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吹氧槍及其在基礎(chǔ)氧氣爐中的作用

在堿性氧氣爐（BOF）煉鋼中，水冷噴槍用于將高速（超音速）的氧氣流噴射到液態(tài)熔池中進(jìn)行精煉。氧氣噴射的速度或動(dòng)力導(dǎo)致液態(tài)爐渣和金屬的滲透，以促進(jìn)相對(duì)較小區(qū)域的氧化反應(yīng)。氧氣噴射的速度和穿透特性是噴嘴（槍頭）設(shè)計(jì)的功能。

高爐轉(zhuǎn)爐的頂吹槍氧射流是氧氣的輸入源，也是攪拌熔池中金屬液的能量來(lái)源。爐內(nèi)涉及到BOF轉(zhuǎn)爐的主要現(xiàn)象是：由于氧氣射流和液態(tài)金屬之間的物理相互作用而形成空腔，液態(tài)金屬的攪拌，產(chǎn)生吐沫和灰塵，以及由脫碳和與氧氣反應(yīng)產(chǎn)生的CO氣體的后燃燒。為了優(yōu)化轉(zhuǎn)爐的操作和控制上述現(xiàn)象，人們?cè)陧敶祰姌尩脑O(shè)計(jì)和操作上進(jìn)行了不同的裝置和改進(jìn)。其中的例子包括采用能夠高效地將壓力能轉(zhuǎn)換為射流動(dòng)能的拉瓦爾噴嘴，以促進(jìn)液體金屬的攪拌，以及采用多孔噴槍?zhuān)詫?shí)現(xiàn)高速送氧，同時(shí)通過(guò)分散氧氣射流來(lái)抑制吐絲和灰塵的產(chǎn)生。

隨著B(niǎo)OF轉(zhuǎn)爐引入聯(lián)合吹氣，頂部吹氣噴槍射流作為攪拌液態(tài)金屬鐵的能量來(lái)源的作用下降，設(shè)計(jì)和操作的靈活性得到了顯著提高。

向液態(tài)浴中吹氧的主要原因是為了將浴中的碳去除到終點(diǎn)規(guī)格。由于吹氧，導(dǎo)致的主要反應(yīng)是將碳從浴池中去除，成為CO。這是一個(gè)放熱反應(yīng)，給系統(tǒng)增加熱量。少量的二氧化碳（通常低于10%）也會(huì)產(chǎn)生，因?yàn)檫@些二氧化碳在轉(zhuǎn)爐內(nèi)與氧氣反應(yīng)而燃燒（稱(chēng)為后燃燒）。由于吹氧而發(fā)生的其他反應(yīng)是其他元素的氧化，如硅（Si）、錳（Mn）和磷（P）等。這些元素被氧化并被吸收到渣層中。這些反應(yīng)也是放熱的，進(jìn)一步促進(jìn)了液浴所需的熱量，并將液浴的溫度提高到所需的水平。硅的氧化特別重要，因?yàn)樗l(fā)生在吹氧的早期，所產(chǎn)生的二氧化硅與添加的石灰結(jié)合，形成液態(tài)爐渣。下面給出了由于吹氧而發(fā)生的氧化反應(yīng)。在1600攝氏度時(shí)，反應(yīng)的自由能變化（在括號(hào)中給出）的單位是千卡/摩爾。

C + 0.5 O2 = Co (- 66)

2CO + O2 = 2CO2 (-57.4)

Si + O2 = SiO2 (-137.5)

Mn + 0.5 O2 = MnO (-58.5)

2P + 2.5 O2 = P2O5 (-148.5)

氧化反應(yīng)發(fā)生在氧氣噴射的沖擊區(qū)。這個(gè)沖擊區(qū)被稱(chēng)為空腔，是由氧氣的沖擊產(chǎn)生的。液浴中的凹陷是氧射流的動(dòng)量或推力的函數(shù)，由以下公式計(jì)算。

F = W (Ve/g)

