广青金属有限公司
65T转炉φ180氧枪及氧枪喷头设计方案
山东崇盛冶金氧枪有限公司
2012年2月
65T转炉φ180氧枪及氧枪喷头设计方案
简介
山东崇盛冶金氧枪有限公司，系冶金氧枪及喷头的专业研究生产单位。
位于中国潍坊高新技术产业开发区。
技术力量雄厚，技术装备先进，检测手段齐全。
我公司在转炉用氧枪设计方面有丰富的设计和制造经验，例如：宝钢300吨转炉炼钢φ406氧枪喷头，武钢三炼钢250吨转炉用φ355锥度氧枪及喷头，马钢300吨转炉用φ355锥度氧枪及喷头，济钢210吨转炉用φ355氧枪及喷头，新余三期210T 转炉炼钢φ325氧枪及喷头，上海罗泾150吨转炉炼钢φ299氧枪及喷头，河北承德钢铁、普阳钢铁、宁波钢铁、天铁、安阳钢铁、通化钢铁等150吨转炉炼钢φ299氧枪及喷头，目前均正常使用，效果良好。
现国内120吨以上转炉用氧枪80％由我公司设计制造。
公司秉承“以人为本，科技领先”的发展战略，技术力量雄厚，拥有世界先进水平的科研机构、精良的机械加工设备及国内一流的检测设施，最大程度上保证产品最佳的使用性能。
65T转炉φ180×1孔喷头设计方案
一、设计工况参数：
1、出钢量：～65吨/炉
2、现场操作氧流量：～4200Nm3/hr
3、现场操作供氧压力：0.85～1.0Mpa （阀后压力）
4、纯吹氧吹炼时间：13～15min
5、冷却水压力：≥1.2MPa
6、进出水温差≤27℃（水温差根据现场实际情况要有所差异）
7、氧枪喷头形式：1孔拉瓦尔孔喷头
二、喷头参数设计
2.1马赫数的选择
流体力学中表征流体可压缩程度的一个重要的无量纲参数,记为,定义为流场中某点的速度v同该点的当地声速c之比,即=v/c, 在可压缩流中,气体流速相对变化dv/v同密度相对变化之间的关系是dρ/ρ＝-2dv/v，即在流动过程中，马赫数愈大,气体表现出的可压缩性就愈大。
另外，马赫数大于或小于1时,扰动在气流中的传播情况也大不相同。
因此，从空气动力学的观点来看，马赫数比流速能更好地表示流动的特点。
按照马赫数的大小，气体流动可分为低速流动、亚声速流动、跨声速流动、超声速流动和高超声速流动等不同类型。
马赫数就是气流速度与当地温度条件下的音速之比：
M＝U/a
式中：U为气流速度m/s
a为在当地温度下的音速，单位m/s
氧枪的供氧压力的大小是由喷头的出口马赫数确定的，氧气的压力能转化成
动能，得到超音速的氧气流股。
生产实践证明，采用过高的设计氧压，不但喷溅，而且炉衬侵蚀严重，而采用过低的设计氧压，氧气出口速度过低，熔池得不到良好的搅拌。
从提高氧气射流的冲击能力考虑，希望采用较高的马赫数，当M>2.0以后，随着马赫数的增大，氧气出口温度减低，出口音速不断减小，使出口速度增加变慢，而设计工况压力却增加很快。
过高的马赫数需要高压管线设施，相对投资较大，且反应激烈，操作难度大；而马赫数过小，则输氧管线的氧压没有被充分利用，也是不经济的。
根据现场工况，现在操作主要以供氧压力0.90～1.1Mpa （即阀后压力）为主，除去管路压力损耗后，到达氧枪喷头的工作滞止压力应在0.86～1.0Mpa左右，因此综合考虑：选取马赫数为2.05。
2.2计算工况氧压Po
查等熵流表，当M=2.05时，P出/Po=0.1182，由于炉膛压力近似于大气压力，所以P出=0.102MPa，则Po=0.86MPa=8.80Kg/f
建议使用阀后压力为0.90～0.95MPa之间为宜，如果操作氧压高于设计氧压，氧流仍有部分压力能未转化为动能，离开喷孔后继续膨胀，射流产生激波，导致氧流不稳定，能量损失大，造成化渣不好，喷溅增加，不利于吹炼；如果操作氧压过低时，出口氧射流衰减较快，熔池搅拌减弱，氧气利用率降低，延长了吹炼时间，降低生产效率。
考虑到管路压力损耗阀后压力一般要稍高于喉口滞止压力，避免使用氧压低于0.83Mpa，以防止氧枪回火事故的发生。
2.3计算氧流量Q
氧枪流量Q是指在单位时间内向熔池供氧的数量，其量钢为m3/h或m3/min
由Q=吨钢氧耗×出钢量×60/纯供氧时间
得出：Q=4200m3/hr （以现场操作工况为主）
按：出钢量为～65t；
纯供氧时间为13～15min计算。
此流量是氧气在设定工况下的流量，当使用氧气压力变化时氧流量随之变化，应属正常
2.4孔数的选取：
选择：1孔喷头。
2.5计算喉口直径D喉
根据炉子的吨位和实践选用1孔喷头，由氧流量公式
Q=64.3236×Po×A喉
Po为使用压力MPa
A喉——喉口截面积
Q为氧气流量Nm3/hr
得出：D喉=30.8mm
2.6 计算出口直径D出
根据M=2.05，查等熵流表，A出/A喉=1.760
A出——出口截面积
A喉——喉口截面积
得出：D出=40.9mm
2.7 计算扩张段长度L
理论的气体膨胀角为4~8度，扩张段的张角理应也设计成4~8度。
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，对于新炉子，装入深度较深，考虑喷头的穿透能力，应取较大的张角，定为3.5度。
则L=（40.9-30.8）/2×tg3.5°=82mm
2.8操作枪位H（暂定）操作基本枪位：
H=35×D出
选择操作枪位主要考虑两点，即射流中心线速度衰减和取最大冲击面积，当枪位低于30 D出，速度衰减已经趋向平缓，但是速度值也低，冲击能量不足。
因此，枪位应该选择在30～40 D出之内为宜。
则由此可得：
基本枪位：1431mm
最高枪位：1635mm
最低枪位：1226mm
此枪位仅做参考，具体应以实践为准。
2.9设计枪位下冲击深度
冲击深度。
氧射流达到液面后的冲击深度又叫穿透它是指从水平液面到凹坑最低点的距离冲击深度是凹坑的重要标志，也是确定转炉操作的重要依据。
很多研究者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，认为顶吹氧气射流的冲击深度h是阿基米德准数的函数：
h/D x=k(A r)a
式中：D x为枪高x处与熔池液面相遇的射流直径，
k、a为系数和指数
单孔氧枪冲击深度的经验公式：
h=3.4×P0×D喉/H0.5—0.0381
式中：P0为供氧压力，
D喉为喷头喉口直径，
H为氧枪高度，
此公式对单孔喷头适用，对于1孔喷头取修正系数0.85
冲击深度：h=644mm
注：冲击深度为熔池深度的40%～60%为正常
以上枪位控制及冲击深度为理论计算值，仅供参考！
三、枪体设计
枪体的设计根据厂家要求与福建鼎信Ф180氧枪设计相同，枪体总长度变为16200mm。
山东崇盛冶金氧枪有限公司
2012年2月。