适用于不同型号铁水罐或不同脱硫剂的旋转喷吹脱硫喷枪

摘要

本发明公开了一种适用于不同型号铁水罐或不同脱硫剂的旋转喷吹脱硫喷枪，包括连接法兰、连接段喷枪本体、枪身段喷枪本体和喷枪段，所述喷枪段的主管和增强管外壁上对称设置有多个旋转叶片，所述旋转叶片包括叶片金属芯，所述主管底部的侧壁上对称设置有多个内插式喷管，所述内插式喷管穿过叶片金属芯，所述叶片金属芯外侧的内插式喷管外壁上设置有石墨套管。本发明的喷枪大幅度提高了喷吹脱硫过程中脱硫剂的上浮时间和穿透气泡比例，明显缩短了熔池的混匀时间，显著提高了脱硫反应的脱硫动力学条件，降低了铁水液面波动，使发明的脱硫新方法可用于不同脱硫剂和不用大小铁水罐上的喷吹脱硫。

说明书

技术领域

本发明涉及铁水预处理领域，具体地指一种适用于不同型号铁水 罐或不同脱硫剂的旋转喷吹脱硫喷枪。

背景技术

铁水预处理脱硫作为现代钢铁工业生产流程中必备的工序，已成 为洁净钢生产平台的关键技术之一。在众多脱硫方式中，铁水喷吹脱 硫以其一次性投资少、操作简便、铁水温降小等特点在国内外得到广 泛应用。铁水喷吹脱硫是利用插入容器中铁水深处的喷枪，通过喷吹 通道由高压氮气将脱硫粉剂大流量喷入温度大于1250℃以上的铁水 中，并使脱硫剂与铁水充分接触反应，从而将铁水中的硫脱除。由此 可见，喷枪是喷吹脱硫工艺的关键部件，其作用不仅要将脱硫粉剂导 入熔融铁水深处，同时，还要通过喷口的喷射流场组织和喷吹气体的 搅拌动能，实现脱硫剂在铁水中分散混合，提高铁水脱硫反应接触面 积与传质速度，达到铁水高效脱硫的目的

目前，实际生产中有多种铁水喷吹脱硫工艺，按照脱硫剂种类不 同可分为纯颗粒镁喷吹、镁基混合或复合喷吹、钙基混合或复合喷吹。 根据脱硫剂的种类不同，不同工艺使用的脱硫喷枪形式也不尽相同， 如纯颗粒镁喷吹工艺中，镁脱硫剂容易气化，由于中小型铁水罐铁水 深度浅，铁水中金属颗粒镁上浮行程小、停留时间短，无法在上浮过 程中完成金属颗粒镁的气化与溶解，一般采用气化室喷枪，而大型铁 水罐上浮行程较长，则一般采用直通单喷口的喷枪形式；钙基、镁基 混合或复合喷吹工艺中一般使用倒T形双喷口和直通单喷口喷枪。

通过实际生产调研和水模试验研究，目前铁水喷吹脱硫工艺在实 际生产中存在的主要问题有：

(1)纯镁气化室喷枪喷吹脱硫过程中，由于镁脱硫剂首先在喷 枪气化室内预气化，金属镁以大气泡形式从喷枪底部排出，导致镁气 泡界面的比表面积小，影响了金属镁通过气泡界面向铁水中的溶解速 度以及镁气泡的界面脱硫反应和铁水中溶解镁的均相脱硫反应；同 时，气化室内大气泡排出导致气化室内压力波动、喷枪摆动，自由液 面的大气泡溢出引起液面剧烈波动、甚至喷溅和镁蒸汽的逃逸，降低 金属镁的脱硫利用率，限制了金属镁喷吹强度的提高；再次，使用过 程中，喷枪气化室内壁粘渣严重，为了维持气化室足够的气化空间与 金属镁的稳定气化，必须不断地对气化室内壁粘渣进行清理，但促进 了气化室的破损进程，影响了喷枪使用寿命、使用性能以及生产效率， 给实际生产应用带来不便，增加了生产维护的难度与生产成本。