其中F是力，W是質(zhì)量流率，Ve是出口速度，g是重力加速度。通過(guò)設(shè)計(jì)氧槍的噴嘴，對(duì)噴射推力和沖擊角度進(jìn)行優(yōu)化，以實(shí)現(xiàn)所需的化學(xué)反應(yīng)和浴液攪拌。

氧槍的噴嘴被設(shè)計(jì)為一定的氧氣流速，通常以N cum/min為單位，產(chǎn)生一定的出口速度（馬赫數(shù)），具有所需的噴射輪廓和力量，以穿透液態(tài)爐渣層，與空腔區(qū)域的液態(tài)金屬浴發(fā)生反應(yīng)。

高動(dòng)量的氧氣射流以大約兩倍于音速的速度離開(kāi)拉瓦爾噴嘴出口。特征參數(shù)是馬赫數(shù)，代表了當(dāng)?shù)貧怏w速度和聲速之間的比率。由于噴嘴內(nèi)的膨脹，氧氣在前往噴嘴出口的途中會(huì)冷卻到零下100攝氏度左右，從而在水和氧氣兩方面對(duì)噴嘴進(jìn)行集中冷卻。

拉瓦爾噴嘴由一個(gè)會(huì)聚型入口和一個(gè)發(fā)散型出口管道組成。經(jīng)常使用的術(shù)語(yǔ)是收斂-發(fā)散（CD）噴嘴。超音速射流是用收斂/發(fā)散（拉瓦爾）噴嘴產(chǎn)生的。一個(gè)停滯的氧氣庫(kù)保持在壓力下，Po。氧氣在會(huì)聚段加速，在圓柱形喉部區(qū)域達(dá)到音速（馬赫數(shù)=1）。然后氧氣在發(fā)散段膨脹。膨脹降低了氧氣的溫度、密度和壓力，速度增加到超音速水平（超過(guò)1馬赫）。

當(dāng)氧氣射流離開(kāi)噴嘴進(jìn)入BOF轉(zhuǎn)換器時(shí)，它擴(kuò)散并衰減。一個(gè)超音速的核心在離噴嘴一定的距離內(nèi)仍然存在。超音速射流以拉瓦爾噴嘴的角度擴(kuò)散，通常在10度到16度的范圍內(nèi)，但在一些噴槍噴嘴的設(shè)計(jì)中會(huì)上升到23度。

合適的噴嘴設(shè)計(jì)和適當(dāng)?shù)牟僮鲗?duì)于有效地產(chǎn)生所需的煉鋼反應(yīng)和最大限度地延長(zhǎng)噴槍壽命都是必要的。如果噴嘴吹得過(guò)大，也就是說(shuō)，氧氣射流在離開(kāi)噴嘴時(shí)沒(méi)有完全膨脹，當(dāng)射流在噴嘴外膨脹時(shí)就會(huì)產(chǎn)生沖擊波。有用的能量會(huì)在這些沖擊波中損失，而且過(guò)度膨脹的射流沖擊液態(tài)金屬槽的力量比理想膨脹的射流小。

當(dāng)氧氣射流膨脹到與周?chē)膲毫ο嗟?，然后在離開(kāi)噴嘴之前停止膨脹時(shí)，噴嘴就會(huì)被吹得不足。在這種情況下，氧氣流與噴嘴的內(nèi)表面分離。來(lái)自BOF轉(zhuǎn)爐的熱氣就會(huì)燒回或侵蝕噴嘴的出口區(qū)域。這種侵蝕不僅降低了噴槍噴嘴的壽命，而且還導(dǎo)致了噴射力的損失，導(dǎo)致了軟吹狀態(tài)。圖1顯示了超音速射流形成的力學(xué)原理以及過(guò)吹和欠吹的情況。

