氧气顶吹转炉三孔氧枪的研究

D0I:10.13374/j.issn1001-053x.1979.02.002 北京钢铁学院学报 1979年第2期 氧气顶吹转炉三孔氧枪的研究 北京钢铁学院炼钢教研宝 周荣章万天骥 陈允恭 王瓠宗李慧 摘 要 三孔喷头的结构形式、马赫数、小孔夹角和小孔间距等参数的选择， 以及吹炼枪位的确定是当前三孔喷头的研究中的儿个重要課题。本文结合 对喷头的冷态测定和转炉的吹炼实践对上述问题进行了研究。三喉式喷头 由于其结构合理，能有效地将氧气压力能转化成射流的动能。同时提出了 目前中小型转炉广泛使用的单三式喷头的改造途径。结合射流冲力衰减和 实际吹炼枪位的数据，找出了枪位同射流冲力的关系，这样可用冷态测定 的数据並指导转炉的枪位操作。在使用三孔喷头的情况下，转炉要顺利地 进行吹炼，必須保证有适当的循环比（即射流的冲击半径同熔池半径之 比)，小孔夹角和间距是对循环比有影响的重要因素。 氧枪是氧气顶吹转炉重要的工艺设备之一。氧枪技术的发展对于氧气顶吹转好吹炼技术 的提高起了重要作用。作为顶吹转炉的一项先进技术的多孔喷枪已在我国大中型转炉推广使 用，而8吨到15吨的小型转炉也普遍使用了三孔喷枪，均已取得了良好的吹炼效果。 几年来关于三孔喷头的型式，参数选择和喷头结构等方面提出了不少问题。我们氧枪实 验室进行了喷头的冷态测定，並根据冷态测定结果先后在济钢等厂进行现厂试验。下面着重 讨论有关巾小型顶吹转炉氧枪设计中的几个问题。 一、三孔喷头的型式 国内外生产经验证明，中小型转炉应用多孔喷枪一般认为以三孔为宜。日前我园巾小型 转炉使用的三孔喷枪主要有三种型式，即单三式，三喉式和近三喉式（见图1)。· 单三式喷头目前在中小型转炉上得到广泛的应用，因为它结构简单，在喷头小的情况 下，它比三喉式喷头容易加工制造。单三式喷头的特点是具有一个单一喉口（图1-a中43） 和三个小的直孔（图1-a中29）。气流进入总喉口后扩张加速到超音速。出口速度（马赫数 M)仍由三个小孔面积之和同单一喉口面积之比(A出/A暖)来决定。表1是单三式喷头出口 马赫数的测定结果。 18

