50t转炉氧枪设计说明书Word文档格式.docx
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论文（设计）按五周计算：
第一周：
熟悉毕业论文任务书，在指导教师的帮助下对该论题进行初步调研分析，查阅相关文献资料。
第二周：
完成论文框架的构建，并提交论文写作大纲。
第三～四周：
完成论文初稿写作。
第五周：
经指导教师的审阅完成论文的定稿及写作，准备参加论文答辩。
三、计划答辩时间：
2012年6月9日～6月11日
毕业实践领导小组组长（签字）：
年月日年月日
一概述
氧枪是转炉吹氧设备中的关键部分，它对顶吹氧气转炉冶炼起关键的作用，它是由喷头，枪身和枪尾组成。
在吹炼过程中转炉内的温度高达2000～2600℃，所以氧枪受到炉气和炉衬的严重的辐射。
熔池内的化学反应对氧枪严重冲刷。
所以说氧枪必须要有良好的水冷系统和牢固的金属结构，并且便于加工制造。
枪身由三层同心钢管组成，内管同氧气，内层和中层管之间是冷却水的进水通道，中层管和外层管之间是冷却水的出水通道。
喷头处于转炉内的最高温度区，因此，其必须拥有良好的导热性并且工作效率要高，保证吹炼的进行，提高工作效率。
二基本原理
氧枪的设计主要考虑喷头的设计，枪身各层钢管的设计，枪身长度的设计。
喷头的设计主要是喷头喷孔数目n，喷出孔截面上的马赫数Ma，喷孔喉口直径d喉和扩张段出口直径d出，喷孔轴线和氧枪轴线之间的夹角β等几个参数，来保证氧流的合理，不产生喷溅问题。
枪身各层钢管的设计归结为确定管内氧气工况流量Q0。
管内氧气流速V0，高压冷却水进口流量Q水，高压冷却水进水流速V进，高压冷却水出水流速V出等参数保证冷却均匀，提高氧枪的使用寿命。
枪身长度的设计主要是氧枪最低位到炉口的距离h1，炉口至烟罩下沿的距离h2，烟罩下沿烟道拐点的距离h3，烟罩下沿至氧枪插入孔的距离h4，清理终渣和换枪需要的距离h5，把持器下段的距离h6，把持器两个卡装中心线间的距离h7，把持器上端的距离h8.综合喷头，枪身各层钢管枪身长度的参数来设计并保证在冶炼过程中出现事故时能够及时修理和更换氧枪。
1、喷头的设计
⑴供氧量
供氧量是由物料平衡，热平衡求得，它取决于供养强度和炉产量，供养强度与铁水成分，炉溶比有关。
供氧量由耗氧量，出钢量和纯吹氧时间决定。
一般铁水每吨钢耗氧量约在50～60m3／t高磷铁水每吨钢耗氧量在60～70m3／t的范围内适应：
供氧量=每吨金属耗氧量×
（m3／min）
⑵理论计算氧压的确定
理论计算氧压是喷头进口处的氧压，是计算喷头喉口直径的参数，它是使用氧压范围中的最低氧压。
在实验和实践中使用氧压同理论设计氧压会有一定偏高，而允许使用氧压在理论计算氧压的50％内。
仍可保证工作。
但不可低于理论计算氧压，以防止产生激波，影响吹炼效果。
一般在设计过程中，确定喷头理论计算氧压时，要先确定炉膛压力，而炉膛压力是变化的但为了设计方便一般认为炉膛炉气压力与大气压接近，取炉膛压力为（1.01～1.04）×
105Pa左右。
在计算过程中根据Ma数的等熵流表计算，等熵流实验数据见表1-1。
表1-1等熵流的实现数据
Ma
P/p0
ρ/ρ0
T/T0
A/A0
1.80
0.1740
0.2868
0.6068
1.430
1.83
0.1662
0.2776
0.5989
1.472
1.85
0.1612
0.2715
0.5936
1.495
1.88
0.1539
0.2627
0.5859
1.531
1.90
0.1492
0.2570
0.5807
1.555
1.93
0.1425
0.2486
0.5731
1.593
1.95
0.1381
0.2432
0.5680
1.619
1.97
0.1339
0.2378
0.5630
1.646
1.99
0.1298
0.2326
0.5589
1.674
2.00
0.1278
0.2300
0.5556
1.688
2.03
0.1220
0.2225
