100t转炉氧枪的优化设计.doc

中国冶金装备网中国冶金人的网100t转炉氧枪的优化设计摘要 本文以水钢100t转炉氧枪为研究对象，利用氧枪设计经典理论，结合水钢现生产工艺，通过设计计算研究得，水钢现氧枪在提高转炉冶炼节奏，缩短供氧时间，提高供氧强度方面已不能满足生产的需要。为此，研究以氧枪设计经典理论为基础，紧密结合水钢生产实际，以氧枪设备参数设计为研究切入点，进行新氧枪的设计。并利用Fluent软件对氧枪射流流场及射流与熔池的作用情况进行了模拟验证。研究表明，氧枪参数即当喉口直径为36.8mm，出口直径为46.7mm时，满足生产的要求。关键词 转炉炼钢 氧枪 冲击深度 氧压压力Optimization and Design of 100t BOF oxygen lance Wei Xinyan1 Zhu Rong1 Liu Lide2 Zhang Dongsheng2 Yang Changtao2 Liu Fuhai1（1：School of Metallurgical and Ecological Engineering，University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083，China；2： Shougang Shuicheng Iron & steel Co.,Ltd.，Guizhou Shuicheng 553028，China）ABSTRACT This paper aims at doing research on 100t oxygen lance. Combined with production technology of shuigang now, through the design calculation with the classical theory of lance design, it shows that the oxygen lance used in Shuicheng steelmaking plant now cannot meet the need of production in improving smelting rhythm, shortening oxygen time and enhancing oxygen intensity. Therefore, on the basis of classical theory of lance design, the new oxygen lance was designed, combining with actual production closely and taking lance device parameters as entry point. At the same time, some simulations were made by the software Fluent to verify the effect that lance make on the jet flow and interaction between jet and pool. Studies has shown that the lance can meet the need of production ,when the throat diameter is 36.8mm , and outlet diameter 46.7mm.KEYWORDS BOF steelmaking Oxygen lance Impacting depth Oxygen pressure1.前言氧枪是转炉炼钢最重要的供氧设备，利用它将高压氧气喷入熔池中，完成脱碳、升温及去夹杂反应。喷头是氧枪的核心部件，喷头参数的改变将直接影响氧枪的使用性能与技术指标。水钢炼钢厂在转炉冶炼中出现了氧气消耗大、供氧强度小、喷头使用寿命较低、冶炼周期长等问题。初步分析认为，氧枪喷头参数的不合理和转炉部分操作参数的不正确是导致上述问题的重要原因。2 原氧枪参数计算为了探究原氧枪问题所在，对原氧枪和原操作条件下转炉的各项指标进行计算分析。