D0I:10.13374/j.issn1001-053x.1979.02.002 北京钢铁学院学报 1979年第2期 氧气顶吹转炉三孔氧枪的研究 北京钢铁学院炼钢教研宝 周荣章万天骥 陈允恭 王瓠宗李慧 摘 要 三孔喷头的结构形式、马赫数、小孔夹角和小孔间距等参数的选择， 以及吹炼枪位的确定是当前三孔喷头的研究中的儿个重要課题。本文结合 对喷头的冷态测定和转炉的吹炼实践对上述问题进行了研究。三喉式喷头 由于其结构合理，能有效地将氧气压力能转化成射流的动能。同时提出了 目前中小型转炉广泛使用的单三式喷头的改造途径。结合射流冲力衰减和 实际吹炼枪位的数据，找出了枪位同射流冲力的关系，这样可用冷态测定 的数据並指导转炉的枪位操作。在使用三孔喷头的情况下，转炉要顺利地 进行吹炼，必須保证有适当的循环比（即射流的冲击半径同熔池半径之 比)，小孔夹角和间距是对循环比有影响的重要因素。 氧枪是氧气顶吹转炉重要的工艺设备之一。氧枪技术的发展对于氧气顶吹转好吹炼技术 的提高起了重要作用。作为顶吹转炉的一项先进技术的多孔喷枪已在我国大中型转炉推广使 用，而8吨到15吨的小型转炉也普遍使用了三孔喷枪，均已取得了良好的吹炼效果。 几年来关于三孔喷头的型式，参数选择和喷头结构等方面提出了不少问题。我们氧枪实 验室进行了喷头的冷态测定，並根据冷态测定结果先后在济钢等厂进行现厂试验。下面着重 讨论有关巾小型顶吹转炉氧枪设计中的几个问题。 一、三孔喷头的型式 国内外生产经验证明，中小型转炉应用多孔喷枪一般认为以三孔为宜。日前我园巾小型 转炉使用的三孔喷枪主要有三种型式，即单三式，三喉式和近三喉式（见图1)。· 单三式喷头目前在中小型转炉上得到广泛的应用，因为它结构简单，在喷头小的情况 下，它比三喉式喷头容易加工制造。单三式喷头的特点是具有一个单一喉口（图1-a中43） 和三个小的直孔（图1-a中29）。气流进入总喉口后扩张加速到超音速。出口速度（马赫数 M)仍由三个小孔面积之和同单一喉口面积之比(A出/A暖)来决定。表1是单三式喷头出口 马赫数的测定结果。 18
北 京 钢 铁 学 院 学 报 年第 期 氧 气 顶 吹 转 炉 三 孔 氧 枪 的 研 究 北京钢铁 学院炼钢 教研 宝 周荣章 万 天 骥 陈允 恭 王 抓 宗 李 慧 摘 要 三 孔 喷头 的 结构形 式 、 马赫数 、 小 孔 夹角和小 孔 间距 等参数的选 择 ， 以及 吹炼 枪位 的确定是 当前 三 孔 喷头 的研 究 中的几 个重 要 裸题 。 本 文 结合 对 喷头 的冷态测定 和 转炉 的 吹炼 实践 对 上迷 问题 进 行 了研 究 。 三 喉 式喷头 由于 其结构合 理 ， 能有 效 地将 氧气压 力能 转化成射流 的 动能 。 同时提 出了 目 前中小 型 转炉广 泛 使用 的单三 式喷 头 的 改造途 径 。 结合 射流冲力衰减和 实 际 吹炼枪位 的数据 ， 找 出了枪 位 同射流 冲 力的关系 ， 这 样 可 用冷 态测定 的数据 业 指导 转炉 的枪位 操 作 。 在使用 三 孔 喷头 的情 况 下 ， 转炉 要 顺 利地 进 行 吹炼 ， 必 须 保 证 有 适 当的循 环 比 即 射 流 的冲 击 半径 同 熔池 半径之 比 ， 小 孔 夹角和 间距 是 对 循 环 比有 影 响的重 要 因素 。 氧 枪是氧 气顶吹 转炉 重 要 的 工 艺 设备 之一 。 氧 枪技 术 的发 展对 于氧气 顶 吹转炉吹炼技 术 的提 高起 了重 要 作用 。 作为顶吹转炉 的一 项先进技 术 的多孔喷 枪 已在 我 国大 中型 转炉推广使 用 ， 而 吨 到 吨 的小型 转炉 也普遍 使用 了 三 孔喷 枪 ， 均 已取 得 了 良好 的吹炼效 果 。 几年来关 于三 孔喷 头 的型 式 ， 参数选 择和 喷 头结构 等方 面提 出 了不 少 问题 。 我们氧 枪实 验 室进 行 了 喷 头的 冷态 测定 ， 业根据 冷态测定结果 先后 在济 钢 等厂 进行 现 广试验 。 下 而 着重 讨 论有关 巾小型 顶 吹 转炉 氧 枪设 计 中的几 个问题 。 一 、 三 孔 喷头 的型 式 国 内外生 产经 验证 明 ， 中小型 转炉应 用 多 孔喷 枪一 般认为 以三 孔为 宜 。 目前我 国 中小型 转炉 使 用 的三 孔喷 枪主 要 有三 种型 式 ， 即单三 式 ， 三 喉 式 和 近三 喉 式 见 图 。 、 单三 式喷 头 目前在 中小型 转炉 上 得 到广 泛 的 应 用 ， 因为 它 结构 简单 ， 在喷头 小 的情 况 下 ， 它 比三 喉 式喷 头 容 易加工制造 。 单兰 式 喷 头 的特 点 是 具有一 个单一 喉 口 图 一 命 和 三 个小 的 直 孔 图 一 小 。 气 流进 入 总喉 口 后 扩 张 加速到 超音 速 。 出 口 速度 马 赫数 仍 由三 个小 孔 面积 之 和同 单一 喉 口 面积 之 比 出 喉 来决定 。 表 是单三 式喷头 出 口 马赫 数的 测定结 果 。 DOI ：10．13374／j ．issn1001－053x．1979．02．002
