专利名称：转炉氧枪的水冷结构的制作方法
技术领域：
本发明属于转炉用氧枪技术领域，特别提供了一种转炉氧枪的水冷结构。
背景技术：
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。LD转炉问世以来，对氧枪进行了不断的发展、完善和改进，将过去的氧枪喷头从单孔变为多孔，由锻造喷头改进成整体铸造喷头，极大地推进了转炉技术的发展。我国氧枪发展演变大体与国外同步，三孔、四孔、多孔氧枪已经普及，整体铸造喷头已普遍在转炉炼钢过程采用。
用于转炉冶炼的氧枪喷头，其端底承受很高热负荷，其数值为2.72×106～3.60×106kJ/(m2h)。而则壁受热负荷很小，仅有0.014×106kJ/(m2h)，相当于端底的1/200。因此喷头的冷却实际上是对端底的冷却。采用三孔、四孔、五孔、六孔喷头后，冷却和结构处理上遇到了一定的麻烦，如果仍然延用锻造喷头结构形式，则会发生较严重的“吃鼻子”现象，改用组焊结构，“吃鼻子”现象虽得到解决，但由于受端底焊缝影响，寿命比较低。因此，炼钢转炉广泛采用中心水冷铸造喷头。由于铸造工艺和结构的不断改进，寿命已经有了很大提高，但提高幅度仍受到喷头端底结构和水流组织好坏的限制。一个设计结构合理，水流组织恰当，制作质量良好的喷头，其寿命可达500～600炉，一般喷头寿命只有300炉左右，比较差的不足100炉。
另外，氧枪水冷系统是由输水管路、软管连接和氧枪枪体组成，然而，80％以上的冷却水阻力损失集中在氧枪上，特别是在氧枪进出水的连接部位。
发明内容
本发明的目的在于提供一种转炉氧枪的水冷结构，解决了80％以上的冷却水阻力损失集中在氧枪上的问题，增加了水冷效果，延长了喷头寿命。锻造喷头由于孔间部位不能通水冷却，所以在使用过程中它将较快地被熔蚀，因而性能不好，寿命较短。为了彻底解决喷头孔间部位的水冷问题，在三孔、四孔或五孔多孔铸造喷头的中心通水冷却的结构必须使喷头各部位(主要是中心部位)都具有足够的水冷强度，同时还使不同部位具有不同的冷却水流速，例如进水部位水速可选择得稍低一些，为2.5～5.0m/s，以减少阻力损失，回水部位水速则要提高，为5.0～10.0m/s，以增加水冷效果。目前不论哪种氧枪，均设置兜水板，它是正确组织水流防止喷头烧坏的极为关键的措施。
本发明采用的水冷结构包括输水管路和氧枪枪体，使用软管连接。输水管路包括进水扩张管3、进水弯管4、出水弯管8、出水收缩管9、异形兜水片12、水冷导向环缝13；氧枪枪体包括氧管1、氧枪外管2、快速接头5、氧枪喷头6、快速接头7、氧枪中间管10、外套管11、与氧枪连接的不锈钢管14、不锈钢旋转外套15、圆形橡胶密封垫16、与金属软管连接的不锈钢管17。
本发明采用的异形兜水片12(如图2)置于氧枪喷头6的内侧与氧气喷孔的外测之间，并使用电解铜为材料，整体铸造而成，把水流充分导向中心，兜水片12应适当下摆，以便造成整个端面的高速水流。最初水流速度为6m/s.测定内壁面温度为105℃，但仍有造成水沸腾的可能，后来改用10m/s，壁面温度只有35℃，已接近于水流温度。分水片置于氧孔圆柱外侧，是使冷却水分流的异形片状体。挡水板位于喷头冷却水进口和出口之间，是一个使水偏流的导流体。它包围着氧孔之间冷却水流过的中心通道，其内缘围成一个梅花形，使氧枪冷却水从中流过。导流分水片将冷却水的4/5通过挡水板送入喷头中心部位，其余的1/5被它送入氧柱外的根部，消除那里的死水区。因此，这种结构的喷头冷却极好，不容易烧坏，由它制作的氧枪寿命较锻造喷头的要长许多。
本发明在氧枪进出水的位置上，将氧枪外管2外边增加一个外套管11，外套管的半径比氧枪外管大5～20mm，进水管4与氧枪中间管10的连接部加工成逐渐放大(扩张角为5～45度)的扩张管3，出水管7与氧枪外套管11的连接部加工成逐渐变小(收缩角为5～45度)的收缩管9。在相同的冷却水压力的条件下，采用该方法，可以将冷却水的流量增加10～38％，大幅度提高氧枪的冷却效果。