0.5482
1.730
2.05
0.1182
0.2176
0.5433
1.760
2.07
0.1146
0.2128
0.5385
1.790
2.10
0.1094
0.2058
0.5313
1.837
2.30
0.07997
0.1646
0.4859
2.193
⑶喷头出口马赫数的选取
马赫数数值的大小决定了喷嘴出口氧气流量的速度，及决定了氧射流对熔池的冲击动能。
选用过大则喷溅大，清渣费时，增大热损失，渣料消耗及金属损失也多，而且转炉内衬及炉底易损坏；
选用过低氧的利用率低，渣中TFe含量高，也会引起喷溅。
当马赫数>
2.0，随着马赫数的增大，出口的氧流速会变慢，则需要理论设计氧压，这样无疑在技术上不够合理，经济不划算。
选取时喷口处为超音速即：
Ma>
1.0，目前国内推荐马赫数为Ma=1.8～2.1，15～50t转炉Ma=1.90～1.95;
50～100t转炉Ma=1.95～2.0；
大于120t转炉Ma=2.0～2.1。
⑷喷头孔数及喷孔倾角
单孔的喷头在使用中对熔池的冲击过大，喷溅严重，并且化渣不利。
所以目前利用多孔喷头，这样可以分散供氧，很好地解决这个问题。
实践过程中，三孔喷头的圆心在同一个圆上，圆心组成一个三角形，并且三孔喷头可以提高供氧强度，枪位稳定、化渣好、操作平稳并提高炉龄，热效率也比单孔的高，适用于中小型转炉，综合考虑采用三孔喷头。
喷孔倾角β决定了各个股流是否交汇，β过大流股过于分散，β过小各股流产生交汇，这样都会影响熔池内的化学反应，使得冶炼周期增长。
C、O反应减弱。
在生产过程中，孔数和喷孔倾角的关系见表1-2。
表1-2孔数与喷孔倾角的关系
孔数
3
4
5
>
夹角
9°
～11°
10°
～13°
13°
～15°
15°
～17°
⑸计算喉口直径d喉
对于标准状况下的氧气应当考虑氧气在管道中流动时的摩擦乘以喷孔流量系数CD，由经验的Q=1.783CD
式中Q为喷头喉口实际氧流m3/min；
P0为选取氧压，设计时按理论计算氧压选取，计算时参照马赫数的等熵流数值表，单位Pa；
T0为氧气滞止温度，单位K，计算时按照当地的夏天温度选取，T0=273+（30～40）K；
CD为喷孔流量系数，单孔喷头CD=0.95～0.96，三孔喷CD=0.90～0.96。
⑹喷孔出口直径以及喷孔扩张段长度
对于三孔喷头，喷孔根据马赫数等熵流数值表可以得出A出/A喉的数值。
由公式
d/
d喉为定值从而得出d出的值。
一般扩张段扩张角取8°
～12°
，则半锥角α=40～60，根据经验标准选定时扩张段长度/出口直径约为1.2～1.5，扩张段长度计算公式：
L扩=
⑺喉口段长度
喉口作用是：
一、稳定气流；
二、利于由收缩段过渡到扩张段的加工。
但是当喉口直线过长阻损将会增大，因此喉口长度为3～10mm较为合适。
⑻喷孔收缩段长度和收缩段进口直径
在设计过程中，收缩段长度和收缩段进口直径应该使整个喷头布置三个喷孔为原则，所以收缩孔应大一些。
一般收缩段半锥角θ为18o～23°
，收缩段长度L为喉口直径的0.8～1.5倍。
一般收缩段入口直径为喉口直径的2倍左右，满足：
tanθ=
⑼喷头三孔中心分布圆
在喷孔倾角β确定以后，喷孔中心分布圆是影响氧射流是否交汇的另一个因素，喷孔之间间距过小，氧气射流之间相互吸引，射流向中心偏移，从而加速每股射流中心速度的衰减，所以在喷头端面喷孔中心同喷头中心轴线之间的距离保持在（0.8～1.0）d出较为合理。
2、枪身各层钢管的设计（其中氧枪管体通水断面如图1-1）
⑴中心氧管直径
中心氧管是输送氧气的通道，主要取决于氧气在管道内的流量与流速。
假设中心氧管内截面积为F1，管内氧气工况流量为Q0，管内氧气流速为V0，V0一般取为40～50m/s，则中心氧管内截面积为：
图1-1
F1=
其中标准大气压P标，Pa；
为管内氧气工况压力为P0，Pa；
标准温度273K;
管中实际温度T0。
按气体状况方程，可知流量Q与工况流量Q0的关系为：
Q0=
.
