第四章 氧枪的设计与计算
氧枪由喷头、枪身和尾部结构三部分组成。喷头常用紫铜材质，可由锻造紫铜经机械加工或用铸造方法制成。枪身由无缝钢管做成的三层套管组成。尾部结构应方便输氧管、进水和出水软管同氧枪体的连接，保证三层套管之间密封及冷却水道的间隙通畅，以及便于吊装氧枪。
主要根据可压缩流体理论进行氧气喷管参数的计算。目前对氧枪的氧气射流及其与熔池的互相作用的研究工作，主要是在常温下利用冷态模型进行的，因此，氧枪设计有的还要依赖实践经验。
4.1 喷头设计
喷头是氧枪的核心部分，其基本功能可以说是个能量转换器，它将管中氧气的高压力能转化为动能，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。
（1）氧气顶吹转炉炼钢对喷头设计的主要要求是：
1）在一定的操作氧压和氧位的条件下，为吹炼提供所需供氧强度，使氧气射流获得较大的动能，以合适的穿透深度，对熔池搅拌同时又不致引起较大的喷溅。为此，要求正确设计工况氧压和喷孔的形状、尺寸，并要求氧气射流沿轴线的衰减应尽可能的慢。
2）在合适的枪位下，氧气射流在熔池面上要形成合理的反应区，保证熔池反应均匀，对炉衬浸蚀小而均匀。尤其对多孔喷枪，要求各股氧气射流达到熔池表面上时不要汇合能形成多个反应区。这要求氧气射流在熔池面上有合适的冲击直径。
3）氧枪喷头寿命要长，为此要求喷头的结构合理、简单，要求氧气射流沿氧枪轴线不出现负压区和强的湍流运动。
（2）喷头参数选择的原则：
1）氧流量或供氧强度。氧流量是指单位时间通过氧枪的氧量（Nm3/min或Nm3/h）。供氧强度是指单位时间每吨钢的供氧量，在转炉设计中常用单位时间转炉每公称吨位的供氧量（Nm3/t2min）。
氧流量是氧枪设计的重要参数。当出口马赫数和操作氧压选定后，喷头的喉口面积就
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取决于氧流量。氧流量计算式为：
每吨钢耗氧量?出钢量氧流量＝
吹氧时间吹氧时间一般约12～20min，小容量转炉取下限。每吨钢耗氧量，若用低磷铁水约为45～55Nm3/t左右，采用高磷铁水约为60～90Nm3/t，若用铁水预处理，则可选用低限值。
2）喷头的孔数。除小容量转炉外，现在转炉皆用多孔喷头，有3、4、5孔等。由于多孔喷头变集中供氧为分散供氧，增大了氧射流同熔池的冲击面积，取得了显著的吹炼效果。但是，与单孔喷头比较，多孔喷头氧射流衰减较快，吹炼枪位较低，从而对喷头的冷却要求更高，结构更复杂。本设计采用三孔喷头，喷孔拉瓦尔型。
3）喷头出口处马赫数（M）与设计工况氧压。设计工况又称理论计算氧压，它是指喷头进口处的氧气压强，它近似等于制止氧压P0（绝对压力）。因为氧气测压点一般在快速切断阀之前，从此处至喷头前还有压力损失，但又无法测量，因此，就难于保证设计工况氧压的精确度。
马赫数M是喷头设计的又一重要参数。M值与设计工况氧压P0和出口压力P的比值（P/P0）有确定的对应关系，而P值基本不变，因此，P0的选定实质上就是出口马赫数M的选定。随着M值的增大，喷头氧气射流出口速度V要提高，从提高转炉熔池的搅拌力出发，希望选用更高的M，然而P0也要相应提高。当M＞2以后，氧气射流出口速度V增加变慢，而P0提高很快，这在经济上也是不合适的。目前国内外氧枪喷头出口马赫数多选用2.0左右，在总管氧压允许条件下，也有的选用2.2～2.3。
