集束射流氧枪的制作方法

本实用新型属于氧枪技术领域，具体涉及集束射流氧枪。

背景技术：

氧枪，是氧气转炉炼钢中的主要工艺设备之一，其性能特征直接影响到冶炼效果和吹炼时间，从而影响到钢材的质量和产量。其特征是：枪芯为普通水煤气钢管，钢管两端为同尺寸的内外螺纹，外层为带公母榫的打结耐火材料层。电炉炼钢主要依赖于炉门氧枪自动吹氧以及吹氧管辅助人工吹氧，但是人工吹氧存在如下问题：劳动强度大，安全问题较多；自耗式吹氧管消耗高，吨钢2－4kg，成本8－16元/t；供氧强度不够，不适应高节奏生产；氧气利用率低，操作随机性大，生产管理困难；同时用炉门枪吹氧存在电炉“冷区”供氧不足的问题：电炉熔化期,在电极的强大电弧作用下,电极下的炉料迅速熔化,将炉内废钢穿成3个井洞。随着穿井区由里向外传热过程的进行,熔化区域从穿井区不断地向外扩展,形成炉料的渐次熔化过程，在电极之间靠近炉壁处形成3个冷区,延长了熔化时间。如果3个冷区引入新热源,就可以消除冷区,从而实现缩短电炉熔化期的目的。这就是集束射流氧枪的基本思想。采用氧燃喷枪,在充足氧气的作用下完全燃烧,形成2500℃以上的火焰,不仅在冷区直接切割废钢，而且产生的高温烟气在炉衬空隙间高速流动,具有较高的对流换热能力，火焰的辐射也传给炉料较高的热量。同时,适当的供氧量使氧气除能保证燃烧效果,还不与钢中的元素及废钢发生反应。几方面的综合作用使炉料均匀快速熔化,缩短了熔化期,取得了节电增产的效果。集束射流氧枪正是基于以上问题提出的。它利用在炉壁冷区位置安装集束氧枪集中供氧，从而彻底解决电炉冷区供氧不足的难题，缩短冶炼时间，避免了人工吹氧管吹氧的不安全、不确定性，从而提高了电弧炉生产的综合效率。氧燃喷枪节电增产的效果很明显。集束氧枪的原理是在传统氧枪周围增加外层环绕伴随流，使中心超音速射流扩展及衰减更小，超音速射流更长。提高氧气射流对熔池的穿透深度及搅拌强度，同时由于射流速度衰减延缓，可提高氧枪的吹炼枪位，而不影响射流对钢液的冲击深度，延长了氧枪喷头的使用寿命。炉壁集束氧枪主要作用是强化电炉冶炼，缩短冶炼时间，降低冶炼成本，提高钢水质量，降低工人劳动强度，提高电炉冶炼自动化水平。但是现在的集束氧枪对熔池的穿透深度差，难以达到与底吹搅拌同样的熔池混匀时间、自动控制性差，喷出的氧气流量高、炉内喷溅明多，炉衬侵蚀明显，难以较低的供氧量得到更高的脱碳速率，不同炉次的操作结果不稳定，重现性差。

技术实现要素：

本实用新型要解决的技术问题是提供集束射流氧枪，克服上述缺陷，解决上述问题。

为解决上述技术问题，本实用新型提供集束射流氧枪，包括氧枪、水冷壁、阀门站和PLC控制系统，

气体自管道的一端进入所述阀门站，所述PLC控制系统控制所述阀门站，所述管道的另一端连接氧枪或水冷壁，

所述氧枪包括主氧气通道、燃气通道和助燃氧气通道，所述水冷壁包括水冷铜套座，所述水冷铜套座上设有冷却水进口、冷却水出口、二次燃烧氧气口和炭粉口，所述氧枪设置于所述水冷铜套座的上方，并与所述水冷铜套座连接，所述氧枪的顶端设置有氧枪罩盖，所述氧枪罩盖的中央设置有氧枪通孔，所述氧枪管体设置于所述氧枪罩盖的下方，所述氧枪管体连接所述水冷铜套座，所述氧枪管体的中心上部设有所述主氧气通道，所述氧枪管体的侧壁设置有所述燃气通道，所述氧枪管体的中心下部设置有所述助燃氧气通道，所述助燃氧气通道的孔径大于所述主氧气通道的孔径，所述氧枪管体的侧壁还设有贯穿的多个侧壁窗，所述侧壁窗设置在所述助燃氧气通道和主氧气通道之间。

