定程度就可使氧气射流特性改变。中国北京钢铁研究总院对新与旧的三孔喷头的射流特性作了对比测量研究，发现旧喷头的出口射流马赫数达不到原出口平面处的设计马赫数。旧喷头的氧流量比原喷头降低2％～4％。而且三股射流汇聚的趋势非常显著，有效冲击面积减少约50％，对熔化炉渣不利。因此喷头蚀去10mm左右且吹炼化渣情况有异常现象时，必须及时更换氧枪喷头。而不应等喷头完全损坏时再行更换。