吹氧槍及其在基礎氧氣爐中的作用

在堿性氧氣爐（BOF）煉鋼中，水冷噴槍用于將高速（超音速）的氧氣流噴射到液態熔池中進行精煉。氧氣噴射的速度或動力導致液態爐渣和金屬的滲透，以促進相對較小區域的氧化反應。氧氣噴射的速度和穿透特性是噴嘴（槍頭）設計的功能。

高爐轉爐的頂吹槍氧射流是氧氣的輸入源，也是攪拌熔池中金屬液的能量來源。爐內涉及到BOF轉爐的主要現象是：由于氧氣射流和液態金屬之間的物理相互作用而形成空腔，液態金屬的攪拌，產生吐沫和灰塵，以及由脫碳和與氧氣反應產生的CO氣體的后燃燒。為了優化轉爐的操作和控制上述現象，人們在頂吹噴槍的設計和操作上進行了不同的裝置和改進。其中的例子包括采用能夠高效地將壓力能轉換為射流動能的拉瓦爾噴嘴，以促進液體金屬的攪拌，以及采用多孔噴槍，以實現高速送氧，同時通過分散氧氣射流來抑制吐絲和灰塵的產生。

隨著BOF轉爐引入聯合吹氣，頂部吹氣噴槍射流作為攪拌液態金屬鐵的能量來源的作用下降，設計和操作的靈活性得到了顯著提高。

向液態浴中吹氧的主要原因是為了將浴中的碳去除到終點規格。由于吹氧，導致的主要反應是將碳從浴池中去除，成為CO。這是一個放熱反應，給系統增加熱量。少量的二氧化碳（通常低于10%）也會產生，因為這些二氧化碳在轉爐內與氧氣反應而燃燒（稱為后燃燒）。由于吹氧而發生的其他反應是其他元素的氧化，如硅（Si）、錳（Mn）和磷（P）等。這些元素被氧化并被吸收到渣層中。這些反應也是放熱的，進一步促進了液浴所需的熱量，并將液浴的溫度提高到所需的水平。硅的氧化特別重要，因為它發生在吹氧的早期，所產生的二氧化硅與添加的石灰結合，形成液態爐渣。下面給出了由于吹氧而發生的氧化反應。在1600攝氏度時，反應的自由能變化（在括號中給出）的單位是千卡/摩爾。

C + 0.5 O2 = Co (- 66)

2CO + O2 = 2CO2 (-57.4)

Si + O2 = SiO2 (-137.5)

Mn + 0.5 O2 = MnO (-58.5)

2P + 2.5 O2 = P2O5 (-148.5)

氧化反應發生在氧氣噴射的沖擊區。這個沖擊區被稱為空腔，是由氧氣的沖擊產生的。液浴中的凹陷是氧射流的動量或推力的函數，由以下公式計算。

F = W (Ve/g)

其中F是力，W是質量流率，Ve是出口速度，g是重力加速度。通過設計氧槍的噴嘴，對噴射推力和沖擊角度進行優化，以實現所需的化學反應和浴液攪拌。

氧槍的噴嘴被設計為一定的氧氣流速，通常以N cum/min為單位，產生一定的出口速度（馬赫數），具有所需的噴射輪廓和力量，以穿透液態爐渣層，與空腔區域的液態金屬浴發生反應。

高動量的氧氣射流以大約兩倍于音速的速度離開拉瓦爾噴嘴出口。特征參數是馬赫數，代表了當地氣體速度和聲速之間的比率。由于噴嘴內的膨脹，氧氣在前往噴嘴出口的途中會冷卻到零下100攝氏度左右，從而在水和氧氣兩方面對噴嘴進行集中冷卻。

拉瓦爾噴嘴由一個會聚型入口和一個發散型出口管道組成。經常使用的術語是收斂-發散（CD）噴嘴。超音速射流是用收斂/發散（拉瓦爾）噴嘴產生的。一個停滯的氧氣庫保持在壓力下，Po。氧氣在會聚段加速，在圓柱形喉部區域達到音速（馬赫數=1）。然后氧氣在發散段膨脹。膨脹降低了氧氣的溫度、密度和壓力，速度增加到超音速水平（超過1馬赫）。

當氧氣射流離開噴嘴進入BOF轉換器時，它擴散并衰減。一個超音速的核心在離噴嘴一定的距離內仍然存在。超音速射流以拉瓦爾噴嘴的角度擴散，通常在10度到16度的范圍內，但在一些噴槍噴嘴的設計中會上升到23度。

合適的噴嘴設計和適當的操作對于有效地產生所需的煉鋼反應和最大限度地延長噴槍壽命都是必要的。如果噴嘴吹得過大，也就是說，氧氣射流在離開噴嘴時沒有完全膨脹，當射流在噴嘴外膨脹時就會產生沖擊波。有用的能量會在這些沖擊波中損失，而且過度膨脹的射流沖擊液態金屬槽的力量比理想膨脹的射流小。

