快换式氧枪在宣钢150吨转炉的设计应用

吕岩

摘  要：氧枪是现代转炉吹氧炼钢的主要设备之一，为了实现快速炼钢提高作业率，降低工人的劳动强度，快换型氧枪的应用是转炉炼钢发展的必然选择。快换氧枪的氧气及冷却水管弯管的端部设有快换母端固定板，快换母端固定板的另一侧分别设有快换母端、进水水管快换母端、出水水管快换母端，升降小车上设有与母端连接的3个快换公端，并且将氧管、水管设置在同一直线上，大大方便了连接软管的更换。本文介绍了快换型氧枪结构设计、性能特点及在宣钢150t转炉中的改造使用情况。

关键词：快换  氧枪  密封  流量

中图分类号：TF713 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2021）06（c）-0027-03

Abstract： Oxygen lance is one of the main equipment of modern converter oxygen blowing steelmaking. In order to realize rapid steelmaking， improve operation rate and reduce workers' labor intensity， the application of fast changing oxygen lance is an inevitable choice for the development of converter steelmaking. The end of the oxygen and cooling water pipe elbow of the quick change oxygen gun is provided with a quick change female end fixing plate， the other side of the quick change female end fixing plate is respectively provided with a quick change female end， a quick change female end of the water inlet pipe and a quick change female end of the water outlet pipe， the lifting trolley is provided with three quick change male ends connected with the female end， and the oxygen pipe and water pipe are arranged on the same straight line， which greatly facilitates the replacement of the connecting hose. This paper introduces the structural design， performance characteristics of fast changing oxygen lance and its transformation and application in 150t converter of Xuansteel.

Key Words： Quick-change; Oxygen lance; Seal up; Flow rate

氧槍是现代转炉吹氧炼钢的主要设备之一，在炼钢过程中，氧枪的主要功能是向转炉内提供冶炼所必需的氧气，氧气经过氧枪喷头射出，形成的氧气射流，穿过高温炉气冲击在熔池表面，穿入熔池与钢液发生化学反应，满足冶炼脱碳、升温及去除杂质的需要。氧枪性能直接影响炼钢效率。枪体外型结构几何形状的设计是否合理，换枪是否快捷方便，将直接影响转炉作业率和工人的劳动强度[1]。

氧枪设备主要由枪体、升降小车、横移机构、金属软管、升降轨道等装置组成，而枪体作为关键部件，其工况及其恶劣，枪头烧损等状况经常发生，需要及时更换氧枪以确保转炉生产的稳定性及冶炼的安全性。氧枪安装于升降小车上，氧气及冷却水通过金属软管连接于枪体上。更换氧枪时需要断开金属软管与氧枪的连接，从升降小车上将枪体吊运走，新的枪体安装好后需要重新将金属软管连接。

宣钢150t转炉原设计氧枪外管直径为φ299mm，金属软管连接方式为法兰式（见图1），金属软管共3根，换枪需要逐一拆接3个法兰共36条M22螺栓，换枪时间耗时约2～3h。由于密封面靠法兰端面，每个法兰上的各螺栓拧紧力应一致，否则会造成密封不严而泄漏，更换氧枪费时费力且难度较高，不能满足转炉炼钢高效生产的要求[2]。

1  快换式氧枪设计

为了进一步提高转炉产能，缩短氧枪吹炼时间，满足氧枪的供氧能力，将供氧系统氧枪枪身设计规格由φ299mm改为φ325mm，安装结构由法兰螺栓螺母连接形式改为氧枪密封套密封座快速插接形式，氧枪中心定位采用导向翼圆及定位球面座定位[3]，该设计氧枪装配精度要求较高，需要重新设计升降小车上支座，设计主要有以下几个方面。

1.1 氧枪枪身尺寸确定

根据氧枪现有条件，初步确定各管件规格尺寸为：

外层管：φ325×11;

中层管：φ273×7;

内层管：φ219×6。

由于管件尺寸规格的增大，枪身原重量约为3600 kg，改进后枪身重量约为4250kg;枪身原储水量约为650kg，改进后枪身储水量约为760kg，枪身总增重约为760kg。

1.2 金属软管的选用

氧气金属软管DN200，对接钢管直径为φ219mm，其连接法兰盘外径φ360mm，螺栓孔径φ26mm，孔距直径φ310mm，连接螺栓数量12个。进出水金属软管DN175，对接钢管直径为φ180mm，其连接法兰盘外径φ330mm，螺栓孔径φ24mm，孔距直径φ280mm，连接螺栓数量12个[4]。

1.3 氧枪升降小车

在原升降小车基础上重新设计氧枪上支座，原下部挂枪支座改为调枪支座（见图2）。

1.4 氧枪快换的改进

由于氧枪改进为快换结构，增加了密封套管和固定座，枪尾部分加长320mm（见图3）。

氮封塞内径尺寸调整，由孔径尺寸φ316mm调整为φ342mm。由于氮封座最小孔径为φ578mm，单面间距118mm，建议调整为650mm。

氧枪喷头参数根据工艺要求进行重新设计为六孔喷头[5]。

2  氧枪氧流量的计算

改进φ325mm的氧枪内层管约为φ219mm×6mm规格的钢管，内层管内径约为φ207mm，当氧枪最大工作氧流量为48000m3/h时，其喷头的内层管内孔氧气流速v为：

v=（P标/P）×（T0/T标）×Q/A

式中，v表示内层管内孔氧气流速（m/s）;P标表示标准大气压，0.1MPa;P表示设定的工作氧气压力，0.8～0.9MPa;T0表示管内氧气滞止温度，300K;T标表示标准温度，273K;Q表示喷头设计标态流量，9.167m3/s;A表示内层官孔径面积m2。

工作氧压在0.8～0.9MPa之间时，氧气流速为54.4～48.4m/s

氧枪冷却水流量的计算：

原φ299mm的氧枪工作冷却水流量为280m3/h时，枪身进水截面积为0.01646m2，进水流速为4.73m/s;出水截面积为0.01312m2，出水流速为5.93m/s。

如调整为φ325mm的氧枪，进水截面积为0.015017m2，出水截面积为0.014572m2，保持枪身工作水流速不变的条件下，当出水达到5.93m/s时，计算工作冷却水流量为311m3/h。

3  应用效果

经使用，该快换式氧枪解决了以往氧槍更换时间长、劳动强度大、影响转炉生产节奏的问题，节省了氧枪体与金属软管连接的拆除及安装时间，氧枪更换时间由2～3h减少为20～30min，大大减轻了工人的劳动强度，提高了工作效率。具有使用安全可靠、操作简单、安装调试方便、维修费用低的优点[6]。

此密封形式可以保证2.5MPa压力下不会泄漏，有效增强了设备的安全性。

经试验此φ325mm氧枪可以达到48000m3/h的氧气流量，达到了设计需求。

参考文献

[1] 姚柳洁.300t复吹转炉全炉役熔池流动特性变化和炉衬演变规律研究[D].北京：北京科技大学，2021.

[2] 李松林.一种氧枪快换介质连接装置：中国，2019204 16965.7[P].2019-03-29.

[3] 罗志刚，王亚宁，王丽丽.转炉炼钢用氧枪快换装置和大锥度氧枪的应用[J].冶金能源，2011（30）：13-15.

[4] 金铎.一种设有氧枪快换装置的升降小车：中国，201720242025.1[P].2017-03-14.

[5] 金铎.一种炼钢用大锥度快换氧枪：中国，CN201720240761.3[P].2017-11-24.

[6] 韩豪雷.交错多孔氧枪的数值模拟研究[D].沈阳：辽宁科技大学，2020.