集束射流氧槍的製作方法

2023-12-12 19:22:09

本實用新型屬於氧槍技術領域，具體涉及集束射流氧槍。

背景技術：

氧槍，是氧氣轉爐煉鋼中的主要工藝設備之一，其性能特徵直接影響到冶煉效果和吹煉時間，從而影響到鋼材的質量和產量。其特徵是：槍芯為普通水煤氣鋼管，鋼管兩端為同尺寸的內外螺紋，外層為帶公母榫的打結耐火材料層。電爐煉鋼主要依賴於爐門氧槍自動吹氧以及吹氧管輔助人工吹氧，但是人工吹氧存在如下問題：勞動強度大，安全問題較多；自耗式吹氧管消耗高，噸鋼2－4kg，成本8－16元/t；供氧強度不夠，不適應高節奏生產；氧氣利用率低，操作隨機性大，生產管理困難；同時用爐門槍吹氧存在電爐「冷區」供氧不足的問題：電爐熔化期,在電極的強大電弧作用下,電極下的爐料迅速熔化,將爐內廢鋼穿成3個井洞。隨著穿井區由裡向外傳熱過程的進行,熔化區域從穿井區不斷地向外擴展,形成爐料的漸次熔化過程，在電極之間靠近爐壁處形成3個冷區,延長了熔化時間。如果3個冷區引入新熱源,就可以消除冷區,從而實現縮短電爐熔化期的目的。這就是集束射流氧槍的基本思想。採用氧燃噴槍,在充足氧氣的作用下完全燃燒,形成2500℃以上的火焰,不僅在冷區直接切割廢鋼，而且產生的高溫煙氣在爐襯空隙間高速流動,具有較高的對流換熱能力，火焰的輻射也傳給爐料較高的熱量。同時,適當的供氧量使氧氣除能保證燃燒效果,還不與鋼中的元素及廢鋼發生反應。幾方面的綜合作用使爐料均勻快速熔化,縮短了熔化期,取得了節電增產的效果。集束射流氧槍正是基於以上問題提出的。它利用在爐壁冷區位置安裝集束氧槍集中供氧，從而徹底解決電爐冷區供氧不足的難題，縮短冶煉時間，避免了人工吹氧管吹氧的不安全、不確定性，從而提高了電弧爐生產的綜合效率。氧燃噴槍節電增產的效果很明顯。集束氧槍的原理是在傳統氧槍周圍增加外層環繞伴隨流，使中心超音速射流擴展及衰減更小，超音速射流更長。提高氧氣射流對熔池的穿透深度及攪拌強度，同時由於射流速度衰減延緩，可提高氧槍的吹煉槍位，而不影響射流對鋼液的衝擊深度，延長了氧槍噴頭的使用壽命。爐壁集束氧槍主要作用是強化電爐冶煉，縮短冶煉時間，降低冶煉成本，提高鋼水質量，降低工人勞動強度，提高電爐冶煉自動化水平。但是現在的集束氧槍對熔池的穿透深度差，難以達到與底吹攪拌同樣的熔池混勻時間、自動控制性差，噴出的氧氣流量高、爐內噴濺明多，爐襯侵蝕明顯，難以較低的供氧量得到更高的脫碳速率，不同爐次的操作結果不穩定，重現性差。

