喷头及氧枪设计计算

第三部分喷头及氧枪设计计算（一）喷咀理论与设计
一、有关公式[5]537
1、缩放管公式（M2—1）错误！未找到引用源。

=错误！未找到引用源。

（3—1）
讨论马赫数M=V/a （3—2）
①M<1为亚音速，V<a,当断面缩小（dA=—），则流速增大（dv=+）；
②M=1为音速，V=a，喉口处面积不变（dA=0），为音速段（dV=0）；
③M>1为超音速，V>a，当断面放大（dA=+），则流速增大（dV=+）。

因此，当可压缩流在经过缩放喷咀后，流速可经亚音速，音速而得超音速，从而使氧气由压力能转化为超音速动能，用以搅拌熔池进行冶金反应。

2、三孔喷头在不同单位时的氧流量计算式[5]546
错误！未找到引用源。

=3错误！未找到引用源。

0.4167P0A*/错误！未找到引用源。

[kg/S] （3—3）
错误！未找到引用源。

=3错误！未找到引用源。

17.5P0A*/错误！未找到引用源。

[Nm3/min] （3—4）
式中：A*——喉口面积[cm2]
P0——设计氧压[kg/cm2]
而KgO2=0.7[Nm3]（参[2]628）
3、用冷却水温度代氧滞止温度后的影响
取氧气贮气罐滞止温度T0=15°C（288K），冷却水温度T水=20°C（293K），当用T水代T0上升5°C，对氧气流量地影响为：
Wo2（288）/ Wo2（293）=错误！未找到引用源。

=错误！未找到引用源。

=1.0085
即用T水代T0升温对氧气流的影响为0.0085<1%
因此可用T水错误！未找到引用源。

T0（参[5]557）
4、当确定出口马赫数后如提高供养压力，则出口压力，滞止温度和出口温度都相应提高。

错误！未找到引用源。

=（1+错误！未找到引用源。

）-7/2=错误！未找到引用源。

[5]546 （3—5）
5、贮气罐的表压力可代喷头入口处的绝对氧压
关系式为：错误！未找到引用源。

+（错误！未找到引用源。

—错误！未找到引用源。

）=错误！未找到引用源。

（3—6）
式中：错误！未找到引用源。

贮气、表压力与喷咀入口氧压等
错误！未找到引用源。

用于克服管道阻力损失，其值约1大气压，因此可认为近似地抵消了大气压力错误！未找到引用源。

错误！未找到引用源。

符号“0”指滞止状态，也即为设计氧压或供用氧压
6、出口马赫数
M=V/a=42.646错误！未找到引用源。

/19.07错误！未找到引用源。

[5]536 （3—7）
=2.244错误！未找到引用源。

（3—8）
P绝=P液+P大气（=P0=P设=P供）
图3-1 转炉供氧各部压力示意图
二、参数分析
1、三孔喷头氧流量=（加废钢后每吨钢耗氧量）错误！未找到引用源。

（出钢量）/（吹氧量）[Nm3/min]
（3—9）或Qo2=3错误！未找到引用源。

17.5P0A*/错误！未找到引用源。

[Nm3/min] （3—10）
①令后期炉膛扩大，为保持炉容比（V/T）和吹氧时间不变应同时提高出钢量和氧流量；
②提高氧流量的方法有两种：提高氧压P0或换枪使用时增大喉口面积A*和出口面积A（由表3—1
知出口马赫数可保持不变）。

表3—1 可压缩气体等熵流各参数的比值表
M P/P0T/T0A/A*
1.5 1.176
1.95 1.619
1.96 1.633
1.97 1.646
1.98 1.660
1.99 1.674
2.00
1.688
2.01
1.702
2.02
1.716
2.03
1.730
2.04
1.745
2.05
1.760
2.30
2.193
2.50
2.637
3.0
4.235
2、供氧强度=加废钢后每吨钢耗氧量/吹氧时间[Nm 3
/T 错误！未找到引用源。