(2)纯镁直通喷枪喷吹脱硫过程中，由于纯镁直通喷枪未设置 气化室，镁颗粒没有进行气化室内预气化，该工艺中金属颗粒镁的气 化与溶解均是在金属颗粒镁铁水中上浮过程完成，影响了金属镁的利 用率；若气泡上浮距离和停留时间不足，还将导致大量镁气泡液面溢 出逃逸，并带来铁水喷溅；此外，由于大喷吹流量时气泡束在上浮过 程中存在气泡合并聚集现象，出现瞬间大量气泡溢出液面，引起铁水 剧烈喷溅，因而金属颗粒镁喷吹强度也不能太大。

(3)镁基和钙基喷吹脱硫过程中，由于喷枪喷射流场搅拌动能 的限制，脱硫剂利用效率难以进一步提高，导致脱硫剂消耗高，脱硫 剂的脱硫功效未能充分发挥，脱硫生产效率较低，脱硫生产成本还有 进一步降低的空间。

针对上述不足，相关学者先后开展了大量的喷枪结构优化研究工 作。例如：对于纯镁气化室脱硫过程中存在的喷枪摆动大、镁蒸汽大 气泡液面溢出引起的液面剧烈波动震荡与翻腾等问题，申请号为 200810237411.7的中国发明专利公开了一种铁水纯喷颗粒镁脱硫用 气化室喷枪，其主要特征在于：气化室形状为圆台与圆柱的组合形状 或圆柱状，汽化室的末端为喷枪下部出口，侧壁上设置有2～12个喷枪 侧部出口，喷枪侧部出口的中心线与等高面的最小夹角为0～60°，喷 枪侧部出口或为圆形孔或为椭圆形孔或为喇叭形孔或为方形孔。具有 气体在铁水中逸出均匀、气泡连续、喷吹稳定、液面波动小且喷溅少 的优点。但从该专利的结构来看，喷枪侧壁上设置2～12个出口易被气 化室内壁粘渣堵塞，导致侧部出口排气不稳定，同时也给气化室内壁 粘渣清理带来困难，目前未见实际生产应用的报道。

为了提高纯镁直通喷吹中金属颗粒镁喷吹强度，文献“舍甫钦科 АФ，巴什马科夫АМ，马那钦ИА等，铁水包内大用量喷镁脱硫工 艺，炼钢，2013，No6,5-8”，在台湾中钢300吨铁水罐上采用双喷口 喷枪取代原单喷口直通式喷枪进行铁水纯喷金属颗粒镁脱硫，在铁水 脱硫稳定生产的条件下，金属颗粒镁喷吹强度提高50～120％(达 16～25kg/min)镁利用率提高了25～35％(平均达到47.3％)，并相应地 缩短了铁水喷吹脱硫作业时间，但吨铁金属颗粒镁平均消耗为 0.41kg/t，比其他钢厂报道的平均值高30％以上。

为了改善镁基和钙基复合喷吹脱硫动力学条件，申请公开号为 CN102719590的中国专利，提供了一种倒T型喷枪旋转装置及其脱硫 方法，喷吹脱硫过程中通过旋转电机带动倒T形喷枪进行旋转角度为 ±35°～±45°的周期性往复旋转，以增加脱硫剂的上浮行程，缩短 熔池混匀时间，减少喷吹过程中的喷溅和堵枪现象；但通过水模演示 试验分析，由于流股旋转半径较小，喷吹上升流股仍位于熔池中心， 对延长脱硫剂上浮行程和缩短熔池混匀时间有限，目前也未见到实际 生产报道。文献“孙兴洪，夏幸明，龙川江.铁水罐双枪脱硫的理论 与实践[J].钢铁，2007，42(1)：27-30”.报道了宝钢铁水罐双枪喷吹 脱硫2根喷枪同时插入铁水包喷吹脱硫剂)的试验效果，相比常规单 枪工艺，双枪喷吹方法能大幅度减少喷吹时间及温降，平均纯喷吹时 间由11.70min缩短为3.25min，平均处理温降有14.0℃降低为4.0℃， 脱硫粉剂的喷吹速度达到单枪喷吹的3倍，但该工艺需要新增一套喷 吹装置。