本发明采用的快速接头5、7可应用在30吨左右的小型转炉氧枪的冷却水进出口和氧气进口连接上，代替了惯用的法兰连接。快速接头5、7的内外套采用不锈钢铸造而成，装卸可以通过简单的工具进行拧紧或旋松。旋松不锈钢旋转外套15即可简单地拆卸出与金属软管连接的不锈钢管17。将与金属软管连接的不锈钢管插入到内套口上，然后拧紧不锈钢旋转外套，即可完成装配，不锈钢旋转外套被拧紧时压迫圆形橡胶密封垫16，使其变形达到密封和固定的作用。没有连接时，不锈钢旋转外套可以挂在氧枪的进出水接头处。
本发明的设计原理是组成氧枪的三层同心套管在氧枪组装过程中，必须能够伸缩，保证氧枪喷头与枪体的切割或焊接，便于喷头的组装与更换。氧枪要保证在使用过程中能够消除外管因热胀冷缩对里面两层钢管所产生的内应力。氧枪在吹炼过程中由于发生氧化作用产生大量热量，使环境温度高达2500℃以上，尽管枪体内有高压水冷却，但氧枪外层管的表面温度仍然达到500℃以上，使其受热热胀伸长。实测表明，一支有效长度4.73m的氧枪在使用过程中外管能伸长32mm，然而，氧枪内的两层管由于受到高压水的充分冷却，其温度几乎没有改变，因而不会伸长。如不采取消施，枪体内就要产生很大的压应力；反之，提枪时由于外层管冷却收缩，枪体又要产生一个很大的拉应力。如果氧枪的三层钢管被悍死或固定死，由于枪体内应力不断作用，在枪体的薄弱环节(通常是枪体与喷头连接的铜钢焊缝处)就要产生裂纹和疲劳破坏，使氧枪变形或焊缝处漏水。因此，设计出的氧枪枪体必须保证氧枪在外层管伸长或收缩时，枪体内的二层钢管也能相应收缩，而且还必须保证高压水和高压氧气不在三层钢管之间相互串通和渗漏。
保护喷头和枪体不受损坏，必须有足够的水量和流速，如何确定水量和正确选择流速，是氧枪水冷结构的关键。评价水量、流速正确与否，主要看铜壁通水侧的内表面温度。在烧坏情况下可达1080～1090℃．当温度达到530～550℃时，便会明显降低喷头的结构强度，引起较大的形变，因此应控制内侧温度不超过120℃。用增加水量来降低壁面温度有助于水温改变，而当喷头处的热负荷超过3.6×106kJ/(m2h)时，对于6500L/min水量的水温改变几乎不影响壁面温度。因此，追求过低的出水温度意义不大。通过实验研究认为，铜壁的冷却取决于壁面处层流区的水层厚度。若减少此区厚度，水流速度非高不可。因此提高流速，是减少水量消耗的重要途径。设计流速一般在9.14m/s以上。日本认为高流速主要用于冷却喷头端面，而侧表面及枪身因热负荷明显降低(仅0.0269×106kJ/(m2h))，可采用比较低的流速，例如新日铁设计的300t转炉，氧枪进水速度为2.5m/s，出水速度为4.0m/s。这样可以大大减少水的工作压力。最初的氧枪端部没有设置兜水板，大部分水流直接返向外层，流到端面的水量不足30～40％，这使水速急剧下降甚至到零，而出现停滞区。根据现场测量，实际水速一般只有1.1～1.5m/s，有的地方只有0.7～0.8m/s。喷头寿命很短，经常在各喷孔问的界面部位发生漏水．模型研究发现，当水流速度低于0.7m/s时，几乎瞬间即可烧坏铜壁。
本发明的优点在于1、对原来的氧枪机械设备、升降装置不需变动；2、氧枪喷头部分采用结构合理的使水流分叉的方法，解决了喷头孔间部位的水冷问题，使喷头不易烧坏；3、采用外加套管的冷却水进出水的方式，大幅度提高氧枪的冷却效果；4、采用喷头头部纯铜铸造与后部钢件连接的复合方式，容易制造和确保喷头的加工精度，改善了冷却效果，使氧碳枪的寿命明显提高。
5、在冷却水进出口处采用快速接头，简化了操作程序，节约了装卸时间。
图1是转炉炼钢用氧枪的示意图。其中，氧管1，氧枪外管2，进水扩张管3，进水弯管4，快速接头5，氧枪喷头6，快速接头7，出水弯管8，出水收缩管9，氧枪中间管10，外套管11。
图2是转炉炼钢用氧枪喷头的纵剖面构造图。其中，异形兜水片12，水冷导向环缝13。
图3是冷却水进口与出口的设计方法示意图。
图4是氧枪冷却水用快速接头的示意图。其中，与氧枪连接的不锈钢管14，不锈钢旋转外套15，圆形橡胶密封垫16，与金属软管连接的不锈钢管17。
具体实施例方式
图1到图4是本发明的一种具体实施方式
，其水冷结构包括输水管路、和氧枪枪体，使用软管连接。
