吹气聚渣用顶部斜插式喷枪、制备方法及使用方法与流程

本发明涉及铁水吹气辅助扒渣用聚渣吹气器件技术领域，具体涉及一种吹气聚渣用顶部斜插式喷枪、制备方法及使用方法。

背景技术：

铁水预处理与扒渣技术是洁净钢生产平台的关键技术之一，也是现代钢铁工业生产流程中的必备工序。目前，国内外钢铁企业普遍采用扒渣机进行预处理后铁水液面上铁水渣的扒除；由于铁水罐与扒渣板形状的限制，扒渣板不能伸到铁水罐后壁，导致该区域铁水渣难以扒出；同时，由于铁水液面上铁水渣的分散与漂浮，扒渣板单次动作的扒渣量少，导致扒渣板动作次数多，扒渣时间长、扒渣效率低、扒渣铁损大、运行成本高，制约了预处理工序技术经济指标的改善与生产效益的发挥。针对上述问题，一些技术先进国家的钢铁企业，先后于上世纪80年代与90年代开发了顶枪吹气赶渣与透气砖透气赶渣的辅助扒渣工艺，通过沿铁水罐后壁插入铁水中的吹气顶枪或安装在铁水罐后壁铁水深处透气砖的气体喷吹，驱使液面上铁水渣向扒渣口方向聚集，并使铁水罐后壁区域铁水裸露，达到提高扒渣效率的目的。相关资料报道了顶枪或透气砖吹气扒渣的实际应用效果，指出了顶枪吹气对铁水罐后壁耐火材料工作衬冲刷磨损严重的不足，而透气砖吹气则存在透气砖气体连接操作繁琐、渗透堵塞、侵蚀剥落损毁带来的漏铁风险等不足，时常威胁操作人员的人身安全与铁水罐的安全运行与正常周转，尤其是“一罐到底”的工艺模式，安全隐患更大，透气砖吹开率将更低。基于透气砖吹气辅助扒渣的安全风险和“一罐到底”的工艺模式的不断推广，国内外铁水吹气辅助扒渣集中向顶枪吹气技术发展，我国宝钢于2005年率先在国内开展了顶枪吹气辅助扒渣工艺技术的研究，并基于具体的工艺布局与设备状况，开展了大量的技术完善工作，并于2010年在宝钢集团梅山钢铁股份有限公司铁水喷吹脱硫扒渣生产线上得到应用，取得了提高扒渣效率的优良效果；首钢京唐钢铁联合有限公司针对曹妃甸铁水kr搅拌脱硫扒渣生产线的工艺布局与设备现状，2012年初开展了顶枪吹气辅助扒渣工艺技术与应用研究，也取得了提高扒渣效率的优良效果；此外，武钢、鞍钢等钢铁企业也先后开展了顶枪吹气辅助扒渣的技术研究，并基于不同的设备技术特征，形成了特色鲜明的辅助扒渣顶枪吹气聚渣方法与吹气喷枪等系列专利技术，其中，在吹气聚渣喷枪方面，国内相关钢铁企业以延长使用寿命为目的，通过枪衬增厚手段，提高枪衬抗熔渣侵蚀与铁水冲刷磨损，形成了多项专利技术，如：“用于吹气赶渣的吹气枪，专利申请号：201020237906.2，授权公告号：cn201778055u”，“用于铁水吹气赶渣的吹气枪，专利申请号：201020543058.8，授权公告号：cn201793624u”，喷枪结构与台湾中钢引进德国的直筒单孔顶枪相似，并在实际生产中得到应用，同样存在铁水罐壁耐火材料工作衬冲刷磨损严重的不足，此外，使用过程中直筒单孔喷枪枪头冲刷、热震剥落、芯管烧蚀、喷枪弯曲等损毁严重，导致喷枪有效长度不断缩短、喷枪插入深度控制困难，吹气辅助扒渣效果不稳定，虽然起到了缩短扒渣时间的一定作用，但未能有效发挥降低扒渣铁损的效能。为此，中国专利“辅助铁水扒渣的吹气聚渣喷枪及其使用方法，专利号：zl201310076959.9”公开了一种以垂直枪管中心线对称布置的两个喷口为特征的吹气喷枪及其使用方法，降低喷吹气流对罐壁的冲刷磨损，避免了直筒单孔喷枪使用过程中有效长度不断缩短带来的不足，增强喷吹气流的聚渣效果；通过工业性试验，达到了缩短扒渣时间的预期目的，但降低扒渣铁损不突出，同时在扒渣动作前的下枪过程中存在枪头与渣层撞击严重的不足，导致喷枪使用寿命较短。为此，中国专利“铁水预处理顶部吹气辅助扒渣喷枪，专利号：zl201320467961.4”公开了一种由枪身段和喷吹段构成的吹气喷枪，通过增大喷吹段直径，提高喷枪枪头抗渣层撞击能力，并在实际生产中取得了延长喷枪使用寿命、缩短扒渣时间的应用效果，但对扒渣铁损方面效果不突出，同时在喷枪大角度顶部斜插的使用工况条件下，随着喷枪使用寿命的提高，喷枪弯曲损毁不断加剧，成为制约喷枪使用寿命的关键因素。针对上述扒渣铁损效果不突出的不足，中国专利“透气聚渣用顶部插入式喷枪及其制备方法，专利号：zl201410369325.7”公开了一种以狭缝式或毛细孔式弥散型喷口为特征的透气聚渣喷枪，并在喷枪大角度顶部斜插的使用工况条件下，取得了缩短扒渣时间、降低扒渣铁损、减少铁水罐后壁磨损的优良效果，但喷枪弯曲损毁依然严重，同时，在喷枪小角度顶部斜插工况条件下，因弥散型喷口气流聚集严重，扒渣铁损与铁水罐后壁磨损降低效果有限。