综合上述分析可见，对于实际生产应用的两种铁水纯喷金属颗粒 镁脱硫工艺其存在的镁脱硫剂利用率低、气化室粘渣、液面波动剧烈、 喷吹强度低等固有不足，目前喷枪结构研究优化结果均未涉及问题本 质，只是设法减缓或弥补；而对于镁基、钙基复合喷吹脱硫工艺，随 着下游工序对脱硫产能和深脱硫比例要求的不断提高，其脱硫动力学 条件仍有较大优化空间；同时，不同脱硫工艺所需喷枪形式也不尽相 同，影响了企业喷吹脱硫生产成本的降低和不同条件下技术的推广应 用。

发明内容

本发明的目的是针对上述不足提供一种用于金属颗粒镁、镁基或 钙基脱硫剂和不同型号铁水罐上的旋转喷吹脱硫喷枪及其使用方法， 既克服了中小型铁水罐纯镁脱硫使用气化室喷枪喷吹带来的气化室 粘渣维护频繁、液面波动剧烈、喷枪震动大和临界喷吹流量小等固有 缺点，又避免了大型铁水罐直通喷枪喷吹工艺中脱硫剂利用率低、镁 喷吹强度低等不足，同时还可以大幅改善镁基和钙基复合、混合喷吹 脱硫工艺中脱硫反应动力学条件，提高脱硫剂利用率和生产效率，降 低生产成本。

本发明提供的一种适用于不同型号铁水罐或不同脱硫剂的旋转 喷吹脱硫喷枪，包括连接法兰、连接段喷枪本体、枪身段喷枪本体和 喷枪段，所述连接段喷枪本体、枪身段喷枪本体和喷枪段由内至外依 次为主管和增强管，所述主管外侧以轴线为中心线由内向外呈发射状 均匀布置有多条用于连接增强管的搭桥焊接件，且所述穿过增强管上 的开孔内，所述喷枪段的主管和增强管外壁上对称设置有多个旋转叶 片，所述旋转叶片包括叶片金属芯，所述主管底部的侧壁上对称设置 有多个内插式喷管，所述内插式喷管穿过叶片金属芯，所述叶片金属 芯外侧的内插式喷管外壁上设置有石墨套管，所述枪身段喷枪本体的 增强管和叶片金属芯外壁上的锚固件，所述枪身段喷枪本体和喷吹段 外壁上浇筑耐火材料枪衬，且耐火材料枪衬覆盖锚固件。所述锚固件 包括V形锚固件和双V形锚固件，所述V形锚固件组和双V形锚固 件组在叶片金属芯外表面错位排列焊接。

进一步地，所述主管伸入喷枪底部，所述主管底部管口上设置有 主管封头。

再进一步地，所述增强管底部设置有增强管封头，所述增强管封 头焊接在主管和增强管管壁上，且增强管封头在内插式喷管上方。

再进一步地，所述叶片金属芯的数量为2～4个。

再进一步地，所述耐火浇注料衬由内至外均由隔热缓冲层和耐火 浇注料层组成，所述隔热缓冲层和耐火浇注料层结合面涂刷了有机硅 偶联剂；所述隔热缓冲层的厚度为2～5mm。

