摘 要: 首钢第二炼钢厂为改善氧枪使用效果,采用了新型组合式锻压五孔氧枪喷头,与原用铸造四孔喷头相比,化渣改善,喷溅减小,喷头耐用性和抗变形能力大幅度提高,现枪龄平均达到830炉,是原来的4倍多。论述了组合式喷头的机械结构特征、喷头气体力学参数及供氧操作条件,并介绍了该厂喷头使用寿命的实际状况。
关键词：转炉 氧枪喷头
1 前言
首钢第二炼钢厂现有3座210t氧气转炉,5台8流方坯连铸机,l台双流板坯连铸机,连铸比达100%。
供氧是整个吹炼过程的主导因素,直接影响冶炼效果,好的氧枪喷头,不但冶金效果好,而且有较高的耐用性和抗变形能力。
1992年以前我厂使用铸造四孔喷头,化渣较差,喷溅较大,粘烟罩严重,氧枪喷头寿命低,平均只有177炉,为改善氧枪使用效果,经过对比分析研究,决定采用组合式锻压五孔氧枪喷头,由德国Saar metall制作供应,1991年部分试用,取得较好的效果,1992年推广使用,几年来由于采用优质喷头,加上供氧操作和氧枪管理的不断改进,在生产中使用效果满意,化渣好,喷溅小,粘烟罩现象基本消除,喷孔不易变形,耐用性好,1995年1月至1997年4月,氧枪喷头平均寿命830炉,是过去使用铸造四孔喷头时的4倍多。
在此期间,还使用本公司及国内兄弟单位分别制作的组合式轧制加工五孔氧枪喷头和组合式压铸五孔氧枪喷头,在保证冶金效果良好的基础上,其使用寿命也取得824炉和560炉的好成绩。
2 组合式锻压喷头的机械结构特征
2.1 组合方式喷头使用中承受热负荷高,工作条件恶劣,转炉熔池反应区温度在2000℃以上,而铜的熔点仅1083℃,为提高耐用性和抗变形能力,强化冷却条件,喷头制作采用组合方式。
喷头的组合除端部与外管采用氧弧焊接,中管与导水板采用螺纹连接外,其他均用侨焊连接。
2.2 喷头端部和喷孔扩张段锻压为一体
喷头端部使用专用模具进行锻压,一个主要特点是喷头端部和喷孔扩张段锻压为一体,使端部热力影响区没有焊缝。
2.3 优化材质
喷头端部及喷孔材质为电解纯铜,分析铜纯度为99.98%,而铸造喷头铜纯度一般为99.85%,锻压后铜的金相组织为孪晶α相,致密度高,导热性好,比原用铸造喷头提高19.2%。导水板不承受高温,采用黄铜制作。
2.4 喷头内壁均匀,光滑而且薄
铸造喷头内壁往往粗糙不均匀,而组合式喷头内壁均匀、光滑,在满足机械强度的前提下并减薄壁厚,组合喷头壁厚为10mm,而原用铸造喷头壁厚为20mm,这一改进是高温外层表面向被水冷却的内层快速传热的一个重要条件。
2.5 端部入口冷却水流速高
为提高冷却效率,水流阻降主要集中在端部,高压冷却水流量由原来铸造喷头的270~300t/h,提高到360~420t/h,压力1.2MPa,喷头端部入口水流速度为9.6~11.2m/s,最大温升l5℃。
2.6 合理的导水板形状
采用导水板,将水流顺畅引向喷头端部,流线合理,分布均匀。
2.7 设置上、下导向分水锥
为使喷头底端获得良好的冷却,解决喷头端部中心容易粘钢吃进的难题,在入水口上、下设置导向分水锥,水流由外向内汇集,在中心翻转强化冷却端部。有了分水锥,使端部从中心到四周冷却均匀,水流分布合理,不产生乱流,由于喷头端部中心冷却得到加强,即使端部中心粘钢,也不会发生“吃进”现象,喷头能够继续较长时间使用。
2.8 喷头与枪体的连接
氧枪由三层套管组成,内管为氧管,中层为进水,外层为出水。喷头与枪体的连接,氧管、中管均为滑动配合,其中氧管加三道“O”型环状胶圈进行密封,只有外管用电焊焊接。这种连接方式可使氧枪在使用中形成的热涨冷缩得到充分补偿,大大减少铜喷头的受力和形变,同时也简化了氧枪喷头的安装制作。
3 喷头气体力学参数及供氧操作分析
3.1 喷头气体力学参数
氧枪外径:￠355.6mm;
喷孔数目和布置:5孔,周边均匀布置;
喉口直径:￠43mm;
出口直径:￠55.6m;
喉口段长度:40mm;
扩张段长度:80mm;nextpage
喷孔扩张角:9°;
喷孔与氧枪中心线夹角:16°;
出口断面积A/喉口断面积A·=1.672;
出口马赫数M=1.99;
出口速度V=491m/s;
出口气体压力Pe/入口气体压力P。=0.l298;
出口气体密度Pe/入口气体密度P。=0.2326;
出口气体温度Te/入口气体温度T。=0.5580;
出口理论压力Pe:0.1014MPa;
入口理论设汁压力Pe:0.781MPa。
3.2 操作氧压