针对现有技术的上述不足，通过水模试验研究，发现喷枪结构的不同将直接影响到气体喷射流场、铁水流场以及铁水中气泡分布、气泡上浮轨迹、驱渣动能以及渣铁卷吸行为，因而，必须进一步开展喷枪的结构优化研究，组织合理的喷射流场，稳定喷枪吹气聚渣效果，最终达到降低吹气搅拌引起的渣铁互混与扒渣铁损以及铁水罐后壁磨损、缩短扒渣时间、减少运行消耗与维护成本、延长喷枪使用寿命等综合目标。

技术实现要素：

本发明的目的就是针对上述技术的不足，提供一种喷枪结构简单、透气通畅、使用寿命长、驱渣动能高、铁水裸露面积大、铁水罐后壁冲刷磨损小、扒渣铁损低、扒渣时间短的吹气聚渣用顶部斜插式喷枪、制备方法及使用方法。

为实现上述目的，本发明所设计的吹气聚渣用顶部斜插式喷枪，包括依次相连相通的连接段、枪身段和喷口段；所述连接段包括金属连接管及与所述金属连接管一端相连的连接件，所述枪身段包括一端与所述金属连接管另一端相连的金属主管、覆盖于所述金属主管外表面的枪身段耐火浇注料衬及固定于所述金属主管外表面且位于所述枪身段耐火浇注料衬内的枪身段v型锚固件，所述喷口段包括一端与所述金属主管另一端相连的金属喷管、覆盖于所述金属喷管外表面的喷口段耐火浇注料衬及固定于所述金属喷管外表面且位于所述喷口段耐火浇注料衬内的喷口段v型锚固件，所述金属连接管与所述金属主管竖直布置且焊接连通；所述金属喷管与所述金属主管焊接连通且形成的夹角α大于0°、小于180°；所述喷口段耐火浇注料衬内布置有吹气时朝向铁水液面的弥散型喷口，所述金属喷管上半部侧壁径向开设有与弥散型喷口对应径向相通的通孔。

进一步地，沿所述金属主管圆周均匀布置的多根轴向金属加强筋，且每根所述轴向金属加强筋均焊接在所述金属主管外表面上；每根所述轴向金属加强筋轴线和所述金属主管轴线构成的平面与铁水液面垂直。

