一種基于集束頂槍的高槍位真空精煉方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及冶金行業(yè)中煉鋼領域二次冶煉技術，特別涉及一種基于集束頂槍的高槍位真空精煉方法。
【背景技術】
[0002]RH真空精煉是上世紀五十年代發(fā)展起來的一種鋼鐵冶金技術，除了真空脫氣外，還可吹氧脫碳、噴粉脫硫，使得超低碳潔凈鋼得以大規(guī)模冶煉。而吹氧脫碳的裝置起初設置在真空槽下部，后來設置在真空槽中部，最后設置在真空槽頂部，成為水冷多功能頂槍。現(xiàn)有技術中，無論是RH-KTB頂槍、RH-MFB頂槍、RH-MESID頂槍、RH-PB頂槍還是中國專利申請?zhí)?200420027046.4^200610076151.0^200820174977.5^200820174973.7^201110000083.0、201210346652.1、201310431081.6所涉及的頂槍或噴頭，均采用圓孔拉瓦爾管結構，即拉瓦爾管一般在中心位置，燃氣通道分布在拉瓦爾管外側，或者3?6個拉瓦爾吹氧孔圍繞中心燃氣管，這類結構限制了超音速氧氣射流的射程，即在吹氧脫碳期需要將頂槍降到鋼液面上2.5?3.5m的位置，在噴粉脫硫期降到lm以下甚至0.lm左右實施噴粉，并且，吹氧與噴粉一般不能同時進行，無疑延長了真空精煉的工藝周期，妨礙實現(xiàn)高槍位精煉，減少鋼液噴濺和槍頭粘渣的工藝需求?，F(xiàn)有的RH真空脫氣和吹氧脫碳，槍位不夠高還無法避免槍頭粘渣、超音速氧流發(fā)散太快對鋼液表面無法形成有效沖擊直至射入穿透鋼液面等，特別是噴粉需要更接近鋼液面并且粉劑進入真空系統(tǒng)腐蝕管道，使得噴粉技術在RH中難以推廣。
[0003]中國專利申請?zhí)?2015102313132、2014103868764、2014103876370、2014103868800等發(fā)明專利所涉及的環(huán)縫和環(huán)齒縫頂槍結構，使得吹氧和噴粉的工藝過程可以同時進行，并且噴粉脫硫時不用再降低槍位。即使這種新型頂槍結構所產(chǎn)生的超音速氣流能夠包裹粉劑和燃氣，但是仍然同其它噴槍的超音速射流一樣，噴吹距離相對較短且分散，射流的擴散和衰減使得氧氣射流對熔池的沖擊力小，在鋼液表面形成的淺坑反而妨礙鋼液流動，影響混勻時間。
[0004]對于RH精煉過程中增加粉劑與鋼液的反應界面、縮短噴射時間、提高粉劑的利用率、減少RH設備內(nèi)耐火材料的耗損、最大限度地去除鋼液中夾雜是真空精煉工藝的必然要求。但現(xiàn)有的RH真空精煉頂槍結構限制了這種工藝需求，制約了更高效的RH精煉工藝的發(fā)展，因此有必要研究一種支撐吹氧、噴粉、燃燒加熱等精煉工藝過程同時進行的真空精煉新工藝和新的噴槍噴頭結構。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]鑒于以上所述現(xiàn)有技術的不足，本發(fā)明的目的在于提供一種基于集束頂槍高槍位真空精煉的方法，實現(xiàn)超音速射流的聚合以及吹氧、噴粉、燃燒加熱等精煉工藝過程高效同步進行。
[0006]為實現(xiàn)上述目的及其他相關目的，本發(fā)明技術方案如下:
