氧枪设计说明书唐斌摘要220t顶吹氧气转炉的氧枪设计，以及设计过程中应注意的环节和步骤。

关键词转炉氧枪喷头设计Lance Design ReviewTangBinAbstract220t oxygen top-blown oxygen converter gun design，and design process should pay attention to the links and steps。

Keywords Converter Oxygen lance Nozzle Design一、概述氧枪是转炉炼钢不可缺少的装置，并对转炉冶炼过程的各项技术指标具有重要的地位和决定性作用。

顶吹转炉问世以来，对氧枪进行了完善和改进，主要集中在氧枪喷头上，将过去的单孔变为多孔，由锻造喷头改进成整体铸造或组合喷头，极大地推进了转炉技术的发展。

目前随着转炉容积的增大，要求按比例的增加氧气流量，使用一个单孔直筒型喷嘴供应氧气，会增大喷溅，降低金属收得率。

所以现代企业逐渐地从直筒型喷嘴过渡到收缩-扩张型拉瓦尔式多孔喷嘴。

多孔氧枪的主要优点是容易化渣、减少喷溅、吹炼过程平稳，提高金属收得率、并提高了氧气效率。

但多孔喷头的缺点是氧射流的穿透能力减弱了。

对同样的供氧能力，多孔氧枪的操作枪位较低。

这意味着除增加设计、制造的复杂性以外，多孔氧枪将处于更加恶劣的工作条件，使氧枪喷头易被侵蚀，就需要更有效的水冷条件，就需增加冷却水用量，改善喷头内冷却水通道的设计。

因此，如何选择氧枪的最佳参数是优化转炉生产操作的重要课题。

二、基本原理氧枪喷头的设计包括供氧量的计算、理论设计氧压的计算、喷头出口马赫数的计算、喷射扩张段的扩张角和扩张长度的计算、喷嘴喉口氧气流量的计算。

收缩尺寸的计算和喷嘴喉口段长度的计算等。

1，供氧量单位时间的供氧量决定于供氧强度和炉容量，而供氧强度则与铁水成分、炉容比和路容量有关。

铁水含硅、磷高时，供氧量强度应降低，以免太喷溅影响金属收得率，同理，炉容比小者也应降低供氧强度。

供氧量由吨钢耗氧量、出钢量和吹氧量的物料平衡来计算确定。

一般每吨钢氧耗量约在50-60m 3（标态），高磷铁水每吨钢氧耗量在60-70m 3（标态）范围内选取。

对于中、小转炉，在一个炉役中出钢量的变化很大，现以转炉公称吨位即炉役平均出钢量进行喷头计算：吹氧时间出钢量每吨钢耗氧量供养量⨯= ○12，理论设计氧压理论设计氧压（绝对压力）是喷嘴进口处的氧压，是设计喷嘴喉口和出口直径的重要参数。

一般使用氧压范围为0.78~1.18MPa ，理论设计氧压是使用氧压范围中的最低氧压。

但在实际中允许使用氧压与理论设计氧压有一定偏离，生产实践中使用操作氧压不大于理论设计氧压的150%仍能很好的工作。

但低于理论设计氧压时，即氧压出现负偏离，出现过度膨胀射流，气流在喷头能提前完成膨胀，到达出口前继续膨胀，而且气流离开喷头管壁时，出口压力小于环境压力，在喷头内部产生的激波使射流能量损失增大。

在压力差小于零时，氧射流受到收缩而产生斜激波，压力差越大，斜激波强度越高。

激波使气体流动过程中的不连续面，由于激波产生压力和速度的急剧变化，射流能量损失增大，射流品质恶化，使射流速度迅速变为亚声速，严重影响吹炼效果。

在计算时根据马赫数Ma 查等熵值表计算。

3，出口射流马赫数喷头出口射流马赫数的大小决定了喷嘴氧气出口速度，既决定了氧气射流对熔池的冲击能力。

射流马赫数过大，则会出现喷溅，清渣费时，热损失增大，增大了渣料消耗及铁损，而且容易损坏转炉内衬及炉底；气流搅拌作用减弱，降低氧气的利用率，渣中铁含量增高，也会引起喷溅。