进一步地，所述夹角α与喷枪斜插角β互余。

进一步地，所述弥散型喷口为狭缝式或毛细孔式弥散型喷口，所述通孔为狭缝式或毛细孔式通孔。

进一步地，所述喷口段横截面尺寸大于等于所述枪身段横截面尺寸。

进一步地，所述枪身段的横截面为椭圆形，所述喷口段横截面为椭圆形，或者所述喷口段横截面上半部分为长方形、下半部分为半椭圆形。

进一步地，每根所述轴向金属加强筋的长度与所述金属主管的长度相等。

进一步地，所述金属连接管、所述金属喷管和所述金属主管三者的材质、壁厚和管径均相同。

一种制备上述所述吹气聚渣用顶部斜插式喷枪的方法，所述制备方法包括如下步骤：

1)根据制备喷枪的结构参数，加工制作喷枪各金属部件并除锈，备用；

2)根据金属喷管轴线与金属主管轴线夹角α，将金属主管和金属喷管的焊接接口切削成斜面，并使斜面与金属主管或金属喷管轴线夹角为α/2；

3)采用线切割或钻孔的方式在金属喷管的上半部侧壁径向开设有与弥散型喷口对应径向相通的通孔，采用钢板焊接封堵金属喷管底端的平直面；

4)焊接连通金属连接管、金属主管和金属喷管，并按要求在金属主管侧壁上焊接金属加强筋，并在金属主管和金属短管外壁焊接金属锚固件，完成金属枪芯的制备；

5)将制备的金属枪芯水平放置在浇注成型模具中，采用pvc塑料薄片或细棒线作为烧蚀材料，贯穿金属喷管与模具外壁上的通孔，并与金属喷管内壁和模具外壁粘连固定；

6)采用自制的碳纤维增强刚玉莫来石质浇注料进行喷枪浇注成型，浇注后模内养护1天拆模，按照连接段的长度要求进行金属连接管的切割加工，焊接或螺纹连接安装连接件；

7)自然养护3～6天，送入烘烤炉烘烤2～4天，烘烤温度为350～450℃，炉内冷却至≤50℃出炉，清除喷枪金属主管与金属喷管内部的残渣，吹气疏通弥散型喷口后，包装入库待发。

一种如上述所述吹气聚渣用顶部斜插式喷枪的使用方法，所述使用方法包括如下步骤：

1)喷枪安装：转动顶部斜插吹气聚渣喷枪连接段，使喷口段的弥散型喷口朝上，将枪管固定安装在喷枪驱动装置上，使喷枪与水平操作平台之间夹角为β，并通过连接件连通喷枪驱动装置的供气管，实现喷枪驱动装置对吹气聚渣喷枪的操控与供气；

2)喷枪通气：将铁水罐从正常位倾斜至扒渣位后，调整喷口至铁水罐后壁渣铁面的上方，开通气源进行吹气聚渣喷枪吹气；

3)喷枪插入：在吹气聚渣喷枪保持吹气通畅的条件下，按照操作工艺参数要求，利用喷枪驱动装置将其插入铁水中，并使弥散型喷口在铁水中向上喷吹气体，形成垂直向上的气泡流束；

4)吹气驱渣与扒渣：进行吹气聚渣喷枪持续吹气，通过气泡流束的渣铁面溢出，驱赶铁水渣向铁水罐嘴方向聚集，同时采用扒渣机进行扒渣，直至扒渣结束；

5)提起喷枪：保持吹气聚渣喷枪吹气状态条件下，提升吹气聚渣喷枪直至喷口上升至渣铁面上方，然后关闭气源，将铁水罐回到正常位，等待下一次扒渣。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1)狭缝式或毛细孔式通孔沿喷口段上半部侧壁朝上喷射的布置方式，保证了喷吹气流的上浮流畅，避免细小喷吹流股铁水中上浮过程的快速聚集，大幅度降低了喷吹气体流股的搅拌动能，降低了喷吹流股对铁水罐后壁的冲刷磨损，遏制了聚集流股快速溢出带来的液面剧烈波动，大幅度降低了铁水液面卷渣强度，减少脱硫渣含铁量与扒渣铁损；

2)分布在喷口段耐火浇注料衬内的狭缝式或毛细孔式弥散型喷口与通孔对应想通，且弥散型喷口吹气时朝向铁水液面，扩展了细小气体流股束溢出区域与流股驱渣面积，扩大了吹气扒渣过程中铁水液面的裸露面积，促进了喷吹气流对铁水罐左、右、后罐壁区域铁水渣向扒渣口的驱赶作用，提高了吹气聚渣效果与扒渣效率，达到缩短扒渣时间的目的；