当选好P0后，一般是将炉役期的最低操作氧压定为设计工况氧压来进行喷头设计的。根据试验数据表明，操作氧压低于设计工况氧压（负偏离）约10％，或不超过设计工况氧压（正偏离）的50％时，产生的激波或膨胀波不严重。
4）炉膛压力。喷头出口的环境压力对氧枪喷头来说是指炉膛压力，它与喷头出口压力的差异决定了氧气出口后的流态，所以，炉膛压力亦是喷头设计的重要参数之一。在吹炼过程中喷头周围的情况是复杂的（如泡沫渣形成前或后），炉膛压力也随之变化，其影响尚需专题讨论研究。另外，转炉容量不同，炉膛压力也稍有差异。根据实测数据，一般炉膛压力可选为0.009～0.1 02MPa。为了使氧气射流的展开和速度衰减变慢，一般应选取
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喷头出口压力等于炉膛压力。
5）喷孔夹角和喷孔间距。多孔喷头的喷孔夹角是指喷孔几何中心线和喷头中轴线之间的夹角（β角），它是多孔喷头设计的重要参数之一，氧气射流沿喷孔向外喷射过程中，多股射流之间发生相互吸引而使射流向中心偏移，每股射流在同熔池作用处的最大冲力点和喷头中轴线之间的距离成为冲击半径。冲击半径大小主要决定于喷孔夹角和枪位，同时也受马赫数、氧压、喷孔间距的影响。生产经验证明，冲击半径R冲和熔池半径R熔之比（成为循环比R比）是对转炉冶炼有重大影响的参数之一，因为它影响着熔池的循环运动。多孔喷头要求R比＝0.1～0.2，中小型转炉R比＝0.1～0.15。选择R比时还应参考熔池深度与熔池直径的比值大小，该比值大，则R比可小些，反之，则R比大些。随着喷头孔数的增加，喷孔夹角应增大。本设计中β取9°。
喷孔间距（d间）是指喷头喷孔出口处喷孔中心线与喷头中轴线之间的距离，它对射流之间的相互作用也产生很大的影响。其值大小通常用喷孔分散度m（它等于喷孔间距和喷孔出口直径之比d间/d出）表示。如果喷孔间距（分散度）过小，会增大氧射流之间的吸引程度。从降低喷孔之间的氧射流汇交趋势考虑，增大喷孔间距（分散度）同增大喷孔夹角是一致的。但是增大喷孔间距不会降低射流中心最大流速，而增大喷孔夹角则有降低射流中心最大流速的趋势。因此，喷头设计时原则上应尽可能增大喷孔间距（分散度），而不应轻易增大喷孔夹角，但增大喷孔间距又往往受到喷头尺寸的限制。根据三孔喷头的冷态测定表明，在喷头端面，当喷孔分散度m＝0.8～1.0时，不会对氧射流的速度衰减产生明显的影响。 本设计中取m＝1.0。
6）喷孔端面的形状。对于单孔喷头，其端面呈平面。对于多孔喷头由于每个喷孔同喷头中轴线呈一定夹角。如果整个喷头端面形状是平面，则每个喷孔出口端面将呈斜面形状，斜口超音速喷管射流流出的边界条件是不对称的，这时射流流态必然受到边界几何条件的影响，产生射流沿斜口管壁流动的复杂情况。因此，喷头端面应设计成与喷头轴线的垂直平面相交的夹角为β的圆锥面，而β角正相当于喷孔夹角。这样喷孔便成为正口拉瓦尔喷管。为了改善锥面受热情况，若喷头中心轴线处未设喷孔，可用一个垂直于喷头中心轴线的小平面替代尖锥顶较为合适。
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7）喷孔的形状。现在氧气顶吹转炉喷头基本上都用超音速的拉瓦尔喷头，它由收缩段、喉口和扩张段三部分组成。设计一个气动特性很好的超音速喷管需要进行大量的计算，而且喷管内形是一个复杂的曲面，其喉口又是收缩段和扩张段曲面相接的一个面，其长度趋近于零，因此，加工十分困难。