转炉装入量215t,出钢量200t,开新炉前5炉氧流量37000m3/h,工作氧压0.94MPa,其后供氧流量为40000~45000m³/h,工作氧压1.01~l.l2MPa,供氧强度3.33~3.75m³/(t·min),供氧时间16~17min,过程枪位2.5~l.9m,终点前降枪1.7m。
操作氧压,即喷孔入口氧气压力,在实际生产中可能有三种工况,即操作氧压大于、等于、小于设计压力。氧气流量、喷孔入口压力、喉口断面积、氧气温度之间的关系如式(1)。
我厂供氧操作压力在超过理论设计压力6.27%~29.32%的工况下使用。当操作压力高于使用压力时,气流到达喷孔出口尚未完成膨胀,仍具有一定的压力能,出口压力大于环境压力,待气流离开出口之后,继续进行膨胀,由于产生激波,射流有一定的能量损失,但由于操作压力提高,流股动压增大,超过产生激波造成的射流能量损失,可以保证熔池的搅拌。实践表明,操作压力在高于理论设计压力一定范围内,操作稳定,喷头寿命高,喷孔出口不易磨损。
当操作压力等于设计压力时,喷孔出口压力等于环境压力,可以获得稳定的射流,没有激波产生。
如果操作压力低于设计压力,气流在喷孔内部提前终止膨胀,并在喷孔内离开喷孔管壁,这时出口压力小于环境压力,由于产生激波多,射流能量损失大,加上操作压力低,流股动压降低,熔池搅拌力不够,同时喷头易粘钢及喷孔出口周围蚀损严重,使喷头寿命大大降低。
以上所述的理论设计压力是在喷孔出口环境压力为0.1014MPa的条件下计算的,而转炉内的真实压力要略高于这个值,但又受到转炉排烟系统负压的影响,情况比较复杂。如果我们把按喷孔出口压力为0.1014MPa计算的理论设计压力统一作为一个比较标准,那么实际操作压力一定要在等于或者高于理论设计压力一定范围内操作,才能保持喷头处于良好的使用工况。
3.3 喷孔与氧枪中心线夹角
既要提高供氧流量,又要尽可能减少喷溅,就必须适当增加喷孔数量,并要解决射流重叠现象。研究表明,流股重叠大大增加喷溅量,重叠情况下降,喷溅大大减少。选择一定的喷孔与氧枪中心夹角范围可避免各喷孔氧气流股发生重叠。
单股射流的扩张角18º左右,如各个射流之间的夹角取17°,对4孔喷头,喷孔与氧枪中心线夹角为12.5°,对5孔喷头,喷孔与氧枪中心线夹角为15°。我厂由铸造喷头改用组合式锻压喷头后,喷孔数目由4孔改为5孔,喷孔与氧枪中心夹角由12°增加到16°,各股射流在到达熔池液面之前不会相交,在改善化渣和减少喷溅方面取得了十分明显的效果。
渣中(TFe%)和终点[C]的关系如图1。
3.4 最低枪位限制
为避免过低的氧枪高度吹炼对喷头造成的非正常损坏,有必要实行最低枪位限制。然而,由于炉底和熔池随炉役过程变化,金属液面下降,氧枪最低绝对枪位的限制值是随炉役期的各个阶段变化的,这项工作是通过工段技术人员结合液面测量、炉衬激光测厚的数值分阶段在计算机上修改设定最低枪位限制值来进行联锁控制的。
4 喷头寿命
4.1 枪龄状况
过去使用普通铸造四孔喷头平均枪龄177炉,大多因喷头端部中心吃进漏水或焊缝漏水停用,喷孔易变形,枪龄不稳定。使用组合式锻压五孔氧枪喷头后,随着供氧操作和氧枪管理的改进,枪龄大幅度提高,1995年l月至l997年4月共更换47支氧枪,平均枪龄830炉,是铸造喷头枪龄的4.69倍,组合式锻压喷头的优点是耐用性好,喷孔不易变形,寿命800~1000炉,仍保持氧气射流特性正常,吹炼平稳,氧枪更换大多为计划停用。
4.2 喷头停用原因
喷头使用过程中,要求喷头状况保持良好,喷孔基本没有变形,氧气射流特性稳定,渣中(TFe%)含量正常,每班要注意检查,视具体情况按规定组织停用。
5 结语
(1)首钢第二炼钢厂为改善氧枪使用效果,采用了组合式五孔氧枪喷头,这种新型喷头的重要改进是端部为纯铜锻压,致密度高,导热系数大,内壁光滑且薄,中心部位设置上、下导向分水锥,合理设计导水板形状,加大冷却水流量,增加端部入口水速度,喷头冷却条件好,提高了喷头的耐用性和抗变形能力。
(2)合理确定喷孔数量、布置及喷孔倾角,有利于改善化渣和解决流股重叠增加喷溅的问题。
(3)操作氧压在等于或大于理论设计氧压一定范围的工况下使用,并在生产管理中实行最低枪位限制,对稳定提高喷头寿命是有利的。
(4)新采用的组合式锻压五孔氧枪喷头与原用铸造四孔喷头相比,化渣改善,喷溅显著减少,枪龄大幅度提高,生产稳定,取得了显著的技术经济效益。