圖1 超音速射流形成的力學(xué)原理以及過(guò)吹和欠吹的條件

BOF的氧槍的主要部件包括氧氣進(jìn)口配件，氧氣出口（槍頭），它是由高導(dǎo)熱性的鑄/鍛銅設(shè)計(jì)的，有精確加工的噴嘴，以達(dá)到氧氣射流的理想流速和參數(shù)。槍管是一系列同心的管道，由外管、中間管和供氧的中心管組成。氧氣噴槍的設(shè)計(jì)要對(duì)熱膨脹和收縮進(jìn)行補(bǔ)償。長(zhǎng)矛的外管暴露在轉(zhuǎn)爐的高溫下。隨著溫度的升高，它就會(huì)膨脹，整個(gè)噴槍的內(nèi)部結(jié)構(gòu)采用O型密封圈和各種接頭，但在使用過(guò)程中可以適應(yīng)熱膨脹和收縮。長(zhǎng)槍也要有一個(gè)無(wú)應(yīng)力的設(shè)計(jì)，它必須以鋼鐵廠的施工質(zhì)量來(lái)建造，以便能夠承受鋼鐵熔煉車(chē)間的正常操作條件。

冷卻水在噴槍中是必要的，以防止其燒毀BOF轉(zhuǎn)爐中的氧氣噴槍。銅槍噴嘴和鋼槍都是由壓力約為6公斤/平方厘米的循環(huán)水冷卻的。噴槍的重要組成部分是水冷卻通道，冷卻水流經(jīng)噴嘴的中心并通過(guò)噴槍的外管流出。它的設(shè)計(jì)是為了在噴嘴區(qū)域獲得最大的冷卻水速度，該區(qū)域暴露在最高溫度下。

重要的是，在設(shè)計(jì)氧氣噴槍的拉瓦爾噴嘴時(shí)，要使吹氣過(guò)程中的工藝變量與設(shè)計(jì)參數(shù)保持一致。當(dāng)噴嘴在比設(shè)計(jì)壓力更高的進(jìn)口壓力下運(yùn)行時(shí)，吹掃射流只是效率低下。當(dāng)噴嘴在較低的進(jìn)口壓力下運(yùn)行時(shí)，它們會(huì)被快速磨損，超音速射流的效率很低。

影響B(tài)OF噴槍性能的因素

有許多因素影響氧槍的性能和效率。噴槍的性能取決于爐內(nèi)存在的條件。熱金屬中的Si含量是一個(gè)非常重要的參數(shù)。這影響到形成的熔渣量，以及必須被氧氣噴射穿透的熔渣量，同時(shí)也控制著爐內(nèi)的傾斜量。噴槍的操作高度也非常重要，有必要將其納入噴嘴的設(shè)計(jì)計(jì)算中。如果噴槍在爐內(nèi)的高度太低，那么它就會(huì)暴露在極高的溫度下。在這種情況下，冷卻水的傳熱不足以使噴槍的表面不被融化或過(guò)早燒掉。如果噴槍的高度太高，氧氣射流的推力就會(huì)變小，液態(tài)浴的精煉時(shí)間就會(huì)變長(zhǎng)，需要更多的氧氣來(lái)達(dá)到必要的脫碳和浴液溫度。氧氣流速是一個(gè)設(shè)計(jì)參數(shù)，有時(shí)會(huì)受到氧氣供應(yīng)系統(tǒng)的限制，和/或排放問(wèn)題。馬赫數(shù)的出口速度也是設(shè)計(jì)噴槍時(shí)使用的一個(gè)因素。如果馬赫數(shù)的值較高，氧氣噴射通常會(huì)更有力度。

噴嘴的數(shù)量和噴嘴孔的角度也是氧槍的重要考慮因素。在BOF煉鋼工藝發(fā)展的早期階段，使用的是單噴嘴的噴槍?zhuān)苯哟迪蛞翰?。這就造成了大量的傾斜，液體材料被直接噴射到轉(zhuǎn)爐口上。我們開(kāi)發(fā)了略帶角度的三孔噴嘴，以盡量減少傾斜，從而獲得高的工藝產(chǎn)量。目前，許多BOF轉(zhuǎn)爐都使用4、5或6噴嘴配置的噴槍。