3)弥散型喷口在喷口段上半部侧壁朝上布置，避免了喷枪枪体对细小流股的阻碍与聚集促进作用，避免了喷吹流股对喷枪的冲刷磨损，降低了气体喷吹反作用力对喷枪的不利影响，提高了喷口段的综合整体性与抗机械损伤能力，达到延长喷枪使用寿命的目的；

4)金属喷管与金属主管之间的夹角α与喷枪斜插角β互余，保证了喷口段上半部侧壁布置的弥散型喷口垂直朝上喷吹，遏制了喷口倾斜带来的流股聚集的不利影响，充分发挥弥散型喷口吹气驱渣的积极效果，提高了喷枪对喷吹工艺的适应能力；

5)枪身段金属主管侧壁对称焊接布置金属加强筋及枪身段外形结构截面为椭圆形的结构设计，提高了喷枪的抗弯能力，强化了喷枪耐火材料衬的整体抗高温能力，防止喷枪大倾角斜插使用工况条件下的弯曲损毁与耐火材料衬剥落损毁，大幅度延长喷枪使用寿命；

6)实现了顶枪吹气辅助扒渣和铁水罐透气砖透气辅助扒渣技术中优点的高度集合，同时，全面克服了常规顶枪吹气或透气砖透气存在的种种不足，达到降低扒渣铁损、缩短扒渣时间、延长铁水罐与吹气聚渣喷枪使用寿命、降低扒渣工序成本等综合目的。

附图说明

图1为本发明吹气聚渣用顶部斜插式喷枪结构主视示意图；

图2为图1的a-a示意图；

图3为图1的b-b第一种结构示意图；

图4为图1的b-b第二种结构示意图；

图5为本发明吹气聚渣用顶部斜插式喷枪的使用安装示意图。

连接件1、金属主管2、金属加强筋3、金属喷管4、枪身段v型锚固件5、弥散型喷口6、枪身段耐火浇注料衬7、连接段8、枪身段9、喷口段10、操作平台11、铁水罐12、渣铁面13、气泡流束14、扒渣机15、金属连接管16、通孔17、喷口段耐火浇注料衬18、喷口段v型锚固件19。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明。

如图1所示的吹气聚渣用顶部斜插式喷枪，包括依次相连相通的连接段8、枪身段9和喷口段10。连接段8包括金属连接管16和连接件1，枪身段9包括金属主管2、覆盖于金属主管2外表面的枪身段耐火浇注料衬7及固定于金属主管2外表面且位于枪身段耐火浇注料衬内7的枪身段v型锚固件5，喷口段10包括金属喷管4、覆盖于金属喷管4外表面的喷口段耐火浇注料衬18及固定于金属喷管4外表面且位于喷口段耐火浇注料衬18内的喷口段v型锚固件19。本实施例中，金属连接管16、金属主管2和金属喷管4均采用的是普通碳钢无缝管或焊管，且金属连接管16、金属喷管4和金属主管2三者的壁厚和管径均相同。金属连接管16的一端与连接件1相连，金属连接管16与金属主管2竖直布置且金属连接管16的另一端与金属主管2的一端焊接连通，金属主管2的另一端与金属喷管4的一端相连，金属喷管4的另一端(即底端)为普通碳钢板焊接封堵，当然，一般实际应用中，金属连接管16与金属主管2为一根金属管。另外，结合图2所示，沿金属主管2圆周均匀布置的多根轴向金属加强筋3，每根轴向金属加强筋3的长度与金属主管2的长度相等，且每根轴向金属加强筋3均平行焊接在金属主管2外表面上；本实施例中，采用两根轴向金属加强筋3，轴向金属加强筋3为圆形金属钢筋，每根轴向金属加强筋3轴线和金属主管2轴线构成的平面与铁水液面垂直。