作为本实用新型所述集束射流氧枪的一种优选方案，所述阀门站包括第一阀门，第二阀门，第三阀门、第四阀门、第五阀门和第六阀门，所述PLC控制系统包括第一控制器、第二控制器、第三控制器、第四控制器、第五控制器和第六控制器，所述第一阀门设置于所述主氧气通道的第一连接管道上，所述第二阀门设置于所述燃气通道的第二连接管道上，所述第三阀门设置于所述二次燃烧氧气口的第三连接管道上，所述第四阀门设置于所述助燃氧气通道的第四连接管道上，所述第五阀门设置于所述冷却水进口的第五连接管道上，所述第六阀门设置于所述冷却水出口的第六连接管道上，所述冷却水进口与所述冷却水出口通过冷却水通道连接，所述冷却水通道设置于所述水冷铜套座中，所述冷却水通道贴合所述助燃氧气通道，所述第一控制器控制所述第一阀门，所述第二控制器控制所述第二阀门，所述第三控制器控制所述第三阀门，所述第四控制器控制所述第四阀门，所述第五控制器控制所述第五阀门，所述第六控制器控制所述第六阀门。

作为本实用新型所述集束射流氧枪的一种优选方案，所述氧枪罩盖上设有多个混合燃气孔，所述混合燃气孔的下方设置有环状混合燃气带，所述混合燃气孔连通所述环状混合燃气带，所述燃气通道和助燃氧气通道均与所述环状混合燃气带连通。

作为本实用新型所述集束射流氧枪的一种优选方案，所述混合燃气孔的中心线与所述氧枪通孔的中心线之间的夹角为42-45度。

作为本实用新型所述集束射流氧枪的一种优选方案，所述混合燃气孔设置于所述氧枪通孔的周围，多个所述混合燃气孔径向均匀设置。

作为本实用新型所述集束射流氧枪的一种优选方案，多个所述混合燃气孔径向设置有12条。

作为本实用新型所述集束射流氧枪的一种优选方案，多个所述混合燃气孔周向设置。

作为本实用新型所述集束射流氧枪的一种优选方案，多个所述混合燃气孔周向设置两圈。

与现有技术相比，本实用新型提出的集束射流氧枪,结构简单巧妙，重量轻，操作方便快捷，自适应性好，更好适应国内电炉生产特点，同时根据不同用户使用实际要求，增加了一些比较实用的功能。如：烧嘴功能、集束吹氧脱碳功能、二次燃烧功能、全程泡沫渣冶炼功能、多枪循环功能、防止过氧化功能。集束氧枪具有在超过60倍喷孔直径的距离内(1～2M)保持射流的初始速度、直径、气体浓度与冲击力的功能，应用该技术的优势具体体现在：对熔池的穿透深度比常规射流大出约80％；可以达到与底吹搅拌同样的熔池混匀时间；安装电炉炉壁，在冶炼过程中无须操作管理，可完全自动控制；喷出的氧气流量低于传统氧枪，因此炉内喷溅明显减少，炉衬侵蚀也随之减低；能以较低的供氧量得到更高的脱碳速率，氧气利用率提高；能以更低的喷炭量获得良好、持续的泡沫渣；电炉在操作过程中可关闭炉门，减少空气渗入；不同炉次的操作结果更趋稳定，重现性好。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。其中，

图1为本实用新型的集束射流氧枪的氧枪管体结构示意图；

图2为本实用新型的集束射流氧枪的氧枪管体与管道的连接结构示意图。

其中：1为主氧气通道、2为燃气通道、3为助燃氧气通道、4为水冷铜套座、5为冷却水进口、6为二次燃烧氧气口、7为炭粉口、8为氧枪管体、9为侧壁窗、10为第一连接管道、11为第二连接管道、12为第三连接管道、13为第四连接管道、14为第五连接管道、15为第六连接管道、16为冷却水出口。

具体实施方式

本实用新型所述的集束射流氧枪，其包括：氧枪(未图示)、水冷壁(未图示)、阀门站(未图示)和PLC控制系统(未图示)。

为使本实用新型的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合具体实施方式对本实用新型作进一步详细的说明。

首先，此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本实用新型至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本说明书中不同地方出现的“在一个实施例中”并非均指同一个实施例，也不是单独的或选择性的与其他实施例互相排斥的实施例。