北 京 钢 铁 学 院 学 报 年第 期 氧 气 顶 吹 转 炉 三 孔 氧 枪 的 研 究 北京钢铁 学院炼钢 教研 宝 周荣章 万 天 骥 陈允 恭 王 抓 宗 李 慧 摘 要 三 孔 喷头 的 结构形 式 、 马赫数 、 小 孔 夹角和小 孔 间距 等参数的选 择 ， 以及 吹炼 枪位 的确定是 当前 三 孔 喷头 的研 究 中的几 个重 要 裸题 。 本 文 结合 对 喷头 的冷态测定 和 转炉 的 吹炼 实践 对 上迷 问题 进 行 了研 究 。 三 喉 式喷头 由于 其结构合 理 ， 能有 效 地将 氧气压 力能 转化成射流 的 动能 。 同时提 出了 目 前中小 型 转炉广 泛 使用 的单三 式喷 头 的 改造途 径 。 结合 射流冲力衰减和 实 际 吹炼枪位 的数据 ， 找 出了枪 位 同射流 冲 力的关系 ， 这 样 可 用冷 态测定 的数据 业 指导 转炉 的枪位 操 作 。 在使用 三 孔 喷头 的情 况 下 ， 转炉 要 顺 利地 进 行 吹炼 ， 必 须 保 证 有 适 当的循 环 比 即 射 流 的冲 击 半径 同 熔池 半径之 比 ， 小 孔 夹角和 间距 是 对 循 环 比有 影 响的重 要 因素 。 氧 枪是氧 气顶吹 转炉 重 要 的 工 艺 设备 之一 。 氧 枪技 术 的发 展对 于氧气 顶 吹转炉吹炼技 术 的提 高起 了重 要 作用 。 作为顶吹转炉 的一 项先进技 术 的多孔喷 枪 已在 我 国大 中型 转炉推广使 用 ， 而 吨 到 吨 的小型 转炉 也普遍 使用 了 三 孔喷 枪 ， 均 已取 得 了 良好 的吹炼效 果 。 几年来关 于三 孔喷 头 的型 式 ， 参数选 择和 喷 头结构 等方 面提 出 了不 少 问题 。 我们氧 枪实 验 室进 行 了 喷 头的 冷态 测定 ， 业根据 冷态测定结果 先后 在济 钢 等厂 进行 现 广试验 。 下 而 着重 讨 论有关 巾小型 顶 吹 转炉 氧 枪设 计 中的几 个问题 。 一 、 三 孔 喷头 的型 式 国 内外生 产经 验证 明 ， 中小型 转炉应 用 多 孔喷 枪一 般认为 以三 孔为 宜 。 目前我 国 中小型 转炉 使 用 的三 孔喷 枪主 要 有三 种型 式 ， 即单三 式 ， 三 喉 式 和 近三 喉 式 见 图 。 、 单三 式喷 头 目前在 中小型 转炉 上 得 到广 泛 的 应 用 ， 因为 它 结构 简单 ， 在喷头 小 的情 况 下 ， 它 比三 喉 式喷 头 容 易加工制造 。 单兰 式 喷 头 的特 点 是 具有一 个单一 喉 口 图 一 命 和 三 个小 的 直 孔 图 一 小 。 气 流进 入 总喉 口 后 扩 张 加速到 超音 速 。 出 口 速度 马 赫数 仍 由三 个小 孔 面积 之 和同 单一 喉 口 面积 之 比 出 喉 来决定 。 表 是单三 式喷头 出 口 马赫 数的 测定结 果 。 DOI ：10．13374／j ．issn1001－053x．1979．02．002

26.5 133 中133 图1三孔喷头的三种结构形式 表1 编喉口直径出口直径 设计马 实测马 △M d d A出/A喉 赫数 赫数 号 毫米 毫米 M设计 M实测 (M设-M实) 夹 孔 1 34 24 1.50 1.85 1.67 0.18 9。 北京钢院 2 34 24 1.50 1.85 1.71 0.14 10° 3 40.7 29 1.52 1.87 1:80 0.07 9° 4 43 29 1.364 1.73 1.65 0.08 9° 5 39 26 1.33 1.69 1.57 0.12 9° 北大〔1) 由表1数据可以看出，单三式喷头能得到超音速气流，出口马赫数仍是服从面积比规 律。不过出口马赫数低于设计马赫数0.10左右。由于单三式喷头能得到超音速射流，因而能 满足氧气顶吹转炉对氧气射流的要求，这可以从首钢等许多中小型转炉使用单三式喷头取得 良好的吹炼效果得到证明〔2)。但是，从空气动力学观点出发，单三式喷头由于在喉口下游 存在尖楔，且出口又为等截面直孔，而导致在喷头内部必然产生较为复杂的激波，增加气流 19

叫月一卜尹丫 一 ， 鸣 一 叫 中之 蕊一月 、 、 官 平 梦 多乃 白 工上厂孟沪 鲤纽己咚 少 侈夕 － 图 三 孔喷 头 的三 种结构形 式 俞加才摘亩亩亩。 “ 六 北京钢院 ， 。 北大 〕 自︺‘ 八曰上牛士 … ︻了八卜乃一一仔八了厅土，才 ︸八廿 … 户 匕曰﹃不曰曰勺钊仄︹‘ 止︸牛， … 了 任性汀冲户滩 土，牛了月 谨 口臼白乙 分 自勺一山 口。 粼只伙共必井

