一种提高提钒转炉氧枪供气动力学条件的氧枪喷头的制作方法

1.本发明涉及钢铁冶炼技术领域，更具体地涉及一种提高提钒转炉氧枪供气动力学条件的氧枪喷头。


背景技术：

2.我国是钒钛磁铁矿大国和钒资源利用大国。钒钛磁铁矿通过高炉冶炼得到含钒铁水，含钒铁水再进行钒渣制取。目前，国内外制取钒渣的生产方法较多，主要有新西兰铁水包吹钒工艺、南非摇包提钒工艺、俄罗斯和中国的转炉提钒工艺等，其它提钒工艺还包括含钒钢渣提钒、石煤提钒工艺等。其中以转炉提钒工艺最优，技术经济指标最好。
3.国内外转炉提钒的生产工艺制度最核心的控制点即为温度的控制。铁水提钒是一项选择性氧化技术，转炉供气提钒是一个放热过程，铁水中易氧化元素氧化使熔池快速升温，[si]、[mn]氧化发生在[v]氧化之前，提钒不可能抑制其反应。当温度超过某一温度时，碳的氧化速率增加、钒的氧化速率降低，这一温度就叫碳钒转换温度，碳钒转化温度随着铁水成分等影响一般在1340～1385℃之间。因此要获得高的钒氧化率，必须加入提钒冷却剂，控制熔池温度高于碳钒转换温度，达到提钒保碳的目的。由于提钒的终点半钢温度不宜过高，提钒过程前期以钒氧化为主，后期以钒还原为主。所以在降温时采用的是加入冷却剂使铁水温度降到合适的范围，转炉冶炼中通过吹炼时间和过程温度的控制，将半钢中的钒氧化，提高收得率。
[0004]
供氧制度是影响转炉提钒过程钒氧化率的关键点之一。供氧强度过低，氧气射流对熔池的搅拌能力较弱，铁水混匀时间偏长，供氧时间会增加，不利于钒的氧化和降低碳的烧损量；供氧强度过高，提钒过程温度升高快、温度动态控制难度增大，不利于钒的氧化。这成为行业内无法解决的突出矛盾，部分企业采用大供氧强度进行提钒，通过牺牲钒氧化提高铁水提钒比例，部分企业采用较小供氧强度提钒，虽提高了钒的氧化率，但铁水提钒比例降低、碳烧损也偏高。
[0005]
因此，有必要寻找新的解决方案，在供氧强度不变的前提下，实现钒氧化率提高和碳烧损率降低的目的。


技术实现要素：

[0006]
本发明的目的在于提供一种提高提钒转炉氧枪供气动力学条件的氧枪喷头以解决现有技术中存在的上述问题中的至少一项。
[0007]
为实现上述技术目的，本发明采用的技术方案如下：
[0008]
根据本发明的一方面，提供一种提高提钒转炉氧枪供气动力学条件的氧枪喷头，包括：
[0009]
供氧管，所述供氧管包括沿喷头中心线设置的供氧主管、沿喷头中心线设置且从供氧主管向下延伸的中心孔、环绕中心孔均匀分布的至少三个周边孔，所述中心孔和所述周边孔均与所述供氧主管连通；
[0010]
冷却水管，所述冷却水管套设在所述供氧管外围。
[0011]
根据本发明的一个实施例，所述中心孔的供氧流量占所述供氧主管的总流量的20％～40％，氧气压力控制在0.75～1.00mpa。
[0012]
根据本发明的一个实施例，所有所述周边孔的供氧流量之和占所述供氧主管的总流量的60％～80％，每个所述周边孔平分供氧流量，氧气压力控制在0.75～0.85mpa。
[0013]
根据本发明的一个实施例，所述周边孔的轴线与所述喷头中心线的夹角控制在10～13
°
。
[0014]
根据本发明的一个实施例，所述中心孔包括由上到下依次设置的第一连接段、第一喉口段和第一扩张段，其中所述第一连接段与所述供氧主管的底端相连且直径由上到下逐渐缩小，所述第一喉口段为直筒状，所述第一扩张段的直径由上到下逐渐增大。
[0015]
根据本发明的一个实施例，所述第一喉口段的直径为40～50mm，所述扩张段的侧壁与所述喷头中心线的夹角为8～9
°
。
[0016]
根据本发明的一个实施例，所述周边孔包括由上到下依次设置的第二连接段、第二喉口段和第二扩张段，其中所述第二连接段与所述供氧主管的底端相连且直径由上到下逐渐缩小，所述第二喉口段为直筒状，所述第二扩张段的直径由上到下逐渐增大。
[0017]
