氧枪喷头设计

氧枪设计顶底复吹转炉是在氧气射流对熔池的冲击作用下进行的，依靠氧气射流向熔池供氧并搅动熔池，以保证转炉炼钢的高速度。

因此氧气射流的特性及其对熔池作用对转炉炼钢过程产生重大影响，氧枪设计就是要保证提供适合于转炉炼钢过程得氧气射流。

转炉氧枪由喷头、枪身和尾部结构三部分组成，喷头一般由锻造紫铜加工而成，也可用铸造方法制造，枪身由无缝钢管制作得三层套管组成。

尾部结构是保证氧气管路、进水和出水软管便于同氧枪相连接，同时保证三层管之间密封。

需要特别指出的是当外层管受热膨胀时，尾部结构必须保证氧管能随外层管伸缩移动，氧管和外层管之间的中层管时冷却水进出的隔水套管，隔水套管必须保证在喷头冷却水拐弯处有适当间隙，当外层管受热膨胀向下延伸时，为保证这一间隙大小不变，隔水套管也应随外层管向下移动。

（1）喷头设计：喷头是氧枪的核心部分，其基本功能可以说是个能量转换器，将氧管中氧气的高压能转化为动能，并通过氧气射流完成对熔池的作用。

1）设计主要要求为：A 正确设计工况氧压和喷孔的形状、尺寸，并要求氧气射流沿轴线的衰减应尽可能的慢。

B 氧气射流在熔池面上有合适的冲击半径。

C 喷头寿命要长，结构合理简单，氧气射流沿氧枪轴线不出现负压区和强的湍流运动。

2）喷头参数的选择：A 原始条件：类别\成分(%)C Si Mn P S 铁水预处理后设定值 3.60 0.10 0.60 0.004 0.005 冶炼Q235A,终点钢水C=0.10%根据铁水成分和所炼钢种进行的物料平衡计算，取每吨钢铁料耗氧量为50.4m3（物料平衡为吨钢耗氧52m3）,吹氧时间为20min 。

转炉炉子参数为：内径6.532m ，熔池深度为1.601m ，炉容比0.92m3/t 。

转炉公称容量270t ，采用阶段定量装入法。

B 计算氧流量每吨钢耗氧量取 52m3，吹氧时间取20min min /70220270523m Q =⨯=C 选用喷孔出口马赫数为2.0、采用5孔喷头（如下图3-3所示），喷头夹角为14°喷孔为拉瓦尔型。

转炉氧枪喷头的设计与应用本文阐述了转炉氧枪喷头重要参数的设计和选取，并在实际运用过程中对转炉生产的重要工艺参数进行统计分析，从而得出合理的氧枪喷头参数设计和选取可以实现优越的转炉冶炼效果。

标签：转炉；氧枪；喷头；设计氧枪是转炉炼钢中的关键设备，氧枪喷头各个参数的设计选取、精细加工和最佳的操作控制是实现转炉炼钢高效平稳吹炼的必要条件[1]。

1 氧枪喷头的设计原则氧枪喷头的主要作用是通过喷射的氧气射流对熔池的搅拌和与熔池的反应来合理控制转炉钢液中的乳化及泡沫现象，得到合适的渣中（FeO）含量，促进石灰的快速融化，得到合适的碱度，实现转炉脱碳、升温、去磷的目的。

1.1 氧槍喷头的设计原则（1）通过氧枪喷头参数的合理设计，在转炉冶炼过程中得到合适的冲击深度和冲击面积，從而实现转炉冶炼的效果和目的。

（2）氧枪喷头不仅要有良好的冶金效果，而且要在溅渣环节体现优越的性能[2]。

（3）与氧枪喷头参数相适应的枪位设计是保证氧气与钢、渣充分且均匀反应的重要保障，同时保证更好的降低转炉冶炼过程中氧气射流对炉衬造成的损坏。

（4）要具备足够高的喷头寿命，要保证氧气射流可以顺着氧枪的轴线不还产生负压区，同时避免湍流运动剧烈引起的负面影响。

1.2 氧枪喷头的喷孔数量与夹角的选取规则2 氧枪喷头设计方案实例2.1 锻压组合式氧枪喷头[3]设计参数2.2 氧枪喷头参数设计核算氧枪喷头使用氧压在超过设计氧压一定范围的情况下，可以发挥更好的作用。