其次，本实用新型利用结构示意图等进行详细描述，在详述本实用新型实施例时，为便于说明，表示集束射流氧枪结构的示意图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是实例，其在此不应限制本实用新型保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间。

实施例一

请参阅图1和图2，图1为本实用新型的集束射流氧枪的氧枪管体结构示意图；图2为本实用新型的集束射流氧枪的氧枪管体与管道的连接结构示意图。如图1和2所示，本实用新型提供集束射流氧枪，包括氧枪、水冷壁、阀门站和PLC控制系统。

气体自管道的一端进入所述阀门站，所述PLC控制系统控制所述阀门站，所述管道的另一端连接氧枪或水冷壁。PLC控制系统对氧气、燃气和压缩空气分别控制，在主控室通过计算机进行操作。

所述氧枪包括主氧气通道1、燃气通道2和助燃氧气通道3，所述水冷壁包括水冷铜套座4，所述水冷铜套座4上设有冷却水进口5、冷却水出口16、二次燃烧氧气口6和炭粉口7，所述氧枪设置于所述水冷铜套座4的上方，并与所述水冷铜套座4连接，所述氧枪的顶端设置有氧枪罩盖(未图示)，所述氧枪罩盖的中央设置有氧枪通孔(未图示)，所述氧枪管体(未图示)设置于所述氧枪罩盖的下方，所述氧枪管体连接所述水冷铜套座4，所述氧枪管体的中心上部设有所述主氧气通道1，所述氧枪管体的侧壁设置有所述燃气通道2，所述氧枪管体的中心下部设置有所述助燃氧气通道3，所述助燃氧气通道3的孔径大于所述主氧气通道1的孔径，所述氧枪管体的侧壁还设有贯穿的多个侧壁窗9，所述侧壁窗9设置在所述助燃氧气通道3和主氧气通道1之间。

所述阀门站包括第一阀门(未图示)，第二阀门(未图示)，第三阀门(未图示)、第四阀门(未图示)、第五阀门(未图示)和第六阀门(未图示)，所述PLC控制系统包括第一控制器(未图示)、第二控制器(未图示)、第三控制器(未图示)、第四控制器(未图示)、第五控制器(未图示)和第六控制器(未图示)，所述第一阀门设置于所述主氧气通道1的第一连接管道10上，所述第二阀门设置于所述燃气通道2的第二连接管道11上，所述第三阀门设置于所述二次燃烧氧气口6的第三连接管道12上，所述第四阀门设置于所述助燃氧气通道3的第四连接管道13上，所述第五阀门设置于所述冷却水进口5的第五连接管道14上，所述第六阀门设置于所述冷却水出口16的第六连接管道15上，所述冷却水进口5与所述冷却水出口16通过冷却水通道(未图示)连接，所述冷却水通道设置于所述水冷铜套座4中，所述冷却水通道贴合所述助燃氧气通道3，所述第一控制器控制所述第一阀门，所述第二控制器控制所述第二阀门，所述第三控制器控制所述第三阀门，所述第四控制器控制所述第四阀门，所述第五控制器控制所述第五阀门，所述第六控制器控制所述第六阀门。

所述氧枪罩盖上设有多个混合燃气孔(未图示)，所述混合燃气孔的下方设置有环状混合燃气带(未图示)，所述混合燃气孔连通所述环状混合燃气带，所述燃气通道2和助燃氧气通道3均与所述环状混合燃气带连通。

所述混合燃气孔的中心线与所述氧枪通孔的中心线之间的夹角为42-45度。

所述混合燃气孔设置于所述氧枪通孔的周围，多个所述混合燃气孔径向均匀设置。多个所述混合燃气孔径向设置有12条。多个所述混合燃气孔周向设置。多个所述混合燃气孔周向设置两圈。

上述集束射流氧枪应用后取得的效果是：节电：15％；通电时间下降：14％；冶炼周期缩短：11％；电极消耗下降：12％；出钢量提高：0.6％；生产作业率提高：11.6％；氧气利用率提高：18％。

在冶炼前期,氧枪对炉料进行预热和熔化，履行烧嘴功能；当炉料熔化形成熔池后,开始向熔池吹氧，履行造渣和脱碳功能；过程中始终伴随有二次燃烧以提高炉温。在冶炼过程中可以根据工艺要求选择氧枪的工作模式，典型的工作模式有4种：