的能量损失。 三喉式喷头（图1-b)是指喷头的三个小孔由三个拉瓦尔管组成。当然存在三个喉口。 它的形状是符合超音速气流的要求。目前国外三孔喷头均采用这种结构形式。气流在这种喷 管内得到合理的膨胀加速。实测结果，M实测同M设并很接近（表2）。这种唢头的能至损失 也较单三式喷头要小。 表2 编 喉口 出口 直径 直径 设计 实测 △M A出/A喉 马赫数 马赫数 小 测定 号 (d骏) (d出) (M设-M实) 夹 角 单位 意米 毫米 M设 M实 1 26.5 32.4 1.50 1.85 1.82 0.03 北京钢院 2 26.7 33 1.72 2.03 2.007 0.023 北火(1) 近三喉式喷头（图1-℃）其结构同三喉式喷头近似。所不同的是近三喉式喷头的三个小 孔不是收缩一扩张形的拉瓦尔管，而是三个没有收缩段的直筒一一扩张管。这种喷头由于 没有收缩段，当气流进入小管管口时，必然产生突然收缩，而形成缩流现象。这样一来，原 来紧接扩张段的直孔便不是气流的最小截面，而最小载面则在气流缩流处。有人称之为气道 假喉口。我们测定了近三喉式喷头出口马赫数(3)（表3）。 表3 喷 头 参 数 马赫数测定结果 编 d喉 d出 喷头前压强(P。)公斤/厘米3（表） 号 A出/A喉 M设计 (毫米) (毫米) 6.0 8.0 10.0 △M最大差位 26 34.7 1.775 2.02 2.09 2.1G 2.19 0.17 2 26 32.8 1.593 1.93 1.95 1.97 2.10 0.17 由表3结果看出M实均大于M设，由此可以说明道喉口的存在使△出/A喉增大而导敛 出口马赫数增加。文献〔1)测定近三喉喷头也得到相同的结果。 上述三种形式的三孔喷头，虽然均能得到超音速射流，但从空气动力学观点考心，单三 式喷头在喉口以下有尖楔，以及气流出口为三个等截面直管，这些均易起激波的生，不 利于有汝地将气流的压力能转变为射流的动能。我们冷态测定发现，一般单三式喷头射流速 度的衰减要比三喉式快20~30%，也即在喷头设计马赫数，使用氧压和枪位相同的条件下， 三喉式喷头射流中心的最大冲力要此单三式高20~30%。冲力衰减变慢；这有利提高枪位。 这点对于改善当前中小型顶吹转炉由于吹炼枪位过低而导致枪令过低的状泥具有承要的意 义。 近三喉式喷头由于缩流而使喉口变小，喷头马数均随使用氧压变化面改变。这种流 参数不稳定性而不利于稳定吹炼操作。喷头设计时应力图避免。 20

的能量损失 。 三 喉式喷 头 图 一 是指喷头的三 个小孔 由三个拉瓦尔 管组 成 。 当然存 在三 个喉 口 。 它 的形状 是符 合超音速气流 的要 求 。 目前 国外三 孔喷 头均采用 这种 结构 形式 。 气 流在这 种 喷 管 内得 到合理 的膨胀加速 。 实测结 果 ， 实 测 同 设 汗很 接近 表 。 这 种喷 头 的 能量损 失 也较单三 式 喷 头要小 。 表 百 号“ 靡 皇蒙署 不夕 誉 雾 罗 万烹乓蒸 设 燕痴 实 十、 牡 兹 议一户‘ 天 创 井 大 尹 汀不干 队 毫 米 毫 米 一 认 一 … … ， ‘ … ， …… … 一 … 、 交犷 近三喉式喷 头 图 一 其结构同三喉式喷 头近似 。 所不 同 的 是近 三喉 式喷 头的三 个小 孔 不是 收缩－ 扩 张形 的拉 瓦尔管 ， 而是三个没 有收缩段 的直筒一一 扩张管 。 这种 喷头 由于 没 有收缩段 ， 当气 流进 入小管管 口 时 ， 必 然 产生突然 收缩 ， 而形 成缩 流现 象 。 这样一 来 ， 原 来 紧接扩 张 段 的直孔 便 不 是气 流 的最 小截 面 ， 而最 小 截 面 则 在 气 流缩 流 处 。 有人 称 之 为 气道 假 喉 口 。 我 们 测 定 了近 三 喉 式喷 头 出 口 马赫数 〔 〕 表 。 表 喉 毫 米 喷 头 出 毫 米 参 数 马 赫 数 测 定 结 果 喷 头前压 强 。 公 斤 厘 淞 “ 表 出 喉 设计 一 △ 最 大差伯 争编 一碑巨 ， 丫竹﹃‘ 一 。 一 一 一一 一汀 一 一 一︸ 由表 结 拭 果 看 出 实 均 大 于 设 ， 由此 可 以 说 明气道 喉 口 的存 在 使 山 八 ，侯 增大而导 致 出 口 马赫 数增 加 。 文 献 〔 〕测 定 近 三喉喷 头 也得 到相 同 的结 果 。 上述 三 种形式 的三孔 喷头 ， 虽然均能得 到超 音速射 流 ， 但 从空 气动力学观 点考虑 ， 单三 式 喷 头在喉 口 以 下 有尖 懊 ， 以 及气 流出 口 为三个 等截 面 直管 ， 这些均 易弓 起激 波 的产生 ， 不 利 于有效地将气 流 的压 力能转 变为射 流 的动 能 。 我 们冷态测定发现 ， 一 般单三 式喷头射 流速 度 的 衰减要 比三喉 式快 一 ， 也 即在喷 头 设计 马 赫数 ， 使 用氧压 和枪位相同 的条件下 ， 三 喉式喷 头 射 流 中心 的最 大 冲力 要 比单三式 高 仓一 。 冲 力 衰减变 慢 这有利提 高枪 位 。 这点对 于改善 当前 中小型 顶吹 转炉 由 于吹 炼枪位过 低 而导 致 枪令 过低的 状 况 · 具有 亚要的意 义 。 近 三喉式 喷头 由 于缩 流 而使喉 口 变 小 ， 喷头 马 如数均 随 使用 氧 压 变 化而改 变 。 这种 立丸流 参数不 稳 定性而不利 于稳 定吹炼操 作 。 喷头 设计 时应 力 图 避免