本发明的旋转喷吹脱硫喷枪的使用方法为：

1)设备完善

采用本发明的旋转喷吹脱硫喷枪，在本发明的喷枪上安装常规的 喷粉软管、连接法兰、旋转接头、旋转驱动装置和悬挂装置及喷枪枪 体；

2)工艺参数的完善：

(1)金属颗粒镁铁水脱硫工艺

(a)对于原为中小型铁水罐气化室喷枪纯喷金属颗粒镁铁水脱 硫工艺，金属颗粒镁粒径范围为0.5～1mm，金属颗粒镁中Mg的百分 含量≥70％；控制喷枪插入深度，使喷口管出口距离罐底200～250mm； 金属镁喷吹强度随着颗粒镁中Mg的百分含量的降低而增大，可在原 工艺喷枪强度的80～150％间选择；根据喷枪喷口管数量与喷射口总面 积，控制喷吹载气压力与流量，使喷口平均喷射速度V＞V1(V1为 金属颗粒镁侵入铁水中所必需的最小临界速度)，具体可按照文献“吴 巍，胡砚斌，喷吹法铁水脱硫反应动力学分析研究，钢铁，2006， No11,17-19”提供的计算公式或图表进行V1的计算或查表选择；其 他工艺参数和控制方式与原工艺相同。

(b)对于原为中大型铁水罐单喷口直通式喷枪纯喷金属颗粒镁 铁水脱硫工艺，金属颗粒镁粒径范围为0.5～1.6mm，金属颗粒镁中 Mg的百分含量≥70％；控制喷枪插入深度，使喷口管出口距离罐底 250～350mm；金属镁喷吹强度随着颗粒镁中Mg的百分含量的降低而 增大，可在原工艺喷吹强度的100～200％间选择；根据喷枪喷口管数 量与喷射口总面积，控制喷吹载气压力与流量，使喷口平均喷射速度 V＞V1(V1为金属颗粒镁侵入铁水中所必需的最小临界速度)，具体 可按照文献“吴巍，胡砚斌，喷吹法铁水脱硫反应动力学分析研究， 钢铁，2006，No11,17-19”提供的计算公式或图表进行V1的计算或 查表选择；其他工艺参数和控制方式与原工艺相同。

(2)钙基和镁基复合或混合喷吹铁水脱硫工艺

(a)对于钙基和镁基复合或混合喷吹铁水脱硫工艺，可在脱硫 剂原材料和气固输送比例不变的条件下，可提高喷吹强度50％以上， 同时提高脱硫剂利用率。

3)旋转喷吹脱硫喷枪具体使用方法

(1)脱硫控制系统计算完喷吹数据后，启动喷吹脱硫作业；喷 吹工艺参数根据具体脱硫剂和铁水罐容量大小不同，按照上述工艺参 数选择。

(2)当脱硫剂下料速率达到设定值后，旋转驱动装置控制喷枪 进行同向持续旋转，旋转速度为5-90r/min。

(3)喷吹脱硫剂量达到设定值后，旋转驱动装置控制喷枪停止 转动。

(4)其他工艺步骤与常规喷吹脱硫方法相同。

本发明的有益效果在于：

1)本发明通过旋转脱硫喷枪喷吹脱硫过程中旋转，使气泡和脱 硫剂上浮轨迹由直线转变为螺旋上升，延长了脱硫剂上浮行程和时 间；通过喷枪旋转叶片的设置和同向持续旋转，使熔池内产生向下的 抽力，进一步阻碍脱硫剂的上浮，同时加速熔池内脱硫剂和铁水的混 匀。

2)本发明通过喷枪多个喷口的设置，降低了单股喷吹气体的上 浮强度，削弱了因单流股集中引起的液面波动和喷溅，提高了脱硫剂 喷吹强度；通过喷口设于旋转叶片端部，进一步加大脱硫剂螺旋上浮 半径行程，使上升流股相对于熔池偏心上浮，缩短熔池的混匀时间， 同时，加大了喷口旋转时的切向速度，加剧了脱硫剂和喷吹气泡的运 动方向和速度差值，提高了脱硫剂的穿透比例。