當氧氣射流膨脹到與周圍的壓力相等，然后在離開噴嘴之前停止膨脹時，噴嘴就會被吹得不足。在這種情況下，氧氣流與噴嘴的內表面分離。來自BOF轉爐的熱氣就會燒回或侵蝕噴嘴的出口區域。這種侵蝕不僅降低了噴槍噴嘴的壽命，而且還導致了噴射力的損失，導致了軟吹狀態。圖1顯示了超音速射流形成的力學原理以及過吹和欠吹的情況。

圖1 超音速射流形成的力學原理以及過吹和欠吹的條件

BOF的氧槍的主要部件包括氧氣進口配件，氧氣出口（槍頭），它是由高導熱性的鑄/鍛銅設計的，有精確加工的噴嘴，以達到氧氣射流的理想流速和參數。槍管是一系列同心的管道，由外管、中間管和供氧的中心管組成。氧氣噴槍的設計要對熱膨脹和收縮進行補償。長矛的外管暴露在轉爐的高溫下。隨著溫度的升高，它就會膨脹，整個噴槍的內部結構采用O型密封圈和各種接頭，但在使用過程中可以適應熱膨脹和收縮。長槍也要有一個無應力的設計，它必須以鋼鐵廠的施工質量來建造，以便能夠承受鋼鐵熔煉車間的正常操作條件。

冷卻水在噴槍中是必要的，以防止其燒毀BOF轉爐中的氧氣噴槍。銅槍噴嘴和鋼槍都是由壓力約為6公斤/平方厘米的循環水冷卻的。噴槍的重要組成部分是水冷卻通道，冷卻水流經噴嘴的中心并通過噴槍的外管流出。它的設計是為了在噴嘴區域獲得最大的冷卻水速度，該區域暴露在最高溫度下。

重要的是，在設計氧氣噴槍的拉瓦爾噴嘴時，要使吹氣過程中的工藝變量與設計參數保持一致。當噴嘴在比設計壓力更高的進口壓力下運行時，吹掃射流只是效率低下。當噴嘴在較低的進口壓力下運行時，它們會被快速磨損，超音速射流的效率很低。

影響BOF噴槍性能的因素

有許多因素影響氧槍的性能和效率。噴槍的性能取決于爐內存在的條件。熱金屬中的Si含量是一個非常重要的參數。這影響到形成的熔渣量，以及必須被氧氣噴射穿透的熔渣量，同時也控制著爐內的傾斜量。噴槍的操作高度也非常重要，有必要將其納入噴嘴的設計計算中。如果噴槍在爐內的高度太低，那么它就會暴露在極高的溫度下。在這種情況下，冷卻水的傳熱不足以使噴槍的表面不被融化或過早燒掉。如果噴槍的高度太高，氧氣射流的推力就會變小，液態浴的精煉時間就會變長，需要更多的氧氣來達到必要的脫碳和浴液溫度。氧氣流速是一個設計參數，有時會受到氧氣供應系統的限制，和/或排放問題。馬赫數的出口速度也是設計噴槍時使用的一個因素。如果馬赫數的值較高，氧氣噴射通常會更有力度。

噴嘴的數量和噴嘴孔的角度也是氧槍的重要考慮因素。在BOF煉鋼工藝發展的早期階段，使用的是單噴嘴的噴槍，直接吹向液槽。這就造成了大量的傾斜，液體材料被直接噴射到轉爐口上。我們開發了略帶角度的三孔噴嘴，以盡量減少傾斜，從而獲得高的工藝產量。目前，許多BOF轉爐都使用4、5或6噴嘴配置的噴槍。

沖擊面積是噴嘴孔數和噴嘴角度的一個函數。下面將比較增加噴嘴數量和噴嘴出口角度對帶有3孔噴嘴、4孔噴嘴和5孔噴嘴的氧氣噴槍在液槽中的沖擊面積的影響。 在這個比較中，氧氣的流速被認為是565毫升/分鐘。3孔噴嘴12度角的噴槍的沖擊面積為1.41平方米，4孔噴嘴12度角的噴槍為1.52平方米，5孔噴嘴12度角的噴槍為1.61平方米，5孔噴嘴14度角的噴槍為1.67平方米。

隨著噴嘴角度的增加，會產生更多的側向力分量，而不是垂直力分量。這有助于在BOF轉爐的液槽中進行更多的攪動和攪拌。然而，如果氧氣噴射的橫向分量過大，就會出現較高的耐火材料磨損。

影響噴管壽命的因素

較長的噴槍壽命對轉爐的經濟運行是有利的。然而，在正常的轉爐工作實踐中，許多單獨的參數對工藝有影響，如熱金屬化學、排渣方法、石灰質量、噴槍模式、動態或靜態噴槍控制、氧氣供應壓力的限制以及轉爐的形狀和體積。這些因素在不同的工廠之間也有很大差異，因此只能根據或多或少的理想工作實踐給出一般規則，以描述轉爐工藝參數和噴槍噴嘴壽命之間的一般關系。