综上所述，三喉式喷头是较为合理的一种结构形式。中小型转炉也应创造条件推广使 用。为便于三喉式喷头收缩段的加工，这里推荐一种缩短高度、简化结构的三喉式喷头，（图 2)。这种结构形式不仅加工方便，而且可以大幅度地减轻喷头的重量。初步估算，图2中 喷头铜坯重量只需单三式喷头的~：。这里需要说明一下，单三式喷头必须有一个较长的 总喉口段，要大幅地缩短喷头高度是不可能的。这也可以说是三喉式喷头另一个优点。 途滨尔谐：背 图2三喉式喷头 图2喷头设计了一个连接氧管的套管（低碳钢），以保证喷头同氧枪氧管活动连接。如 果氧枪氧管同喷头采用直接焊接的装枪工艺，则连接叁管可以取消。 二、小孔扩张单三式喷头 考虑到单三式喷头已在我国中小型顶吹转炉推广使用和有的工厂加工三喉式喷头尚有困 难，我们就改进单三式喷头结构和克服它的部分缺点进行了如下工作。 通过实验室冷态测定和阴影法观察射流超音段激波结构发现，近三喉式喷头流股特性同 三喉式喷头基本相同。在使用氧压偏离设计工况压力不大的情况下，射流中没有出现曲面激 波，而单三式喷头则出现曲面激波。前已述及，近三喉式喷头由于存在缩流而使实际喉口减 小。由表3数据看出，随着喷头前的压强由6公斤/厘米2（表）增加到10公斤/厘米2（表）， 马赫数(M实)由2.09增大到2.19。由此可以推算出由于箔流而使喉口的面积缩小，导致 A出/A喉增大6~16%。 小孔扩张单三式喷头是综合单三式和近三喉式二种喷头的特点而设计的一种新的结构形 式（图3）。其结构特点是喷头有一个中31的总喉口（同单三式-一样）和三个没有收缩段的 扩张形小孔（同近三喉式喷头相似）。为防止近三喉式喷头由于出现缩流而产生的气道假喉 口，将三个扩张小孔的最小面积之和设计成比总喉口面积大15%左右。图3中三个中19的面 21

综 上所述 ， 三喉式 喷头是较为合理 的一 种结 一 构 一 形式、 一 中小 型转护 也应创 造 条件推 广 使 分纂潺默黔舔票巍黯豪瓢罗霎探笋默 尝灌雾护鑫盆祝重譬氦簇忠瓢蕊森黯蓄昨蕊卿 图 三 喉 式喷头 图 ‘喷头设十 一 了一 个连 幸氧管 的 套管 果氧枪氧管同喷头 采用直接焊 接的装枪 工 低碳钢 ， 以 保证 喷头同氧 枪氧管 活动 连 接 。 如 艺 ， 则连接套管可 以取消 。 二 、 小孔 扩 张 单 三 式喷 头 考虑 到单三式喷头 已在我 国 中小型顶吹转炉推广使用 和有的工 厂 加工 三喉 式喷头 尚有 困 机 我 们就 改进单三 式喷头 结构和克服它 的部分缺点迸行 了如 下工 作 。 底井派淤洲 拱搏 件幸万协娜粼钾