min] 当渣量少，炉容比大，喷空多均可提高供氧强度而缩短冶炼时间。

3、设计工况氧压（P 设=P 0）和出口马赫数M 的确定 取：冷却水温度代滞止氧温度T 0=17[°C]=290[K]
炉内压力P=1大气压=1.034[kg/cm 2
]
可由式（3—5）、（3—6）和表3—1得表3—2及图3—2
表3—2不同出口马赫数M 时所需的设计工况氧压（P 设）与各出口参数间的关系
M T 0[K] a o [m/S] V 0[m/S] P 设=P 0[kg/cm 2
]
1.5 200.01 269.70 404.55 3.80
2.0 161.12 242.06 484.12 8.10 2.3 140.91 226.37 520.65 12.93 2.5 128.88 216.49 541.23 17.67
3.0
103.56
194.06
582.20
38.00
① 由表3—2及图3—2可知 630 580 530 P 设=P 0[㎏/㎡]
V 出[m/s]
25 20 15 P 0
V
图 3—2 出口马赫数M 与P 设、V 出的关系图
提高出口马赫数需相应提高设计工况氧压，但可得较大的出口速度取得较好的搅抖动能； ② 新炉取出口马赫数M=2时，由图或计算可知，设计工况氧压P 设=8.1[kg/cm 2]较低，但出口氧速V
出
=484[m/S]较高；
③ 当M>2时，P 设上升快而V 出的上升曲线则变平，因此取M=2时比较经济合理，即设计氧压不高，
但出口氧速大，搅拌好。

V 出的上升曲线在M>2后变平的原因可从表3一2中看出，原因是出口温度T 下降，和音速(a=19.07T
)
随之下降有关，这时P 设上升快而V 出上升慢(图3一2)。

气体动能分配估计: (参〔4〕16)
搅拌. 克服浮力 非弹性碰撞 200% 5~1000 70~80%
例1:取出口马赫数M=2，出口压力与炉内环境压力相等为P=1. 0348.1[kg/cm 2
]，并用冷却水温度代滞止氧气温度T 0=290[K]，求喷头前供氧压力P o [kg/cm 2
]绝对，以及出口氧流速V [m/S]和喷咀出口与喉口的直径比D/D*各为多少?
解:由表3-1知，当M=2时可得等嫡流的参数比值如下: A/A*=1.688 ;两边开方得D/D* =1. 299 P/P 0=0.1278;或P o =1.034/0.1278=8.1[kg/cm 2
] T/T 0=0.5556;或T=0. 5556 X 290=161.12[K]
T
=12. 7
因此可得 V=Ma=2X19.07
T
=2X19.07X12.7=484[m/S] (见图3一2)
也可由(3-7)式计算; V=42.646
0T T
-=42.646
290161.12-=484[m/S]
例2:如取出口马赫数M=2. 3，则设计氧压应提高为12. 98[kg/cm 2
]，Vm=520.65}[m/S](见表3一2)这里: 设计工况氧压提高
12.938.1
8.1
-=60%
出口氧速仅提高
520.65484
484
-=7.6%
因此M=2时比较经济合理.如氧压许可，也可选用M>2 ,如M=2. 2~2. 3这对三孔喷 愉相应可提高枪位对枪令极为有利。

④生产炉不取M<2，因在低马赫数区，只要用较少的供氧压力%使可换取更大的出口氧速度%(见表3一3)。

表3—3 △M 相等氧压，出口速度相应增值比较表
M 上升值相同
△M
△P%
△V%
M由1.5上升到2.0 0.5 8.1 3.8
3.8
-
=113%
484404
404
-
=20%
M由2.0上升到2.5 0.5 17.678.1
8.1
-
=118%
541484
484
-
12%
4、炉膛压力、出口氧压和供氧压力间的关系
一般设计计算取喷头在炉内的环境压力为1个大气压，即P=P出口=P=1.034[㎏/C㎡]。

当取M=2时则P/P0=0.1278,由此可得新炉设计工况氧压P0 =1.034/0.1278=8.1[㎏/C㎡](参表3—1及3—2)。

①当喷头前氧压由Po=8. 1[kg/cm2」经缩放管达到出口断而处则下降到出口氧压P出=1.034[时压力能可全部转为超音速动能，且由于P出=P周因此可确保吹炼平稳。