沖擊面積是噴嘴孔數(shù)和噴嘴角度的一個(gè)函數(shù)。下面將比較增加噴嘴數(shù)量和噴嘴出口角度對(duì)帶有3孔噴嘴、4孔噴嘴和5孔噴嘴的氧氣噴槍在液槽中的沖擊面積的影響。 在這個(gè)比較中，氧氣的流速被認(rèn)為是565毫升/分鐘。3孔噴嘴12度角的噴槍的沖擊面積為1.41平方米，4孔噴嘴12度角的噴槍為1.52平方米，5孔噴嘴12度角的噴槍為1.61平方米，5孔噴嘴14度角的噴槍為1.67平方米。

隨著噴嘴角度的增加，會(huì)產(chǎn)生更多的側(cè)向力分量，而不是垂直力分量。這有助于在BOF轉(zhuǎn)爐的液槽中進(jìn)行更多的攪動(dòng)和攪拌。然而，如果氧氣噴射的橫向分量過(guò)大，就會(huì)出現(xiàn)較高的耐火材料磨損。

影響噴管壽命的因素

較長(zhǎng)的噴槍壽命對(duì)轉(zhuǎn)爐的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行是有利的。然而，在正常的轉(zhuǎn)爐工作實(shí)踐中，許多單獨(dú)的參數(shù)對(duì)工藝有影響，如熱金屬化學(xué)、排渣方法、石灰質(zhì)量、噴槍模式、動(dòng)態(tài)或靜態(tài)噴槍控制、氧氣供應(yīng)壓力的限制以及轉(zhuǎn)爐的形狀和體積。這些因素在不同的工廠之間也有很大差異，因此只能根據(jù)或多或少的理想工作實(shí)踐給出一般規(guī)則，以描述轉(zhuǎn)爐工藝參數(shù)和噴槍噴嘴壽命之間的一般關(guān)系。

噴管最脆弱的部分是所謂的噴管頭冠，在使用時(shí)暴露在2000攝氏度以上的溫度下。因此，槍頭冠必須由導(dǎo)電率接近100%的銅制成。通常情況下，只有鍛造銅才能提供如此高的導(dǎo)電率。由于鑄造的限制，鑄銅噴槍噴嘴的最低電導(dǎo)率通常為90%左右。電導(dǎo)率與熱導(dǎo)率成正比。

噴槍壽命因車(chē)間而異，取決于各種操作方法。噴槍的典型壽命可能是200次，但也有一些車(chē)間的噴槍壽命達(dá)到400次。也有一些鋼鐵熔化車(chē)間甚至不能達(dá)到100次加熱。冷卻水對(duì)于保持高噴槍壽命至關(guān)重要。流速必須保持在設(shè)計(jì)速度上。冷卻水的出口溫度不超過(guò)60攝氏度至65攝氏度，水質(zhì)也是一個(gè)重要參數(shù)。如果水被氧化物或污垢污染，通常會(huì)在噴槍管道和噴嘴內(nèi)形成沉積物，對(duì)傳熱產(chǎn)生負(fù)面影響，這將降低噴槍的壽命。 操作高度對(duì)于實(shí)現(xiàn)氧氣射流在液浴中的滲透至關(guān)重要。然而，如果噴管高度過(guò)低，就有可能造成噴管?chē)娮烀娴那治g或熔化。

京東方轉(zhuǎn)爐的吹氣不足會(huì)導(dǎo)致噴嘴出口的侵蝕和噴槍噴嘴的失效。噴管上過(guò)多的浮灰需要用機(jī)械方法清除或燒掉。這兩種做法都會(huì)對(duì)噴管造成損害。