技術實現要素：

本實用新型要解決的技術問題是提供集束射流氧槍，克服上述缺陷，解決上述問題。

為解決上述技術問題，本實用新型提供集束射流氧槍，包括氧槍、水冷壁、閥門站和PLC控制系統，

氣體自管道的一端進入所述閥門站，所述PLC控制系統控制所述閥門站，所述管道的另一端連接氧槍或水冷壁，

所述氧槍包括主氧氣通道、燃氣通道和助燃氧氣通道，所述水冷壁包括水冷銅套座，所述水冷銅套座上設有冷卻水進口、冷卻水出口、二次燃燒氧氣口和炭粉口，所述氧槍設置於所述水冷銅套座的上方，並與所述水冷銅套座連接，所述氧槍的頂端設置有氧槍罩蓋，所述氧槍罩蓋的中央設置有氧槍通孔，所述氧槍管體設置於所述氧槍罩蓋的下方，所述氧槍管體連接所述水冷銅套座，所述氧槍管體的中心上部設有所述主氧氣通道，所述氧槍管體的側壁設置有所述燃氣通道，所述氧槍管體的中心下部設置有所述助燃氧氣通道，所述助燃氧氣通道的孔徑大於所述主氧氣通道的孔徑，所述氧槍管體的側壁還設有貫穿的多個側壁窗，所述側壁窗設置在所述助燃氧氣通道和主氧氣通道之間。

作為本實用新型所述集束射流氧槍的一種優選方案，所述閥門站包括第一閥門，第二閥門，第三閥門、第四閥門、第五閥門和第六閥門，所述PLC控制系統包括第一控制器、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，所述第一閥門設置於所述主氧氣通道的第一連接管道上，所述第二閥門設置於所述燃氣通道的第二連接管道上，所述第三閥門設置於所述二次燃燒氧氣口的第三連接管道上，所述第四閥門設置於所述助燃氧氣通道的第四連接管道上，所述第五閥門設置於所述冷卻水進口的第五連接管道上，所述第六閥門設置於所述冷卻水出口的第六連接管道上，所述冷卻水進口與所述冷卻水出口通過冷卻水通道連接，所述冷卻水通道設置於所述水冷銅套座中，所述冷卻水通道貼合所述助燃氧氣通道，所述第一控制器控制所述第一閥門，所述第二控制器控制所述第二閥門，所述第三控制器控制所述第三閥門，所述第四控制器控制所述第四閥門，所述第五控制器控制所述第五閥門，所述第六控制器控制所述第六閥門。

作為本實用新型所述集束射流氧槍的一種優選方案，所述氧槍罩蓋上設有多個混合燃氣孔，所述混合燃氣孔的下方設置有環狀混合燃氣帶，所述混合燃氣孔連通所述環狀混合燃氣帶，所述燃氣通道和助燃氧氣通道均與所述環狀混合燃氣帶連通。

作為本實用新型所述集束射流氧槍的一種優選方案，所述混合燃氣孔的中心線與所述氧槍通孔的中心線之間的夾角為42-45度。

作為本實用新型所述集束射流氧槍的一種優選方案，所述混合燃氣孔設置於所述氧槍通孔的周圍，多個所述混合燃氣孔徑向均勻設置。

作為本實用新型所述集束射流氧槍的一種優選方案，多個所述混合燃氣孔徑向設置有12條。

作為本實用新型所述集束射流氧槍的一種優選方案，多個所述混合燃氣孔周向設置。

作為本實用新型所述集束射流氧槍的一種優選方案，多個所述混合燃氣孔周向設置兩圈。

與現有技術相比，本實用新型提出的集束射流氧槍,結構簡單巧妙，重量輕，操作方便快捷，自適應性好，更好適應國內電爐生產特點，同時根據不同用戶使用實際要求，增加了一些比較實用的功能。如：燒嘴功能、集束吹氧脫碳功能、二次燃燒功能、全程泡沫渣冶煉功能、多槍循環功能、防止過氧化功能。集束氧槍具有在超過60倍噴孔直徑的距離內(1～2M)保持射流的初始速度、直徑、氣體濃度與衝擊力的功能，應用該技術的優勢具體體現在：對熔池的穿透深度比常規射流大出約80％；可以達到與底吹攪拌同樣的熔池混勻時間；安裝電爐爐壁，在冶煉過程中無須操作管理，可完全自動控制；噴出的氧氣流量低於傳統氧槍，因此爐內噴濺明顯減少，爐襯侵蝕也隨之減低；能以較低的供氧量得到更高的脫碳速率，氧氣利用率提高；能以更低的噴炭量獲得良好、持續的泡沫渣；電爐在操作過程中可關閉爐門，減少空氣滲入；不同爐次的操作結果更趨穩定，重現性好。