②当氧枪和出口马赫数M=2已定，如提高操作氧压Po，则由式((3-5)将会相应提高出口氧压P并同时提高滞止氧和出口氧的温度T。

和T2换言之，出口音速与出口氧速也将同时提高(参式3-7)。

如假设T。

不变，则由式((3-8)可知T也不会改变。

因此可使出口氧速V也不变(参3-7)。

由上面分析可提出这样的结论:“在氧气的滞止温度为定值时，氧气流出速度是氧气喷孔出口断面积与临界断面积之比的函数，而与压力无关”(见
[4]月13)。

否则出口氧速V与使用氧压有关(见[5]594)。

③如供氧压力低于8.1[kg/cmZ〕时，则由于P出口<P，会在喷孔出口处产生负压吸入金属熔滴和熔渣微粒发生喷头烧坏并使射流变形导致枪令下降。

④炉内实际环境压力由于泡沫上升和CO气体的排出，因此比1. 034[kg/cm2]稍大。

因此生产炉的实际使用氧压应稍大于8.1[kg/cma2],炉龄后期可提高供氧压力，但不大于P设的50%，一般后期为Po=12[kg/cm2]。

5、喷孔夹角和喷孔问距
①三孔喷头的喷孔夹角一般为8°~12°(喷头与喷孔中心线夹角)，可在正常枪位下达到（R冲/R熔}=0.1~0.2的范围而有利于化渣，防喷并提高枪令，当熔池较深时可取下限以提高搅拌强度，由于三股射流有相互吸引的作用，如喷孔夹角<7°。

则R冲/R熔<0. 1，会发生流股汇交类似于单孔喷头不利化渣，还易增大喷溅，如喷头夹角>12°，则高温氧流会冲刷炉壁，同时由于流股中心偏转较大使流速低对搅拌熔池不利，但随着喷头孔数的增加喷孔夹角也相应增大.。

表3一4推荐设计喷孔数和喷孔夹角的参数
喷头孔数 3 4 5 >5 喷孔数增多
喷空夹角9°~11°10°~11°13°~14°15°~17°喷空夹角增大
②喷孔间距对射流产生的相互影响，间距过小，射流之间产生的吸引力会增大相互交汇的趋势，如增大喷孔间距，除可起增大喷孔夹角的效.果外，还不会降低射流中心的最大流速，这与增大喷孔夹角而降低中心最大流速是不同的，对三孔喷头取喷头中心与喷孔端面中心距为(0.8~1.0)d出时，可使氧流速的衰减变慢。

6、喷头端面形状
为保证超音速氧流在出口时具有对称的边界条件而不影响流股的形态，喷孔的出口断面应为正口拉瓦尔型，即端面应设计成与喷孔中心线垂直的圆锥面，其圆锥角α与喷孔夹角相同，为改善端面顶部的冷却条件，也可设计成截头圆锥体。

7、喷孔缩放断面尺寸的确定
收缩段为亚音速，马赫数M<0.2~1；喷头处为音速，故马赫数M=1；扩张段为超音速，因此M=1~2，尺寸表示如图3-3所示。

①半扩张角4°一6°(图3一3)
过小一─扩张段长度增加而附面层增厚，除阻损增加外，由子减小了实际出口断面积并使出口氧速下降。

大一─会在喷咀出口处产生严重的激波(为气流属性，如压力温度，密度等的不连续面)，当气流通过产生激波时，压力、温度和密度增加，而气流速度则减慢（[5]562及569)。

②扩张段长度L ＝(d 出一d 喉)/2tg （4°～6°)。

③喉口长度取5～l ０mm 。

目的为保证喉口的加工尺寸，并使缩放段的加工更为方便，理论上喉口不需长度，当增长喉口，由于附面层的影响，实际喉口断面将缩小而减小流量，喉口与两端应平滑变化，可使气流属性如P/Po ，ρ/ρo ，T/To 随A /A*的变化也比较平滑（[65]555图8--2).
图 3—3 缩放管喷嘴示意图
8、喷管流量系数
由于实际喷管不可能等熵流，因此要用流量系数C 0对理论流量进行修正，对三孔喷头而言，C B =Q 实
/
=0.9~0.95。

式中：Q 理=3×1.75P 0A*/T 0[Nm 3
/min]
而 Q 实=C D Q 理 用于非等熵流时喷嘴的流量 9、喷头其余尺寸 可参兰图及[7]172.[3]146～147等。

