浅论底吹氧枪

浅论底吹氧枪

高长春袁培新陈汉荣

摘要：本文较系统的论述有色金属氧气底吹熔炼氧枪基本原理，介绍氧枪设计计算方法，提出延长氧枪使用寿命的技术措施。

关键词：氧气底吹熔炼，氧枪结构、材质、气力学参数，氧枪蚀损机理。

有色金属氧气底吹熔炼在国内外已有二十多年历史。近几年国内氧气底吹炼铅工艺发展迅速，预计到2010年用该工艺生产粗铅将超过100万吨/年，占全国总产量的40%；氧气底吹炼铜工艺也在起步，发展前景看好。氧枪是氧气底吹熔炼工艺中的核心技术，这种技术已比较成熟，但氧枪使用寿命仍然是关键问题。本文围绕延长氧枪使用寿命问题，就氧枪基本原理，主要技术参数计算方法等方面作粗浅分析论述，以期起到抛砖引玉的作用。

1、氧枪和底吹熔池运动

氧气底吹熔炼熔池的运动是喷入氧气和其他气体的结果。气体射流由喷嘴喷出后，沿射流的纵轴向熔池面伸展，这时射流四周的熔池沿射流束的径向流来。射流束的流速愈大，熔池流向射流束的速度亦愈大。射流带动熔池向上运动，熔池衰减射流的能量，减缓射流的运动，互相运动的同时发生物理化学反应，射流则逐渐扩大。但主射流仍保持着“气柱”或“气舌”的形状，直到达到一定高度后，方在主射流的顶部发生气—液交混，而形成气泡带向熔池面伸展。气体到达熔池面时便逸出，熔池则再向下流动形成回流，形成熔池熔液不断循环流动。这个不断循环流动的过程，便是氧气和其他气体不断地把能量传送给熔池的过程；这个不断循环流动的过程，造成底吹熔炼有别于顶吹或侧吹熔炼过程的反应特性和流动特性，使熔池得到充分搅拌，具有更为优越的传质、传热功能，喷入氧气得到极高的利用率。水力学模型实验和底吹熔炼生产实践发现，喷咀喷出气体的压力和喷枪结构选择不当，会出现严重的“气泡后座”现象、严重的喷溅现象、严重的熔池振荡现象，甚至气流射穿熔池。

底吹气体传送给熔池的能量，有气体的动量、冲量、功能和膨胀功。动量、

冲量、动能为一般物理学概念，比较容易理解和计算。气体动量反映气体具有的机械运动量的大小，气体力的冲量反映转移到熔池的机械运动量的大小，气体的动能是由于作机械功而具有的能量。膨胀功是气体热力学概念，计算较复杂，但不难理解：在高温冶金过程中，由于熔池熔液的密度比气体密度大几千至上万倍，温度高达1000℃以上，喷入的常温气体骤然膨胀，则密度差更大，气体的气泡泵作用更为显著，等于若干台大功率的气动机械在熔池内工作。瓦纽科夫炉的搅拌功率为10—100 kw/m3，P—S铜转炉为60—120 kw/m3，诺兰达炉为60 kw/m3。

⑴粗略计算氧气底吹炉的搅拌功率：每小时喷入5000m3气体（含氧气和冷却介质），喷出速度280m/s，熔池温度1200℃，它的动能按式E=1/2mv2计算并折成功率约为70kw；按照理想气体等压变化过程计算气体的膨胀功约为640 kw，除气体升温耗功外，机械功至少有180 kw。这样，几百吨的熔液就被少量的气体充分的搅动起来。

底吹熔炼把气体喷入熔池的器件统称为供气元件，习惯上把氧气底吹喷嘴叫做氧枪。底吹炉是底吹熔炼的关键设备，氧枪是底吹熔炼的核心技术。

从1968年氧气底吹转炉炼钢工业化算起，使用氧枪有近40年历史，有色金属底吹使用氧枪也有20余年历史，至今底吹氧枪的供气性能和寿命仍然是关键问题。现今的研究比较集中在氧枪的材质和结构、底吹气体的流动特性、底吹气体受炉底加热所引起的动力学与热力学、喷咀的配置等方面的问题。

2、氧枪原理

2、1气体喷出状态与气体压力的关系

2·1·1水力学模拟实验

李运洲⑵列举出低压底吹模拟实验和高压模拟实验的情况。

（1）低压底吹模拟实验。攀枝花钢铁研究院在8 t和12 t氧气底吹转炉的水力原模型实验中发现，喷枪前气体压力为0.023—0.329Mpa时，气流喷出后均产生涡旋流股和“气泡后坐”，甚至在炉底中心出现一种如龙卷风一样的流股而严

重浸蚀炉底，并随着气体压力的增高而加剧。见图1和图2。

图1三支氧枪成等腰三角形图2 单支氧枪的熔池运动现象布置时熔池运动现象

（2）高压喷吹模拟实验。水深500mm，喷咀直径10 mm（见图3、图4），底吹。实验发现：

①、喷吹气体的压力低于0.4MPa时，在喷咀端部形成气泡带并敲打和冲击炉底，成为损坏炉底的重要原因，被称为“气泡后坐”现象。

②、喷吹气体压力低于0.1MPa时，气泡带直径随气体压力的增大而逐渐增大，约至0.1MPa时，气泡带便稳定在10倍于喷咀直径的范围。超过0.4MPa后，喷咀端部不再形成气泡和气泡带，而形成接近于喷咀直径的柱状射流深入水池，在气流束的顶部气液交混形成的稳定的气泡带。

图3 气体压力与气泡带宽度图4熔池喷吹气体示意图

2·1·3“射流”喷出的条件

对底吹气流与金属熔池之间相互作用的研究，业界人士已达到这样的共识：即底吹气体的流出行为是两种基本状态，一是“气泡”喷出，二是“射流”喷出。两者的分界是出口气流马赫数约为1。当出口气流马赫数小于1时，气流以气泡形式流出喷咀，将引起喷咀出口处压力脉动，易造成熔液倒灌堵塞喷咀，喷咀及周围耐火砖蚀损加快。当出口气流马赫数等于或无限接近1时，气流以气柱状态流出喷咀，气柱深入熔池一定高度才被破断成气泡，熔池熔液压力变化传播不进喷口，喷枪内的气体流动稳定，喷咀及周围耐火砖蚀损缓慢。

此外，底吹喷咀内的气体是可压缩性流体。当喷咀截面一定时，存在着最大气体流量（对应气流马赫数为1）；当气流受热时，将导致该流量下降，这一现象称为热壅塞现象。热壅塞现象引起底吹喷咀供气性能变化，进而会影响喷咀寿命。

以上的研究结果与底吹冶炼的实际相符。因此可以认定气体从喷咀流出呈“射流”状态必须具备如下条件：

①、喷咀出口截面的气体压力必须高于喷咀端面的环境压力；

②、喷咀出口截面的气流速度必须等于或无限接近该处气体音速；

③、喷咀出口截面的气体有高于环境压力的剩余压力，才能使气柱深入熔池