所以在喷头设计中，设计供氧流量需低于实际供氧流量，在流量调节阀调整到实际使用流量时，氧枪喷头的使用压力自然会高于设计氧压。

据实际经验，使用氧压不超过设计氧压的130%，氧枪喷头可以达到更好的效果。

260吨转炉设计供氧流量按51000Nm3/h计算。

2.2.1 理论氧压值计算根据Ma=2.05，查等熵流表：P/ P0 =0.11823，由于炉膛压力略大于大气压力，取炉膛压力P为0.1041MPa，计算得出P0=0.88Mpa。

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。

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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。

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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/hr3、现场操作供氧压力：0.85～1.0Mpa （阀后压力）4、纯吹氧吹炼时间：13～15min5、冷却水压力：≥1.2MPa6、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。

氧枪设计原始条件铁水成分（%）C Si Mn P S4.2 4.2000 0.5000 0.3400 0.1300冶炼钢种以低碳钢为主，多数钢种C≤0.10%。

转炉新炉子参数内径5.05 m，有效高度8.72m，炉容比0.95m3/t。

供氧制度根据铁水成分和所炼钢种进行物料平衡计算，取每顿钢铁料耗氧量为50.21 m3；依国内中型转炉目前所达到的供氧强度和冶炼技术水平，吹氧时间取18min。

输氧管测压点氧气最高压力为1018MPa，氧气平均温度17℃。

氧枪枪位高度：化渣枪位1.8m，吹炼枪位1.2m。

计算氧气流量取吨钢耗氧量50.21 m3，吹氧时间18min，则氧流量qv＝（50.21×150）/18＝418.38 m3/min选用喷孔参数选定喷孔出口马赫数M＝2.0，采用五孔喷头，喷头为拉瓦尔型，喷孔夹角为15°。

计算设计工况氧压和喉口直径查熵流表（见附录），当M＝2.0时，P/P0＝0.1278，取P＝P膛＝0.099 Mpa 代入，则设计工况氧压为：P＝0.099/0.1287＝0.775 Mpa 每孔氧流量：q＝qv/5＝418.381/5＝83.676 m3/min取CD ＝0.92,T＝290K, P＝0.775MPa＝7.9kg/cm2,带入下式，求出喉口直径：q＝17.64CDPAT/T83.676＝17.64×0.92×7.9AT /290＝17.64×0.96×7.9290×πd2喉/4∴ dT＝36.83 mm确定喷孔出口直径根据M＝2.0，查等熵流表得：A出/A喉＝1.688，即π/d2出＝1.688×πd2喉/4则 d出＝ 1.688d喉＝ 1.688×36.83 ＝47.85 mm计算扩张段长度取喷孔喉口的直线段长度为5mm。

扩散段的半锥角取4°则扩张段长度L为：L扩＝（d出－d喉）/（2tg4°）＝（47.85－36.83）/0.1385＝78.79 mm收缩段长度收缩段的直径以能使整个喷头布置得下五个喷孔为原则，尽可能采取收缩孔大一些。

4 氧枪设计氧枪设计主要内容有：喷头设计、枪身设计。

本设计采用半钢冶炼，为迅速化渣，缩短冶炼周期选择四孔拉瓦尔喷头。

原始数据：① 转炉公称容量120t ，② 炉容比V/T =1.03，③ 熔池直径D=4.81m ，④ 8.45m =内H ，⑤ 熔池深度h=1.30m 。

4.1 喷头设计参数的确定（1）氧气流量计算吹氧时间出钢量每吨钢氧耗量氧气流量⨯==55×120/20.31=324.96 m 3/min（2）喷嘴出口马赫数根据国内推荐，M=1.8~2.1为佳，攀钢目前M 取1.92，本设计取M =2.0。