26.5 133 中133 图1三孔喷头的三种结构形式 表1 编喉口直径出口直径 设计马 实测马 △M d d A出/A喉 赫数 赫数 号 毫米 毫米 M设计 M实测 (M设-M实) 夹 孔 1 34 24 1.50 1.85 1.67 0.18 9。 北京钢院 2 34 24 1.50 1.85 1.71 0.14 10° 3 40.7 29 1.52 1.87 1:80 0.07 9° 4 43 29 1.364 1.73 1.65 0.08 9° 5 39 26 1.33 1.69 1.57 0.12 9° 北大〔1) 由表1数据可以看出，单三式喷头能得到超音速气流，出口马赫数仍是服从面积比规 律。不过出口马赫数低于设计马赫数0.10左右。由于单三式喷头能得到超音速射流，因而能 满足氧气顶吹转炉对氧气射流的要求，这可以从首钢等许多中小型转炉使用单三式喷头取得 良好的吹炼效果得到证明〔2)。但是，从空气动力学观点出发，单三式喷头由于在喉口下游 存在尖楔，且出口又为等截面直孔，而导致在喷头内部必然产生较为复杂的激波，增加气流 19
叫月一卜尹丫 一 ， 鸣 一 叫 中之 蕊一月 、 、 官 平 梦 多乃 白 工上厂孟沪 鲤纽己咚 少 侈夕 － 图 三 孔喷 头 的三 种结构形 式 俞加才摘亩亩亩。 “ 六 北京钢院 ， 。 北大 〕 自︺‘ 八曰上牛士 … ︻了八卜乃一一仔八了厅土，才 ︸八廿 … 户 匕曰﹃不曰曰勺钊仄︹‘ 止︸牛， … 了 任性汀冲户滩 土，牛了月 谨 口臼白乙 分 自勺一山 口。 粼只伙共必井
的能量损失。 三喉式喷头（图1-b)是指喷头的三个小孔由三个拉瓦尔管组成。当然存在三个喉口。 它的形状是符合超音速气流的要求。目前国外三孔喷头均采用这种结构形式。气流在这种喷 管内得到合理的膨胀加速。实测结果，M实测同M设并很接近（表2）。这种唢头的能至损失 也较单三式喷头要小。 表2 编 喉口 出口 直径 直径 设计 实测 △M A出/A喉 马赫数 马赫数 小 测定 号 (d骏) (d出) (M设-M实) 夹 角 单位 意米 毫米 M设 M实 1 26.5 32.4 1.50 1.85 1.82 0.03 北京钢院 2 26.7 33 1.72 2.03 2.007 0.023 北火(1) 近三喉式喷头（图1-℃）其结构同三喉式喷头近似。所不同的是近三喉式喷头的三个小 孔不是收缩一扩张形的拉瓦尔管，而是三个没有收缩段的直筒一一扩张管。这种喷头由于 没有收缩段，当气流进入小管管口时，必然产生突然收缩，而形成缩流现象。这样一来，原 来紧接扩张段的直孔便不是气流的最小截面，而最小载面则在气流缩流处。有人称之为气道 假喉口。我们测定了近三喉式喷头出口马赫数(3)（表3）。 表3 喷 头 参 数 马赫数测定结果 编 d喉 d出 喷头前压强(P。)公斤/厘米3（表） 号 A出/A喉 M设计 (毫米) (毫米) 6.0 8.0 10.0 △M最大差位 26 34.7 1.775 2.02 2.09 2.1G 2.19 0.17 2 26 32.8 1.593 1.93 1.95 1.97 2.10 0.17 由表3结果看出M实均大于M设，由此可以说明道喉口的存在使△出/A喉增大而导敛 出口马赫数增加。文献〔1)测定近三喉喷头也得到相同的结果。 上述三种形式的三孔喷头，虽然均能得到超音速射流，但从空气动力学观点考心，单三 式喷头在喉口以下有尖楔，以及气流出口为三个等截面直管，这些均易起激波的生，不 利于有汝地将气流的压力能转变为射流的动能。我们冷态测定发现，一般单三式喷头射流速 度的衰减要比三喉式快20~30%，也即在喷头设计马赫数，使用氧压和枪位相同的条件下， 三喉式喷头射流中心的最大冲力要此单三式高20~30%。冲力衰减变慢；这有利提高枪位。 这点对于改善当前中小型顶吹转炉由于吹炼枪位过低而导致枪令过低的状泥具有承要的意 义。 近三喉式喷头由于缩流而使喉口变小，喷头马数均随使用氧压变化面改变。这种流 参数不稳定性而不利于稳定吹炼操作。喷头设计时应力图避免。 20
