吹氧枪及其在基础氧气炉中的作用

在碱性氧气炉（BOF）炼钢中，水冷喷枪用于将高速（超音速）的氧气流喷射到液态熔池中进行精炼。氧气喷射的速度或动力导致液态炉渣和金属的渗透，以促进相对较小区域的氧化反应。氧气喷射的速度和穿透特性是喷嘴（枪头）设计的功能。

高炉转炉的顶吹枪氧射流是氧气的输入源，也是搅拌熔池中金属液的能量来源。炉内涉及到BOF转炉的主要现象是：由于氧气射流和液态金属之间的物理相互作用而形成空腔，液态金属的搅拌，产生吐沫和灰尘，以及由脱碳和与氧气反应产生的CO气体的后燃烧。为了优化转炉的操作和控制上述现象，人们在顶吹喷枪的设计和操作上进行了不同的装置和改进。其中的例子包括采用能够高效地将压力能转换为射流动能的拉瓦尔喷嘴，以促进液体金属的搅拌，以及采用多孔喷枪，以实现高速送氧，同时通过分散氧气射流来抑制吐丝和灰尘的产生。

随着BOF转炉引入联合吹气，顶部吹气喷枪射流作为搅拌液态金属铁的能量来源的作用下降，设计和操作的灵活性得到了显著提高。

向液态浴中吹氧的主要原因是为了将浴中的碳去除到终点规格。由于吹氧，导致的主要反应是将碳从浴池中去除，成为CO。这是一个放热反应，给系统增加热量。少量的二氧化碳（通常低于10%）也会产生，因为这些二氧化碳在转炉内与氧气反应而燃烧（称为后燃烧）。由于吹氧而发生的其他反应是其他元素的氧化，如硅（Si）、锰（Mn）和磷（P）等。这些元素被氧化并被吸收到渣层中。这些反应也是放热的，进一步促进了液浴所需的热量，并将液浴的温度提高到所需的水平。硅的氧化特别重要，因为它发生在吹氧的早期，所产生的二氧化硅与添加的石灰结合，形成液态炉渣。下面给出了由于吹氧而发生的氧化反应。在1600摄氏度时，反应的自由能变化（在括号中给出）的单位是千卡/摩尔。

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)

氧化反应发生在氧气喷射的冲击区。这个冲击区被称为空腔，是由氧气的冲击产生的。液浴中的凹陷是氧射流的动量或推力的函数，由以下公式计算。

F = W (Ve/g)

其中F是力，W是质量流率，Ve是出口速度，g是重力加速度。通过设计氧枪的喷嘴，对喷射推力和冲击角度进行优化，以实现所需的化学反应和浴液搅拌。

氧枪的喷嘴被设计为一定的氧气流速，通常以N cum/min为单位，产生一定的出口速度（马赫数），具有所需的喷射轮廓和力量，以穿透液态炉渣层，与空腔区域的液态金属浴发生反应。

高动量的氧气射流以大约两倍于音速的速度离开拉瓦尔喷嘴出口。特征参数是马赫数，代表了当地气体速度和声速之间的比率。由于喷嘴内的膨胀，氧气在前往喷嘴出口的途中会冷却到零下100摄氏度左右，从而在水和氧气两方面对喷嘴进行集中冷却。

拉瓦尔喷嘴由一个会聚型入口和一个发散型出口管道组成。经常使用的术语是收敛-发散（CD）喷嘴。超音速射流是用收敛/发散（拉瓦尔）喷嘴产生的。一个停滞的氧气库保持在压力下，Po。氧气在会聚段加速，在圆柱形喉部区域达到音速（马赫数=1）。然后氧气在发散段膨胀。膨胀降低了氧气的温度、密度和压力，速度增加到超音速水平（超过1马赫）。

当氧气射流离开喷嘴进入BOF转换器时，它扩散并衰减。一个超音速的核心在离喷嘴一定的距离内仍然存在。超音速射流以拉瓦尔喷嘴的角度扩散，通常在10度到16度的范围内，但在一些喷枪喷嘴的设计中会上升到23度。

合适的喷嘴设计和适当的操作对于有效地产生所需的炼钢反应和最大限度地延长喷枪寿命都是必要的。如果喷嘴吹得过大，也就是说，氧气射流在离开喷嘴时没有完全膨胀，当射流在喷嘴外膨胀时就会产生冲击波。有用的能量会在这些冲击波中损失，而且过度膨胀的射流冲击液态金属槽的力量比理想膨胀的射流小。

