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转炉氧枪喷头制造
时间:2017年05月23日         信息来源:www.ashxyj.com

  供氧是氧气转炉炼钢控制过程的中心环节,直接影响其吹炼效果和钢种质量。喷头是氧枪最重要的部件,一个好的喷头设计必须较好地解决喷孔形状、尺寸、孔数、倾角、材质等问题,合理组织水流、科学测算喷头底部铜壁厚度,从而保障喷头既有良好的射流特性,又具有较高的耐用性。

    转炉炉内,氧气与铁水中的C、Si、Mn、P、S等元素发生反应,释放大量热量,反应区的温度超过2000℃,喷头端面承受很高的热负荷,苏联有关方面测定其为3.595×106千焦/(平方米•小时)。同时,喷头受到熔渣侵蚀和钢渣喷溅等,其使用环境非常恶劣;而铜的熔点只有1083℃,所以如何增强喷头的冷却能力、减小喷头的变形、稳定喷头射流特性、延长喷头寿命一直是喷头制造技术研究发展的方向。

    早期转炉使用的单孔喷头,其中心有一个大的喷氧孔,由于高速氧气气流的温度在-100℃以上,加之端面四周有很好的水冷,所以单孔喷头的冷却不存在问题。随着转炉容积的增大,以及三孔喷头、多孔喷头出现以后,喷头的冷却变得日益重要,也推动了氧枪喷头制造技术的创新发展。

    第一代锻造气冷(水冷)喷头受结构制约被淘汰

    这一阶段生产的3孔喷头是用紫铜棒经车床加工、钻孔而成。喷头通过3股高速喷出的低温氧气来实现冷却。由于氧气气流的冷却能力有限,为了使孔之间的部位不过早损坏,设计制造时3个喷氧孔靠得很近,结果导致3股流股提前汇合,影响了氧枪的冶炼效果,喷头中心部位经常被烧漏。为了解决锻造喷头孔间部位的水冷问题,美国某公司生产的锻造喷头在氧孔之间钻孔,并通水冷却,以避免孔间部位被烧漏,但采用这一方法喷头使用寿命仍然很短。

    第二代铸造中心水冷喷头应用广泛

    铸造喷头结构更趋合理,设计的分水盘将冷却水强制引向喷头中心,优化了喷头的冷却方式,使喷头变形较小。同时,喷头参数的修改相对容易,制造成本较低,适合大批量生产。目前世界各国生产的喷头大多采用铸造方法生产。

    铸造喷头制造工艺流程为:喷头结构设计-组合砂芯设计-单件砂芯设计-砂芯模具设计制造-制芯-合箱;铜熔炼-脱气、脱氧-铜水出炉-浇注-开箱清砂-切冒口、清飞边-机械加工-水压试验-RT无损检测-表面处理-装箱-出厂。

    国内目前铸造喷头大多采用粒度40目~70目的天然砂,使用水玻璃做黏结剂或采用树脂砂。铜的熔炼主要使用中频感应炉,少数厂家采用真空冶炼、真空浇注的工艺。

    铜在冶炼过程中极易吸收气体,控制氢、氧含量是铜铸造技术的关键环节。电炉装料时,随炉可加入一定数量的木炭屑,铜料熔化后,木炭则上浮,使铜液与空气隔绝,以减少铜液的吸气和氧化;也有的采用中性覆盖剂来覆盖铜液。必要时,可采取除气和脱氧的方法,比如吹入氩气、氮气,将氢气携带上浮;真空除气;加入磷、锰、锂、铜硼合金等脱氧剂以降低铜液中的氧含量,这样还可以防止气孔的产生。设计合理的浇冒口位置,实现顺序凝固、合理补缩,可以有效防止缩孔和疏松。

    铸造中心水冷喷头由于在铸造过程中会产生气孔、疏松、夹杂物等不可避免的缺陷,同时喷头铜的纯度、密度、导热性能不高,在使用过程中喷氧孔出口容易倒角,影响氧枪的冶金效果,所以铸造喷头的使用寿命大多在150炉~200炉左右。

    第三代组合式喷头优势明显

    组合式喷头20世纪90年代引进国内,并在首钢210吨转炉使用。1995年~1997年上半年,在无溅渣护炉的情况下,喷头平均寿命为830炉,冶金性能稳定。同期的铸造喷头平均寿命只有177炉,可见组合式喷头优势非常明显。

    组合式喷头按其组合方式的不同可分为锻压组合式喷头、铸锻组合式喷头、精挤二段式喷头等。

    锻压组合式喷头由喷头底部、喉管、喷头上部、分水盘、定位块、喷头中管、喷头外管等组成。除喷头底部与外管采用氩弧焊接、中管与分水盘采用螺纹连接外,其余件采用钎焊连接。喷头底部和上部分别选用一定直径的无氧铜和紫铜,用模具分别锻压,然后加工水道,最后与喉管、分水盘一起焊接。由于钎焊缝数量很多,所以对加工质量和焊工水平要求较高。

    铸锻组合式喷头底部采用模具锻压,其喷头上部、喉管、分水盘铸成一体,可做铸铜件也可做铸钢件,采用钎焊方法焊接在一起。该喷头对钎焊部位尺寸要求较为严格,异种金属的钎焊难度较大;同时,钎焊缝位置太靠近底部,焊接操作性不好。

    精挤二段式喷头克服了锻压组合式喷头的缺点,将喉管与喷头上部挤压成一体,减少了50%的焊缝和一道加热过程,限制了晶粒的长大,提高了喷头的强度;同时,一次焊接成品率的提升,节约了资源。喷头底部选用无氧铜料,经多道工艺步骤精密挤压成形,水道光滑、无须加工,喷头上部采用紫铜二工步精密成型。钎焊缝位置更趋合理、喷头安全性更高、使用寿命更长。

    总体来说,组合式喷头由于喷头底部选用无氧铜料TU1(Cu≥99.97%),经挤压后组织为孪晶a相,晶粒细小,导热系数大幅提高;其设计制作的上下导水锥和分水盘形状强制冷却了喷头中心,水道光滑,冷却水水流分布合理,不产生乱流;喷头底部壁厚均匀,在满足强度要求的前提下可以减小壁厚,增强冷却效果;喷氧孔用成型铰刀在镗床加工,或使用专用夹具在车床加工,孔的精度较高。正是具备了这些优点,组合式喷头导热好、变形小、冶金性能稳定、使用寿命长,适宜在大中型转炉上使用。

    我国喷头生产厂家约有十多家,大部分生产铸造中心水冷喷头。目前国内氧气射流流场测试实验室仅有3个,生产企业中专业人员数量较少,新工艺、新技术开发能力还显薄弱,喷头的基础性研究还不够,比如喷头的热传导、侵蚀机理、炼钢安全用氧、喷头参数与冶金效果的关系、喷头氧气射流流场测试与炼钢操作的关系等。博际集团江苏博际热能技术有限公司投资建成了亚洲最大的氧气射流实验室,设计流量超过30000立方米/小时,使用大吨位压力机,多套模具精密成型,成功开发了精挤二段式喷头,其产品正在全国大中型转炉上推广应用。



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