四孔喷嘴夹角取12°。

（3）设计工况氧压通过查取等熵流表，当M =2.0时，P/P 0=0.1278，炉膛周围压力P 膛=1.27×105Pa 。

则，P 设=Pa 1094.91278.01027.1/55⨯=⨯=O P P P 膛（4）理论设计氧压P/P 0=0.1278，P=0.1015MPa 。

P 0=0.79×106 Pa （5）扩张角β取10°（半锥角取5°）扩张段长度L 可由经验公式求得：扩张段长度/出口直径=1.2~1.5。

（6）喉口直径每孔氧流量：24.814/96.324==q m 3/min由公式0T D874.1T p A C q 设=，令C D =0.90，T 0=300K ，则81.24=1.784×0.9×30041094.952T ⨯⨯⨯d π，d T =3.35×10-2m=3.35cm 。

(7)喷头出口直径：依据M=2.0，查等熵流表 A 出/A 喉＝1.688。

688.135.3/0T ⨯=⨯=A A d d 出=4.35cm(8)扩张段长度扩张段长度L 取决于扩张角β的大小。

LL d d 235.335.42-2tanT -==出βL=5.71cm(9) 收缩段长度根据35.33.23.24.2~2T T ⨯===d d d ）（入=7.705cm收缩角α取45°，则收缩半角为22.5°，则o dd L 5.22tan 2-T 入缩==（7.705-3.35）/(2×0.414)=5.26cm(10)喉口长度为了稳定气流，使收缩段和扩张段加工方便，根据攀钢设计经验，取1.55cm 。

8 炉型尺寸计算1.1喷头设计 1.1.1原始数据转炉公称容量为200t ，低磷铁水。

1.1.2氧流量q v取吨钢耗氧量55m 3，吹氧时间14min 。

则氧流量：q v =55×200/14=786(m 3 /min)1.1.3选用喷孔出口马赫数为M=2.0，采用五孔拉瓦尔型喷嘴，喷孔夹角为14。

1.1.4设计工况氧压P 设查等熵流表，当M=2.0时，P/P 0=0.1278，定P 膛=1.3×105Pa ， 则：P 设=/P P P 膛=0.1278101.35⨯=10.17×105 (Pa)1.1.5计算喉口直径d T每孔氧流量：q= q v /5=786/5=157 (m 3/min)利用公式q=1.784C DT P A T 设，令C D =0.92，T 0=273+18=291K ，P 设=10.17×105 Pa则：157=1.784×0.92×29141017.1052⨯⨯⨯⨯T d π求得d T =0.045m=45mm 。

1.1.6计算喷孔出口直径d 出依据M=2.0，查等熵流表A 出/A 吼=1.688。

则：d 出= d T ×喉出A A =45×688.1=58(mm)1.1.7计算扩张段长度取半锥角为5。

，则扩张段长度：L=)2tan(2扩出αT d d -=)5tan(245580-=74(mm)1.1.8收缩段长度L 收=1.2×d T =1.2×45mm=54mm1.1.9喷嘴喉口长度的确定取L 喉=10mm 氧枪喷头图见图纸。

1.2氧枪枪身设计 1.2.1原始数据冷却水流量q mw =200t/h ，冷却水进水速度u j =6m/s ，冷却水回水温度u p =7m/s ，冷却水喷头处流速u h =9m/s ，中心氧管内氧气流速u 0=50m/s ，吹炼过程中水温升△t=20℃，其中回水温度t 2=45℃，进水温度t 1=25℃。

100科学技术Science and technology120t 转炉氧枪喷头的设计和优化李 雷（唐钢中厚板材公司，河北 唐山 063000）摘 要：河钢唐钢中厚板公司120t 转炉主要为高品质高端品种提供钢水，在保证产能的前提下需要较高洁净度的钢水。