附圖說明

為了更清楚地說明本實用新型實施例的技術方案，下面將對實施例描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本實用新型的一些實施例，對於本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動性的前提下，還可以根據這些附圖獲得其它的附圖。其中，

圖1為本實用新型的集束射流氧槍的氧槍管體結構示意圖；

圖2為本實用新型的集束射流氧槍的氧槍管體與管道的連接結構示意圖。

其中：1為主氧氣通道、2為燃氣通道、3為助燃氧氣通道、4為水冷銅套座、5為冷卻水進口、6為二次燃燒氧氣口、7為炭粉口、8為氧槍管體、9為側壁窗、10為第一連接管道、11為第二連接管道、12為第三連接管道、13為第四連接管道、14為第五連接管道、15為第六連接管道、16為冷卻水出口。

具體實施方式

本實用新型所述的集束射流氧槍，其包括：氧槍(未圖示)、水冷壁(未圖示)、閥門站(未圖示)和PLC控制系統(未圖示)。

為使本實用新型的上述目的、特徵和優點能夠更加明顯易懂，下面結合具體實施方式對本實用新型作進一步詳細的說明。

首先，此處所稱的「一個實施例」或「實施例」是指可包含於本實用新型至少一個實現方式中的特定特徵、結構或特性。在本說明書中不同地方出現的「在一個實施例中」並非均指同一個實施例，也不是單獨的或選擇性的與其他實施例互相排斥的實施例。

其次，本實用新型利用結構示意圖等進行詳細描述，在詳述本實用新型實施例時，為便於說明，表示集束射流氧槍結構的示意圖會不依一般比例作局部放大，而且所述示意圖只是實例，其在此不應限制本實用新型保護的範圍。此外，在實際製作中應包含長度、寬度及深度的三維空間。

實施例一

請參閱圖1和圖2，圖1為本實用新型的集束射流氧槍的氧槍管體結構示意圖；圖2為本實用新型的集束射流氧槍的氧槍管體與管道的連接結構示意圖。如圖1和2所示，本實用新型提供集束射流氧槍，包括氧槍、水冷壁、閥門站和PLC控制系統。

氣體自管道的一端進入所述閥門站，所述PLC控制系統控制所述閥門站，所述管道的另一端連接氧槍或水冷壁。PLC控制系統對氧氣、燃氣和壓縮空氣分別控制，在主控室通過計算機進行操作。

所述氧槍包括主氧氣通道1、燃氣通道2和助燃氧氣通道3，所述水冷壁包括水冷銅套座4，所述水冷銅套座4上設有冷卻水進口5、冷卻水出口16、二次燃燒氧氣口6和炭粉口7，所述氧槍設置於所述水冷銅套座4的上方，並與所述水冷銅套座4連接，所述氧槍的頂端設置有氧槍罩蓋(未圖示)，所述氧槍罩蓋的中央設置有氧槍通孔(未圖示)，所述氧槍管體(未圖示)設置於所述氧槍罩蓋的下方，所述氧槍管體連接所述水冷銅套座4，所述氧槍管體的中心上部設有所述主氧氣通道1，所述氧槍管體的側壁設置有所述燃氣通道2，所述氧槍管體的中心下部設置有所述助燃氧氣通道3，所述助燃氧氣通道3的孔徑大於所述主氧氣通道1的孔徑，所述氧槍管體的側壁還設有貫穿的多個側壁窗9，所述側壁窗9設置在所述助燃氧氣通道3和主氧氣通道1之間。