3)本发明的内插式喷管喷口的持续的一定半径转动也进一步降 低了单流股上浮至液面时的流股集中，更进一步地削弱了铁水液面波 动。

4)本发明通过耐火材料工作衬的隔热缓冲层和耐火浇注料层的 双层结构设计，提高了耐火材料工作衬的导热热阻，降低了枪芯、叶 片金属芯等金属构件的实际工作温度，提高了喷枪抗高温性能与抗热 震裂纹破损能力；通过隔热缓冲层和耐火浇注料层结合面有机硅偶联 剂的涂刷，增强了隔热缓冲层和耐火浇注料层的界面结合强度，提高 了耐火材料工作衬的综合性能与抗破损能力，达到延长喷枪的使用寿 命的目的。通过金属内插喷管设计，便于喷管使用过程中堵塞后的喷 管抽拔更换；通过金属内插喷吹管外套石墨套管的技术措施，利用石 墨的抗侵润性能，防止喷吹管堵塞，进一步提高喷枪的使用性能。

综上所述，本发明的喷枪大幅度提高了喷吹脱硫过程中脱硫剂的 上浮时间和穿透气泡比例，明显缩短了熔池的混匀时间，显著提高了 脱硫反应的脱硫动力学条件，降低了铁水液面波动，使发明的脱硫新 方法可用于不同脱硫剂和不用大小铁水罐上的喷吹脱硫；克服了中小 型铁水罐纯镁脱硫使用气化室喷枪喷吹带来的气化室粘渣维护频繁、 液面波动剧烈、喷枪震动大和临界喷吹流量小等固有缺点；避免了大 型铁水罐直通喷吹工艺中脱硫剂利用率低、镁喷吹强度低等不足；也 大幅改善了镁基和钙基复合、混合喷吹脱硫工艺中脱硫反应动力学条 件，提高了脱硫剂利用率和生产效率，降低了生产成本。因而，本发 明可适用不同铁水罐上不同品质金属颗粒镁直接喷吹铁水脱硫工艺 以及镁基、钙基脱硫剂喷吹铁水脱硫工艺，达到改善铁水脱硫动力学 条件、喷吹稳定、成本低廉、脱硫高效、喷枪使用寿命长等目的。

附图说明

图1为旋转喷吹脱硫喷枪的结构示意图；

图2为图1的A-A图；

图中，连接法兰1、连接段喷枪本体2、枪身段喷枪本体3、喷 枪段4、主管5、主管封头5.1、增强管6、增强管封头6.1、搭桥焊 接件7、叶片金属芯7.1、内插式喷管8，内插式喷管8、石墨套管8.1、 锚固件9、耐火材料枪衬10。

具体实施方式

为了更好地解释本发明，以下结合具体实施例进一步阐明本发明 的主要内容，但本发明的内容不仅仅局限于以下实施例。

实施例1

如图1～2所示，一种适用于不同型号铁水罐或不同脱硫剂的旋转 喷吹脱硫喷枪，包括连接法兰1、连接段喷枪本体2和枪身段喷枪本 体3和喷枪段4，连接段喷枪本体2、枪身段喷枪本体3和喷枪段4 由内至外依次为主管5和增强管6，主管5外侧以轴线为中心线由内 向外呈发射状均匀布置有多条用于连接增强管6的搭桥焊接件7，且 穿过增强管6上的开孔内，喷枪段4的主管5和增强管6外壁上对称 设置有4个旋转叶片7，旋转叶片7包括叶片金属芯7.1，主管5底 部的侧壁上对称设置有4个内插式喷管8，内插式喷管8穿过叶片金 属芯7.1，叶片金属芯7.1外侧的内插式喷管8外壁上设置有石墨套 管8.1，枪身段喷枪本体3的增强管6和叶片金属芯7.1外壁上的锚 固件9，枪身段喷枪本体3和喷吹段4外壁上浇筑耐火材料枪衬10， 且耐火材料枪衬10覆盖锚固件9。锚固件包括V形锚固件和双V形 锚固件，V形锚固件组和双V形锚固件组在叶片金属芯外表面错位 排列焊接。

