9 转炉氧枪设计及相关参数计算
9.1 氧枪喷头尺寸计算
喷头是氧枪的核心部分，其基本功能可以说是一个能量转换器，它将氧管中氧气的高压能转换为动能，并通过氧气射流完成对熔池的作用。而氧气射流的参数主要由喷头参数所决定。
9.1.1 喷头主要参数计算公式
(1) 氧流量计算
氧流量是指单位时间通过氧枪的氧量（Nm3/min）。氧流量的精确计算应根据物料平衡求得。简单计算氧流量则可用下式：
氧流量?每吨钢耗氧量?出钢量 Nm3/min
吹氧时间对于普通铁水，每吨钢耗氧量为55～65Nm3/t，对于高磷铁水，每吨钢耗氧量为60～69Nm3/t。本设计取65 Nm3/t.
(2) 喷头孔数
现代转炉氧枪都用多孔喷头。一般中、小型转炉用三孔或四孔喷头，大型转炉用五孔或五孔以上的喷头。
(3) 理论计算氧压及喷头出口马赫数M
理论计算氧压（又称设计工况氧压）是指喷头进口处的氧气压强，近似等于滞止氧压P0，它是喷头设计的重要参数。喷头出口马赫数M是喷头设计的另一个重要参数，目前国内外氧枪喷头出口马赫数M多选用2.0左右。M值与滞止氧压P0和喷头出口压力P的比值（P/P0）有确定的对应关系。如图9-1。
图9-1 M与Po、V之间的关系
表9-1 M、V、P0之间的关系 M 1.5 2.0
氧射流出口温度/K 200 161 氧射流出口音速/m/s 270 242 V/m/s 405 485 P0/MPa 0.371 0.790 备 注 假定氧气滞止温度为290K,炉内环境压力为1.01MPa
2.5 3.0 129 104 217 195 542 582 1.726 3.711 9.1.2 50t转炉氧枪喷头尺寸计算
公称容量50t转炉设计氧枪喷头尺寸。采用普通铁水。冶炼钢种以碳素结构钢和低合金钢为主。 (1) 计算氧流量
取每吨钢耗氧量为65Nm3,纯吹氧时间为15min，出钢量按公称容量50t计算，则通过氧枪的氧流量： Q?每吨钢耗氧量?出钢量65?55??238.3Nm3/min (9-1)
吹氧时间15(2) 选用喷孔出口马赫数与喷孔数
马赫数确定原则已如前述。综合考虑，选取马赫数M=2.0。
参照同类转炉氧枪使用情况，对于50t转炉喷孔数取3孔，能保证氧气流股有一定的冲击面积与冲击深度，熔池内尽快形成乳化区，减少喷溅，提高成渣速度和改善热效率。
(3) 设计工况氧压
根据等熵流表，当M=2.0时,P/Po?0.1278；取喷头出口压力P?P膛?0.101MPa（P膛为炉膛压力，此处按近似等于大气压力计算），则喷口滞止氧压：
0.101Po??0.790MPa (9-2)
0.1278 取设计工况氧压近似等于滞止氧压。
(4) 计算喉口直径
喷头每个喷孔氧气流量：
Q238.3?79.4 Nm3/min (9-3) q??33A?P由喷管实际氧气流量计算式： q?1.783CD喉0，
T0取CD?0.95，T0?300K，又Po?0.790MPa，代入上式，则
2?d喉90?1.783?0.95?4?0.790?106300。
由上式可求出 d喉?36.2 mm (5) 求喷孔出口直径
根据等熵流表，在M=2.0 时，A出/A喉?1.6875， ?2?2?1.6875?d喉即d出，故喷孔出口直径： 44d出?1.6875d喉?1.6875?38.5?47mm (9-4)
(6) 计算喷孔扩张段长度
取扩张段的半锥角?为3.50,则扩张段长度
L扩?d出?d喉47?36.5??90.4mm (9-5)
2tan?2tan3.5?(7) 确定喷孔喉口直线段长度
