RH多功能頂槍設計及制造的實踐探討

雷雨田，任彤，陳亞文

RH多功能頂槍設計及制造的實踐探討

雷雨田1，任彤2，陳亞文2

(1.蘇州寶聯重工股份有限公司，江蘇蘇州215152; 2.中國重型機械研究院股份公司，陜西西安710032)

頂槍是RH爐外精煉裝備中的重要設備，在冶煉超低碳鋼的作用尤為重要，本文從制造工藝的角度出發，根據拉瓦爾孔型的頂槍結構特點，選擇紫銅做為槍頭材料，并制訂詳細的異種金屬焊接工藝，嚴格的質量檢驗，獲得批量制造的成功經驗，為實現頂槍的冶煉工藝和國產化奠定了堅實的基礎。

RH真空精煉;頂槍;拉瓦爾孔

0 前言

多功能頂槍是真空精煉的關鍵設備之一，可以對鋼液進行吹氧脫碳、噴粉脫硫和鋼液加熱，熔化冷鋼等工作，有效減輕轉爐負荷，縮短精煉時間。頂槍噴頭工作時離鋼液面最近，處于高溫區，要求具有良好的導熱性同時必須有充分的冷卻。噴頭的拉瓦爾孔型決定著吹向鋼液面的氣流特性，直接影響精煉效果。噴頭的材料采用紫銅，與槍體各鋼管之間均采用焊接連接，且屬于紫銅與鋼的異種金屬焊接，焊接難度及要求相對較高，為獲得良好的焊接質量，必須有詳細的焊接工藝來保證。

1 頂槍的基本結構

如圖1所示，頂槍采用水冷的多層套管結構。主氧氣管位于頂槍的中心層即第一層的位置，冷卻水管在主氧氣管的外層，是循環冷卻水進水通道;第3層是燃燒氧氣管;第4層是燃氣管;第5層是冷卻水管，是循環冷卻水回水通道。各管頭部與紫銅噴頭焊接，保證各層管道氣密性的密封件位于頂槍的尾部，允許各層管在受內外顯著的溫度變化時可自由膨脹和收縮;各層管上按一定距離在圓周上均勻分布著三個定位塊，保證各層管的同心度。

圖1 頂槍的基本結構Fig.1Basic structure of top lance

2 頂槍噴頭的研制

頂槍噴頭的型式國內外應用的很多，按孔型可分為拉瓦爾型、直筒型和螺旋型;按噴頭孔數又可以分為單孔噴頭和多孔噴頭。拉瓦爾多孔型噴頭是目前應用比較普遍且工藝效果良好，其結構如圖2所示，主氧氣孔為單個，其孔型為拉瓦爾;最外層是冷卻水通道，保持冷卻水通道暢通是頂槍槍頭設計的關鍵之一。進水腔體和回水腔體在槍頭處的連接必須考慮設置合適的加強筋，不但保證槍頭的強度和剛度，同時可有效對槍頭的各部分進行冷卻。

圖2 拉瓦爾型噴頭的結構Fig.2Structure of Laval lance head

單個主氧氣孔在大噸位的鋼包進行RH真空處理時，噴吹面積相對較小，無法滿足冶煉工藝要求，根據此要求蘇州寶聯重工股份公司設計開發出三個吹氧孔的頂槍槍頭，如圖3所示。三個主氧氣孔在圓周方向均布，吹氧時可加大與鋼液的接觸面，提高吹氧脫碳效率;中心為燃氣孔。冷卻水可環繞各孔，無冷卻死角。有效的冷卻使槍頭的壽命大大增加。

圖3 三吹氧孔噴頭結構Fig.3Structure of three Laval lance head

噴頭處于高溫區，必須選用熱傳導性能優良的材料，優先考慮高純度紫銅(TU1、TU2或TP1、TP2)，采取鍛件焊接或精密鑄造;且須采取相應的熱處理工藝消除鑄造或焊接應力，然后與槍體各層套管焊接。根據蘇州寶聯重工股份公司近年的實踐經驗，對鑄造噴頭的技術要求如下:

(1)鑄件必須致密，內、外表面光潔，不得有粘砂、裂紋、夾雜等缺陷。

(2)鑄件必須進行水壓試驗，試驗壓力1.5 MPa，保壓30 min不得有任何滲漏現象，壓降不大于1%。

(3)鑄件化學成份:Cu≥99.9%，P≤0.0015%，O≤0.006%，S+Fe≤0.01%，Sn+ Pb≤0.007%。

噴頭各層通道內部需環形相通以確保最小的流阻及良好的冷卻，尤其在噴頭局部設計時應考慮輔助的冷卻通道，通常采用在冷卻水進出通道間設計幾組相通的斜孔以強化冷卻效果或者在噴頭各層之間設計冷卻水循環通道。同時噴頭的結構設計要考慮到工藝性，以防止鑄造時造成冷隔缺陷或加工后不能有效檢測冷卻水通道是否符合設計要求。