噴槍的使用壽命受以下兩個(gè)因素的影響。

對(duì)于吹氧來(lái)說(shuō)，對(duì)噴槍噴嘴設(shè)計(jì)很重要的靜壓是在閥站而不是在噴嘴入口處調(diào)整的。這樣一來(lái)，冶金反應(yīng)所需的氧氣體積流量就會(huì)產(chǎn)生。閥站和噴槍噴嘴之間的壓力損失，由于摩擦和偏轉(zhuǎn)損失而產(chǎn)生，是一個(gè)未知數(shù)。壓力損失通常在0.3公斤/平方厘米和1.5公斤/平方厘米之間，這取決于氧氣管道的幾何形狀。為了設(shè)計(jì)噴嘴，要估計(jì)壓力損失，并確定進(jìn)口壓力。要從理論上計(jì)算出真正的壓力損失并不容易，因?yàn)樾枰M(jìn)行涵蓋所有氣體網(wǎng)絡(luò)部件的可壓縮壓力損失計(jì)算。對(duì)于設(shè)計(jì)和轉(zhuǎn)換器中的靜壓來(lái)說(shuō)，進(jìn)口溫度也是必要的，這也是未知的。因此，噴嘴設(shè)計(jì)所需的過(guò)程變量被認(rèn)為是近似值。如果噴嘴的運(yùn)行模式與最初設(shè)計(jì)的模式不同，它們會(huì)迅速顯示出磨損的跡象。此外，吹氣條件變得不穩(wěn)定和無(wú)效。

在BOF轉(zhuǎn)爐運(yùn)行期間，特定的工藝變量可能會(huì)被操作員改變，以應(yīng)對(duì)不可預(yù)見(jiàn)的事件（液態(tài)金屬和爐渣從轉(zhuǎn)爐中滑出，氧氣網(wǎng)絡(luò)中的壓力波動(dòng)，在主吹煉階段加入冷卻礦石）和當(dāng)前的工藝事件（在吹煉操作期間通過(guò)副噴槍取樣）。相應(yīng)地，在或多或少長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)，噴嘴流量與理想的設(shè)計(jì)條件有差異。在噴嘴的內(nèi)部和外部，出現(xiàn)了復(fù)雜和不希望的流動(dòng)模式，稱(chēng)為鉆石波紋，以壓縮和/或膨脹波的形式出現(xiàn)，這導(dǎo)致了噴嘴邊緣的磨損。

京瓷噴槍的新發(fā)展

最近的第一個(gè)發(fā)展是燃燒后噴槍。因?yàn)槿鄢匮趸磻?yīng)產(chǎn)生的氣體中有90%是一氧化碳，所以最好能進(jìn)一步燃燒這些一氧化碳以形成二氧化碳。這個(gè)反應(yīng)是高度放熱的，為煉鋼過(guò)程帶來(lái)額外的熱量。這是一些廢鋼與熱金屬比例較高的轉(zhuǎn)爐車(chē)間正在采用的做法。這種做法需要一個(gè)雙流氧氣噴槍?zhuān)袃蓚€(gè)氧氣出口。在這樣的噴槍中，主要的氧氣供應(yīng)是通過(guò)噴槍尖端分配的，與傳統(tǒng)的噴槍類(lèi)似，而輔助氧氣是單獨(dú)控制的，并在轉(zhuǎn)爐的高處吹出。輔助氧氣的作用是與從液態(tài)金屬槽中流出的一氧化碳發(fā)生反應(yīng)，從而產(chǎn)生額外的熱能，可用于熔化更多的廢鋼，并有助于控制轉(zhuǎn)爐口的浮渣堆積物。

氧槍的第二個(gè)最新發(fā)展是用于將含有高濃度氧化鎂的熔渣保護(hù)層濺到BOF轉(zhuǎn)爐的爐壁上。這個(gè)過(guò)程通常被稱(chēng)為濺渣。這是在鋼液從轉(zhuǎn)爐中被挖掘出來(lái)后進(jìn)行的，殘留的爐渣留在轉(zhuǎn)爐中。然后對(duì)殘?jiān)某煞趾蜏囟冗M(jìn)行調(diào)節(jié)。渣子成分和渣子溫度這兩個(gè)參數(shù)是濺渣成功的重要參數(shù)。關(guān)掉氧氣供應(yīng)，打開(kāi)氮?dú)夤?yīng)。噴槍被降到離轉(zhuǎn)爐底部約1米的位置。然后打開(kāi)氮?dú)?，將液態(tài)爐渣濺到轉(zhuǎn)爐壁上，在耐火材料上形成一層保護(hù)性爐渣涂層。這種熔渣涂層已成功地將典型的耐火材料襯里壽命提高到每次加熱超過(guò)20,000次。此外，每噸鋼液的炮擊要求也降低到0.5公斤以下。