由于某些数据来自下面氧枪部分的设计，因此可待计算完后再做喷头图。

（二）喷头计算步骤
设计200吨转炉氧枪喷头
一、原始数据
1、铁水成分和温度
表1—1
成分 C Si Mn P S ℃ %
4.5
0.48
0.3
0.16
0.01
13525
2、冶炼钢种以低碳钢为主，多数钢炉[C] ≤1.0%
3、已设计的炉子的参数
新炉内径：炉子内型有效高度；熔池深度；新炉的炉容比 D=5960mm H 内=9715mm h=1405mm V/T=1.05 4、出钢量：（按各厂生产条件的不同而有所不同）
炉次 13 450 51100 101150 151200 >200 出钢量
42
50
58
62
65
70
二、有关参数的计算和确定
5~10 d d 入=2d 喉
d 出
4°~6°
d 喉
R=3d 喉
L
1、计算氧流量Qo 2
取每吨钢水耗氧量为57[Nm 3
/T]，吹氧时间为14[min](参熔池直径的计算)，则新炉按200吨出钢量计算时四孔喷头的氧流量为：
Qo 2：=57[Nm 3
/T] ×200[T]/14[min]=814 [Nm 3
/min]
2、选四孔喷头的出口马赫数M=2.0，喷孔夹角a=12°(参表3-4)。

3、确定设计工况氧压
查等熵流表，当M=2.0时，P/Po=0.1278，定P 膛=1.3×5
10，则 P 设=P 膛/Po=1.3×5
10/0.1278=10.17×5
10 Pa 4、计算喉口直径d T
取冷却水温度17℃（290K)为滞止氧温度To ，流量系数C D =0.90时(式3-10)则由四孔喷头氧的流量式可求喉口直径d T 。

Qo 2=4×1.784 C D ×A T ×P 设/
o T [Nm 3/min]
814=4×1.784×0.93×
290
41017.105
2⨯⨯⨯⨯T d π
求得d T =0.052 m=52 mm A 喉
=
4
2
T d ⨯π=21.6
取喉口长度L T =20 mm 5、计算喷孔出口直径d 出
当M=2.0时，查等熵流表，可得A 出/A 喉=1.688 因此可得d 出=d 喉·*
A A =52
1.688=68 [mm]
A 出=
4
2
d
⨯π=36.3
当M=2时验算断面比：A/A*=36.3/21.6≈1.688(见表3-1)
因此原定M=2，Po= 8.1[kg/cm 2
]和P=1.034[kg/cm 2
]等条件可用。

6、计算扩张段长度L
取半锥角为5°时，则L = (d 出-d 喉)/2tan5° (图3一:3) =(68一52)/（2×tan4°）=91mm
7、收缩段尺寸可由图上作业确定，只要求靠近喉口时断面变化尽可能缓慢。

8、求收缩角50°收缩段长度由作图法得为91mm 8、喷头其余尺寸可参图及[1]172. [3]146~147
（三）枪身设计
一、设计数据
1、已知参数
氧流量 Q=12.485[Nm 3
/min]，冷却水流量q mw =200 T/h 滞止温度 T 0=290[K]；滞止氧压P 0=8.1X104
[kg/m 3
]；
氧的气体常数 R=26.5[kg.f —m/kg.K]；水的比热容C=4184[kJ/m 3
. ℃] 2、给定条件
①200吨转炉氧枪的受热面长度，H 行≈11[m]（[3]72及91）
②枪身热负荷：q=0.983X106[kJ/h.m 3
]([3]146) ③氧在中心管内的工况流速：Vo=50[m/S]([3]146) ④氧在中心管内的马赫数：M≤0.2（[1]54.[5]558）
⑤冷却水温度：t 进=25℃.t 出=45℃,允许升温[△t]≯20℃（[3]146） ⑥冷却水流量：Q 水=70[m 3
/h]或[m 3
/3600S]([3]152) ⑦冷却水流速：V j =6[m/S]，V p =7[m/S] V h =9[m/S] ( [3]146) 3、供作参考数据
管径及壁厚（[3]90），冷托无缝钢轨外径与壁厚（[2]80~87） 当管径确定后则碰头外形尺寸可最后确定（参兰图）。