主管5伸入喷枪底部，主管5底部管口上设置有主管封头5.1。

增强管6底部设置有增强管封头6.1，增强管封头6.1焊接在主 管5和增强管6管壁上，且增强管封头6.1在内插式喷管8上方。

再进一步地，耐火浇注料衬10由内至外均由隔热缓冲层和耐火 浇注料层组成，隔热缓冲层和耐火浇注料层结合面涂刷了有机硅偶联 剂；隔热缓冲层的厚度为2～5mm。

本发明的旋转喷吹脱硫喷枪的使用方法为：

1)设备完善

采用本发明的旋转喷吹脱硫喷枪，在本发明的喷枪上安装常规的 喷粉软管、连接法兰、旋转接头、旋转驱动装置和悬挂装置及喷枪枪 体(6)；

2)工艺参数的完善：

(1)金属颗粒镁铁水脱硫工艺

(a)对于原为中小型铁水罐气化室喷枪纯喷金属颗粒镁铁水脱 硫工艺，金属颗粒镁粒径范围为0.5～1mm，金属颗粒镁中Mg的百分 含量≥70％；控制喷枪插入深度，使喷口管出口距离罐底200～250mm； 金属镁喷吹强度随着颗粒镁中Mg的百分含量的降低而增大，可在原 工艺喷枪强度的80～150％间选择；根据喷枪喷口管数量与喷射口总面 积，控制喷吹载气压力与流量，使喷口平均喷射速度V＞V1(V1为 金属颗粒镁侵入铁水中所必需的最小临界速度)，具体可按照文献“吴 巍，胡砚斌，喷吹法铁水脱硫反应动力学分析研究，钢铁，2006， No11,17-19”提供的计算公式或图表进行V1的计算或查表选择；其 他工艺参数和控制方式与原工艺相同；

(b)对于原为中大型铁水罐单喷口直通式喷枪纯喷金属颗粒镁 铁水脱硫工艺，金属颗粒镁粒径范围为0.5～1.6mm，金属颗粒镁中 Mg的百分含量≥70％；控制喷枪插入深度，使喷口管出口距离罐底 250～350mm；金属镁喷吹强度随着颗粒镁中Mg的百分含量的降低而 增大，可在原工艺喷吹强度的100～200％间选择；根据喷枪喷口管数 量与喷射口总面积，控制喷吹载气压力与流量，使喷口平均喷了射速 度V＞V1(V1为金属颗粒镁侵入铁水中所必需的最小临界速度)， 具体可按照文献“吴巍，胡砚斌，喷吹法铁水脱硫反应动力学分析 研究，钢铁，2006，No11,17-19”提供的计算公式或图表进行V1的 计算或查表选择；其他工艺参数和控制方式与原工艺相同。

(2)钙基和镁基复合或混合喷吹铁水脱硫工艺

(a)对于钙基和镁基复合或混合喷吹铁水脱硫工艺，可在脱硫 剂原材料和气固输送比例不变的条件下，可提高喷吹强度50％以上， 同时提高脱硫剂利用率。

3)旋转喷吹脱硫喷枪具体使用方法

(1)脱硫控制系统计算完喷吹数据后，启动喷吹脱硫作业；喷 吹工艺参数根据具体脱硫剂和铁水罐容量大小不同，按照上述工艺参 数选择。

(2)当脱硫剂下料速率达到设定值后，旋转驱动装置控制喷枪 进行同向持续旋转，旋转速度为5-90r/min。

(3)喷吹脱硫剂量达到设定值后，旋转驱动装置控制喷枪停止 转动。

(4)其他工艺步骤与常规喷吹脱硫方法相同。

实施例2

本实施例与实施例1基本相同，不同之处在于：旋转喷枪的旋转 叶片7和内插式喷管8的个数均为3个。

实施例3

本实施例与实施例1基本相同，不同之处在于：旋转喷枪的旋转 叶片7和内插式喷管8的个数均为2个。

其它未详细说明的部分均为现有技术。尽管上述实施例对本发明 做出了详尽的描述，但它仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部实 施例，人们还可以根据本实施例在不经创造性前提下获得其他实施 例，这些实施例都属于本发明保护范围。