根据本发明的一个实施例，所述第二喉口段的直径为20～40mm，所述第二扩张段的侧壁与所述周边孔的轴线之间的夹角为7～8
°
。
[0018]
根据本发明的一个实施例，所述中心孔和所述周边孔在出口处的轴线之间的径向投影距离为105～125mm。
[0019]
根据本发明的一个实施例，所述周边孔的数量为3～5个。
[0020]
由于采用以上技术方案，本发明提供的提高提钒转炉氧枪供气动力学条件的氧枪喷头与现有技术相比具有以下有益效果中的至少一项：
[0021]
(1)氧枪喷头采用中心不带夹角的主喷孔、辅之周边与轴线成一定夹角的副喷孔相结合的方式进行供氧，中心孔提供强搅拌能力的氧气射流，实现熔池强搅拌，促进铁水中元素迁移，提高渣金反应作用，周边孔保证氧气射流对熔池的冲击面积，确保氧气对铁的氧化形成铁氧化物，保证钒渣中铁氧化物含量，减少铁水中碳对钒氧化物的还原，通过中心孔和周边孔的配合能够在不增加供氧流量的前提下提高氧气射流对熔池的搅拌能力，提高氧气射流的冲击动力学条件，有利于铁水钒的高效氧化；
[0022]
(2)对中心孔和周边孔的形状和两者的相对位置和角度进行综合优化，以确保各喷孔射流之间没有掺混和叠加，从而增大熔池的反应区和搅拌强度。
附图说明
[0023]
附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。在附图中：
[0024]
图1是根据本发明的一个实施例的提高提钒转炉氧枪供气动力学条件的氧枪喷头的总体结构示意图。
具体实施方式
[0025]
以下结合附图对本公开的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描
述的具体实施方式仅用于说明和解释本公开，并不用于限制本公开。
[0026]
除非另有定义，本文所使用的所有技术和科学术语与属于本发明技术领域的技术人员通常理解的含义相同；本文在说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明，例如，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置为基于附图所示的方位或位置，仅是便于描述，不能理解为对本技术方案的限制。
[0027]
本发明的说明书和权利要求书及上述附图说明中的术语“包括”和“具有”以及它们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含；本发明的说明书和权利要求书或上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别不同对象，而不是用于描述特定顺序。“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
[0028]
本发明的说明书和权利要求书及上述附图说明中，当元件被称为“固定于”或“安装于”或“设置于”或“连接于”另一个元件上，它可以是直接或间接位于该另一个元件上。例如，当一个元件被称为“连接于”另一个元件上，它可以是直接或间接连接到该另一个元件上。
[0029]
此外，在本文中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本发明的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域技术人员显式地和隐式地理解的是，本文所描述的实施例可以与其它实施例相结合。
[0030]
含钒铁水提钒的方法包括有雾化提钒法、铁水包提钒法、摇包提钒法和转炉提钒法。提钒的任务有两项：一是最大限度地将铁水中的钒氧化进入熔渣中，得到的钒渣应适合于下一步提取v2o5的要求；二是提钒后的半钢碳含量要尽量高，以满足后续炼钢的要求。
[0031]