1、预热(烧嘴功能)+二次燃烧

2、熔化(烧嘴功能)+二次燃烧

3、加热+造渣(氧枪功能)+二次燃烧

4、脱碳(氧枪功能)+二次燃烧

在集束射流氧枪的制作中主要有以下几点：

1、铸造：纯铜具有较好的导电和导热性能，故氧枪喷头和水冷板采用纯铜来制造。纯铜的主要性能指标是导电(导热)性和密度,影响导电性的主要因素是杂质含量，影响铸件密度的主要因素有两种，一种是缩孔(包括疏松)，一种是气孔。缩孔由凝固过程中的体收缩造成，气孔由凝固过程中气体的析出造成。缩孔的防止依靠合理的铸造工艺来实现，气孔的防止主要是在熔炼过程中对铜液进行吸气控制和在熔炼后期进行脱氧处理来实现。喷头铸造的工艺核心是金属杂质的控制和气孔的防止。防止气孔的核心是脱氧，既要把氧脱出，又不要残留下对导电性影响有害杂质。加工：加工的重点是喷孔的加工。标准拉瓦尔管的加工需要在数控机床上进行，由于程序太复杂，难于广泛应用。本公司喷头的加工通过专用工装在普通的车床上完成，很好地保证了加工精度。氧孔表面光洁度一般要求为▽6以上，如果表面精度不够，则会产生激波等问题，严重地影响射流的性质。如果喷孔出口处形状偏离设计的“正园”(从垂直于氧孔的方向)，则射流变成了非对称流，将出现射流偏转等现象，性质将发生本质上的改变，速度也将大大地降低。如果出口处出现凸凹现象，则射流变成了渐缩/扩射流，压头损失很大，射流速度将大大降低。

2、焊接：制作氧枪或提供喷头要对喷头进行和接管的铜-钢焊接，由于是异种金属焊接，所以，工艺上具有一定的特殊性。本公司采用熔化极气体保护焊。喷头各种铜件间的焊接采用本公司特有的钎焊工艺。

3、检验：对铜-钢焊缝进行X-射线探伤检验；对枪身的各个对接钢管进行着色探伤检验；对喷头和组装后的氧枪进行水压检验。

集束射流氧枪设计依据与基本技术参数

天燃气—氧气集束喷枪助熔是电炉强化冶炼(V)HP的一项重要措施，电弧炉电极呈三角形布置，使电炉内形成“冷区”和“热区”，“冷区”的废钢熔化延长了冶炼熔化时间，增加了电炉能量的损失，天燃气-氧气助熔的实施有效地解决了这一问题——在“冷区”设置天燃气氧喷嘴补充热能，加速炉内废钢熔化，天燃气氧调节配比得当，天燃气—氧气集束喷枪助熔热效率可达60％～65％，在电炉上设定喷嘴个数及助熔功率，保持“热区”、“冷区”升温均衡，同时不使炉内局部温升过高而造成热能损失及炉内材料烧损。电炉上烧嘴设置3个，助熔功率一般为电炉变压器功率的30％～40％。

设计参数确定

喷嘴数量：3支

助熔功率：3×3.0MVA

燃料介质：天燃气P＝0.3～0.5Mpa Q＝360NM3/h

助熔介质：氧气P＝0.6～1.0Mpa Q＝3×1000NM3/h

设备冷却水P＝0.3～0.4Mpa Q＝20t/h

主要优点：

a)功能

多功能喷枪实现了废钢预热，切割熔化，二次燃烧和升温脱碳的一体化。

碳粉系统多点、可控喷吹实现了更早期，更均匀，更有效的泡沫渣。

有效地利用化学能，降低电耗。

b)工艺改进

该系统能对EAF的运行提供下列工艺改进：

环氧喷射器采用一燃室，以便在一个喷射体内混合并喷射两流氧气，这样就能保证集束状射流的产生。所设计的燃烧室能在利用一新型保护性喷焰流时，最低限度地降低喷射器的堵塞。由于喷射器具有2个燃烧阶段，可提供明亮、高速的理想火焰，从而能有效地将能量引入到EAF的动态变化环境中；