二、中心氧管计算
整体氧枪参[4]261图24—1
1、选工况流速，核算来流马赫数：M=错误！未找到引用源。

≤0.2
由于管路阻力损失正比于流速的平方根，因此合理的来流马赫数M=0.1~0.2 2、中心氧管管径的公式为 A o =
o
V V I q
管内氧气的工况体积流量q VI = q V .P 标T o /(P o T 标)
=814×1×290/(10.17×273)=85.02m 3/min=1.4 m 3/s
中心氧管的内截面积 A o =1.4/50=0.028 m 2
中心氧管的内径 d 1=π
0A 4⨯=
π0.0284⨯=0.189m=189mm
根据热轧无缝钢管产品目录，选择标准系列产品规格为φ203×8 mm 的钢管
三、中层隔水管计算
环缝间隙的流通面积A j =Vj
W q =
3600
6200
⨯=0.00926(m 2)=92.6(cm 2)
中层管的内径为d 2=
πJ
d A 4'21⨯+
=
π
92.643.202⨯+
.=23.02(cm)
根据热轧无缝钢管产品目录，选择标准系列产品规格为φ245×7 mm 的钢管。

图 3—4 氧枪三层套管示意图
四、外层管计算
出水通道的面积为A p =Vp
mW q =
3600
7200
⨯=0.00794(m 2)=79.4(cm 2)
外管内径为d 3=
π
p
d A 4'22⨯+
=
π
79.445.242⨯+
=26.5(cm)=265(mm)
根据热轧无缝钢管产品目录，选择标准系列产品规格为φ299×16 mm 的钢管
五、氧枪热平衡的计算
1）冷却水消耗量计算
)/(200)/(195)2545(104.1864.18287.0100.983)t c(t q q 333
611h m h m v =-⨯⨯⨯⨯⨯⨯=-=π 六、喷头与氧枪尺寸的结合：可最后确定喷头尺寸。

氧枪总长度和总行程的确定 H=h 1 +h 2 + h 3 + h 4 + h 5+ h 6 + h 7 + h 8
=8.2+1.2+4.4+5.1+0.8+0.8+1.0+0.5=22.1m 其中
h 1-------氧枪最低位置至最低炉口距离 h 2 -------炉口至烟罩下沿的距离 h 3 -------烟罩下沿至烟道拐点的距离 h 4 -------烟道拐点至氧枪孔的距离 h 5 -------清理结渣和换枪需要的距离 h 6 -------根据把持器下段要求决定的距离 h 7 -------把持器的两个卡座中心线间的距离
φ
外层
d 中层
φ
O2
d 外层 φ中层
h
-------根据把持器上段要求决定的距离
8
氧枪行程
H行=h
+h2 + h3 + h4 + h5
1
=8.2+1.2+4.4+5.1+0.8
=19.7m
转炉炼钢课程设计
一、设计内容
第一部分——物料平衡及热平衡计算；
第二部分——炉型设计计算；
第三部分——喷头及氧枪设计计算；
图纸——炉型图及喷头图各一张。

二、设计目的
1、由原始数据（七个方面）设计新炼钢炉；
2、由生产炉数据核算工艺参数的合理性，并提出工艺改进意见。

三、设计意义
1、在给定原始数据及炉容量的条件下学会设计步骤和方法；
2、了解参数选用对生产的影响；
3、掌握制图方法与要求。

四、主要参考资料
[1]顶吹转炉氧枪设计冶金工业出版社
[2]炼钢设计参考资料（通用资料部分）冶金工业出版社
[3]炼钢设计参考资料（工艺设计部分）冶金工业出版社
[4]炼钢工艺及设备东北工学院编
[5]氧气顶吹转炉炼钢（上海）R.D佩尔克等著
[6]冶金热工基础重庆大学刘入达
[7]顶吹转炉三孔喷枪冶金工业出版社
[8]炼钢设计参考资料西安冶金建筑学院
五、计算要求
1、数据表格化：应有名称并编上号；
2、计算公式化：应附公式和符号说明，并注意前后单位应统一；
3、应有参数选用范围：选用时应说明依据，并分析对生产的影响。