頂槍噴頭材料為紫銅，成本較高，對于噴頭的毛坯及后續每個工序必須有詳細的檢測及加工工藝，才能保證噴頭的成品率在99.9%以上。

鑄造或鍛造噴頭毛坯均需經過熱處理(紫銅件通常采用固溶處理)，消除鑄造或鍛造應力同時細化晶粒。粗加工后對噴頭進行氣密性檢測，密封好噴頭進、出水通道后，試驗水壓升至2.0 MPa，保壓1 h，無泄漏、壓降或異常變形為合格，再轉機加工車間進行各部位尺寸的加工。

噴頭的粗加工主要是去除鑄件或鍛件表面的加工余量和澆、冒口殘渣。粗加工后進行超聲波檢測，檢測內部無裂紋、氣孔等缺陷，確認合格后再進行精加工。噴頭精加工的關鍵是拉瓦爾孔的加工。蘇州寶聯重工股份有限公司在加工拉瓦爾孔時采用單刃錐度鉸刀，全面提高了拉瓦爾孔的加工質量，降低了加工成本。在此需指出一點:由于噴頭結構為多層薄壁件，在加工時要做專用工裝來夾持以降低工件夾持力，避免噴頭加工后變形，這樣才能確保鉸出的拉瓦爾孔符合設計要求。表1為噴頭加工時的各種工藝參數。

表1 噴頭加工工藝參數Tab.1Parameters of lance head

3 槍體的研制及實踐

槍體的作用是為槍頭所需要的各種介質提供通道，為多層套管結構，對于槍體材質的選擇，氧氣管通常用不銹鋼管，其它介質的管道選用無縫鋼管。綜合考慮無縫鋼管的規格、性能以及目前國內材料的現狀，認為優先選用低中壓鍋爐用無縫鋼管(GB3087－1999)，材料牌號為20#。無論選取以上哪種鋼管，都必須經過嚴格檢驗完全合格后才可進入下一步的制造環節。

槍體的長度主要是根據真空槽、熱彎管的高度以及噴頭距真空鋼液面上平面的距離來確定。其中還須考慮到升降裝置的結構形式。頂槍的長度一般都在10 m以上，保證槍體的直線度對槍體能否順利進入密封通道，防止槍頭被撞擊，提高槍體壽命等具有重要意義，所以槍體的直線度應在設計時予以明確規定。一般要求直線度不大于1/1000，且總長度范圍內不大于5 mm。在制作時由于密封通道內孔直徑比槍體直徑大5～6 mm左右，所以要求槍體鋼管圓柱度偏差在2 mm范圍以內。如果圓柱度偏差過大，則槍體進入密封通道的困難越大甚至不能進入，并造成密封通道中的密封氣囊損壞。有的槍體在槍頭部分由于考慮到為加大流速增強對噴頭的冷卻效果，同時為槍體頭部便于進入密封通道而做成斜率很小的錐形結構。

目前市場上的無縫鋼管直線度都無法達到頂槍的技術要求，所以在頂槍制作前先要對鋼管進行校直。校直一般分為粗校和精校，粗校在鋼管校直機上進行，粗校到直線度≤1.5/1000時開始精校，精校須做專門的校直工裝，將鋼管置于工裝的滾輪上，調好水平后，用絲杠進行校直，絲杠上安裝百分表進行跟蹤讀數，校直到直線度≤0.8/1000時即可。

由于鋼管的標準長度小于頂槍所要求的長度，所以必須拼接。在鋼管拼接前，先將經過校直的鋼管置于拼焊工裝上(該工裝為特殊設計并經精加工，直線度≤0.5/1000)對齊接口，用平尺檢查錯邊量及直線度完全符合設計要求后用氬弧焊的方法點焊拼接接頭，焊縫要求單面焊接雙面成型，故焊接時鋼管內充氬氣進行保護，焊接采用直流正接、多層焊接的工藝方法。

槍體對原材料(無縫鋼管)的尺寸精度要求相對較高，選取原材料時把好質量關，制作前對材料予以必要的整形會有利于整體質量的保證。由于頂槍結構為多層套管空心結構，而且要承受壓力，所以在槍體制作時必須要把握好以下幾個關鍵點:

(1)鋼管直線度≤1/1000;

(2)鋼管必須進行嚴格的脫脂處理;

(3)采用超聲波探傷檢查每道焊縫質量。

4 槍體與槍頭、槍尾的連接及密封

頂槍的密封指頂槍槍體各層套管之間的密封，是實現頂槍功能的關鍵，根據已經成功應用的頂槍的密封結構有兩種。一種為尾部各層之間設置O形密封圈，槍體各套管頭部與紫銅噴頭焊接，如圖1中的密封圈位置所示;另一種是尾部各層焊接，頭部設置O形密封圈，見圖4所示。采用密封的作用是允許各層管在熱脹冷縮時能夠自由伸縮。同時應確保介質在密封處不致泄漏，降低安全隱患和維修成本。