当氧气射流膨胀到与周围的压力相等，然后在离开喷嘴之前停止膨胀时，喷嘴就会被吹得不足。在这种情况下，氧气流与喷嘴的内表面分离。来自BOF转炉的热气就会烧回或侵蚀喷嘴的出口区域。这种侵蚀不仅降低了喷枪喷嘴的寿命，而且还导致了喷射力的损失，导致了软吹状态。图1显示了超音速射流形成的力学原理以及过吹和欠吹的情况。

图1 超音速射流形成的力学原理以及过吹和欠吹的条件

BOF的氧枪的主要部件包括氧气进口配件，氧气出口（枪头），它是由高导热性的铸/锻铜设计的，有精确加工的喷嘴，以达到氧气射流的理想流速和参数。枪管是一系列同心的管道，由外管、中间管和供氧的中心管组成。氧气喷枪的设计要对热膨胀和收缩进行补偿。长矛的外管暴露在转炉的高温下。随着温度的升高，它就会膨胀，整个喷枪的内部结构采用O型密封圈和各种接头，但在使用过程中可以适应热膨胀和收缩。长枪也要有一个无应力的设计，它必须以钢铁厂的施工质量来建造，以便能够承受钢铁熔炼车间的正常操作条件。

冷却水在喷枪中是必要的，以防止其烧毁BOF转炉中的氧气喷枪。铜枪喷嘴和钢枪都是由压力约为6公斤/平方厘米的循环水冷却的。喷枪的重要组成部分是水冷却通道，冷却水流经喷嘴的中心并通过喷枪的外管流出。它的设计是为了在喷嘴区域获得最大的冷却水速度，该区域暴露在最高温度下。

重要的是，在设计氧气喷枪的拉瓦尔喷嘴时，要使吹气过程中的工艺变量与设计参数保持一致。当喷嘴在比设计压力更高的进口压力下运行时，吹扫射流只是效率低下。当喷嘴在较低的进口压力下运行时，它们会被快速磨损，超音速射流的效率很低。

影响BOF喷枪性能的因素

有许多因素影响氧枪的性能和效率。喷枪的性能取决于炉内存在的条件。热金属中的Si含量是一个非常重要的参数。这影响到形成的熔渣量，以及必须被氧气喷射穿透的熔渣量，同时也控制着炉内的倾斜量。喷枪的操作高度也非常重要，有必要将其纳入喷嘴的设计计算中。如果喷枪在炉内的高度太低，那么它就会暴露在极高的温度下。在这种情况下，冷却水的传热不足以使喷枪的表面不被融化或过早烧掉。如果喷枪的高度太高，氧气射流的推力就会变小，液态浴的精炼时间就会变长，需要更多的氧气来达到必要的脱碳和浴液温度。氧气流速是一个设计参数，有时会受到氧气供应系统的限制，和/或排放问题。马赫数的出口速度也是设计喷枪时使用的一个因素。如果马赫数的值较高，氧气喷射通常会更有力度。

喷嘴的数量和喷嘴孔的角度也是氧枪的重要考虑因素。在BOF炼钢工艺发展的早期阶段，使用的是单喷嘴的喷枪，直接吹向液槽。这就造成了大量的倾斜，液体材料被直接喷射到转炉口上。我们开发了略带角度的三孔喷嘴，以尽量减少倾斜，从而获得高的工艺产量。目前，许多BOF转炉都使用4、5或6喷嘴配置的喷枪。

冲击面积是喷嘴孔数和喷嘴角度的一个函数。下面将比较增加喷嘴数量和喷嘴出口角度对带有3孔喷嘴、4孔喷嘴和5孔喷嘴的氧气喷枪在液槽中的冲击面积的影响。 在这个比较中，氧气的流速被认为是565毫升/分钟。3孔喷嘴12度角的喷枪的冲击面积为1.41平方米，4孔喷嘴12度角的喷枪为1.52平方米，5孔喷嘴12度角的喷枪为1.61平方米，5孔喷嘴14度角的喷枪为1.67平方米。

随着喷嘴角度的增加，会产生更多的侧向力分量，而不是垂直力分量。这有助于在BOF转炉的液槽中进行更多的搅动和搅拌。然而，如果氧气喷射的横向分量过大，就会出现较高的耐火材料磨损。

影响喷管寿命的因素

较长的喷枪寿命对转炉的经济运行是有利的。然而，在正常的转炉工作实践中，许多单独的参数对工艺有影响，如热金属化学、排渣方法、石灰质量、喷枪模式、动态或静态喷枪控制、氧气供应压力的限制以及转炉的形状和体积。这些因素在不同的工厂之间也有很大差异，因此只能根据或多或少的理想工作实践给出一般规则，以描述转炉工艺参数和喷枪喷嘴寿命之间的一般关系。