供氧强度和方式不仅影响顶吹金属液滴的产生，也影响炉渣中feo含量和熔池温度，这相应地决定了碳和钒的氧化速率。为了实现钒氧化率提高和碳烧损率降低的目的，本发明对提钒氧枪喷头结构进行改造和优化，氧枪喷头采用中心不带夹角的主喷孔、辅之周边与轴线成一定夹角的副喷孔相结合的方式进行供氧，中心孔提供强搅拌能力的氧气射流，实现熔池强搅拌，促进铁水中元素迁移，提高渣金反应作用，周边孔保证氧气射流对熔池的冲击面积，确保氧气对铁的氧化形成铁氧化物，保证钒渣中铁氧化物含量，减少铁水中碳对钒氧化物的还原，通过中心孔和周边孔的配合能够在不增加供氧流量的前提下提高氧气射流对熔池的搅拌能力，提高氧气射流的冲击动力学条件，有利于铁水钒的高效氧化。
[0032]
图1示出了根据本发明的一个实施例的提高提钒转炉氧枪供气动力学条件的氧枪喷头的总体结构示意图。如图所示，该提高提钒转炉氧枪供气动力学条件的氧枪喷头总体包括供氧管和冷却水管，冷却水管套设在供氧管外围。
[0033]
供氧管包括沿喷头中心线设置的供氧主管14、沿喷头中心线设置且从供氧主管14向下延伸的中心孔10、环绕中心孔均匀分布的至少三个周边孔12，中心孔10和周边孔12均与供氧主管14连通。
[0034]
供氧主管14呈直筒状，其与外部供氧设施相连，从而为下方的各个供氧孔输送氧气。
[0035]
中心孔10设置在供氧主管14下方，其轴线与喷头中心线重合。中心孔10包括由上到下依次设置的第一连接段、第一喉口段和第一扩张段。其中第一连接段与供氧主管14的
底端相连且直径由上到下逐渐缩小。第一喉口段为直筒状，其作为中心孔10直径最小的部分，对于该孔的供氧强度有重要影响，为了满足中心孔10氧气射流的熔池强搅拌作用，其直径c设置成约40～50mm。第一扩张段的直径由上到下逐渐增大，也就是说，该段的侧壁相对于轴线逐渐外扩，侧壁(附图标记d所代表的段)与喷头中心线的夹角约为8～9
°
。
[0036]
至少三个周边孔12环绕中心孔10均匀分布。每个周边孔12都包括由上到下依次设置的第二连接段、第二喉口段和第二扩张段。其中第二连接段与供氧主管14的底端相连且直径由上到下逐渐缩小，第二喉口段为直筒状，其作为周边孔12直径最小的部分，对于该孔的供氧强度有重要影响，为了满足周边孔12氧气射流对熔池的冲击面积，其直径b设置为约20～40mm。第二扩张段的直径由上到下逐渐增大，也就是说，该段的侧壁相对于其轴线逐渐外扩，侧壁(附图标记e所代表的段)与周边孔12的轴线之间的夹角约为7～8
°
。
[0037]
在一些实施例中，每个周边孔12的轴线与喷头中心线的夹角(由附图标记a标示)控制在10～13
°
。随着周边孔12的轴线与喷头中心线的夹角减小，氧气射流流股自喷头喷出后到达熔池表面的行程减小，能量耗散率降低，因此相应的混匀时间减小，表面活跃度增加；但当喷孔夹角减小到一定程度，流股之间间距过小，使得单个流股在熔池表面的作用区域距离过小，熔池表面的液面波动容易形成叠加而造成能量损失，熔池混匀时间会增加。因此，本发明将周边孔12的轴线与喷头中心线的夹角控制在10～13
°
。
[0038]
在一些实施例中，中心孔10的供氧流量占供氧主管14的总流量的20％～40％，其氧气压力控制在约0.75～1.00mpa，所有周边孔12的供氧流量占供氧主管的总流量的60％～80％，每个周边孔12平分供氧流量，其氧气压力控制在约0.75～0.85mpa。例如，当有4个周边孔时，这4个周边孔平分总流量的60％～80％，每个周边孔分配总流量的15％～20％。通过优化中心孔10与周边孔12的流量分配，既可以保证中心孔10具有强搅拌能力的氧气射流，实现熔池强搅拌，促进铁水中元素迁移，提高渣金反应作用，也可以保证周边孔氧气射流对熔池的冲击面积，确保氧气对铁的氧化形成铁氧化物，保证钒渣中铁氧化物含量，减少铁水中碳对钒氧化物的还原。
[0039]