一般推荐氧气射流马赫数选取的范围为Ma=1.8~2.1。

对于大于120t 转炉，马赫数Ma=2.0~2.1。

4，孔数及孔间夹角对于多孔喷头，喷头孔数和孔间夹角之间关系对射流影响比较大。

喷孔之间的间距过于小，氧气射流之间相互吸引，射流向中心偏移，影响每股射流中心速度的衰减。

一般要求在喷头端面，喷孔中心同氧枪中心轴线之间距离一般保持在（0.8~1.0）出d （喷孔出口直径）。

喷头喷孔数和对应夹角关系表1 喷头喷孔数和对应夹角关系表5,扩张角与扩张段长度对于4孔喷头喷孔与氧枪中心线夹角为05.12，绘图时可选取012或者013。

射流扩张段的扩张角一般取08~012（半锥角04~06），扩张段长度L 计算经验表达式为：∂=tan 2-喉出d d L ○2扩张段长度也可以由经验数据选定，即：扩张段长度/出口直径≈1.2~1.5。

6，喉口氧气流量对于标准状态下得氧气，氧气密度为 1.429kg/m 3,，并考虑氧气在管道中流动时的摩擦，乘以流量系数D C 加以修正：A C 782.1DT p Q 喉实= ○3式中，实Q 为实际氧量量（标态），3m /min ；0p 为绝对氧压，MPa ；0T 为氧气滞止温度，一般按当地夏天选取，D 0C K )40~30(273；+=T 为喷孔流量系数，对多孔喷头，96.0~90.0=D C 。

7，收缩段长度收缩段的作用是将气流从低速约Ma=0.2加速到马赫数Ma=1。

从氧枪内管到收缩段的过度状况的加工精度同样要求较高，收缩段到喉口的过渡应比较平缓和光滑。

收缩段应尽量短些，以减少紫铜用量。

收缩段长度计算经验公式：喉收）（d L 5.1~8.0= ○48，扩张角与扩张段扩张角扩∂要适当，如果扩∂过小，出口直径出d 一定，则扩张段过长，使得该段的边界层增加，相当于减小了出口直径，压力损失也增加；如果扩∂过大，则会使扩张段过短，流股在一截面处实际截面膨胀不到该处的喷孔截面积啊，易出现流股与管壁脱离的现象，即孔气＜A A ，这样势必导致流股不稳定，并在管壁附近形成负压区，其后果是喷孔内不能吸进钢渣而烧坏喷孔或因吸进质量比氧气大的物质而损失能量。

合适的扩张段的半锥角（扩∂/2）一般为04~06，可保证气流不脱离孔壁。

扩张段长度扩L 在确定了扩∂后可按下式求出：）（喉出扩d d L -=/（tan 2（扩∂/2）） ○5喉喉出）（d A A d 21/= ○6 三、设计任务设计一220t 顶吹氧气转炉的氧枪，铁水条件为：[C]= 4.11%；[Si]=0.80%；[Mn]=0.62%；[P]=0.15%；[S]= 0.040%；铁水温度：1300℃；Ma=2.04；铁水比85%；废钢比15%；出钢198t （按合金收得率90%计算），渣量是金属装入量的10%，渣中FeO 含量占16%,Fe 2O 3含量5%,金属料中85%的碳氧化生成CO ，15%的碳氧化生成CO 2，四孔喷头。

