用于铁水喷吹预处理的高性能喷枪的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及铁水预处理领域，具体地指一种用于铁水喷吹预处理的高性能喷枪。
【背景技术】
[0002]文献“铁水的炉外脱硫，山西冶金，2007年，Nol”报道，铁水作为钢水冶炼的基本原料，其化学成分和物理性质在某种程度上决定着钢铁产品的质量和企业的效益，因此，从20世纪70年代开始，人们开始重视铁水预处理技术的发展，并不断改进其工艺和方法，脱除铁水中有害元素。除含硫钢种外，硫是钢种中主要有害元素之一，但在高炉炼铁过程中脱除，就必须提高渣的碱度和炉温，而这将使高炉技术经济指标下降，同时，由于转炉冶炼过程的热力学条件制约，转炉脱硫率仅40%左右。大量的研宄表明，铁水预处理脱硫已公认是高炉转炉一连铸流程降低钢中硫质量分数的最经济工艺，是改善高炉和转炉操作的重要手段之一，在炼钢中起着重要的作用，并向全面铁水预处理的方向发展。
[0003]根据资料报道，现代钢铁冶金流程中的铁水预处理脱硫工艺主要有KR机械搅拌法和喷吹法两种。两种工艺在技术上都已经相当成熟。从实际生产中的应用效果来看，二者是互有优缺点，其中，喷吹法以其设备投资省而在国内钢铁企业普遍推广，并根据脱硫剂种类和喷吹方式的不同，又分为钙基脱硫剂喷吹、镁基脱硫剂复合喷吹和金属颗粒镁纯喷等方式；对于金属颗粒镁纯喷铁水脱硫，喷枪结构形式根据铁水罐大小不同分为枪头带或不带气化室两种。
[0004]文献“决定铁水包铁水喷粉脱硫效率的三个基本参数，钢铁研宄学报，2000年增刊”，指出脱硫粉剂的利用率和喷粉脱硫的处理时间是决定铁水包喷粉脱硫效率的重要因素。要使粉剂得到充分利用，首先必须使粉剂尽可能多地穿透射流的气一液界面进入铁水，即尽可能提高粉剂穿透比；其次，还要延长粉剂在铁水中的平均停留时间，以使粉剂与铁水充分反应。处理时间的减少则需要改善熔池动力学条件，从而降低铁水包达到均匀混合的时间(均混时间)。因此，改善铁水包内传输动力学条件以最大限度地提高喷粉脱硫效率便成为解决问题的关键。为此，提出了“决定铁水包喷粉脱硫效率的三个基本参数”这一概念，理论分析了影响这三个基本参数的主要因素；通过实验，建立了熔池均混时间、粉剂穿透比与喷吹操作参数之间的关系；同时利用流场计算结果回归出粉剂停留时间与载气流量及喷枪插入深度的定量关系式。研宄结果表明，熔池均混时间与搅拌能密度、喷嘴结构、喷枪平面位置均有关系，熔池均混时间随搅拌能密度的加大而缩短。多出口喷嘴的搅拌效果比单出口喷嘴搅拌效果好；喷枪喷嘴出口数目比喷嘴结构对搅拌效果的影响大；喷枪平面位置住离熔池中心1/3R处搅拌效果最好。气粉两相流的出口速度是影响粉剂穿透比的主要因素，出口速度越大，粉剂穿透比越大。粉剂的停留时间主要与喷枪的插入深度和载气流量有关，深枪位操作有利于延长粉剂在熔池中的停留时间。
[0005]上述文献从理论上较好地解释了铁水喷吹无相变脱硫剂的固液界面反应脱硫的关键影响因素。对于铁水纯喷金属颗粒镁脱硫工艺，由于金属镁熔点与气化温度低、高温下蒸气压力高的特性，为避免铁水喷吹脱硫过程中金属颗粒镁高温条件下快速气化膨胀引起的铁水喷溅问题，乌克兰钛设计院、黑色冶金研宄院早在上世纪50年代开发了采用枪头带气化室的喷枪进行铁水纯喷颗粒镁脱硫的工艺，通过金属颗粒镁进入铁水前在枪头气化室中的预气化，避免颗粒镁在高温铁水中迅速气化带来的剧烈喷溅和控制困难的问题，也为金属颗粒镁气化提供了相应的气化时间与空间，同时，预气化的镁蒸汽与喷吹载气通过气化室底部平直的边沿排出进入铁水，通过铁水中含镁气泡的界面脱硫反应和气泡界面溶解镁的均相脱硫反应，达到提高颗粒镁利用率和铁水脱硫效率的目的，并在实际生产中得到广泛应用，尤其是镁资源丰富的国家，例如:前苏联的联邦国家和我国。