的能量损失 。 三 喉式喷 头 图 一 是指喷头的三 个小孔 由三个拉瓦尔 管组 成 。 当然存 在三 个喉 口 。 它 的形状 是符 合超音速气流 的要 求 。 目前 国外三 孔喷 头均采用 这种 结构 形式 。 气 流在这 种 喷 管 内得 到合理 的膨胀加速 。 实测结 果 ， 实 测 同 设 汗很 接近 表 。 这 种喷 头 的 能量损 失 也较单三 式 喷 头要小 。 表 百 号“ 靡 皇蒙署 不夕 誉 雾 罗 万烹乓蒸 设 燕痴 实 十、 牡 兹 议一户‘ 天 创 井 大 尹 汀不干 队 毫 米 毫 米 一 认 一 … … ， ‘ … ， …… … 一 … 、 交犷 近三喉式喷 头 图 一 其结构同三喉式喷 头近似 。 所不 同 的 是近 三喉 式喷 头的三 个小 孔 不是 收缩－ 扩 张形 的拉 瓦尔管 ， 而是三个没 有收缩段 的直筒一一 扩张管 。 这种 喷头 由于 没 有收缩段 ， 当气 流进 入小管管 口 时 ， 必 然 产生突然 收缩 ， 而形 成缩 流现 象 。 这样一 来 ， 原 来 紧接扩 张 段 的直孔 便 不 是气 流 的最 小截 面 ， 而最 小 截 面 则 在 气 流缩 流 处 。 有人 称 之 为 气道 假 喉 口 。 我 们 测 定 了近 三 喉 式喷 头 出 口 马赫数 〔 〕 表 。 表 喉 毫 米 喷 头 出 毫 米 参 数 马 赫 数 测 定 结 果 喷 头前压 强 。 公 斤 厘 淞 “ 表 出 喉 设计 一 △ 最 大差伯 争编 一碑巨 ， 丫竹﹃‘ 一 。 一 一 一一 一汀 一 一 一︸ 由表 结 拭 果 看 出 实 均 大 于 设 ， 由此 可 以 说 明气道 喉 口 的存 在 使 山 八 ，侯 增大而导 致 出 口 马赫 数增 加 。 文 献 〔 〕测 定 近 三喉喷 头 也得 到相 同 的结 果 。 上述 三 种形式 的三孔 喷头 ， 虽然均能得 到超 音速射 流 ， 但 从空 气动力学观 点考虑 ， 单三 式 喷 头在喉 口 以 下 有尖 懊 ， 以 及气 流出 口 为三个 等截 面 直管 ， 这些均 易弓 起激 波 的产生 ， 不 利 于有效地将气 流 的压 力能转 变为射 流 的动 能 。 我 们冷态测定发现 ， 一 般单三 式喷头射 流速 度 的 衰减要 比三喉 式快 一 ， 也 即在喷 头 设计 马 赫数 ， 使 用氧压 和枪位相同 的条件下 ， 三 喉式喷 头 射 流 中心 的最 大 冲力 要 比单三式 高 仓一 。 冲 力 衰减变 慢 这有利提 高枪 位 。 这点对 于改善 当前 中小型 顶吹 转炉 由 于吹 炼枪位过 低 而导 致 枪令 过低的 状 况 · 具有 亚要的意 义 。 近 三喉式 喷头 由 于缩 流 而使喉 口 变 小 ， 喷头 马 如数均 随 使用 氧 压 变 化而改 变 。 这种 立丸流 参数不 稳 定性而不利 于稳 定吹炼操 作 。 喷头 设计 时应 力 图 避免
综上所述，三喉式喷头是较为合理的一种结构形式。中小型转炉也应创造条件推广使 用。为便于三喉式喷头收缩段的加工，这里推荐一种缩短高度、简化结构的三喉式喷头，（图 2)。这种结构形式不仅加工方便，而且可以大幅度地减轻喷头的重量。初步估算，图2中 喷头铜坯重量只需单三式喷头的~：。这里需要说明一下，单三式喷头必须有一个较长的 总喉口段，要大幅地缩短喷头高度是不可能的。这也可以说是三喉式喷头另一个优点。 途滨尔谐：背 图2三喉式喷头 图2喷头设计了一个连接氧管的套管（低碳钢），以保证喷头同氧枪氧管活动连接。如 果氧枪氧管同喷头采用直接焊接的装枪工艺，则连接叁管可以取消。 二、小孔扩张单三式喷头 考虑到单三式喷头已在我国中小型顶吹转炉推广使用和有的工厂加工三喉式喷头尚有困 难，我们就改进单三式喷头结构和克服它的部分缺点进行了如下工作。 通过实验室冷态测定和阴影法观察射流超音段激波结构发现，近三喉式喷头流股特性同 三喉式喷头基本相同。在使用氧压偏离设计工况压力不大的情况下，射流中没有出现曲面激 波，而单三式喷头则出现曲面激波。前已述及，近三喉式喷头由于存在缩流而使实际喉口减 小。由表3数据看出，随着喷头前的压强由6公斤/厘米2（表）增加到10公斤/厘米2（表）， 马赫数(M实)由2.09增大到2.19。由此可以推算出由于箔流而使喉口的面积缩小，导致 A出/A喉增大6~16%。 小孔扩张单三式喷头是综合单三式和近三喉式二种喷头的特点而设计的一种新的结构形 式（图3）。其结构特点是喷头有一个中31的总喉口（同单三式-一样）和三个没有收缩段的 扩张形小孔（同近三喉式喷头相似）。为防止近三喉式喷头由于出现缩流而产生的气道假喉 口，将三个扩张小孔的最小面积之和设计成比总喉口面积大15%左右。图3中三个中19的面 21