独特的计算机喷焰流程程序控制软件，利用多重火焰结构，能根据炉料切割、炉料熔化不同时期的熔炼工艺要求，将化学能有效地引入钢液之中；

根据不同的炉料组成、冶炼工艺以及钢种的变化等情况，系统设置了5种以上操作模式；

燃烧系统的操作完全自动化，正常熔炼过程中无需人工干预；

喷碳能在整个炉壁周围形成良好的泡沫渣覆盖；

围绕着炉壁在不同的点位喷射超音速集束射流能改善脱碳率，并能更好地搅拌熔池，这保证了温度的均匀性以及促进了渣/金属的物质传递；

减少或取消了渣门喷枪/喷射器的使用。运行期间渣门可长时间的关闭；

集束喷射箱和氧气超音速氧气喷射器的结合，能实现脱碳操作的最佳化。精炼期间，氧气穿透渣/钢界面，以对钢水进行脱碳。炉料化清期间，该系统能将氧流引入到半熔化状态的熔池中，加快了脱碳进程，并能利用更多的膨松碳粉；

喷射器设计方案只需最少量的公用介质管线。每个喷射器仅需要2根直径50mm的管线，一根用于外围LPG，另一根用于集束射氧和环流氧；此外，还需2根直径25mm的供水管(供水和回水)。这样一来就减少了安装成本。在燃烧室中混合并产生火焰的两股氧流只需一根供氧管，软氧(即环氧)用于CO后期燃烧，超音速喷氧用于钢水脱碳。

C)废钢预热及熔化

采用壁装固定氧气烧嘴导入化学能是电炉操作的一个进步，它能较为均匀地预热、切割和熔化废钢，二次燃烧并改善泡沫渣操作，但大多氧气烧嘴的共同缺点是其不合理的火焰结构，它们多为极高温和铅笔细长型火焰，具有很高的热流，非常容易在火焰轴向前方形成一个直径很小的管状空洞，即所谓的熔管效应从而减少废钢有效的传热面积。另外，由于管状空洞很容易将热气引入炉膛中心部位而难于有效加热和熔化周边的废钢，所以一个能力为4MW的这种氧气烧嘴的热效率通常不会超过35％。

本技术所包含的喷嘴采用独家空腔分流设计，再加上两级燃烧技术来产生较宽的氧气包裹射流，它保证同时具有很高的对流和辐射热传导效率。因而喷嘴在电炉上应用的热效率平均能达到80％以上。

d)脱碳

在吨钢供氧强度1立方/吨钢/分钟(即总氧量为2400立方/小时)时当炉中的碳大于0.20％时，脱碳速度可达0.06－0.08％/分钟，当炉中的碳小于0.20％时，脱碳速度为0.03－0.04％/分钟。

系统独特的火焰结构使得早期便能脱碳。但碳含量达到0.5％的临界值时，多点反应和高效的集束射氧仍能保持高的脱碳速度。

技术特点

低安装位置，短射流行程，大的喷射角度

安装位置低，离钢液面的距离约为500-700mm，可充分利用热铁水和残留钢水，提前泡沫渣的形成。

从氧气和碳粉喷嘴到达钢水面的射流行程仅1000mm左右(比其他类型要短700-1000mm)，喷氧效率高，无效的自由氧少，脱碳速度快。

更陡的氧气喷射角度(42-45)，优化射流对熔池的冲击。降低钢水和炉渣对炉顶及电极的喷溅。射流冲击点远离电极，减少电极消耗。

安装维护简便

取消了炉门氧枪，减少维护和消耗件的成本

公用介质接口少，每个喷枪只有1个氧气和1个LPG接口，安装容易，维护轻松快速。

环保

关闭炉门减少冷空气吸入，炉内自由氧减少，使电炉产生的烟气大幅度降低，改善除尘系统性能。

实现闭炉门操作，改善操作平台以及整个车间的环境。

其他

可降低渣中FeO，提高金属必得率(+1-2％)

主要技术参数

氧气:

供气压力：≥1.2-1.4MPa(表压)

氧气流量：1000Nm3/h(单支炉壁枪)

最大氧气流量：3000Nm3/h

冷却水:

流量：约150m3/h

进水压力：≥0.4MPa

进水温度：≤32℃

出水温度：≤50℃

碳粉要求:

碳含量：＞或当地可供的合适碳粉

挥发份：1％以下

灰份：5％以下

硫含量：1％以下

粒度：≥0.1mm≤2mm

喷罐容积：1000升

碳粉仓容积：8m3

消耗:

氧气耗量:40-55Nm3/t(最大)

碳粉耗量:10-15kg/t

压缩空气用量:400Nm3/h

装机容量:5KW

应说明的是，以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本实用新型进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本实用新型的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本实用新型技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本实用新型的权利要求范围当中。