氧气喷孔主要作用是将压力能转化为动能，使获得的氧气射流对熔池有较大的冲击能力。因此，对喷管设计进行简化，使喷管成圆锥形，也便于加工制造。实践证明，可以满足冶炼要求。
圆锥形喷管的收缩段的半锥角可允许大到30°左右，收缩段入口处的直径一般希望大于喉口直径的二倍，若半锥角为30°时，则收缩段长度约相当于喉口直径的一倍。圆锥形喷管的喉口有一定的长度，其等截面长度应尽量短，一般取2～10mm。而且要求收缩段和扩张段与直线段呈圆滑连接，不要出现棱角。这种喷管加工容易，可确保喉口尺寸精确。
圆锥形喷管扩张段的半锥角一般4°～6°，根据喉口直径和出口直径，选定半锥角后便可算出扩张段长度。
8）喷管流量系数。喷管氧气流量的公式是根据等熵流理论导出的，但是，即使设计和加工都良好的氧枪喷管，也不可能实现等熵流。生产上所用氧枪喷管当氧流流过时必定有摩擦，不完全决热，因此，必然存在一定的偏差。通常用喷管流量系数CD表示实际流量和理论流量的偏差，即：
CD＝Q实/Q理
因此，喷管的实际氧气流量计算式应是：
Q＝17.64CDA喉P0T0 Nm3/min
对于加工一般的单孔喷头，CD＝0.95～0.96；三孔喷头的CD＝0.90～095。若喉口处出现棱角将显著降低喷管流量系数。
3）本次设计的是120t氧气顶吹转炉的氧枪喷头。
1）冶炼钢种以低碳钢为主，多数钢种C≤0.10％，根据铁水成分和所炼钢种进行物料平衡计算，取每吨钢铁料耗氧量为50m3，依国内转炉目前所达到的供氧强度和冶炼技术水平，吹氧时间取18min。
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2）计算氧气流量。当装入量为120t时氧气流量为：
Q?50?120?333.33Nm3/min 183）选定喷孔出口马赫数M=2.0，采用三孔喷头，喷孔拉瓦尔型，喷孔夹角9°。 4）计算设计工况氧压和喉口直径：查等熵流表，当M＝2.0时，P/P0＝0.1287，取P＝P膛＝0.099MPa代入，则设计工况氧压为：P0＝0.099/0.1287＝0.769MPa，
每孔氧流量：q?Q333.33??111.11Nm3/min 33取CD＝0.92，T0＝290K，P0＝0.769MPa=7.84kg/cm2，则喉口直径为：
q?17.64CD∴ d喉＝4.35cm
P0A喉T0，
5）确定喷孔出口直径：
π2π2根据M＝2.0，查等熵流表的：A出/A喉＝1.688，即d出＝1.688?d喉
44则 d出＝1.688d喉＝1.688?43.5＝56.52mm
6）确定喷孔其它几何尺寸：取喷孔喉口的直线段长度为3mm。扩散段的半锥角取5度，则扩张段长度L为：
L?d出－d喉2tg5?＝56.52－43.5＝74.4mm
2?0.08749收缩段的直径以能使整个喷头布置得下三个喷孔为原则，尽可能采取收缩孔大一些。为此，取收缩段进口尺寸d收＝38mm，其收缩段长度L收＝0.8d收＝ 0.8340≈30.00mm。收缩段半锥角θ锥为：
θ锥＝tg?1d收?d喉2L收＝10.26?
喉口直线段两端以光滑圆弧与两个圆锥相切。
4.2 氧枪水冷系统
氧枪枪身尺寸的确定（以上面120t转炉为例）：氧枪枪身由三层同心无缝钢管组成，
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