综 上所述 ， 三喉式 喷头是较为合理 的一 种结 一 构 一 形式、 一 中小 型转护 也应创 造 条件推 广 使 分纂潺默黔舔票巍黯豪瓢罗霎探笋默 尝灌雾护鑫盆祝重譬氦簇忠瓢蕊森黯蓄昨蕊卿 图 三 喉 式喷头 图 ‘喷头设十 一 了一 个连 幸氧管 的 套管 果氧枪氧管同喷头 采用直接焊 接的装枪 工 低碳钢 ， 以 保证 喷头同氧 枪氧管 活动 连 接 。 如 艺 ， 则连接套管可 以取消 。 二 、 小孔 扩 张 单 三 式喷 头 考虑 到单三式喷头 已在我 国 中小型顶吹转炉推广使用 和有的工 厂 加工 三喉 式喷头 尚有 困 机 我 们就 改进单三 式喷头 结构和克服它 的部分缺点迸行 了如 下工 作 。 底井派淤洲 拱搏 件幸万协娜粼钾
积之和设计成比总喉口中31的面积大13%。 设想气流通过这种喷头时，压力/速度的转化 的情况大致是气流通过喉口后，由于截面增大 而使气流速度增加到超音速(M>1),而M> 1的超音速气流再进入扩张形小孔后，仍可 进一步膨胀使气流马赫数进一步提高。这样气 流在喷头内整个流动过程中得到比较充分的膨 胀，容易达到设计的马赫数。冷态测定结果， △M≈0.05，小于单三式喷头（表1），与三 喉式喷头接近（表2）。 小孔扩张单三式喷头由于气流性能有了改 23 善，因此射流冲力（用射流中心动压代表）衰 中127 减速度比普通单三式喷头变慢。图4列出了二 种单三式喷头的动压衰减曲线。济钢和上钢三 图3小孔扩张单三式喷头 厂分别使用了这种形式喷头，在使用氧压相同 的条件下，由于冲力衰减变慢，枪位均提高100~200毫米，终渣Fo均有所降低。 小扩张弹式 800 600 60 小乳扩累单 P,=10公斤/厘米：（) 2 P,=8公斤1米2() 400 普通单三式、 400 200 2o0 营通单三式 20 50 40 x/d so 20 30 50 /d小 图4二种单三式喷头动压衰减比较 x一实际测量枪位 d) d小*一折算小孔喉口直径( 三、贊头的冲击深度、枪位和马赫数 氧气顶吹转炉之所以能实现高速而又平稳地吹炼，关键是氧气射流能使熔池均]而又激 烈地运动。转炉反应动力学研究表明，要实现熔池均匀而又激烈地运动，，氧气射流对熔池必 22
万一 … 导、 · 丫下长 小 孔扩 张单三 式喷头 一一 卜护 图 积 之和设计 成比 总喉 口 小 的面 积 大 。 设 想气 流通过这种 喷头 时 ， 压 力 速度 的转化 的情况 大 致是气 流通过喉 口后 ， 由于截面 增大 而使气 流速度增加 到超音 速 ， 而 的超 音 速 气 流再 进 入扩张 形小孔 后 ， 仍 可 进一 步 膨胀使气 流 马 赫数进一步提高 。 这样气 流 在 喷头 内 整 个 流动 过 程 中得到 比较充 分 的膨 胀 ， 容 易 达 到设 计 的 马赫数 。 冷态 测 定 结 果 ， △ 丝 ， 小 于单 三式喷头 表 ， 与三 喉 式 喷头 接近 表 。 小 孔扩 张 单三式 喷头 由 于气 流性 能有 了改 善 ， 因此射 流 冲力 用射 流 中心 动 压 代表 衰 减 速 度 比普通 单 三 式 喷头 变慢 。 图 列 出了二 种单三式 喷头的动压 衰减 曲线 。 济 钢 和 上钢三 厂 分别使 用 了这 种形 式 喷头 ， 在使 用 氧 压相同 的 条件 下 ， 由 于冲力 衰减 变慢 ， 枪位均提 高 一 毫米 ， 终渣乏 均 有所 降低 。 即月 奋 ︺从 兴钾么关环影︸闷 认土 关呆柳形泥贡 告皿终三水 泛 附耐叫了州让了 口 ‘ 一一 一 一 由一 一 之 。 。 冲。 和 补 即 “ 嘶 不户了节布 口 一 一一 一一一 ‘ 刀 图 二 种 单三 式喷头 动压衰 减 比较 一 实 卿幢枪 位 小 余 － 折算小 孔 喉 口 直 径 ， 喉 气一， 不于 训 三 、 喷头的冲击 深度 、 枪位 和马 赫数 几 氧气 顶 吹转炉 之所 以 能实现高速而 又平稳地吹炼 ， 关键 是氧 气 射流 能使熔池均 匀而 又激 烈 地运 动 。 转炉反应 动力 学研究表 明 ， 要 实现 熔 池 均 匀而又激烈地运 动 ， 氧 气射 流对 熔池 必