但由于温度彡670°C时，熔化状态的镁与氮气发生反应:3Mg+N2= Mg 3N2，而且随着温度的上升，反应速度加快；此外，金属镁还会与水、氧反应形成MgO，金属颗粒镁杂质及其钝化膜在金属镁高温气化后形成残留物，由于这些反应产物熔点高，在气化室内壁不断粘附沉积，导致喷枪气化室内壁粘渣严重，为了维持气化室足够的气化空间与金属镁的稳定气化，必须不断地对气化室内壁粘渣进行清理，但促进了气化室的破损进程，影响喷枪使用寿命、使用性能以及生产效率，给实际生产应用带来不便，增加了生产维护的难度与生产成本，并对金属颗粒镁提出了严格的质量要求，增加了铁水脱硫成本。在实际生产过程中，气化室预气化的镁蒸汽与喷吹载气不断混合聚集，并以大气泡脉冲方式排出，导致瞬间气体喷吹动能剧增，引起喷枪剧烈摆动，同时，大气泡上浮速度快、液面溢出搅拌能大，引起液面剧烈波动、震荡、翻腾甚至喷溅，加剧了镁蒸汽的溢出逃逸，铁水脱硫稳定性差，脱硫技术经济指标波动大，限制了脱硫剂喷吹流量的提高，因而，适应中小铁水罐的铁水金属镁小流量喷吹脱硫。
[0006]针对铁水气化室喷枪纯喷金属颗粒镁脱硫工艺固有的不足，本世纪初乌克兰钛设计院、黑色冶金研宄院学者根据铁水纯喷金属颗粒镁脱硫的反应热力学与动力学原理，通过金属颗粒镁在铁水中脱硫反应过程及其在铁水中的运动行为分析，提出了大型铁水罐单喷口直通式喷枪纯喷金属颗粒镁铁水脱硫新工艺，通过大型铁水罐喷枪插入深度的大幅提高，为喷入铁水深处的金属颗粒镁气化、溶解与脱硫反应提供足够的上浮距离和停留时间，同时，通过喷入铁水中金属颗粒镁载气泡的界面穿透与分散，避免了喷枪气化室内的金属镁预气化、镁蒸汽和载气的聚集，显著地减小镁蒸汽泡的体积，促进了金属颗粒镁的加热气化与溶解，并避免了喷枪气化室内壁粘渣，达到提高脱硫效率与喷吹流量的目的。文献“牛琳霞，庄汉宁，新一代颗粒镁铁水脱硫工艺，钢铁研宄，2005，Nol，51-53”报道了铁水气化室喷枪与单喷口直通式喷枪纯喷金属颗粒镁脱硫以及铁水镁基复合喷吹脱硫的技术经济指标对比情况。根据上述文献的报道以及铁水气化室喷枪与单喷口直通式喷枪纯喷金属颗粒镁脱硫的经济指标与工艺技术的对比分析结果，在喷枪铁水插入深度多3m时，单喷口直通式喷枪纯喷金属颗粒镁铁水脱硫的吨铁镁消耗与气化室喷枪基本相同，并且，随着喷枪插入深度的增大，脱硫剂利用率提高，喷吹流量提高近一倍。文献“卢春生，屠学信，李鹏程等，首钢第二炼钢厂铁水喷镁脱硫工艺优化与实践，首钢科技，2005，No5，41-44”报道了首钢二炼钢厂200t铁水罐引进乌克兰直通式喷枪纯喷颗粒镁脱硫工艺的技术参数、经济指标及其工艺技术改进效果与发展过程。由该文献报道可见，对于200吨铁水罐，喷枪插入深度3?3.2m，单喷口直通式喷枪纯喷金属颗粒镁铁水脱硫工艺能够满足铁水脱硫稳定生产的需求，避免了气化室喷枪纯喷金属颗粒镁铁水脱硫的气化室内壁粘渣问题，但与100吨铁水罐气化室喷枪纯喷金属颗粒镁铁水脱硫相比，喷吹流量基本相同，也仅为6?8kg/min，导致喷吹脱硫时间长，生产效率下降，否则将因镁蒸汽泡的聚集长大溢出而引起喷溅和大量镁蒸汽液面逃逸损耗，因而，对金属颗粒镁的质量要求同样严格，以保证在3?3.2m的上升距离内完成金属颗粒镁的气化与溶解，吨铁金属镁消耗增加10%以上，说明金属镁利用率略有下降。为