所述閥門站包括第一閥門(未圖示)，第二閥門(未圖示)，第三閥門(未圖示)、第四閥門(未圖示)、第五閥門(未圖示)和第六閥門(未圖示)，所述PLC控制系統包括第一控制器(未圖示)、第二控制器(未圖示)、第三控制器(未圖示)、第四控制器(未圖示)、第五控制器(未圖示)和第六控制器(未圖示)，所述第一閥門設置於所述主氧氣通道1的第一連接管道10上，所述第二閥門設置於所述燃氣通道2的第二連接管道11上，所述第三閥門設置於所述二次燃燒氧氣口6的第三連接管道12上，所述第四閥門設置於所述助燃氧氣通道3的第四連接管道13上，所述第五閥門設置於所述冷卻水進口5的第五連接管道14上，所述第六閥門設置於所述冷卻水出口16的第六連接管道15上，所述冷卻水進口5與所述冷卻水出口16通過冷卻水通道(未圖示)連接，所述冷卻水通道設置於所述水冷銅套座4中，所述冷卻水通道貼合所述助燃氧氣通道3，所述第一控制器控制所述第一閥門，所述第二控制器控制所述第二閥門，所述第三控制器控制所述第三閥門，所述第四控制器控制所述第四閥門，所述第五控制器控制所述第五閥門，所述第六控制器控制所述第六閥門。

所述氧槍罩蓋上設有多個混合燃氣孔(未圖示)，所述混合燃氣孔的下方設置有環狀混合燃氣帶(未圖示)，所述混合燃氣孔連通所述環狀混合燃氣帶，所述燃氣通道2和助燃氧氣通道3均與所述環狀混合燃氣帶連通。

所述混合燃氣孔的中心線與所述氧槍通孔的中心線之間的夾角為42-45度。

所述混合燃氣孔設置於所述氧槍通孔的周圍，多個所述混合燃氣孔徑向均勻設置。多個所述混合燃氣孔徑向設置有12條。多個所述混合燃氣孔周向設置。多個所述混合燃氣孔周向設置兩圈。

上述集束射流氧槍應用後取得的效果是：節電：15％；通電時間下降：14％；冶煉周期縮短：11％；電極消耗下降：12％；出鋼量提高：0.6％；生產作業率提高：11.6％；氧氣利用率提高：18％。

在冶煉前期,氧槍對爐料進行預熱和熔化，履行燒嘴功能；當爐料熔化形成熔池後,開始向熔池吹氧，履行造渣和脫碳功能；過程中始終伴隨有二次燃燒以提高爐溫。在冶煉過程中可以根據工藝要求選擇氧槍的工作模式，典型的工作模式有4種：

1、預熱(燒嘴功能)+二次燃燒

2、熔化(燒嘴功能)+二次燃燒

3、加熱+造渣(氧槍功能)+二次燃燒

4、脫碳(氧槍功能)+二次燃燒

在集束射流氧槍的製作中主要有以下幾點：

1、鑄造：純銅具有較好的導電和導熱性能，故氧槍噴頭和水冷板採用純銅來製造。純銅的主要性能指標是導電(導熱)性和密度,影響導電性的主要因素是雜質含量，影響鑄件密度的主要因素有兩種，一種是縮孔(包括疏鬆)，一種是氣孔。縮孔由凝固過程中的體收縮造成，氣孔由凝固過程中氣體的析出造成。縮孔的防止依靠合理的鑄造工藝來實現，氣孔的防止主要是在熔煉過程中對銅液進行吸氣控制和在熔煉後期進行脫氧處理來實現。噴頭鑄造的工藝核心是金屬雜質的控制和氣孔的防止。防止氣孔的核心是脫氧，既要把氧脫出，又不要殘留下對導電性影響有害雜質。加工：加工的重點是噴孔的加工。標準拉瓦爾管的加工需要在數控工具機上進行，由於程序太複雜，難於廣泛應用。本公司噴頭的加工通過專用工裝在普通的車床上完成，很好地保證了加工精度。氧孔表面光潔度一般要求為▽6以上，如果表面精度不夠，則會產生激波等問題，嚴重地影響射流的性質。如果噴孔出口處形狀偏離設計的「正園」(從垂直於氧孔的方向)，則射流變成了非對稱流，將出現射流偏轉等現象，性質將發生本質上的改變，速度也將大大地降低。如果出口處出現凸凹現象，則射流變成了漸縮/擴射流，壓頭損失很大，射流速度將大大降低。