须产生一定的冲击深度和一定的冲击面积。而枪位1使：氧压（与设计马赫数相适应）是影 响冲击深度和冲击面积的主要因素。下面着重讨论有关射流对熔池的冲击深度问题。 氧气顶吹转炉的冲击深度问题国内外进行过大量的研究工作。多数工作是利用水力学模 型试验进行。由于水模同转炉的相似性差别太大，所得的公式同实际出入很大。F1in· R·A·等〔4)利用转炉的热模型研究了氧气射流对熔池的冲击深度，经过实际转炉吹炼校正， 提出了计算冲击深度的下列公式： h=1:5Pd喉+1.5 √H h一冲击深度（时） P。-一喷头前氧压（磅/时） d喉一一喷头喉口直径（时） H一枪位（时） 这一计算公式为较多文章所引用。Flinn·R·A等〔5)在另一篇文章中提出按上式计算的冲 击深度，允许为实际转炉的熔池深度的50~75%。有人根据这一参数和F1inn公式来计算 枪位。 这里必须指出的是Flinn·R·A提出的公式是应用单孔喷头作出的。我们冷态测定发现 三孔喷头射流的冲力衰减要比单孔喷头快得多。在喷头马赫数，氧压和枪位（以x/喉表 示).相同的情况下，三孔喷头射流中心的冲力只相当于单孔喷头的60%。因此，应用 Flinn·R·A公式计算多孔喷头的冲击深度和枪位，仍需作适当的假定和调整。总之，迄今 还没有可靠的计算实际转炉冲击深度和枪位的公式。 从流体力学原理知道，冲击深度主要决定于作用于熔池面上氧气的冲力。山于转炉中氧 气射流是非等温超音速射流，而且吹炼过程中又常被泡沫渣所淹埋，因此，目前还不能通过 理论分析或实验测定来确定作用在熔池面上氧气射流的冲力。考虑到不同转炉吹炼过程中炉 内炉气成分和温度以及泡沫渣淹埋氧气射流条件的相似性，我们用冷态测定射流的冲力以代 替实际射流冲力的方法，来研究转炉的冲击深度和枪位。我们认为实际氧气射流的冲力同冷态 测定的射流的冲力会有一定的比例关系。为此我们在对喷头进行冷态测定的基础上，根据现 场吹炼数据，确定在吹栋枪位的条件下氧气射流的冲力。例如济钢13吨转炉应用中34一3× 中24-9°单三式喷头，当P。=8公斤/厘米2（表）时，过程枪位为600~750毫米(x/d小◆= 30~38);化渣枪位为800~900毫米(x/d小*=41~46)。 由图5该喷头的冲力衰减曲线，分别求出过程枪位时力为200~400mmHg;化渣枪 位时冲力为100~150mmHg。假定在熔池面上冲力与凹坑深度(h)中钢水重力成平衡， 即P补=hY倒，根据上面测得的冲力，分别求出化渣枪位时冲击深度为200~300；过程枪位 时神击深度为400一800毫米，也相当习溶池深度的20~30%40一80%。必须指出，这里 所得到的冲击深度和冲力，虽不是转炉的实际数值，但是，它们同实际数值只是存在一定的 偏差，因此这祥由冷态测定求出的这些参数，仍可以做为指导转炉操作的“相对判断数据。” 为提高射流的冲力，提高枪位来提高枪令，在济钢进行了中31一3×中19-3×中23-9° (图3)试验。由于d喉由34毫米减小到31毫米，在供氧强度不变的情况下，氧压由8公斤/ 米2升高到10公斤/厘米2（表）。根据图6这个喷头的冲力衰减曲线和参照吹炼过程所需 要的冲力，分别求出这个喷头的化渣枪位>930毫米(x/d小>52)；过程枪位670~850毫米 (x/d小*=37~47)。计算枪位比原中34-3×中24-9喷头枪位高100毫米以上，这一结论 为实际欧炼枪位所证实。通过上述试验可以认为冷态冲力参数可以作为唢头设计和枪位计算 23
须 产生一定 的冲击 深度和一 定的冲 击 面积 。 而 枪位和 使川氧 压 与设计 马赫数相适应 是影 响冲击 深 度和冲击 面积 的主要 因素 。 下 面 着重讨 论 有关射流对 熔 池 的 冲击深度 问题 。 箫 提 出岑 了计算冲棘击深度 的下卿列公式 戳肖澎…价筑探省 二 喉 一分 一 － 冲击 深度 时 山侠－ 喷头喉 口 直径 时 。 － 喷头前 氧 压 磅 时 “ －枪位 时 这一 计算公式 为较 多 文 章所 引用 。 恤 · 等 〔 在另一 篇文 章中提出按 上式计 算的 冲 击 深度 ， 允许为 实际转炉 的熔 池深度的 一 。 有人根 据这一 参数和 公式来计算 枪位 。 三森粼常镖讼蕊六鬓馨黑毅弩羚公篡豪鸳霓阵忽掣耀 西由图 该 喷头的冲力 衰减汗曲线 ， 分别 求出过程 枪 位 时 冲分力 为 连 化渣 枪 你韶牛篙毖忠盘浦劳您爵片擂留年耀忿恶森脸魏补 盅鱿瓷笼摆豁需贾竺认黑翼享思像扰罗澎 。沈豁淤募祖耀舞 一 嚣 偏差 ， 因此这样由冷态厕足 求 出的这 些参数奶可 以做为 指导转炉 操 作 的 “ 相脚 数据 · ” 为 提高射 流 的 冲力 ， 提高枪位来 提 高枪令 ， 在济 钢进 行 了 小 一 又 小 一 “ 小 一 酬 蟹杰杰 豁〕 辣熨爷骂藏馨淤 止聪忘蕊掀妥 。 沐淤笠黑浇粼牛 、 币篡黯耀骂融岌吉蕊言墓