本发明通过大量的水模实验，先后研究了弥散型喷口结构形状、狭缝或细小通孔数量与排列方式及喷口段结构与弥散型喷口朝向等结构参数，以及喷枪插入部位、插入深度、喷吹流量、喷吹压力等工艺参数对喷枪透气聚渣效果、铁水裸露面大小与形状、透气对罐壁冲刷程度等的影响规律；通过在实际生产中的工业性试验，研究了喷枪结构参数与操作工艺参数对扒渣效果的影响；因此，结合水模实验与工业性试验结果，以缩短扒渣时间、降低扒渣铁损与喷枪制作成本、减小铁水罐壁磨损、延长喷枪寿命等为目标，得到了本发明的技术方案，即本发明的关键点在于：金属喷管4与金属主管2焊接连通且形成的夹角α大于0°、小于180°，夹角α与喷枪斜插角β互余，保证了喷口段10上半部侧壁布置的弥散型喷口6垂直朝上喷吹，遏制了喷口倾斜带来的流股聚集的不利影响，充分发挥弥散型喷口吹气驱渣的积极效果，提高了喷枪对喷吹工艺的适应能力；并且，喷口段10横截面尺寸大于等于枪身段9横截面尺寸，枪身段9的横截面为椭圆形，喷口段10横截面为椭圆形，如图3所示，或者喷口段10横截面上半部分为长方形、下半部分为半椭圆形，如图4所示，保证了弥散型喷口6之间合适的间距，防止细小流股的快速聚集，提高弥散型喷口区域的强度与刚度及其抗损毁能力，稳定吹气聚渣综合性能。另外，喷口段耐火浇注料衬18内布置有吹气时朝向铁水液面的弥散型喷口6，且弥散型喷口6的喷出面为平面或圆弧面，金属喷管4上半部侧壁径向开设有与弥散型喷口5对应径向相通的通孔17，通孔17与金属喷管4的内腔相连通；若喷口段10横截面为椭圆形时，通孔17位于椭圆形的短轴上，若喷口段10横截面上半部分为长方形、下半部分为半椭圆形，通孔17位于长方形上。本实施例中，弥散型喷口6为狭缝式或毛细孔式弥散型喷口，同理，通孔17为狭缝式或毛细孔式通孔。

根据水模实验与工业性试验结果，与现有技术中不同喷口结构喷枪相比，本发明的狭缝式或毛细孔式通孔17沿喷口段10上半部侧壁朝上喷射的布置方式，保证了喷吹气流的上浮流畅，避免细小喷吹流股铁水中上浮过程的快速聚集，大幅度降低了喷吹气体流股的搅拌动能，降低了喷吹流股对铁水罐后壁的冲刷磨损，遏制了聚集流股快速溢出带来的液面剧烈波动，大幅度降低了铁水液面卷渣强度，减少脱硫渣含铁量与扒渣铁损；同时，分布在喷口段耐火浇注料衬18内的狭缝式或毛细孔式弥散型喷口6与通孔17对应想通，且弥散型喷口6吹气时朝向铁水液面，扩展了细小气体流股束溢出区域与流股驱渣面积，扩大了吹气扒渣过程中铁水液面的裸露面积，促进了喷吹气流对铁水罐左、右、后罐壁区域铁水渣向扒渣口的驱赶作用，提高了吹气聚渣效果与扒渣效率，达到缩短扒渣时间的目的；此外，弥散型喷口6在喷口段10上半部侧壁朝上布置，避免了喷枪枪体对细小流股的阻碍与聚集促进作用，避免了喷吹流股对喷枪的冲刷磨损，降低了气体喷吹反作用力对喷枪的不利影响，提高了喷口段的综合整体性与抗机械损伤能力，达到延长喷枪使用寿命的目的。

而枪身段9金属主管2侧壁对称焊接布置金属加强筋3及枪身段9外形结构截面为椭圆形的结构设计，提高了喷枪的抗弯能力，强化了喷枪耐火材料衬的整体抗高温能力，防止喷枪大倾角斜插使用工况条件下的弯曲损毁与耐火材料衬剥落损毁，大幅度延长喷枪使用寿命。