本发明采用图2所示的异形兜水片12形状，以便把水流充分导向中心，兜水片12适当下摆，以便造成整个端面的高速水流。最初水流速度为6m/s．测定内壁面温度为105℃，但仍有造成水沸腾的可能，后来改用10m/s，壁面温度只有35℃，已接近于水流温度。分水片置于氧孔圆柱外侧，是使冷却水分流的异形片状体。挡水板位于喷头冷却水进口和出口之间，是一个使水偏流的导流体。它包围着氧孔之间冷却水流过的中心通道，其内缘围成一个梅花形，使氧枪冷却水从中流过。导流分水片将冷却水的4/5通过挡水板送入喷头中心部位，其余的1/5被它送入氧柱外的根部，消除那里的死水区。
在氧枪进出水的位置上，将氧枪外管2外边增加一个外套管11，外套管的半径比氧枪外管大5～20mm，进水管4与氧枪中间管10的连接部加工成逐渐放大(扩张角为5～45度)的扩张管3，出水管7与氧枪外套管11的连接部加工成逐渐变小(收缩角为5～45度)的收缩管9。
本发明使用快速接头5、7代替了惯用的法兰连接。快速接头5、7的内外套采用不锈钢铸造而成，装卸可以通过简单的工具进行拧紧或旋松。旋松不锈钢旋转外套15即可简单地拆卸出与金属软管连接的不锈钢管17。将与金属软管连接的不锈钢管插入到内套口上，然后拧紧不锈钢旋转外套，即可完成装配，不锈钢旋转外套被拧紧时压迫圆形橡胶密封垫16，使其变形达到密封和固定的作用。没有连接时，不锈钢旋转外套可以挂在氧枪的进出水接头处。
权利要求
1.一种转炉炼钢用氧枪的水冷结构，其特征在于水冷结构包括输水管路和氧枪枪体，使用软管连接；输水管路包括进水扩张管(3)、进水弯管(4)、出水弯管(8)、出水收缩管(9)、异形兜水片(12)、水冷导向环缝(13)，氧枪枪体包括氧管(1)、氧枪外管(2)、快速接头(5)、氧枪喷头(6)、快速接头(7)、氧枪中间管(10)、外套管(11)、与氧枪连接的不锈钢管(14)、不锈钢旋转外套(15)、圆形橡胶密封垫(16)、与金属软管连接的不锈钢管(17)；异型兜水片(12)置于氧枪喷头(6)的内侧与氧气喷孔的外测之间，把水流充分导向中心，分水片置于氧孔圆柱外侧，是使冷却水分流的异形片状体，挡水板位于喷头冷却水进口和出口之间，是一个使水偏流的导流体，它包围着氧孔之间冷却水流过的中心通道，其内缘围成一个梅花形，使氧枪冷却水从中流过，导流分水片将冷却水的4/5通过挡水板送入喷头中心部位，其余的1/5被它送入氧柱外的根部，消除那里的死水区。
2.按照权利要求1所述的水冷结构，其特征在于在氧枪进出水的位置上，将氧枪外管(2)边增加一个外套管(11)，外套管的半径比氧枪外管大5～20mm，进水管(4)与氧枪中间管(10)的连接部加工成逐渐放大的扩张管(3)，扩张角为5～45度，出水管(7)与氧枪外套管(11)的连接部加工成逐渐变小的收缩管(9)，收缩角为5～45度。
3.按照权利要求1所述的水冷结构，其特征在于快速接头(5)、(7)代替了惯用的法兰连接，应用在30吨左右的小型转炉氧枪的冷却水进出口和氧气进口连接上，快速接头(5)、(7)的内外套采用不锈钢铸造而成，装卸通过简单的工具进行拧紧或旋松，旋松不锈钢旋转外套(15)简单地拆卸出与金属软管连接的不锈钢管(17)，将与金属软管连接的不锈钢管插入到内套口上，然后拧紧不锈钢旋转外套，完成装配，不锈钢旋转外套被拧紧时压迫圆形橡胶密封垫(16)，使其变形达到密封和固定的作用。
4.按照权利要求1所述的水冷结构，其特征在于异型兜水片(12)，使用电解铜为材料，整体铸造而成。
全文摘要
本发明提供了一种转炉炼钢用氧枪的水冷结构，属于转炉用氧枪技术领域。水冷结构包括输水管路和氧枪枪体，使用软管连接。输水管路包括进水扩张管(3)、进水弯管(4)、出水弯管(8)、出水收缩管(9)、异形兜水片(12)、水冷导向环缝(13)，氧枪枪体包括氧管(1)、氧枪外管(2)、快速接头(5)、氧枪喷头(6)、快速接头(7)、氧枪中间管(10)、外套管(11)、与氧枪连接的不锈钢管(14)、不锈钢旋转外套(15)、圆形橡胶密封垫(16)、与金属软管连接的不锈钢管(17)；异型兜水片(12)置于氧枪喷头(6)的内侧与氧气喷孔的外侧之间。优点在于制造容易、使、使喷头不易烧坏、氧碳枪的寿命明显提高；并简化了操作程序，节约了装卸时间。
文档编号C21C5/30GK1718758SQ20051008721
公开日2006年1月11日 申请日期2005年7月28日 优先权日2005年7月28日
发明者潘贻芳, 袁章福, 李树庆, 王宝明, 任茂勇, 关璐, 杨肖 申请人:天津钢铁有限公司, 中国科学院过程工程研究所