130 t转炉低铁耗氧枪优化研究

陈小龙，廖广府

(宝武集团 鄂钢公司炼钢厂，湖北 鄂州 436002)

随着国家对钢铁行业进行双控管理，低铁钢比是低碳冶金技术在长流程工艺的探索与实践。转炉氧枪是将低速高压的氧气通过喷头转换成高速低压喷射进熔池，通过化学反应完成脱C、P、S等任务[1-3]。随着铁钢比的降低，氧枪对废钢的熔化，过程吹炼稳定性，终点命中率和钢铁料消耗影响越来越大[2-4]。文章从氧枪喷头参数的设计和冶金效果进行研究分析，优化后的喷头参数，转炉喷溅和钢铁料消耗改善明显。

1 概况

某厂130 t转炉使用4孔氧枪，在铁耗平均为863 kg/t(铁耗=铁水/合格坯产量·1 000)时，原氧枪喷头(参数见表1)平均寿命为45次，氧枪烧枪、粘钢较为频繁，转炉冶炼过程氧枪调整模式采用难度较大的变枪恒压操作，终点命中率较低，钢铁料消耗高达1 068 kg/t，原氧枪严重制约了转炉炼钢工艺技术指标的进步和发展。

表1 原氧枪枪头参数

2 氧枪喷头参数设计

2.1 马赫数的选择

马赫数是气流速度与当地温度条件下的音速之比，马赫数愈大，气体表现出的可压缩性就愈大。生产实践证明，过高的设计氧压，喷溅频率增多，炉衬侵蚀严重；过低的设计氧压，熔池内化学反应动力学条件变差[5]。综合原材料和设备条件考虑，氧枪喷头马赫数(M)选择为2.02。

2.2 氧枪喷头参数优化

查等熵流表[6]，当M=2.02时，P出/P0=0.123 9，由于炉膛压力近似于大气压力，所以P出为0.102 MPa，则P0为0.82 MPa，在过程冶炼中避免过低的压力吹炼，减少扩孔侵蚀，阀后压力为0.85 MPa～0.92 MPa。

为减少喷溅，选择五孔氧枪，根据吹炼周期13.5 min，吨钢氧耗50 Nm3/t，出钢量为148 t，计算出氧气流量为32 888 Nm3/h，综合考虑喷溅和化渣效果，选择五孔氧枪，单孔氧枪流量6 577 Nm3/h。根据拉乌尔单个喷孔流量计算公式[5-6]：

(1)

A喉=πD喉2/4

(2)

式中：P0—滞止压力，MPa；

Q—单孔氧气流量，Nm3/h；

A喉—喉口截面积，m2；

T0—滞止温度，k；

D喉—喉口直径，m；

CD—管道修正系数，一般为0.9～0.95。

计算得出氧枪喷头喉口直径：D喉=42.1 mm(考虑加工精度，喉口直径取42 mm)。

根据M=2.02，查等熵流表可知，A出/A喉=1.716，A出=πD出2/4(其中，A出—出口截面积，D出—出口直径)，计算氧枪喷头出口直径D出=55.2mm(考虑加工精度，出口直径取55 mm)。

理论的气体膨胀角为4°～8°，考虑喷头的穿透能力，取扩张角为3.5°，扩张段长度L=(55.2-42.1)/2×tg3.5°=107.1 mm，考虑加工精度，扩张段长度取107 mm。

合理的倾角a与喷孔的数目n有关，且随着喷孔数目的增加而增大，一般认为，射流的综合特性决定着冶炼的平稳性，而射流的综合特性又与孔倾角密切相关，根据生产实践，这里取喷孔夹角为13°。

为减轻喷孔出口氧射流互相掺混，减小氧射流作用熔池叠加冲击，要求增大端底氧孔分布圆直径与出口直径之比，一般在2-4之间，因此D孔= 180 mm。

2.3 氧枪喷头的冲击深度

氧气经过氧枪喷头形成氧气射流，冲击熔池，形成一定深度和面积的冲击坑，氧气射流与熔池的相互作用，引起了熔池运动。很多研究者[6-7]从理论上对氧气射流的冲击深度进行了大量研究，得出了许多类似的结果。单孔氧枪冲击深度的经验公式。

L=3.4×P0×D喉/H0.5+0.038 1

(3)

式中：P0—滞止压力，MPa；

D喉—喉口直径，mm；

H—氧枪高度，mm。

文章采用某厂多孔氧枪冲击深度计算公式。

L=Lh0exp(-0.78H/Lh0)

(4)

Lh0=63.0(K*Q/nD喉)2/3

(5)

式中：H—氧枪枪位，m；

n—孔数，个；

K—常数，取1.0；

Q—喷头供氧流量，Nm3/h；

Lh0—在枪位H=0时，冲击深度，mm；

L—穿透深度，mm。

新氧枪设计参数见表2，其冲击百分比如表3所示。

表2 新氧枪枪头参数

表3 五孔氧枪冲击百分比(%)

3 吹炼方案优化

根据新氧枪喷头优化参数计算的冲击深度，调整吹炼模型，优化前后吹炼模型示意图如图1所示。

图1 吹炼模型示意图

4 优化效果分析

对优化后氧枪的冶金效果进行分析总结，5孔氧枪具有更大的冲击面积，化渣效果较好，提高了转炉脱磷率。同时较低的操作枪位，有利于降低渣中TFe，转炉钢铁料消耗下降明显。

4.1 对脱磷率的影响

优化后的氧枪转炉脱磷率对比如表4所示，优化后的氧枪，转炉脱磷率达到83.6%，较优化前提高4.3%，主要五孔氧枪冲击面积较大，化渣效果明显优于四孔氧枪；其次铁耗降低后，转炉前期温度低，有利于提高前期脱磷率，过程返磷较少。

表4 转炉脱磷率对比

4.2 对供氧时间的影响

优化后的氧枪对供氧时间影响较大，五孔氧枪较四孔氧枪供氧时间平均缩短1.3 min。首先，五孔氧枪供氧强度达到4.2 Nm3/(min·t)，较四孔氧枪提高12.8%；五孔氧枪枪位较四孔枪位降低200 mm，具有更深的冲击深度，熔池内的各种化学反应更充分，快速，氧枪利用率提高，供氧时间缩短；其次铁耗降低100 kg/t，金属碳含量减少12%，供氧时间降低，综合优化前后转炉氧气单耗节约3.7 m3/t。

4.3 对钢铁料消耗的影响

优化后氧枪吹炼更平稳，终点命中率更高，终渣TFe下降明显，对钢铁料消耗影响显著。对优化前后转炉终渣进行统计，如表5所示。可以看出，优化后的氧枪，转炉终渣TFe降低1.85%，可以降低钢铁料消耗1.48 kg/t。优化后的氧枪，吹炼过程C-O更为平稳，大幅减少喷溅，转炉喷溅总渣量由22.1 kg/t降低到13.3 kg/t，可以降低钢铁料消耗3.69 kg/t，综合优化氧枪参数后，转炉钢铁料消耗下降5.17 kg/t，与生产实践数据相近。

表5 氧枪优化前后对终渣成分的影响(%)

5 结语

对氧枪进行五孔优化后，冶金效果明显改善，降低钢铁料消耗5.17 kg/t，脱磷效率由原来的79.3%提高到目前的83.6%，供氧时间缩短1.3 min，氧气单耗节约3.7m3/t，降低炼钢工序附加成本约20元/t，炼钢厂的直接经济效益显著提高。