喷管最脆弱的部分是所谓的喷管头冠，在使用时暴露在2000摄氏度以上的温度下。因此，枪头冠必须由导电率接近100%的铜制成。通常情况下，只有锻造铜才能提供如此高的导电率。由于铸造的限制，铸铜喷枪喷嘴的最低电导率通常为90%左右。电导率与热导率成正比。

喷枪寿命因车间而异，取决于各种操作方法。喷枪的典型寿命可能是200次，但也有一些车间的喷枪寿命达到400次。也有一些钢铁熔化车间甚至不能达到100次加热。冷却水对于保持高喷枪寿命至关重要。流速必须保持在设计速度上。冷却水的出口温度不超过60摄氏度至65摄氏度，水质也是一个重要参数。如果水被氧化物或污垢污染，通常会在喷枪管道和喷嘴内形成沉积物，对传热产生负面影响，这将降低喷枪的寿命。 操作高度对于实现氧气射流在液浴中的渗透至关重要。然而，如果喷管高度过低，就有可能造成喷管喷嘴面的侵蚀或熔化。

京东方转炉的吹气不足会导致喷嘴出口的侵蚀和喷枪喷嘴的失效。喷管上过多的浮灰需要用机械方法清除或烧掉。这两种做法都会对喷管造成损害。

喷枪的使用寿命受以下两个因素的影响。

对于吹氧来说，对喷枪喷嘴设计很重要的静压是在阀站而不是在喷嘴入口处调整的。这样一来，冶金反应所需的氧气体积流量就会产生。阀站和喷枪喷嘴之间的压力损失，由于摩擦和偏转损失而产生，是一个未知数。压力损失通常在0.3公斤/平方厘米和1.5公斤/平方厘米之间，这取决于氧气管道的几何形状。为了设计喷嘴，要估计压力损失，并确定进口压力。要从理论上计算出真正的压力损失并不容易，因为需要进行涵盖所有气体网络部件的可压缩压力损失计算。对于设计和转换器中的静压来说，进口温度也是必要的，这也是未知的。因此，喷嘴设计所需的过程变量被认为是近似值。如果喷嘴的运行模式与最初设计的模式不同，它们会迅速显示出磨损的迹象。此外，吹气条件变得不稳定和无效。

在BOF转炉运行期间，特定的工艺变量可能会被操作员改变，以应对不可预见的事件（液态金属和炉渣从转炉中滑出，氧气网络中的压力波动，在主吹炼阶段加入冷却矿石）和当前的工艺事件（在吹炼操作期间通过副喷枪取样）。相应地，在或多或少长的时间内，喷嘴流量与理想的设计条件有差异。在喷嘴的内部和外部，出现了复杂和不希望的流动模式，称为钻石波纹，以压缩和/或膨胀波的形式出现，这导致了喷嘴边缘的磨损。

京瓷喷枪的新发展

最近的第一个发展是燃烧后喷枪。因为熔池氧化反应产生的气体中有90%是一氧化碳，所以最好能进一步燃烧这些一氧化碳以形成二氧化碳。这个反应是高度放热的，为炼钢过程带来额外的热量。这是一些废钢与热金属比例较高的转炉车间正在采用的做法。这种做法需要一个双流氧气喷枪，它有两个氧气出口。在这样的喷枪中，主要的氧气供应是通过喷枪尖端分配的，与传统的喷枪类似，而辅助氧气是单独控制的，并在转炉的高处吹出。辅助氧气的作用是与从液态金属槽中流出的一氧化碳发生反应，从而产生额外的热能，可用于熔化更多的废钢，并有助于控制转炉口的浮渣堆积物。

氧枪的第二个最新发展是用于将含有高浓度氧化镁的熔渣保护层溅到BOF转炉的炉壁上。这个过程通常被称为溅渣。这是在钢液从转炉中被挖掘出来后进行的，残留的炉渣留在转炉中。然后对残渣的成分和温度进行调节。渣子成分和渣子温度这两个参数是溅渣成功的重要参数。关掉氧气供应，打开氮气供应。喷枪被降到离转炉底部约1米的位置。然后打开氮气，将液态炉渣溅到转炉壁上，在耐火材料上形成一层保护性炉渣涂层。这种熔渣涂层已成功地将典型的耐火材料衬里寿命提高到每次加热超过20,000次。此外，每吨钢液的炮击要求也降低到0.5公斤以下。