頂槍頭部密封更換噴頭容易，只需氣割割開頂槍外層套管與槍頭的焊接即可拆下槍頭更換，但由于尾部固定焊接不便于清理槍體里面的污垢;尾部密封時，槍體與槍頭之間用氣割全部割開后拆下槍頭，同時尾部密封可以拆開，槍體的各層套管完全分離，可以徹底清理各層套管之間的污垢，但是修理工作量大，現場不便于操作。必須返廠維修。維修后的使用效果和頂槍壽命更優。

圖4 槍體頭部密封Fig.4The forehead sealing for lance body

噴頭采用熱導性較好的紫銅為原材料，而槍體采用以20#為主的材料，噴頭和槍體之間的焊接屬于異種金屬焊接，異種金屬由于物理性能的差異，焊縫質量必須由正確的工藝參數來保證。為確保噴頭與槍體之間的焊接質量，采用MIG焊接(熔化極惰性氣體保護焊接)方案。

4.1 焊前準備

(1)對工件表面的油污、水等雜質進行清理干凈;

(2)檢查焊機除污導輪的間隙及表面質量，確保送出的焊絲潔凈無油污、水等雜質;

(3)使焊接位置處于平焊位置;

(4)用紅外線加熱器加熱工件并通過控溫儀控制溫度在650～700℃范圍之內。

4.2 焊接工藝操作方法

銅和20#鋼焊接工藝參數如表2所示。焊接工藝及操作方法必須按照MIG焊接的相關規范進行。在每一道焊縫完成后，在高溫下用專制紫銅錘錘擊焊縫附近區域以及焊縫，以消除焊接應力并細化焊縫晶粒;同時用肉眼觀察焊縫表面是否缺陷，并對發現的問題應及時處理，不允許帶入下一道工序;重要的是在每道焊縫焊接完畢后，將紅外線加熱器的加熱速度調到30℃/h，使焊縫保溫2 h后關閉加熱器，使焊縫緩冷到室溫，此時用銅絲刷清理焊縫表面。焊接完成并完全冷卻后，應對焊縫進行超聲波探傷。合格后方可進行下一道工序。

表2 銅和20#鋼焊接工藝參數Tab.2Weld parameter of Cu and 20#steel

5 頂槍裝配

對焊好的各層鋼管進行焊縫質量及尺寸檢測合格后進行組裝。組裝在裝配平臺上進行，用經緯儀找正工裝基準后開始組裝。由于頂槍以氧氣及燃氣為主要介質，所以組裝時禁止使用潤滑油(脂)。密封件均采用耐高溫的氟橡膠制作。安裝時各層鋼管的同心度、直線度須用工裝來保證，嚴禁強行裝配，以免損壞各套管的圓度及噴頭的表面質量。組裝槍體時在等高工裝上安裝軸承，使套管通過滾動軸承進入另一層套管;在裝配有密封圈的位置時，用液壓千斤頂緩慢壓入。

槍體組裝結束，經密封性能檢測完全符合技術要求后便可以進行涂裝，由于槍體工作在高溫及高溫輻射區，故涂裝所用的底漆及面漆均須采用耐高溫涂料，其中紫銅噴頭表面不宜涂漆以避免影響紫銅的散熱性能。

槍體與金屬軟管之間的連接形式可采用快速接頭或者法蘭連接形式，如果采用法蘭連接，一般情況下金屬軟管上的法蘭設計為活套法蘭以方便安裝與更換頂槍及軟管。

6 結束語

近年來蘇州寶聯重工股份有限公司開發設計多種頂槍結構，并成功應用于寶鋼等鋼鐵公司，在設計及制造方面積累了豐富的成功經驗。可以完全滿足工藝要求并替代進口產品，甚至噴頭部分的壽命已超過進口噴頭，獲得用戶好評。多功能頂槍的成功應用，為其國產化提供了較可靠的理論依據和實踐經驗。

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Practice of RH Multi－function top lance design and manufacture

LEI Yu-tian1，REN Tong2，CHEN Ya-wen2
(1．Suzhou Baolian Heavy Industry Co.，Ltd.，Suzhou 215152，China; 2．China National Heavy Machinery Research Institute Co.，Ltd.，Xi’an 710032，China)

Top lance is important equipment in RH refining．It has particularly very important role in ultralow carbon steel smelting．From the perspective of the manufacturing process，the copper is selected as the lance head material according to the structure and characteristics of Laval top lance．Dissimilar metal welding process is developed and strict quality inspection is implemented，which finally obtained successful experience．It established solid foundation to achieve the top lance smelting technology and localization．

RH refining;top lance;Laval hole

TP391

A

1001－196X(2017)01－0074－05

2016－11－15;

2016－12－08

雷雨田(1973－)，蘇州寶聯重工股份有限公司，工程師。