噴管最脆弱的部分是所謂的噴管頭冠，在使用時暴露在2000攝氏度以上的溫度下。因此，槍頭冠必須由導電率接近100%的銅制成。通常情況下，只有鍛造銅才能提供如此高的導電率。由于鑄造的限制，鑄銅噴槍噴嘴的最低電導率通常為90%左右。電導率與熱導率成正比。

噴槍壽命因車間而異，取決于各種操作方法。噴槍的典型壽命可能是200次，但也有一些車間的噴槍壽命達到400次。也有一些鋼鐵熔化車間甚至不能達到100次加熱。冷卻水對于保持高噴槍壽命至關重要。流速必須保持在設計速度上。冷卻水的出口溫度不超過60攝氏度至65攝氏度，水質也是一個重要參數。如果水被氧化物或污垢污染，通常會在噴槍管道和噴嘴內形成沉積物，對傳熱產生負面影響，這將降低噴槍的壽命。 操作高度對于實現氧氣射流在液浴中的滲透至關重要。然而，如果噴管高度過低，就有可能造成噴管噴嘴面的侵蝕或熔化。

京東方轉爐的吹氣不足會導致噴嘴出口的侵蝕和噴槍噴嘴的失效。噴管上過多的浮灰需要用機械方法清除或燒掉。這兩種做法都會對噴管造成損害。

噴槍的使用壽命受以下兩個因素的影響。

對于吹氧來說，對噴槍噴嘴設計很重要的靜壓是在閥站而不是在噴嘴入口處調整的。這樣一來，冶金反應所需的氧氣體積流量就會產生。閥站和噴槍噴嘴之間的壓力損失，由于摩擦和偏轉損失而產生，是一個未知數。壓力損失通常在0.3公斤/平方厘米和1.5公斤/平方厘米之間，這取決于氧氣管道的幾何形狀。為了設計噴嘴，要估計壓力損失，并確定進口壓力。要從理論上計算出真正的壓力損失并不容易，因為需要進行涵蓋所有氣體網絡部件的可壓縮壓力損失計算。對于設計和轉換器中的靜壓來說，進口溫度也是必要的，這也是未知的。因此，噴嘴設計所需的過程變量被認為是近似值。如果噴嘴的運行模式與最初設計的模式不同，它們會迅速顯示出磨損的跡象。此外，吹氣條件變得不穩定和無效。

在BOF轉爐運行期間，特定的工藝變量可能會被操作員改變，以應對不可預見的事件（液態金屬和爐渣從轉爐中滑出，氧氣網絡中的壓力波動，在主吹煉階段加入冷卻礦石）和當前的工藝事件（在吹煉操作期間通過副噴槍取樣）。相應地，在或多或少長的時間內，噴嘴流量與理想的設計條件有差異。在噴嘴的內部和外部，出現了復雜和不希望的流動模式，稱為鉆石波紋，以壓縮和/或膨脹波的形式出現，這導致了噴嘴邊緣的磨損。

京瓷噴槍的新發展

最近的第一個發展是燃燒后噴槍。因為熔池氧化反應產生的氣體中有90%是一氧化碳，所以最好能進一步燃燒這些一氧化碳以形成二氧化碳。這個反應是高度放熱的，為煉鋼過程帶來額外的熱量。這是一些廢鋼與熱金屬比例較高的轉爐車間正在采用的做法。這種做法需要一個雙流氧氣噴槍，它有兩個氧氣出口。在這樣的噴槍中，主要的氧氣供應是通過噴槍尖端分配的，與傳統的噴槍類似，而輔助氧氣是單獨控制的，并在轉爐的高處吹出。輔助氧氣的作用是與從液態金屬槽中流出的一氧化碳發生反應，從而產生額外的熱能，可用于熔化更多的廢鋼，并有助于控制轉爐口的浮渣堆積物。

氧槍的第二個最新發展是用于將含有高濃度氧化鎂的熔渣保護層濺到BOF轉爐的爐壁上。這個過程通常被稱為濺渣。這是在鋼液從轉爐中被挖掘出來后進行的，殘留的爐渣留在轉爐中。然后對殘渣的成分和溫度進行調節。渣子成分和渣子溫度這兩個參數是濺渣成功的重要參數。關掉氧氣供應，打開氮氣供應。噴槍被降到離轉爐底部約1米的位置。然后打開氮氣，將液態爐渣濺到轉爐壁上，在耐火材料上形成一層保護性爐渣涂層。這種熔渣涂層已成功地將典型的耐火材料襯里壽命提高到每次加熱超過20,000次。此外，每噸鋼液的炮擊要求也降低到0.5公斤以下。