2、焊接：製作氧槍或提供噴頭要對噴頭進行和接管的銅-鋼焊接，由於是異種金屬焊接，所以，工藝上具有一定的特殊性。本公司採用熔化極氣體保護焊。噴頭各種銅件間的焊接採用本公司特有的釺焊工藝。

3、檢驗：對銅-鋼焊縫進行X-射線探傷檢驗；對槍身的各個對接鋼管進行著色探傷檢驗；對噴頭和組裝後的氧槍進行水壓檢驗。

集束射流氧槍設計依據與基本技術參數

天燃氣—氧氣集束噴槍助熔是電爐強化冶煉(V)HP的一項重要措施，電弧爐電極呈三角形布置，使電爐內形成「冷區」和「熱區」，「冷區」的廢鋼熔化延長了冶煉熔化時間，增加了電爐能量的損失，天燃氣-氧氣助熔的實施有效地解決了這一問題——在「冷區」設置天燃氣氧噴嘴補充熱能，加速爐內廢鋼熔化，天燃氣氧調節配比得當，天燃氣—氧氣集束噴槍助熔熱效率可達60％～65％，在電爐上設定噴嘴個數及助熔功率，保持「熱區」、「冷區」升溫均衡，同時不使爐內局部溫升過高而造成熱能損失及爐內材料燒損。電爐上燒嘴設置3個，助熔功率一般為電爐變壓器功率的30％～40％。

設計參數確定

噴嘴數量：3支

助熔功率：3×3.0MVA

燃料介質：天燃氣P＝0.3～0.5Mpa Q＝360NM3/h

助熔介質：氧氣P＝0.6～1.0Mpa Q＝3×1000NM3/h

設備冷卻水P＝0.3～0.4Mpa Q＝20t/h

主要優點：

a)功能

多功能噴槍實現了廢鋼預熱，切割熔化，二次燃燒和升溫脫碳的一體化。

碳粉系統多點、可控噴吹實現了更早期，更均勻，更有效的泡沫渣。

有效地利用化學能，降低電耗。

b)工藝改進

該系統能對EAF的運行提供下列工藝改進：

環氧噴射器採用一燃室，以便在一個噴射體內混合併噴射兩流氧氣，這樣就能保證集束狀射流的產生。所設計的燃燒室能在利用一新型保護性噴焰流時，最低限度地降低噴射器的堵塞。由於噴射器具有2個燃燒階段，可提供明亮、高速的理想火焰，從而能有效地將能量引入到EAF的動態變化環境中；

獨特的計算機噴焰流程程序控制軟體，利用多重火焰結構，能根據爐料切割、爐料熔化不同時期的熔煉工藝要求，將化學能有效地引入鋼液之中；

根據不同的爐料組成、冶煉工藝以及鋼種的變化等情況，系統設置了5種以上操作模式；

燃燒系統的操作完全自動化，正常熔煉過程中無需人工幹預；

噴碳能在整個爐壁周圍形成良好的泡沫渣覆蓋；

圍繞著爐壁在不同的點位噴射超音速集束射流能改善脫碳率，並能更好地攪拌熔池，這保證了溫度的均勻性以及促進了渣/金屬的物質傳遞；

減少或取消了渣門噴槍/噴射器的使用。運行期間渣門可長時間的關閉；

集束噴射箱和氧氣超音速氧氣噴射器的結合，能實現脫碳操作的最佳化。精煉期間，氧氣穿透渣/鋼界面，以對鋼水進行脫碳。爐料化清期間，該系統能將氧流引入到半熔化狀態的熔池中，加快了脫碳進程，並能利用更多的膨鬆碳粉；