喉口直线段的作用是保持喉口直径稳定。一般取3～10mm。在本例中取喉口直线段长度L喉=5mm。 (8) 喷孔收缩段长度与收缩段进口直径
收缩段长度与收缩段进口直径应该以能使整个喷头布置下三个喷孔为原则，并尽可能使收缩孔大一些。
(9) 确定喷孔倾角β
多孔喷头的各个流股是否发生汇交以效应角θ为界，大于θ则各流股很少汇交，小于θ则必定汇交。按照经验，喷头倾角β=12.8°～15.4°为宜。综合考虑取β=15°。
(10) 喷头五喷孔中心分布圆直径
在喷孔倾角β确定以后，喷孔中心分布圆（即喷孔间距）是影响氧射流是否汇交的另一个因素。从降低氧射流汇交考虑，喷孔中心分布圆大为好，但喷孔中心公布圆要受到喷头尺寸的限制。综合考虑，取三喷孔中心分布圆直径：
d?115mm
以上面的计算和选定的数据为基础，再结合相关数据与实际情况，可绘制出50t转炉用氧枪喷头图(见附录图1)。
9.2 50t转炉氧枪枪身尺寸计算
氧枪枪身由三层无缝钢管套装而成，内层管是氧气通道，内层管与中层管之间是冷却水进水通道，中层管与外层管之间是冷却水出水通道。参见图9-3。
计算相关公式： 按气体状态方程，标 （9-6）
式中 P标——标准大气 P0——管内氧气工
压，Pa； 况压力，Pa； 273K；
际温度（即氧气滞止温度）。
准状态下的流量Q向工况流量Q0的换算：
Q0?P标T0?QP0T标
T标——标准温度，T0——管内氧气实
图9-2 氧枪示意图中心氧管内截面积：
FQ1?0V o式中 F1——中心氧管内截面积，m2； Q0——管内氧气工况流量，m3/s；
Vo——管内氧气流速，m/s，一般取40～50m/s。
将Q0、Vo代入式（9-7），即可求F1。则中心氧管内径 d4F11?? 进水环缝截面积：
FQ水2?V 进中层管内径：
d222?d1外?4F?
式中 d2——中层管内径，m；
d1外——内层管外径，m；
F2——进水环形通道截面（图9-8），m2；
Q水——高压冷却水进口流量，m3/s；
V进——高压冷却水进水流速，一般选用5～6m/s。
9.2.1 中心氧管管径
套用上述公式可得。
9-7）
9-8）
（9-9）
（9-10）
（ （
按式（9-6），管内氧气工况流量
QP标To1.01325?105?300o?PQ?105?238?33.5m3/min?0.56m3/s oT标7.90??273取中心管内氧气流速V1?50m/s，则中心氧管内径：
d1?4?F1?4Qo4??V?.0.5650?0.119m?119mm 1?根据标准热轧无缝钢管产品规格，选取中心钢管为?133?6mm。
9.2.2 中、外层钢管管径
根据生产实践经验，选取氧枪冷却水耗量Q3水?120m/h；冷却水进水速度V进?6m/s，出水速度V出?7m/s（因为出水温度升高，体积增大，故V出>V进）
。又中心氧管外径d1外?133mm，则 进水环缝截面积F2：
FQ水1202?V?6?3600?0.00556m2?55.6cm2
进出水环缝面积F3：
F3?Q水V?120出7?3600?0.00476m2?47.6cm2
所以，中层钢管的内径：
d4F2.62???(d21外)?4?55??13.32?15.7cm?157mm
根据标准热轧无缝钢管产品规格选取中层钢管为?159?5mm。
同理，外层钢管内径：
d4F324?47.623???(d2外)???15.7?17.5cm?175mm
根据标准热轧无缝钢管产品规格选取外层钢管为?180?7mm。