表1 原氧枪参数表马赫数喷孔数喷孔夹角喉口直径（mm）出口直径（mm）氧流量（Nm3/h）氧压（MPa）2.0412.53646.515000-180000.8-0.92.1氧流量氧枪马赫数为Ma=2.0，查得P/P0=0.1278；取炉膛压力P=0.103MPa，则总压：P0=0.103/0.1287=0.800MPa。根据下面公式1可计算氧流量：式中：q为单孔氧流量（标态），m3/min； CD为喷孔流量系数；A喉为喉口面积；P0为绝对氧压，MPa；T0为氧气滞止温度，K。代入计算得，四孔枪头总流量Q=q460=18804 m3/h厂方目前实际生产氧流量15000-18000m3/h，比设计流量低。可见氧枪未充分利用，还有较大的利用空间。氧流量太小会延长吹炼时间，降低生产率。为缩短冶炼周期，需提高供氧流量，以加快气流与钢液的反应。但流量也不可以过度提高，因为随着氧流量的增加，中心管氧速也会增大。计算可知，当流量提高到20000m3/h时，中心管氧速超出安全氧速（50m/s），不符合氧枪正常工作的条件。2.2冲击深度转炉炼钢过程是非常复杂的，在吹炼过程中枪位、脱碳速度、渣层厚度和炉内温度是不停变化的2。因此冲击深度也是变化的。关于冲击深度的计算只是通过大量冷漠型中进行大量试验研究得到的经验公式。平均冲击深度： 式中：h平均为平均冲击深度；出为出口气体密度，kg/m3；e为钢液密度，kg/m3；g为重力加速度；出为射流出口速度，m/s；d出为喷头出口直径，mm；为常数，决定于射流的马赫数M，取=8.0；H为喷枪高度，m。最大冲击深度：式中：h最大为最大冲击深度；P为入口气体压力，kg/cm2；d喉为喉口直径，mm；H为喷枪高度，cm。2.3冲击面积氧气射流与熔池接触时的有效冲击直径d用如下公式计算，S冲击=3.14*d2/4式中各项的意义同上。2.4反应区表面积根据公式计算得式中，h为冲击深度，m；H为氧枪高度，m；为常数，可按下式求得：= (P0/0.404)2。2.5计算结果分析表2 脱碳枪位下冲击深度和冲击面积Po（MPa）H枪位（mm）S冲击（m2）S反应（m2）h最大（m）h最大/h熔池h平均（m）h平均/h熔池0.8012000.0520.4250.9582%0.6051%0.8512000. 530.4351.0186%0.6355%0.9012000.0540.4451.0691%0.6758%0.9512000.0550.4551.1296%0.7161%从表2可以看出，在脱碳枪位1200mm，操作氧压（0.80-0.90MPa）条件下，熔池的冲击深度达到0.95-1.06m，占熔池深度的82%-91%。可见射流对熔池冲击作用很大，冲击深度过大，射流已接近熔池底部，对炉底冲刷严重。射流冲击很深，熔池液面搅拌剧烈，气-炉渣-金属液乳化充分，脱碳速度快，氧化铁消耗量增多，熔渣中的总铁含量减少，导致炉渣返干，长时间低枪位操作，容易引起金属喷溅。该厂在冶炼时废钢加入量较大，铁水量少。为了熔化废钢，操作枪位偏低。导致冲击深度过大，冲击面积小，反应不充分，氧气利用率低，因此氧耗大，冶炼周期长。由于长时间低枪位操作，射流对炉底冲刷严重，而且还易造成金属喷溅，氧枪寿命也低。3 新氧枪设计计算3.1 喷孔角度高压氧气经氧枪喷入熔池，对熔池形成一定的冲击深度和冲击面积，是保证转炉正常冶炼的重要条件。冲击面积的大小会影响氧枪的化渣能力和脱碳速度3,4。在保证合适冲击深度条件下，冲击面积越大，氧气射流的化渣能力就越强，脱磷效果越好。为此，新氧枪喷头增大了喷孔间的夹角，从原来的12.5增加为13。如表3所示3.2喉口直径从上面分析可知，氧枪冲击深度过大，反应区过度集中是现在转炉冶炼时喷溅严重的直接影响因素。为了减少喷溅，应适当降低氧气射流速度，减小射流冲击深度，因此氧压不宜过大。为了保证达到供氧强度为4.0 Nm3/(mint)，按85t装入量计算得，氧气流量为20000 Nm3/h。在保证转炉原来操作氧压的情况下，根据氧流量公式计算得，喉口直径为36.8mm。