积之和设计成比总喉口中31的面积大13%。 设想气流通过这种喷头时，压力/速度的转化 的情况大致是气流通过喉口后，由于截面增大 而使气流速度增加到超音速(M>1),而M> 1的超音速气流再进入扩张形小孔后，仍可 进一步膨胀使气流马赫数进一步提高。这样气 流在喷头内整个流动过程中得到比较充分的膨 胀，容易达到设计的马赫数。冷态测定结果， △M≈0.05，小于单三式喷头（表1），与三 喉式喷头接近（表2）。 小孔扩张单三式喷头由于气流性能有了改 23 善，因此射流冲力（用射流中心动压代表）衰 中127 减速度比普通单三式喷头变慢。图4列出了二 种单三式喷头的动压衰减曲线。济钢和上钢三 图3小孔扩张单三式喷头 厂分别使用了这种形式喷头，在使用氧压相同 的条件下，由于冲力衰减变慢，枪位均提高100~200毫米，终渣Fo均有所降低。 小扩张弹式 800 600 60 小乳扩累单 P,=10公斤/厘米：（) 2 P,=8公斤1米2() 400 普通单三式、 400 200 2o0 营通单三式 20 50 40 x/d so 20 30 50 /d小 图4二种单三式喷头动压衰减比较 x一实际测量枪位 d) d小*一折算小孔喉口直径( 三、贊头的冲击深度、枪位和马赫数 氧气顶吹转炉之所以能实现高速而又平稳地吹炼，关键是氧气射流能使熔池均]而又激 烈地运动。转炉反应动力学研究表明，要实现熔池均匀而又激烈地运动，，氧气射流对熔池必 22

万一 … 导、 · 丫下长 小 孔扩 张单三 式喷头 一一 卜护 图 积 之和设计 成比 总喉 口 小 的面 积 大 。 设 想气 流通过这种 喷头 时 ， 压 力 速度 的转化 的情况 大 致是气 流通过喉 口后 ， 由于截面 增大 而使气 流速度增加 到超音 速 ， 而 的超 音 速 气 流再 进 入扩张 形小孔 后 ， 仍 可 进一 步 膨胀使气 流 马 赫数进一步提高 。 这样气 流 在 喷头 内 整 个 流动 过 程 中得到 比较充 分 的膨 胀 ， 容 易 达 到设 计 的 马赫数 。 冷态 测 定 结 果 ， △ 丝 ， 小 于单 三式喷头 表 ， 与三 喉 式 喷头 接近 表 。 小 孔扩 张 单三式 喷头 由 于气 流性 能有 了改 善 ， 因此射 流 冲力 用射 流 中心 动 压 代表 衰 减 速 度 比普通 单 三 式 喷头 变慢 。 图 列 出了二 种单三式 喷头的动压 衰减 曲线 。 济 钢 和 上钢三 厂 分别使 用 了这 种形 式 喷头 ， 在使 用 氧 压相同 的 条件 下 ， 由 于冲力 衰减 变慢 ， 枪位均提 高 一 毫米 ， 终渣乏 均 有所 降低 。 即月 奋 ︺从 兴钾么关环影︸闷 认土 关呆柳形泥贡 告皿终三水 泛 附耐叫了州让了 口 ‘ 一一 一 一 由一 一 之 。 。 冲。 和 补 即 “ 嘶 不户了节布 口 一 一一 一一一 ‘ 刀 图 二 种 单三 式喷头 动压衰 减 比较 一 实 卿幢枪 位 小 余 － 折算小 孔 喉 口 直 径 ， 喉 气一， 不于 训 三 、 喷头的冲击 深度 、 枪位 和马 赫数 几 氧气 顶 吹转炉 之所 以 能实现高速而 又平稳地吹炼 ， 关键 是氧 气 射流 能使熔池均 匀而 又激 烈 地运 动 。 转炉反应 动力 学研究表 明 ， 要 实现 熔 池 均 匀而又激烈地运 动 ， 氧 气射 流对 熔池 必