制备上述吹气聚渣用顶部斜插式喷枪的方法，如下步骤：

1)根据制备喷枪的结构参数，加工制作喷枪各金属部件并除锈，备用(即根据相关金属部件的结构尺寸，选择合适的金属材料，除锈下料，并加工制备金属构件)；

2)根据金属喷管4轴线与金属主管2轴线夹角α，将金属主管2和金属喷管4的焊接接口切削成斜面，并使斜面与金属主管2或金属喷管4轴线夹角为α/2；

3)采用线切割或钻孔的方式在金属喷管4的上半部侧壁径向开设有与弥散型喷口5对应径向相通的通孔17，采用钢板焊接封堵金属喷管4底端的平直面；

4)焊接连通金属连接管16、金属主管2和金属喷管4，并按要求在金属主管2侧壁上焊接金属加强筋3，并在金属主管2和金属短管4外壁分别焊接枪身段v型锚固件5和喷口段v型锚固件19，完成金属枪芯的制备；

5)将制备的金属枪芯水平放置在浇注成型模具中，采用pvc塑料薄片或细棒线作为烧蚀材料，贯穿金属喷管4与模具外壁上的通孔17，并与金属喷管4内壁和模具外壁粘连固定；

6)采用自制的碳纤维增强刚玉莫来石质浇注料进行喷枪浇注成型，浇注后模内养护1天拆模，按照连接段8的长度要求进行金属连接管16的切割加工，焊接或螺纹连接安装连接件1；

7)自然养护3～6天，送入烘烤炉烘烤2～4天，烘烤温度为350～450℃，炉内冷却至≤50℃出炉，清除喷枪金属主管2与金属喷管4内部的残渣，吹气疏通弥散型喷口6后，包装入库待发。

本发明提供的喷枪制备方法，保证了喷枪制作的顺利进行、喷枪结构尺寸精度、气体喷射通道的畅通与金属结构气密性，提高了内在质量与使用性能，保证了喷枪的综合整体性。

使用上述吹气聚渣用顶部斜插式喷枪的方法，结合图5所述，包括如下步骤：

1)喷枪安装：转动顶部斜插吹气聚渣喷枪连接段8，使喷口段10的弥散型喷口6朝上，将枪管固定安装在喷枪驱动装置上，使喷枪与水平操作平台11之间夹角为β，并通过连接件1连通喷枪驱动装置的供气管，实现喷枪驱动装置对吹气聚渣喷枪的操控与供气；

2)喷枪通气：将铁水罐12从正常位倾斜至扒渣位后，调整喷口至铁水罐后壁渣铁面13的上方，开通气源进行吹气聚渣喷枪吹气；

3)喷枪插入：在吹气聚渣喷枪保持吹气通畅的条件下，按照操作工艺参数要求，利用喷枪驱动装置将其插入铁水中，并使弥散型喷口6在铁水中向上喷吹气体，形成垂直向上的气泡流束14；

4)吹气驱渣与扒渣：进行吹气聚渣喷枪持续吹气，通过气泡流束14的渣铁面13溢出，驱赶铁水渣向铁水罐嘴方向聚集，同时采用扒渣机15进行扒渣，直至扒渣结束；

5)提起喷枪：保持吹气聚渣喷枪吹气状态条件下，提升吹气聚渣喷枪直至喷口上升至渣铁面13上方，然后关闭气源，将铁水罐回到正常位，等待下一次扒渣。

本发明提供的顶部斜插吹气聚渣喷枪使用方法，保证了喷枪弥散型喷口在铁水中向上喷吹气体，形成垂直向上的气泡流束，强化了气泡流束的驱渣能力，同时，避免了聚集大流股对铁水罐后壁的强烈冲刷磨损以及液面溢出引起的铁水剧烈卷渣的不足，达到常规铁水罐弥散型透气砖的高效驱渣、铁水罐后壁磨损小、扒渣铁损低等积极效果，同时克服了透气砖易堵塞、安装拆卸不变、气体接通困难以及透气砖损毁引起的铁水罐漏铁安全隐患。

综上所述，本发明通过上述技术方案，实现了顶枪吹气辅助扒渣和铁水罐透气砖透气辅助扒渣技术中优点的高度集合，同时，全面克服了常规顶枪吹气或透气砖透气存在的种种不足，达到降低扒渣铁损、缩短扒渣时间、延长铁水罐与吹气聚渣喷枪使用寿命、降低扒渣工序成本等综合目的。