B00 70 700 ·?。=10公斤/厘米2() P。=10公斤/丽米（表） P。=8公斤/厘米2（张） 6 500 50e 400 400 300 360 200---- 200 100 fro 25 30 35 404550 55 5 5 40 4550 55 x/小 xd 图5 34-3×φ24-9°喷头冲 图6中32-3×中19-3×φ23-9° 力与枪位关系 喷头冲力与枪位关系 的参考。我们设想通过在各种转炉进行大量工作，找出在不同情况下冷态的冲力参数，並进 一步掌握各种喷头的射流冲力衰减规律，这样进行喷头设计和确定吹炼参数时便有了更多的 依据。关于这方面的工作，我们仅做了初步的尝试。当然，研究转炉吹炼过程中氧射流同熔 池作用的实际规律，仍然是转炉动力学研究的重要课题。 马赫数是喷头设计的重要参数之一。它决定着喷头氧气出口速度，也即决定着氧射流的 冲力。同时一定马赫数有与之相适应的一定的设计工况压力。一般要求使用氧压偏离设计工 况压力不要太大。育的资料(7)提出使用氧压同设计工况氧压偏离只允许±20%。我们冷态 测量结果〔6)曾提出允许偏离50%。 随着马赫数的增大，气流出口速度不断提高，这样射流的冲力也随之增加。根据多年生 产实践和理论分析，现在喷头设计马赫数均在1.8~2.2(8)，大多数工厂均选用马赫数为 2.0。因为M=2.0时，压力能转变为动能最为有效。表4列出了马赫数与气流其他参数之间 表4 马赫数 出口温度 出口音速 出口速度 设计工况压力 K 米秒 米/秒 P。(公斤/厘米2) 1.5 200 269 40 3.67 2.0 161 242 184 8.1 2.5 129 216 542 17.1 3.0 103 197 590 38 的关系。由表4数据可以看H出，当M>2.0,随着M提高， 出口速度增加变慢，因为出口温 度不断降低，而使出口音速不断减小。例知，当M=2.0,V出=484米/秒，P。=8,1公斤/ 厘米，当1=3.0，VH=890米/轮，P,=38公斤/厘米。速度增大到891,2倍，面 21
芬‘歹乃四卯卯的幼 么关侧兴姗纂贫 卜、 表 司 … 、 分少 多口 了 ， 准 浅 ‘ 小 礴万 万口 二 ，咒 图 小 一 小 一 “ 喷头冲 力 与枪 位关 系 图 中 一 中 一 小 一 ” 喷头冲力 与枪位 关系 淤 以淤井产择嵘醚 …群拭 兹淤象姗晃默 …黔洲黔蕊 、 。 因为 二 时 ， 压 力 能转变为动 能最 为有效留。 表 列 出 嘿 了马 赫数 似 与气 流其 糯 他参数 之 间 表 马 赫数 出 口 温度 。 出 口 音 速 米 秒 出 口 速度 米 秒 设。 计工况 压力 公 斤 厘 米 “ ︻了 土 理 理 的关系 。 由表 数据可 以看 出 ， 当 。 ， 随着 提高 ， 出 口 速度增 加变慢 ， 因为 出 口 温 度不 断降低 ， 而使 出 口 音 速不 断 减小 。 例 如 ， 当 一 称 。 ， 出 米 秒 ， 。 二 公斤 厘 米 “ 当 仇 出 “ 米 秒 ， 。 二 公 斤 厘 米 “ 。 速 度增大 到 倍 ， 而
P增大到器-3,7倍， 目前我国中小型转炉喷头马赫数普遍偏低，有的厂低到1.3~1.4。这样低的马赫数必然 前力小而使枪位更低。这对于提高枪令极为不利。当然造渣条件对枪令也有很大影响。众所 周知，由单孔喷头改用多孔喷头的一个缺点就是枪位变低，而使枪令变低。文献〔9〕提出多 孔喷头和单孔喷头枪位之间的关系是是：产()。式中n为喷头孔数，。为如孔喷头的 合适枪位；x1为单孔喷头的合适枪位。如果是三孔喷头，则x&=0.62x:,即三孔喷头的枪 位为单孔喷头的60%。另外，便用氧压当然应当考虑到工厂氧汽系统的实际情况。我们认队为 如果工厂总管氧压允许的话，为提高射流的冲力，便能提高怆位以利于提高枪令，保证吹炼 稳定，三孔喷头的设计马赫数，应取不低于2.0为宜。 四、三孔喷头的冲击半径 前已提到冲击面积同冲击深度一样是影响氧射流能否均匀地搅动熔池的另一个重要的力 学因素。对于三孔喷头来说，类似冲击面积影响的是三个射流在熔池面上的冲击半径。