Q
得出F1，可得中心氧管内径为：
d1=
计算出中心氧管内径后，按照国家钢管产品目录选择对应规格的钢管。
在选择是遵循：
在保证足够强度情况下，管壁应尽量薄以减轻总体设备的重量为原则。
无缝钢管产品标准规格见表1-3。
表1-3无缝钢管产品的标准规格
外径
/mm
管壁厚度/mm
89
4.5
6
7
8
9
10
12
13
14
15
16
18
20
114
121
25
127
22
133
140
146
152
159
168
180
194
203
219
24
245
273
299
325
351
355
377
⑵中层管管径确定
高压冷却水从中层管内侧进入，经喷头顶部弯转1800后经中层管外侧流出。
中层管内径尺寸的选择，应当保证中心层管与中心氧管之间有足够的环形通道的断面积和足够流量的冷却水。
即进水环缝截面积：
F2=
中层管内径：
d2=
同样根据钢管产品目录选择产品目录选择相应规格的钢管。
⑶外层管管径确定
外层管主要是供出水用，冷却水经过喷头后温度升高，水的体积增大，管径的计算和钢管的选择方法与中层管相同，即出水环缝截面积：
F3=
外层管内径：
d3=
三设计任务
设计50t顶吹氧气转炉的氧枪，铁水各元素的含量是：
[C]=4.10%;
[Si]=0.79%;
[Mn]=0.61%;
[P]=0.15%;
[S]=0.038%,废钢与铁水加入量比是3:
17，炉渣的渣量为装入量的10%，其中FeO含量为16%，Fe2O3为5%，碳氧反应生成CO占85%，CO2占15%。
四计算过程
1、喷头设计
⑴每吨钢金属耗氧量
①铁水、废钢及成品钢的化学成分见表1—4
表1—4铁水、废钢及成品钢的化学成分
元素
C
Mn
Si
S
P
铁水%
4.10
0.61
0.79
0.038
0.15
废钢%
0.159
0.60
0.176
0.03
0.02
脱氧前钢%
0.05
成品钢%
0.158
0.49
0.18
②以100Kg炉料计算，氧的平衡。
<
1>
金属成分
C=4.10×
0.85+0.159×
0.15=3.50885（Kg）
Mn=0.61×
0.85+0.60×
0.15=0.6085（Kg）
Si=0.79×
0.85+0.176×
0.15=0.6979（Kg）
S=0.038×
0.85+0.03×
0.15=0.0368（Kg）
P=0.15×
0.85+0.02×
0.15=0.1305（Kg）
〈2〉金属料中各元素氧化至脱氧前所需要养氧量，100Kg金属料各元素氧化氧气耗量见表1—5
表1—5100Kg金属料各元素氧化氧气耗量
（氧化脱硫量占硫总量1/4）
100Kg金属料中该元素的氧化量/Kg
金属氧化反应式及产物
氧气耗量/Kg
C
3.50885-0.15=3.35885
C+1/2O2=CO
C+O2=CO2
3.35885×
85%×
16/12=3.81
15%×
32/12=1.35
0.6085-0.05=0.6035
Mn+1/2O2=
MnO
0.6035×
16/55=0.17
0.6979-0.02=0.6779
Si+O2=
SiO2
0.6779×
32/28=0.78
0.0368-0.03=0.0068
S+O2=
SO2
0.0068×
1/4×
32/32=0.0017
0.1305-0.02=0.1105
2P+5/2O2=P2O5
0.1105×
80/62=0.143
Fe
100×
10%×
16%×
56/72=1.244
Fe+1/2O2=FeO
1.244×
16/56=0.355
112/160=0.35
2Fe+3/2O2=Fe2O3
0.35×
48/112=0.15
合计
6.352
6.760
3>
炼钢过程中，加入铁矿石冷却。
假设加入铁矿石占金属料0.6%，其中铁矿石的成分为：
铁矿石TFe占62.75%，CaO占0.04%，Al2O3占2.57%，SiO2占4.36%，MgO占0.07%，FeO占0.15%.P占0.07%，S占0.05%。
每100kg金属料冷却时，铁矿石带入的氧量：
0.6%×
（0.04%×
+2.75%×
+4.36%×
+0.07%×
+0.15%×
）=0.036kg
每100kg金属料由铁矿石带入熔池的铁量：
（62.75%+0.15%×
）=0.3772
假设合金的收得率是90%，转炉吹凉过程中铁氧化的产物一部分进入炉渣中，另一部分进入炉气，被氧化的铁为：
100-90-6.352-0.3772=4.03kg
烟尘中，FeO占80%，Fe2O3占20%，可得出氧气的消耗量为：
4.03×