[0007]—種基于集束頂槍的高槍位真空精煉方法，所述集束頂槍具有位于中心的粉劑通道、位于粉劑通道外圍的主氧通道和位于主氧通道外圍的付氧通道；在RH真空精煉時，通過集束頂槍向真空槽內(nèi)吹入氧氣和粉劑，氧氣由主氧通道和付氧通道進入分別形成主氧流和付氧流，所述付氧流在主氧流外圍形成一層環(huán)繞伴隨流，使主氧流和粉劑形成集束射流，粉劑在主氧流的裹挾保護下與主氧流共同射入鋼液，主氧流沖擊鋼液并與鋼液中的碳反應生成一氧化碳，溢出鋼液的一氧化碳與集束環(huán)繞伴流的付氧流發(fā)生二次燃燒加熱真空槽，減小鋼液溫降。
[0008]上述工藝方法可以將粉劑包裹在氧流中到達鋼液面，吹氧與噴粉的槍位相同；噴粉時不需要更接近鋼液面，防止粉劑被真空裝置抽走，并進入真空系統(tǒng)腐蝕管道，提高粉劑的利用率。并且采用集束噴吹技術，付氧通道的伴隨流使中心超音速氧流能像棍子一樣穿透鋼液面，溶解在鋼液中，使中心超音速射流擴展及衰減更小，超音速射流更長。
[0009]作為優(yōu)選:在RH真空精煉時，超音速吹氧、噴粉和二次燃燒加熱過程同時進行，集束頂槍槍頭位于鋼液面上3m以上，通常情況下可達3.5m?5m，避開鋼液嚴重飛濺區(qū)，最大限度地減少槍頭粘渣。
[0010]作為優(yōu)選:在RH真空精煉間隙期，通過集束頂槍向真空槽內(nèi)吹入燃氣和氧氣，燃氣從粉劑通道吹入，主氧流與付氧流共同助燃中心的燃氣，燃燒加熱真空槽，維持其內(nèi)部溫度在1350°C以上；更換新真空槽后，通過集束頂槍通入燃氣和氧氣，將真空槽加熱升溫至1350°C 以上。
[0011 ]由于火焰被聚合的、延長的效果，在相同加熱功率下使得槍頭加熱范圍更長，熱利用率提尚。
[0012]作為優(yōu)選:吹入粉劑為脫碳劑，為包含CaC03、鐵礦石粉等成分的鈍化顆粒；脫碳劑的噴吹速度為10?100kg/min ;粉劑粒度0.1?3mm ;載氣流量為100?300Nm3/h ;氧氣流量為1500?2500Nm3/h ;噴吹時間3?8min ； [C]可達5ppm以下，T[0]可達lOppm以下。
[0013]作為優(yōu)選:吹入粉劑為脫硫劑，為包含CaO、CaF2、Si02、MgO、A1203等成分的鈍化顆粒；脫硫劑的噴吹速度為30?300kg/min ;粉劑粒度0.1?3mm ;載氣流量為100?300Nm3/h ;氧氣流量為1500?2500Nm3/h ;噴吹時間3?8min ； [S]可達5ppm以下。
[0014]作為優(yōu)選:吹入粉劑為脫磷劑，為包含CaO等成分的鈍化顆粒；脫磷劑的噴吹速度為30?300kg/min ;粉劑粒度0.1?3_ ;載氣流量為100?300Nm3/h ;氧氣流量為1500?2500Nm3/h ;噴吹時間3?8min ； [P]可達20ppm以下。
[0015]作為優(yōu)選:吹入燃氣為天燃氣或煤氣、液化石油氣等，燃燒功率為1500?2500kff ；
[0016]作為優(yōu)選:所述集束頂槍包括噴頭芯管和噴頭外管，所述噴頭芯管中心形成粉劑通道，所述噴頭外管開設有中心孔和圍繞中心孔分布的節(jié)流孔，所述節(jié)流孔形成所述付氧通道，所述噴頭芯管插入中心孔內(nèi)，并與噴頭外管之間通過定位結構定位，所述噴頭芯管外廓面與噴頭外管內(nèi)廓面之間構成所述主氧通道，所述主氧通道兩端為錐形環(huán)狀氣體通道，中部為多孔隙環(huán)槽狀氣體通道。