四、计算过程3.1铁水、废钢及成品钢的化学成分见表1.表2 铁水、废钢及成品钢的化学成分3.2氧的平衡计算（以100Kg 炉料计算）（1）金属成分的计算C=4.11⨯0.85+0.16⨯0.15=3.5175(Kg)Si=0.80⨯0.85+0.18⨯0.15=0.707(Kg)Mn=0.62⨯0.85+0.60⨯0.15=0.617(Kg)P=0.15⨯0.85+0.02⨯0.15=0.1305(Kg)S=0.04⨯0.85+0.03⨯0.15=0.0385(Kg)（2）金属料各元素氧化至脱氧前所需氧量的计算100Kg金属料各元素氧化氧气耗量见表2.表3 100Kg金属料各元素氧化氧气耗量注：气化脱硫量占脱硫总量的1/4.（3）炼钢过程中，通常要加入铁矿石或铁矾土作为冷却剂。

假设加入的铁矿石用量是金属料的0.6%，根据所加铁矿石的成分（见表3）计算。

表4 铁矿石成分表注：此表数据参考钢铁大学网澳大利亚哈默斯利铁矿成分。

每100Kg 金属料由铁矿石带入熔池的氧量=100⨯0.6%⨯0.05%⨯16/56+100⨯ 0.6%⨯0.14%⨯16/72+100⨯0.6%⨯4.35%⨯32/60+100⨯0.6%⨯2.58%⨯48/102+100⨯0.6%⨯0.08%⨯16/40=0.02167Kg每100Kg 金属料由铁矿石带入熔池的铁量：100⨯0.6%⨯62.74%+100⨯0.6%⨯0.14%⨯56/72=0.3771Kg转炉吹炼过程中，铁被氧化，一部分进入渣中，还有一部分进入炉气。

转炉冒的红烟，就是铁被氧化造成的，这部分的铁量为： 100-90-6.3345+0.3771=4.0426Kg烟尘中铁的氧化物，FeO 占80%，Fe 2O 3占20%，这部分铁的氧化，氧气耗量是： 4.0426⨯80%⨯16/56=0.924Kg ； 4.0426⨯20%⨯48/112=0.3465Kg ； 则每100Kg 金属料的氧耗量是：6.7635-0.02167+0.924+0.3465=8.0123Kg假设氧气的利用率为98%，氧气的纯密度为99.7%，密度（标态下）1.429kg/m ³，则每吨金属料的氧耗量是：57101000429.1%7.99%980123.8=⨯⨯⨯m ³/t现以设计的转炉为例，转炉装入量为220t ，每吨钢耗量（标态下）57m ³/t ，吹炼时间为15min.则供氧量Q 由公式○1得： 8361522057=⨯=Q m ³/t 3.3选择喷孔出口马赫数、孔数及其夹角Ma 选取为2.04，喷头孔数为4孔，喷头喷孔夹角的确定见表1.根据表1数据，选取喷孔夹角12°。

3.4理论设计氧压查等熵流表：当Ma=2.04时，p/0p =0.12009，p=0.0981Mpa,则：0p =0.0981/0.12009⨯610=0.817⨯610Pa3.5计算喉口直径每孔氧流量（标态）q=Q/4=209m ³/min,令D C =0.93，0T =273+37=310K ，0p =0.817Mpa ，应用公式○3计算： 209=1.782⨯0.93⨯4d 2喉π⨯31010817.06⨯ 则喉d =0.0588m ≈58.8mm 计算出口直径。

依据Ma=2.04，查等熵流表得喉A A /=1.7452由公式○6：喉喉出）（d A A d 21/==77.7mm收缩段的长度由公式○4：喉收d L ⨯=2.1=1.2⨯58.8=71mm计算扩张段的长度，取半锥角5°时，由公式○5得：)5tan 2/(8.58-7.77︒=）（扩L ≈108mm喷嘴喉口长度的确定：选取喉L =10mm 3.6氧枪抢体的设计和计算 3.6.1内管直径的计算内管氧气的流通截面积可用下式计算： 氧氧W p QT A 006-103.6⨯⨯= ○7 已知Q=836m ³/min,0T =310K,0p =0.817Mpa,氧W =55m/s,则0363.055817.0310836103.66-=⨯⨯⨯⨯=氧A内管直径）（）（π氧mm 215m 2150.00363.04==⨯=d 铜管壁厚选用10mm ，选部颁标准钢管Φ219⨯10。