80%×
=0.92kg
20%×
=0.35kg
所以每100kg金属氧耗量为：
6.76-0.036+0.92+0.35=8.0kg
假设在转炉中氧气的利用率是90%，氧气的纯密度是98%，密度是1.429kg/
M3,则每吨金属的耗氧量为：
×
=59.5m3/t≈60m3/t
⑵计算氧流量
转炉的装入量为50t，每吨钢耗氧量在标态下为60m3/t，吹氧时间为15min，则供氧量Q为：
Q=
=200m3/min（标态）
⑶赫数，孔数及夹角参数的选择
综合考虑马赫数Ma=1.95，喷头孔数为3，喷头喷孔夹角的确定见表1-2.由表1-2选取喷孔倾角β=13°
。
⑷设计工况氧压
根据等熵流表，当马赫数Ma=1.95时，P/P0=0.1381喷头出口压力P=P膛=0.101Mpa，炉膛近似等于大气压所以喷头的滞止氧压为：
P0=
=0.731Mpa
假定设计工况氧压近似等于滞止氧压。
⑸计算喉口直径
喷头每个喷孔氧气流量是：
q=
=
=66.67m3/min（标态）
由公式可得q=1.783Cd
其中CD为喷孔流量系数，综合考虑CD选取为0.94，假设此时的温度为37℃，则T0=37+273=310K，代入上式得：
q=1.783×
0.94×
得d喉=0.035m=35mm
⑹求喷孔出口直径
等熵流表数值表可得Ma=1.95时，A/A喉=1.619。
即
=1.619×
故喷孔出口直径为：
d出=
=45mm
⑺计算喷孔扩张段长度
由经验可知，半锥角约为4°
～6°
，扩张段长度/出口直径=1.2～1.5，综合考虑半锥角α为5°
，则：
=57mm
⑻喷孔喉口直线长度的确定
综合考虑，本例中选取喉口直线长度L喉=5mm
⑼喷孔收缩段长度与收缩段进口直径的计算
综合选取收缩段长度是喉口直径的0.9倍，即：
L收=0.9d喉=0.9×
35=32mm
由经验可知，一般收缩段入口直径是喉口直径的2倍左右，综合考虑θ取18°
则：
d收=2tanθL收+d喉=2×
tan180×
32+35=56mm
⑽氧枪喷头三孔中心圆分布圆直径的确定
在满足氧射流不过于分散和不发生交汇的情况下，综合考虑选取三孔中心分布圆直径为：
d=88mm。
2、氧枪层管设计
⑴中心氧管管径
选取管内氧气流速是48m/s，可以得出：
.Q=
200=0.52m3/s
则中心氧管的内径为：
=117mm
按照国家无缝钢管产品的标准，如表1-3，选取中心氧管为φ127mm×
5mm。
根据无缝钢管标准规格可知，d1近似于127mm-12mm=115mm，将d1=115mm代入d1=
又知Q0为0.52m3/s，代入得：
V0≈50m/s，所以中心氧管的选取合适。
⑵中外层钢管管径
根据实践经验，选取氧枪冷却水消耗量是Q水=120t/h，冷却水进水速度V进=5m/s,出水速度V出=6m/s,
又中心氧管外径d1外=127mm，可得进水
环缝面积。
即，进水环缝面积是：
=0.00667m2=66.7cm2
所以，中层钢管的内径为：
=158mm
按照国家无缝钢管产品的标准，如表1-3，选取中层钢管φ168mm×
根据无缝钢管规格可知d2近似于168mm-12mm=156mm，代入d2=
，得：
F2≈64.42cm2，又F2=
，代入得：
V进≈5.2m/s所以中层钢管的选取合适。
同理出水环缝面积是：
=0.00833m2=83.3cm2
外层钢管内径：
185mm
选取外层钢管φ203mm×
9mm。
根据无缝钢管规格可知d3近似203mm-16mm=187mm，将d3=187mm，代入d3=
F3≈53cm2，当F2为53cm2时，则有F3=
V出≈6.3m/s所以外层钢管的选取合适。
以上述计算和选定的数据为基础，再结合相关数据与实际情况，可绘制50t转
炉用氧枪喷头见图1-2。
图1-2
3、氧枪总长H枪的选取与计算
⑴氧枪头部最低位置至炉口距离。
转炉内型直径D0=k
.又知不同吨位下k值选取见表1-6。
表1-6不同吨位下K值得选取
吨位/t
30～50
50～120
200
250
K
2.0～2.3
1.85～2.10
1.75～1.85
1.55～1.60
1.5～1.55
假设k=2.0.加入的其它金属料为2t，则G=50+2=52t，又吹氧时间为15min，则：
D0=k
=2×
=3.7m
由经验可知炉口直径d0为（0.43～0.54）D0，取d0=0.5×
3.7=1.85m帽锥角在60°
到80°
范围选择此时取θ=64°
，假设
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