新型的氧枪采用周边4孔，中心5孔设计，可以有效增大吹炼面积，促进熔池化渣及脱碳反应。

氧枪喷头中间新加一孔，可以抑制氧枪正下方负压区的产生，增加钢渣界面的富氧能力，促进化渣,可以缩短吹炼时间约1.5min，同时该型氧枪可显著减少氧枪粘渣，减少更换氧枪频率，提高氧枪寿命。

关键词：120t 转炉；氧枪；喷孔设计中图分类号：TF748.2 文献标识码：A 文章编号：11-5004（2019）09-0100-2收稿日期：2019-09作者简介：李雷，男，本科，研究方向：喷孔设计。

喷头是氧枪的核心部分，就氧枪喷头的基本功能来说，它的质量决定氧枪的使用性能，实现能量转换，提供良好的动力学条件。

因此，转炉炼钢的供热、脱碳及对熔池的搅拌，都借助于氧枪所提供的氧射流来完成。

氧枪的动力搅拌效果主要是由喷头形式、参数所决定。

对喷头设计的要求主要有以下几点：①根据生产情况尽可能提高供氧强度，且能够平稳反应。

这就要求正确的设计形式、喉口和确定合理的操作氧压以及枪位高度。

②在一定操作氧压下，在合理的枪位时，使氧射流产生较大的的动能，以达到良好的动力学条件，合理的冲击深度。

这就要求氧气射流沿轴线的衰减速度应尽可能的慢。

③对于多孔喷头，要求氧气射流在熔池液面上不要汇合，形成多个冲击中心以形成多个反应区，保证熔池反应均匀。

同时要求氧气射流有适当的冲击半径，以保证熔池搅拌均匀和炉衬侵蚀均匀。

④氧枪喷头寿命长。

这就要求射流沿氧枪轴线不出现负压区域和强的湍流运动，以减少“吃鼻子”现象。

要获得具有上述性能的氧射流，满足转炉炼钢的要求，最终归结为合理地确定喷头的主要设计参数，如喷孔的马赫数，喉口直径，喷孔夹角和喷孔形状等。

收稿日期：２０２０－０６－０３闫心怡（１９９２－　），硕士；１１４０４４辽宁省鞍山市。

不同角度氧枪喷头射流试验设计与结果分析闫心怡　廖　轶　张少鹤　徐福龙　韩　玲　侯　春（中钢集团鞍山热能研究院有限公司）摘　要　氧枪喷头的中心夹角直接影响射流的冲击深度和冲击面积。