我们 这里说的冲击半径是指每个射流在同熔池作用处射流的最大冲力点同喷头轴线之间的距离。 冲击半径除受马赫数、氧压和枪位的影响外，还受小孔夹角和小孔间隙的影响。 吹炼经验提出，多孔喷头设计必须保证氧气射流分开，使熔池形成多个冲击反应区。但 是，如果射流过度分开，即冲击半径过大，这将因冲击区熔池的环流而加剧周围炉衬的侵 蚀。 文献〔10〕通过模型试验指出，当击半径(R冲)与熔池半径(R熔)之比为0.10~ 0.15时，可以减少喷溅和减轻炉衬刷。上钢一厂顶吹转炉氧枪研究的文章中〔3)指出。当 R冲/R增>0.15时，发现炉子下部侵蚀加重。 为研究冲击半径对吹炼的影响，我们进行了三种小孔夹角不同的喷头的试验。三种喷头 参数和冷态测定的冲击半径见图7和表5。 表5 编号 唢头参数 小孔夹角 冲击半径mm R/R棕 1片 d喉=34d出=24单三式 7 60 0.04~0.06 22 9° 130 0.100.13 3 10 154 0.120.16 三种喷头试吹结鼎，认为2喷头吹炼效果较好。1#喷头射流过于集中，不能发挥三孔喷 头的效果。3喷头冲力小（图7），枪位比2装喷头低100毫米，控制喷濺能力也较差。而2誓喷 头R种/R熔=0.10~0.13。首钢30吨顶吹转炉应用中43-3×429-9°喷头时R/R熔≈0.10~ 0.14。从以上数据看出，中小型顶吹转炉R种/R熔应控制在0.10~0.15为宜。这里需要说明 的是R冲随着枪位的提高而增大，这里所指的R种/R熔的比值中的R冲是指基本枪位下的冲击 半径，即枪位为x/d小=40。 多孔喷以射流的神击半径不能简单地用喷头小孔火角和射诚距离来计算。因为多股射流 25
氏 懒 到 若 一 ，低 目前我 国 中小型转炉喷头 马 赫数普遍偏 低 ， 有的厂 低到 。 这 样 低的马赫数必然 孔 篇犷 喷 恶咒圣袭褚沈爵黔享恕寐碱璧淮户蕊胃坑黑嘿叛霏 头 和 单孔 喷头枪位之 间的关系是 三 二一 戈 合适枪位 ， 为单孔喷头 的合适 枪位、 。 粤一二 · 式 扫 · 为 一 喷头 孑 数 ， 为 · 孑。喷头的 如果是三孔 喷头 ， 则 工。 一 ，， 即三孔 喷头 的枪 位 为单孔喷头 的印 。 另 外 ， 使用氧压当然 应当考虑到工 一 氧气 系统的实际隋呱 我 们认 为 如果工厂 总管氧 压允许 的话 ， 为提高射流的冲力 ， 便 能提高 枪位 以 利 于提 高枪令 ， 保证 吹炼 稳定 ， 三孔 喷头 的 设 计马 赫数 ， 应 耐 低 于 。 为宜 。 四 奋 三 孔喻 头 的冲击半径 书介潜拱筑 寨箭代和 冷杰测 们翔巾价击半 径 见 图 和括表 。 份丫妙汗 表 …布布一布布一布布布布不布 二井二一 一 一 …仆锐 一 头的 … 毅梦鑫次紧荐劣君肆黔淤麟豁袱淤怒息 捉默需几渡 头 价 卜 。 首钢即吨 顶吹转炉应娜价 扒 娜一 “ 。 喷头时 冲 熔丝 一 狱探黯聆群 …嘿黑忠默濡漱默瑞霭粼 气黑言北忘森 不 丽 头小孔 角栩卿… 、 刹 、 为多股蜘
300 < 2”8P,=10公厅1厘米() 口P。=8公斤/厘米2（表） 250 g”<新 200 150 /00 40 00 420 16010279220240 260 图7射流冲力径向分布 之间会相互吸引而产生汇合趋势。一般是在超音速核心段射流能保持原来的角度，随着距离 增加，射流中心速度降低，射流刚性变差，角度变小，向中心汇合。我们测定了几种M~ 1.8,小孔夹角9°的三孔喷头(6)，射流的角度(a)分别为： x/d小*±0~25 a=8°30 x/d小0=25~40 Q=76 x/d小*=40~45 a=5° 下面用冲击半径因流股汇合而减小的数值来表示射流的汇合趋势。表6为1#、2#、3喷头射 流冲击半径的数据。由此可以看出，小孔夹角减小，△R补愈人，说明向中心汇合趋势愈大。 表6 编、号 小孔夹角 截面距离 计算的R办！ 实测R中2 x/d小米=40 (毫米) (毫米) △R的=R的1一R冲2 16 70 785毫米 97+20 60 57 2 9° 785毫米 124+20 130 14 3# 10° 785毫米 136+20 154 2 为保证多孔喷头有一定的冲击半径，逃举适当的小孔夹角是非常重要的。根据对倒内中小型 26