[0017]采用上述結構，多孔隙環(huán)槽狀氣體通道和錐形環(huán)狀氣體通道可以使氧氣在通過時獲得超音速加速，并由噴頭外管節(jié)流孔流出的氧氣在超音速主氧的外層環(huán)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，同時由于射流速度衰減延緩，可提高氧槍的吹煉槍位，而不影響射流對鋼液的沖擊深度，延長了氧槍噴頭的使用壽命。氧氣從節(jié)流孔流出形成的外層環(huán)繞伴隨流還可與鋼液脫碳產(chǎn)生的一氧化碳燃燒生成二氧化碳，放出的熱量加熱真空槽耐材，減少鋼液溫度下降速度。即在冶煉過程中燃燒一氧化碳加熱真空槽，冶煉間隙噴吹燃氣和氧氣燃燒升溫真空槽，達到消除殘鋼的目的。
[0018]作為優(yōu)選:所述噴頭外管中心孔內(nèi)廓面由三段連續(xù)母線繞中心軸線旋轉(zhuǎn)而成，第一段母線與中心軸線成正夾角形成橫斷面收縮的變徑圓錐孔，第二段母線與中心軸線平行形成等徑圓柱孔，第三段母線與中心軸線成負夾角形成橫斷面擴大的變徑圓錐孔，定位結構位于噴頭外管中心孔的圓柱孔與噴頭芯管之間，使得噴頭外管中心孔的第二段與噴頭芯管外廓面之間形成多孔隙環(huán)槽狀氣體通道，噴頭外管的變徑圓錐孔與所述噴頭芯管外廓形成變斷面積的錐形環(huán)狀氣體通道，從氧氣進口到出口分別連續(xù)形成收縮環(huán)錐段、多隙環(huán)槽段、擴展環(huán)錐段。
[0019]作為優(yōu)選:所述定位結構為定位棱脊，所述定位棱脊設置于噴頭外管上或噴頭芯管上。
[0020]作為優(yōu)選:所述噴頭外管中心孔的圓柱孔內(nèi)壁均布有3道及以上的凹槽，相鄰兩凹槽之間構成所述定位棱脊。
[0021]作為優(yōu)選:與噴頭外管中心孔的圓柱孔對應的噴頭芯管外廓面上沿周向分布有多個凹弧面，相鄰兩凹弧面之間構成所述定位棱脊。
[0022]作為優(yōu)選:所述噴頭外管上還開設有安裝孔，所述安裝孔內(nèi)密封地安裝有中間套管。中間套管內(nèi)可以安裝攝像頭、火焰檢測裝置、燃氣點火裝置等附屬設備。
[0023]作為優(yōu)選:所述安裝孔為臺階孔，所述安裝孔位于中心孔與節(jié)流孔之間，或所述節(jié)流孔位于中心孔與安裝孔之間，或安裝孔與節(jié)流孔位于同一圓周，所述中間套管為多個，攝像頭、點火裝置和火焰監(jiān)測傳感器等對應安裝在其中一個中間套管內(nèi)。
[0024]作為優(yōu)選:還包括與噴頭外管同軸設置的水冷外管、隔水管、水冷內(nèi)管、氣體內(nèi)管，所述水冷外管和水冷內(nèi)管與噴頭外管焊接密封；所述氣體內(nèi)管與噴頭芯管插接且由彈性密封環(huán)密封。
[0025]作為優(yōu)選:所述多孔隙環(huán)槽狀氣體通道斷面最小空隙處的總面積等于設計氣體流量下音速氣流喉口面積，錐形環(huán)狀氣體通道在圓錐孔出口處斷面總的圓環(huán)狀空隙總面積等于設計氣體流量下設計馬赫數(shù)所對應的超音速氣流出口面積。
[0026]作為優(yōu)選:所述噴頭芯管與噴頭外管中心孔收縮的變徑圓錐孔段對應的外廓面為圓柱面。
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