3.3出口直径根据M=2.0查等熵流表得：A出/A喉=1.688d出 =d喉=36.8=47.6mm表3 优化前后氧枪参数表类别马赫数喷孔数喷孔夹角喉口直径（mm）出口直径（mm）氧流量（Nm3/h）原氧枪2.0412.536.046.515000-18000新氧枪2.041336.847.6200003.4小结从表4可以看出，在相同的操作氧压下，新氧枪的设计流量比原氧枪的大。如在氧压为0.80MPa时，新氧枪的设计流量为19543 m3/h，比同等条件下原氧枪高出783 m3。新氧枪不仅增大了供氧量，提高了供氧强度，而且操作安全可靠。从表4还可以看出，原氧枪在使用时，当氧压稍大于0.85MPa时，中心氧速便超出了安全氧速；而新氧枪在氧压为0.95MPa条件下使用时仍是安全的。可见新氧枪要优于原氧枪。表4 不同氧压下的流量和中心氧速原氧枪新氧枪Po（MPa）设计流量（Nm3/h）中心氧速（m/s）设计流量（Nm3/h）中心氧速（m/s）0.601410435.111465831.230.701645440.961710036.440.801880546.821954341.650.851998049.742076544.250.902115652.672198646.850.952233155.592320849.454 数值模拟计算为了更加直观地看出新氧枪的优势，利用Fluent软件5-10对新氧枪和原氧枪在不同压力条件下的射流流场及射流熔池相互作用的两相流情况进行了数值模拟计算。4.1射流流场模拟为了比较分析，分别模拟了氧压分别为0.80MPa、0.85MPa与0.90MPa条件下，新氧枪与原氧枪的射流流场分布。图1 原氧枪与新氧枪射流流场速度分布图（左边为原氧枪，右边是新氧枪）从图1可以看出，在相同的氧压条件下，新氧枪高速区范围比原氧枪大。即在相同射流条件下，新氧枪的射流长度要比原氧枪长。超音速核心段的长度是决定氧枪枪位的基础。超音速核心段越长，冲击深度越深，对熔池的搅拌能力越大，氧气的利用率越高。42两相流模拟为了更进一步研究新氧枪与原氧枪对熔池的作用效果，分别模拟了在相同的枪位（即H=1.8m）下，新枪和原枪射流与钢液作用时的两相流分布。模拟结果分布图和具体值见图2和表5。图2 原氧枪与新氧枪的两相流分布图（左边为原氧枪，右边是新氧枪）表5 相同喷吹高度下原氧枪与新枪头模拟结果枪型冲击深度（m）冲击半径（m）原枪头0.430.82新枪头0.460.93从图2可以看出，在相同喷吹高度，相同氧压条件下，原氧枪无论从冲击深度或冲击半径均来看，其对钢液的混合效果均不如新氧枪。新氧枪的流量比原氧枪大，射流从新氧枪出来时，高速区股流大，气体动能高，对钢液的冲击效果强。值得注意的是，在原枪头的夹角小的情况下，新枪的冲击深度仍然比原枪大，而且冲击面积也较大。根据模拟结果可知，新枪头所能达到的冶炼效果明显优于原枪头。5工业试验将优化前后氧枪于2011年3月在水钢第二炼钢厂进行了工业试验。把3号转炉使用优化后氧枪的60炉次和1号转炉使用原氧枪的58炉次的冶炼工况进行了统计分析。经分析发现，优化后的氧枪吨钢氧耗降低了4.72 m3/t，供氧时间缩短了2.2 min，供氧强度提高到了4.0 m3/ mint。具体统计结果指标如下表6所示。表6 新氧枪和原氧枪主要技术指标对比表指标吨钢氧耗（m3/t）钢铁料消耗（kg/t）供氧时间(min)供氧强度(m3/)一倒P合格率一倒P平均值倒炉次数喷溅率原氧枪58.94108714.73.9982.4%0.026%1.935.1%新氧枪54.22107413.54.0267%0.028%2.111.7%从上面统计可以看出，优化后的氧枪在原料消耗、氧的使用率及喷溅方面均比原氧枪的冶炼性能好，但在一倒P方面还有待提高。造成这样的结果，一方面是因为新氧枪处于试验阶段，枪位和氧流量控制还不及原氧枪熟练；另一方面这与操枪工也有一定的关系，从工况来看，有的班组一倒P合格率很高，有的班组则很低，具有一定的人为因素影响，但若优化后氧枪进入工业使用，通过长时间的摸索和了解，人为因素可以降低。6结论（1）通过对原氧枪各参数进行计算验证，发现原氧枪存在很多不合理之处。原氧枪使用时流量远低于设计流量，因此射流长度小，冲击力度小，氧气利用率低，导致氧耗大，冶炼周期长。由于该厂冶炼时废钢加入量偏大，操作枪位低，冲击深度过大，对炉底冲刷严重，且容易造成喷