0 引言

氧枪是转炉炼钢的重要设备之一，转炉炼钢通过氧枪向炉内喷入超音速氧气射流，创造转炉炼钢所需的动力学和热力学条件，达到转炉炼钢所需的冶金效果.转炉氧枪的工作环境极其恶劣，在炉内高温金属、熔渣热流的反复作用和高频次的开氧、关氧过程中极易发生损坏，并可能引发设备和工艺安全事故.九江钢铁炼钢厂在生产实践过程中，为提高转炉氧枪设备本体安全，采取了一些措施进行改进，并取得较好效果^{[1, 2]}.

1 氧枪喷头参数的优化

九江钢铁炼钢厂目前有2座公称120t转炉，转炉熔池深度1423mm、熔池直径4 730 mm，炉身高7700mm, 炉口直径2 667 mm, 高径比1.63, 炉熔比0.95 m³/t, 供氧强度3.38 Nm³/（min·t）.

转炉投产期间，按120 t出钢量设计的氧枪吹炼氧气流量为24 000 Nm³/h，但实际平均转炉出钢量达到137.5 t，过程氧枪吹炼氧气流量为26 000 Nm³/h, 实际使用参数已偏离设计参数，导致过程氧压过高，操作过程不稳定，易发生喷溅烧损氧枪和造成氧枪枪管粘钢，并可能引发事故，需重新设计氧枪喷头参数.九江钢铁炼钢厂与山东崇盛冶金氧枪有限公司重新设计了九江钢铁炼钢厂273喷头.该喷头在120 t转炉推广使用，获得较好地使用效果.

1.1 氧枪喷头设计条件

1）供氧时间

九江钢铁炼钢厂120 t转炉工程的工艺设备为铁水预处理—转炉—精炼设备—连铸.九江钢铁炼钢厂120 t转炉氧枪从设计的生产能力和工艺匹配等角度考虑，合理设计转炉工序的冶炼周期为37 min，纯供氧时间为13~14 min.

2）供氧压力及流量

120 t转炉平均出钢量为137.5 t，最大出钢量为145 t，根据实际的铁水和废钢状况及钢铁料消耗要求，并结合转炉冶炼代表性钢种的物料平衡和热平衡计算，转炉冶炼氧气耗量为44 m³/t，氧气流量（标准状态）为26 000~28 000 Nm3/h，供氧压力为0.8~1.3 MPa，供氧强度为3.3~3.4 Nm³/（min·t）.

1.2 氧枪喷头参数的设计

1）马赫数的选择

综合考虑, 取M=2.0

2）计算工况氧压Po

查等熵流表，当M=2.0时，P_出/Po=0.127 8，由于炉膛压力近似于大气压力，所以P_出=0.102 MPa，Po=0.80 MPa=8.14 Kg/cm²

严禁使用氧压低于0.70 Mpa，以防止氧枪回火事故的发生^{[3, 4]}.

3）计算氧流量Q

由Q=吨钢氧耗×出钢量×60÷纯供氧时间=44×137.5×60/13得出：Q=27 923 Nm³/h

4）计算喉口直径D喉

根据转炉的吨位和实践选用四孔喷头，由氧流量公式

Q=64×Po×A_喉

D_喉=41.7 mm

5）计算出口直径D_出

根据M=2.0，查等熵流表，得A_出/A_喉=1.688

A_出—出口截面积/mm²

D_出=54.1 mm

6）计算扩张段长度L

理论的气体膨胀角为4°~8°，扩张段的张角理应也设计成4°~8°.小扩张角具有控制膨胀作用，因而，出口流股会有轻微膨胀，氧流贴近孔壁流动会出现层流，从而加重射流表面与炉氧混合，有利于提高热效率.大扩张角控制膨胀作用小，扩张段短，受孔壁粗糙度影响小，有利于减小氧射流的能量损失，提高作用熔池贯穿力，考虑喷头的穿透能力，应取较大的张角，定为3.5°.

L=（54.1-41.7）÷2×tg3.5°=100.8 mm取为100 mm

7）确定孔倾角α

多孔喷头的射流各个流股发生汇交和不汇交以效应角θ为界，大于θ各个流股就很少汇交，小于θ就必定汇交.效应角θ于喷孔倾角α的相关方程为：

sinθ=sinαxsin180° /n

θ─临界效应角7.5°~9°  a─喷孔倾角/（°）

n─喷孔数目/个

则四孔喷头的倾角a在10.6°~12.8°

可见对与四孔喷头来说, 能保证倾角>10.6°, 就能满足射流不交汇的要求.但在实际应用中, 只要射流不冲刷炉壁, 为增加初期渣的反应, 孔倾角可以取大一些, 这里孔倾角a=12.5°

8）四孔分布圆直径D

孔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2~3之间.