么 。 二 公斤 厘来 表 公斤 厦来 “ ‘表 侧 形 ‘ 。 荟 兴 ’ 解 “ 二 公斤 厘来 。 二 公斤了厘 米 之 艺 表 表 公斤 座米 丧 。 二 公斤 厘 来 表 即 山贡 ‘ 飞 ’ 口 尸口 添口 石夕 口。 了夕少 了之夕 了不夕 了子夕 子召口 夕 之口 屏。 筋。 图 射流冲 力径 向分布 之间会 相 互吸 引而产 生 汇合趋势 。 一 般是在超音速核 心段 射 流能 保持原来的角度 ， 随着距 离 增 加 ， 射 流 中心 速 度降低 ， 射 流 刚性 变差 ， 角度 变 小 ， 向 中 心汇合 。 咖 ， 响七夹娜 · 的三 孔喷头川 ， 射 流 的角 度 分别 为 二 小 带 “ 一 二 尹 一 一 、 一 小 朵 二 忍 “ 小 余 二 一 “ 我 们测 定 了几种 丝 下 面 用冲击 半径 因 流 股 汇合而减 小 的数值 来 表 示 射流 的 汇 合趋势 。 表 为琳 、 莽 、 莽喷头则 流 冲击 半径的 数据 。 由此 一 可以看 出 ， 小 孔夹角减 小 ， 八断卜愈 大 ， 说 明向 中心 汇 合趋 势愈大 。 表 编 号 小孔夹 角 截面 距 离 二 小 亲 计算 的 冲 ， 毫 米 实侧 神 。 毫米 冲 冲 ， 一 神 “ … 夕 。 “ 毫 米 璐 … 。 … 早举 竺 『 ‘ 『 艺 ， ， 竺 ， 全是竺 ，， ，， 匕 十 加保证 多孔 喷头 有一 定 的 冲击 半径 ， 选择 适 当的小孔夹 角是非 常重要 的 。 根据 对 国内中小型
转炉测定数据分析，当喷头设计M≈2.0时，小孔夹角应选用9°~11°。浅溶池用上限，深熔 池用下限。文献〔11)也提出三孔喷头小孔夹角为9.5°~10”。这个角度对于大型转炉似乎偷 低。 增大小孔之间的间距城小了射流的汇合趋势。为此设计喷头时必须保证小孔中心同喷头 的轴心有-一定的距商(L)。文献〔12)提出这个距离要等于小孔出口直径。从我们冷态测定 结果，如表6中3辞喷头L=0.8d出，a=10°，射流的汇合趋势已经很小。因此，如能保证 L=d出，则可大大减小射流的汇合趋势。增大间距同增大夹角一样能减小射流的汇合趋势， 而增大夹角会减小射流的冲力，如图73喷头的冲力比2喷头降低20%。而增大间距对冲力 没有影响。因此，设计喷头时，应尽力保持有足够的间距。对于单三式喷头，间距太大将使三 孔之间的尖楔太高，直的小孔太长，这不仅使喷头高度增大，对气流也将产生不利影响。根 据我们经验，单三式喷头只要保证I.=0.7~0.8dh就可以了。 参 考文献 〔1)关于顶吹转炉三孔喷枪的研究北大力学系1974.12 〔2〕 顶欧转炉三孔喷枪治金工业出版社1972 〔3)30吨顶吹转炉供氧制度的试验研究上钢一厂北京钢院1977 (4]Flinn.R.A.et al Trans AIME 1967 vol 239 PP1776-1791 (5)Rote.R.E,Flinn.R.A Paper presented of 97th AGM AIME Jan 1968 〔6)氧气顶吹转炉喷枪的测定与研究北京钢院·1975 (7]A.Chatterjee Iron and steel 1972 vol 45 〔8〕BoF Steelmaking Chapter9 AIME 1977 (9)Smith G.C Journal of metals 18 1966 pp.841-851 (10]IO.umum MeraJypua u KokcoxHmus 1973.35 1975.45 〔11]C.K·Lee:Iron stee.1Int50(1977)175/84 (12)K.Koga;K.Sasaki,J.coi:In:Mcmaster Symposium on Iron and steelmaxing N04 Ed:w-k.lu Hamiton 1976 7
一 鞘缘乳 …谓么罚撒韶黔二黑孺黑 … 一 熊松扭派淤界扮 嫩 绝 薪澳打照件件黯赚 参 考 文 献 关于 顶吹转炉三 孔喷枪的研究 北大力学 系 通 招 顶吹转炉三孔喷枪 冶金土业出版 社 卿电顶 吹转炉供氧制度的试验研究 “ · 介 “ · · ， · 久 了 上钢一 厂 丫 北京钢院 叮 一 。 盯 五 工 儿 ︺夕、 护沪、 、 ︸、少且 ，上座今︺几一‘ 上气、产人了护尸、 、 〔 〕 〔 〕 怡〕 〔 〕 〔 〕 〔 〕 亡工幻 氧气 顶吹转炉 喷枪的测定与研究 北京钢 院 ” 八 · 卜娜 而 朴叭 斗 以 呷 恤 邵 盯 了 ‘ 一 认 · 权 只 时 仇 尽比 一 心 叱 · 琪 二 二 。 二 。 二 浮。 叮 。 。 一 拓 、 就 七 、 、 时 压。 乡 柳 理 · 一 ‘ 一 卫。 、 。 几 一 ‘ 一 旧