根据理论设计公式，采用喉口直径２２ｍｍ、出口直径２８ ６ｍｍ、扩张段角度４°和喷头中心夹角分别为１４°、１５°和１６°的模拟氧枪喷头进行射流试验。

喷头中心夹角为１５°时既能保证良好的冲击面积，又有足够的冲击深度，满足炼钢过程的要求。

关键词　冲击深度　冲击面积　射流试验文献标识码：Ａ 文章编号：１００１－１６１７（２０２０）０６－００３９－０４ＥｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｄｅｓｉｇｎａｎｄｒｅｓｕｌｔａｎａｌｙｓｉｓｏｆｊｅｔｆｌｏｗｏｆｏｘｙｇｅｎｌａｎｃｅｗｉｔｈｄｉｆｆｅｒｅｎｔａｎｇｌｅｓＹａｎＸｉｎｙｉ　ＬｉａｏＹｉ　ＺｈａｎｇＳｈａｏｈｅ　ＸｕＦｕｌｏｎｇ　ＨａｎＬｉｎｇ　ＨｏｕＣｈｕｎ（ＳｉｎｏｓｔｅｅｌＡｎｓｈａｎＲｅｓｅａｒｃｈＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＴｈｅｒｍｏ－ＥｎｅｒｇｙＣｏ．，Ｌｔｄ．）Ａｂｓｔｒａｃｔ　Ｔｈｅａｎｇｌｅｂｅｔｗｅｅｎｔｈｅｃｅｎｔｅｒｏｆｔｈｅｏｘｙｇｅｎｌａｎｃｅｎｏｚｚｌｅｄｉｒｅｃｔｌｙａｆｆｅｃｔｓｔｈｅｉｍｐａｃｔｄｅｐｔｈａｎｄｉｍｐａｃｔａｒｅａｏｆｔｈｅｊｅｔ．Ａｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｔｈｅｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌｄｅｓｉｇｎｆｏｒｍｕｌａ，ｔｈｅｊｅｔｔｅｓｔｗａｓｃａｒｒｉｅｄｏｕｔｗｉｔｈｔｈｅｓｉｍｕｌａｔｅｄｏｘｙｇｅｎｌａｎｃｅｎｏｚｚｌｅｗｉｔｈｔｈｒｏａｔｄｉａｍｅｔｅｒｏｆ２２ｍｍ，ｏｕｔｌｅｔｄｉａｍｅｔｅｒｏｆ２８ ６ｍｍ，ｅｘｐａｎ ｓｉｏｎａｎｇｌｅｏｆ４°ａｎｄｎｏｚｚｌｅｃｅｎｔｅｒａｎｇｌｅｏｆ１４°，１５°ａｎｄ１６°ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ．Ｗｈｅｎｔｈｅａｎｇｌｅｏｆｔｈｅｃｅｎ ｔｅｒｏｆｔｈｅｎｏｚｚｌｅｉｓ１５°，ｉｔｃａｎｅｎｓｕｒｅａｇｏｏｄｉｍｐａｃｔａｒｅａａｎｄｅｎｏｕｇｈｉｍｐａｃｔｄｅｐｔｈｔｏｍｅｅｔｔｈｅｒｅｑｕｉｒｅ ｍｅｎｔｓｏｆｔｈｅｓｔｅｅｌ－ｍａｋｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ　ｉｍｐａｃｔｄｅｐｔｈ　ｉｍｐａｃｔａｒｅａ　ｊｅｔｔｅｓｔ 超音速氧气流股从氧枪喷头中喷出，通过高温炉气和熔渣冲击金属熔池，引起熔池内金属液的剧烈搅动，完成造渣、脱碳、脱磷、脱硫、去气和去夹杂等任务，直接影响冶炼效果，间接影响产品质量和生产成本［１－５］。

第三部分喷头及氧枪设计计算（一）喷咀理论与设计一、有关公式[5]5371、缩放管公式（M2—1）错误！未找到引用源。

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（3—1）讨论马赫数M=V/a （3—2）①M<1为亚音速，V<a,当断面缩小（dA=—），则流速增大（dv=+）；②M=1为音速，V=a，喉口处面积不变（dA=0），为音速段（dV=0）；③M>1为超音速，V>a，当断面放大（dA=+），则流速增大（dV=+）。

因此，当可压缩流在经过缩放喷咀后，流速可经亚音速，音速而得超音速，从而使氧气由压力能转化为超音速动能，用以搅拌熔池进行冶金反应。

2、三孔喷头在不同单位时的氧流量计算式[5]546错误！未找到引用源。

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0.4167P0A*/错误！未找到引用源。

[kg/S] （3—3）错误！未找到引用源。

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17.5P0A*/错误！未找到引用源。

[Nm3/min] （3—4）式中：A*——喉口面积[cm2]P0——设计氧压[kg/cm2]而KgO2=0.7[Nm3]（参[2]628）3、用冷却水温度代氧滞止温度后的影响取氧气贮气罐滞止温度T0=15°C（288K），冷却水温度T水=20°C（293K），当用T水代T0上升5°C，对氧气流量地影响为：Wo2（288）/ Wo2（293）=错误！未找到引用源。

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=1.0085即用T水代T0升温对氧气流的影响为0.0085<1%因此可用T水错误！未找到引用源。

T0（参[5]557）4、当确定出口马赫数后如提高供养压力，则出口压力，滞止温度和出口温度都相应提高。

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[5]546 （3—5）5、贮气罐的表压力可代喷头入口处的绝对氧压关系式为：错误！未找到引用源。

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