D_孔=150 mm

9）操作枪位H操作基本枪位：

枪位选择在30~40 D_出之内.

H=35×D_出

基本枪位：1 896 mm

最高枪位：2 167 mm

最低枪位：1 625 mm

实际冶炼过程中，考虑氧气流对炉内金属液冲击深度的影响，实际控制枪位在以上值下调400 mm（经验值）^{[5, 6]}.

实际过程控制枪位为：

基本枪位：1 496 mm

最高枪位：1 767 mm

最低枪位：1 225 mm

10）冲击深度h

由佛林公式h=3.4×P₀×D_喉/H 0.5~0.0381

此公式对单孔喷头适用, 对于四孔喷头取修正系数0.90.

h—冲击深度/m，P₀—使用压力/MPa，D_喉—喉口直径/mm，H—操作枪位/mm.

得冲击深度：h=734 mm，冲击深度为熔池深度51%.

2 对喷头组件材质进行变更

由于转炉氧枪在使用过程中，存在红渣溅入喷头的现象，可能会造成给氧时氧气回火的风险^[7]，瞬间烧穿氧管导致大量高压冷却水由氧气通道进入炉内，处理不当，极易造成爆炸事故，对人员和设备安全有极大威胁^{[8, 9]}.

原氧枪喷头组合密封段和氧枪内管密封接管（内插管）使用的均是普通碳钢（见图 1），在实际使用过程中易会出现氧气回火瞬间烧穿密封部位，造成严重漏水，所以九江钢铁炼钢厂要求制造厂家变更氧枪喷头密封段、氧枪内管密封接管（内插管）材质，使用不锈钢（1Cr18Ni9TI）管加工制造，利用其阻燃特性，可以有效减轻回火烧穿内管程度，降低氧枪喷头回火产生的危害^[10].

3 对氧枪开氧和关氧程序进行优化设计 3.1 转炉炼钢回火烧坏氧枪内管的原因分析

转炉在冶炼高硅、高锰铁水情况下，氧枪在终点提枪时，由于高于闭氧点后氧枪迅速停止高压供氧，但由于炉渣起泡，氧枪喷头未完全脱离渣液活动范围，形成局部负压，造成钢水或渣铁吸入氧枪喷头内，再次下枪因开氧时容易造成回火烧坏氧枪内管导致漏水.

3.2 结论

原吹炼自动化控制模式为：选择“吹炼模式”→满足一切吹炼联锁条件→选择“自动模式”→选择“自动下枪”→氧枪进入转炉，枪位位置编码器到达开氧点（3240mm），PLC自动打开氧气切断阀，开始供氧→过程吹炼→确认结束吹炼，选择“自动提枪”→氧枪上升，枪位位置编码器到达闭氧点（3040mm），PLC自动关闭氧气切断阀.

重新设计吹炼自动化控制模式为：选择“吹炼模式”→满足一切吹炼联锁条件→选择“自动模式”→选择“自动下枪”→氧枪进入转炉，枪位位置编码器到达“开氮点”（4 500 mm），PLC自动打开氮气切断阀，开始供氮→氧枪继续下降，枪位位置编码器到达开氧点（3 240 mm），PLC自动打开氧气切断阀，然后切断氮气切断阀→开始供氧—过程吹炼—确认结束吹炼，选择“自动提枪”→氧枪上升，枪位位置编码器到达闭氧点（3 040 mm），PLC自动打开氮气切断阀，然后关闭氧气切断阀→氧枪继续上升，到达“闭氮点”（4 550 mm），PLC自动关闭氮气切断阀.

3.3 氧枪开氧和关氧程序的优化改进后效果

程序修改后确保了氧枪氧气关闭同时氮气开启、下枪开氧点动作之前氮气开启，使氧枪在炉内下枪与提枪全过程都保持正压，有效杜绝了钢水与渣铁进入氧枪喷头内，消除了回火烧损氧枪的隐患.九江钢铁炼钢厂转炉氧枪因为回火烧损氧枪次数从平均8次/月，下降至0.3次/月.

4 对喷头组件材质进行变更

九江钢铁炼钢厂通过对120 t转炉氧枪设备本体安全的参数优化和应用改进，达到较好的使用效果，在各种冶炼条件下都得到了证实，完全适合九江钢铁炼钢厂原材料及操作条件，并实现了化渣快、喷溅少、操作稳定、安全性较高等良好的效果.