在一些实施例中，周边孔12的数量为3～5个。氧枪喷头的孔数要满足均匀加大氧气对熔池的冲击面积，同时又受到枪体截面积限制。喷头孔数增加会使氧气射流在水平面上的能量分布更加均匀，对熔池的搅拌效果更好，混匀时间有所降低。但是，喷头孔数增加也使氧气射流能量分布更为分散，单个流股携带的能量减少，对熔池表面冲击产生的波高减小，不利于熔池表面热量交换和熔池表面冷却剂的迅速熔化，从而影响炉渣氧势，不利于钒的氧化提取。因此，本发明将周边孔12的数量设置为3～5个。
[0040]
在一些实施例中，中心孔10和周边孔12在出口处的轴线之间的径向投影距离(附图标记h所示)为105～125mm。将中心孔10和周边孔12之间的距离设定为该参数可以避免射流之间出现相互抽引和混掺现象，使各个射流能够保持较好的冲击力，利于提高提钒转炉的动力学条件。
[0041]
在一些实施例中，将喷头的底部倾斜角(附图标记g所示)设置为12～13
°
，从而保证氧枪喷头结构强度受控。
[0042]
在一些实施例中，冷却水管16包括隔水管和喷头外管。供氧管、隔水管和喷头外管三者同心设置，隔水管套在供氧管外围，喷头外管套在隔水管外围。在隔水管的外壁与喷头外管的内壁面之间形成进水通道，在隔水管的内壁与供氧管的外壁之间形成出水通道，且
进水通道与出水通道在喷头的下端通过开口形成通路，开口的最大尺寸(附图标记f所示)设置为100～120mm。
[0043]
该提高提钒转炉氧枪供气动力学条件的氧枪喷头在吹炼时枪位按照低枪位进行控制。
[0044]
以下为验证根据本发明的提高提钒转炉氧枪供气动力学条件的氧枪喷头的效果的试验例及相关数据，其仅作为示例用于说明，而并非限制本发明的保护范围。
[0045]
试验例1
[0046]
200t复吹转炉炉底透气砖采用n2进行底吹搅拌，氧枪供氧流量22000nm3/h。在铁水兑入转炉后取样测试铁水样成分为[c]4.20％、[v]0.33％，全程采用中心孔+周边孔氧枪进行顶吹氧气吹炼；其中主喷孔(中心孔)的供氧流量占总流量的20％，其氧气压力按照1.00mpa进行设计；副喷孔(周边孔)个数为5个，供氧流量占总流量的80％，每个副喷孔平分供氧流量，即16％，其氧气压力按照0.85mpa进行设计，副喷孔与氧枪轴线的夹角为10
°
。中心孔+周边孔氧枪吹炼时枪位按照1.6m的枪位进行控制。根据终点温度1360℃的要求，吹炼所得半钢钒含量0.031％、碳烧损率17.6％。
[0047]
试验例2
[0048]
200t复吹转炉炉底透气砖采用n2进行底吹搅拌，氧枪供氧流量24000nm3/h。在铁水兑入转炉后取样测试铁水样成分为[c]4.23％、[v]0.303％，全程采用中心孔+周边孔氧枪进行顶吹氧气吹炼。其中主喷孔(中心孔)的供氧流量占总流量的40％，其氧气压力按照0.75mpa进行设计；副喷孔(周边孔)个数为3个，供氧流量占总流量的60％，每个副喷孔平分供氧流量，即20％，其氧气压力按照0.75mpa进行设计，副喷孔与氧枪轴线的夹角为13
°
。中心孔+周边孔氧枪吹炼时枪位按照1.65m的枪位进行控制。根据终点温度1360℃的要求，吹炼所得半钢钒含量0.030％、碳烧损率18.2％。
[0049]
试验例3
[0050]
200t复吹转炉炉底透气砖采用n2进行底吹搅拌，氧枪供氧流量23000nm3/h。在铁水兑入转炉后取样测试铁水样成分为[c]4.18％、[v]0.31％，全程采用中心孔+周边孔氧枪进行顶吹氧气吹炼。其中主喷孔(中心孔)的供氧流量占总流量的50％，其氧气压力按照0.90mpa进行设计；副喷孔(周边孔)个数为4个，供氧流量占总流量的50％，每个副喷孔平分供氧流量，即12.5％，其氧气压力按照0.80mpa进行设计，副喷孔与氧枪轴线的夹角为12
°
。中心孔+周边孔氧枪吹炼时枪位按照1.7m的枪位进行控制。根据终点温度1360℃的要求，吹炼所得半钢钒含量0.030％、碳烧损率17.6％。