噴射器設計方案只需最少量的公用介質管線。每個噴射器僅需要2根直徑50mm的管線，一根用於外圍LPG，另一根用於集束射氧和環流氧；此外，還需2根直徑25mm的供水管(供水和回水)。這樣一來就減少了安裝成本。在燃燒室中混合併產生火焰的兩股氧流只需一根供氧管，軟氧(即環氧)用於CO後期燃燒，超音速噴氧用於鋼水脫碳。

C)廢鋼預熱及熔化

採用壁裝固定氧氣燒嘴導入化學能是電爐操作的一個進步，它能較為均勻地預熱、切割和熔化廢鋼，二次燃燒並改善泡沫渣操作，但大多氧氣燒嘴的共同缺點是其不合理的火焰結構，它們多為極高溫和鉛筆細長型火焰，具有很高的熱流，非常容易在火焰軸向前方形成一個直徑很小的管狀空洞，即所謂的熔管效應從而減少廢鋼有效的傳熱面積。另外，由於管狀空洞很容易將熱氣引入爐膛中心部位而難於有效加熱和熔化周邊的廢鋼，所以一個能力為4MW的這種氧氣燒嘴的熱效率通常不會超過35％。

本技術所包含的噴嘴採用獨家空腔分流設計，再加上兩級燃燒技術來產生較寬的氧氣包裹射流，它保證同時具有很高的對流和輻射熱傳導效率。因而噴嘴在電爐上應用的熱效率平均能達到80％以上。

d)脫碳

在噸鋼供氧強度1立方/噸鋼/分鐘(即總氧量為2400立方/小時)時當爐中的碳大於0.20％時，脫碳速度可達0.06－0.08％/分鐘，當爐中的碳小於0.20％時，脫碳速度為0.03－0.04％/分鐘。

系統獨特的火焰結構使得早期便能脫碳。但碳含量達到0.5％的臨界值時，多點反應和高效的集束射氧仍能保持高的脫碳速度。

技術特點

低安裝位置，短射流行程，大的噴射角度

安裝位置低，離鋼液面的距離約為500-700mm，可充分利用熱鐵水和殘留鋼水，提前泡沫渣的形成。

從氧氣和碳粉噴嘴到達鋼水面的射流行程僅1000mm左右(比其他類型要短700-1000mm)，噴氧效率高，無效的自由氧少，脫碳速度快。

更陡的氧氣噴射角度(42-45)，優化射流對熔池的衝擊。降低鋼水和爐渣對爐頂及電極的噴濺。射流衝擊點遠離電極，減少電極消耗。

安裝維護簡便

取消了爐門氧槍，減少維護和消耗件的成本

公用介質接口少，每個噴槍只有1個氧氣和1個LPG接口，安裝容易，維護輕鬆快速。

環保

關閉爐門減少冷空氣吸入，爐內自由氧減少，使電爐產生的煙氣大幅度降低，改善除塵系統性能。

實現閉爐門操作，改善操作平臺以及整個車間的環境。

其他

可降低渣中FeO，提高金屬必得率(+1-2％)

主要技術參數

氧氣:

供氣壓力：≥1.2-1.4MPa(表壓)

氧氣流量：1000Nm3/h(單支爐壁槍)

最大氧氣流量：3000Nm3/h

冷卻水:

流量：約150m3/h

進水壓力：≥0.4MPa

進水溫度：≤32℃

出水溫度：≤50℃

碳粉要求:

碳含量：＞或當地可供的合適碳粉

揮發份：1％以下

灰份：5％以下

硫含量：1％以下

粒度：≥0.1mm≤2mm

噴罐容積：1000升

碳粉倉容積：8m3

消耗:

氧氣耗量:40-55Nm3/t(最大)

碳粉耗量:10-15kg/t

壓縮空氣用量:400Nm3/h

裝機容量:5KW

應說明的是，以上實施例僅用以說明本實用新型的技術方案而非限制，儘管參照較佳實施例對本實用新型進行了詳細說明，本領域的普通技術人員應當理解，可以對本實用新型的技術方案進行修改或者等同替換，而不脫離本實用新型技術方案的精神和範圍，其均應涵蓋在本實用新型的權利要求範圍當中。