[0051]
对比例
[0052]
200t复吹转炉炉底透气砖采用n2进行底吹搅拌。在铁水兑入转炉后测得温度1308℃、取的铁水样成分为[c]4.15％、[v]0.309％，全程采用氧枪顶吹氧气吹炼，氧枪喷头为与轴线成12
°
夹角的4孔氧枪，供氧流量22000nm3/h、供氧压力0.85mpa；根据终点温度1360℃的要求，吹炼所得半钢钒含量0.040％、碳烧损率19.0％。
[0053]
基于上述试验对比可知，本技术的提高提钒转炉氧枪供气动力学条件的氧枪喷头实现了铁水钒的高效氧化，同时降低了碳损。
[0054]
以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这
些简单变型均属于本发明的保护范围。
[0055]
另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。
[0056]
此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。

技术特征：
1.一种提高提钒转炉氧枪供气动力学条件的氧枪喷头，其特征在于，包括：供氧管，所述供氧管包括沿喷头中心线设置的供氧主管、沿喷头中心线设置且从供氧主管向下延伸的中心孔、环绕中心孔均匀分布的至少三个周边孔，所述中心孔和所述周边孔均与所述供氧主管连通；冷却水管，所述冷却水管套设在所述供氧管外围。2.根据权利要求1所述的氧枪喷头，其特征在于，所述中心孔的供氧流量占所述供氧主管的总流量的20％～40％，氧气压力控制在0.75～1.00mpa。3.根据权利要求2所述的氧枪喷头，其特征在于，所有所述周边孔的供氧流量之和占所述供氧主管的总流量的60％～80％，每个所述周边孔平分供氧流量，氧气压力控制在0.75～0.85mpa。4.根据权利要求1所述的氧枪喷头，其特征在于，所述周边孔的轴线与所述喷头中心线的夹角控制在10～13
°
。5.根据权利要求2所述的氧枪喷头，其特征在于，所述中心孔包括由上到下依次设置的第一连接段、第一喉口段和第一扩张段，其中所述第一连接段与所述供氧主管的底端相连且直径由上到下逐渐缩小，所述第一喉口段为直筒状，所述第一扩张段的直径由上到下逐渐增大。6.根据权利要求5所述的氧枪喷头，其特征在于，所述第一喉口段的直径为40～50mm，所述扩张段的侧壁与所述喷头中心线的夹角为8～9
°
。7.根据权利要求5所述的氧枪喷头，其特征在于，所述周边孔包括由上到下依次设置的第二连接段、第二喉口段和第二扩张段，其中所述第二连接段与所述供氧主管的底端相连且直径由上到下逐渐缩小，所述第二喉口段为直筒状，所述第二扩张段的直径由上到下逐渐增大。8.根据权利要求7所述的氧枪喷头，其特征在于，所述第二喉口段的直径为20～40mm，所述第二扩张段的侧壁与所述周边孔的轴线之间的夹角为7～8
°
。9.根据权利要求8所述的氧枪喷头，其特征在于，所述中心孔和所述周边孔在出口处的轴线之间的径向投影距离为105～125mm。10.根据权利要求3所述的氧枪喷头，其特征在于，所述周边孔的数量为3～5个。

技术总结
本发明公开了一种提高提钒转炉氧枪供气动力学条件的氧枪喷头，包括：供氧管，所述供氧管包括沿喷头中心线设置的供氧主管、沿喷头中心线设置且从供氧主管向下延伸的中心孔、环绕中心孔均匀分布的至少三个周边孔，所述中心孔和所述周边孔均与所述供氧主管连通；冷却水管，所述冷却水管套设在所述供氧管外围。该氧枪喷头通过中心孔和周边孔的配合能够在不增加供氧流量的前提下提高氧气射流对熔池的搅拌能力，提高氧气射流的冲击动力学条件，有利于铁水钒的高效氧化。于铁水钒的高效氧化。于铁水钒的高效氧化。


技术研发人员：陈炼 桂天浩 白旭旭 吴晨辉
受保护的技术使用者：攀钢集团攀枝花钢铁研究院有限公司
技术研发日：2023.08.16
技术公布日：2023/10/8