RH多功能頂槍噴粉管設計

劉 安，孫亞飛，任三兵

(1.寶鋼工程技術集團有限公司，上海 201900；2.寶鋼集團中央研究院，上海 201900)

RH多功能頂槍噴粉管設計

劉 安1，孫亞飛1，任三兵2

(1.寶鋼工程技術集團有限公司，上海 201900；2.寶鋼集團中央研究院，上海 201900)

研究了國內外帶有噴粉功能的RH多功能頂槍，分析了脫硫粉劑噴吹強度(單位時間噴吹量)和噴吹槍位(頂槍噴吹時距鋼液面的高度)以及脫硫粉劑顆粒大小對脫硫效果的影響，并采用CFD軟件分析噴粉管位置對噴粉射流和吹氧射流的影響，得到噴粉管與氧槍噴頭之間的合理位置范圍。為某廠設計的RH多功能頂槍噴粉管距離喉口的距離L取60～70 mm之間，噴粉系統可達到的最大噴吹強度為250 kg/min，脫硫率可達52%，使用效果良好。

RH；噴粉；氧槍；數值模擬

0 前言

RH真空脫氣裝置由于其具備產能大、脫氣效果好、鋼水純凈度高、成分控制精確等優點而被廣泛采用。隨著RH精煉工藝技術的不斷發展，RH冶金功能在不斷拓展。RH已經由原來單一的脫氣設備發展成為包含真空脫氣、吹氧脫碳、噴粉脫硫、溫度補償、均勻溫度和成分等的多功能爐外精煉設備。

日本住友和歌山廠于1994年開發了RH頂噴粉法(RH-PTB噴粉法)脫硫，即通過多功能頂槍向真空槽內的鋼液噴吹脫硫粉劑進行脫硫[1]。RH噴粉脫硫具有獨特的優越性： 高真空降低了鋼液中的氧活度，更加有利于脫硫；脫硫過程主要在循環流動的鋼液中進行，避開了鋼包頂渣對脫硫的影響；脫硫過程隔絕空氣不會因鋼液表面紊流而吸氮；脫硫反應為脫硫劑-鋼液界面反應，反應動力學條件更好。該方法噴吹的脫硫粉劑顆粒度小，與鋼液持續接觸的時間長，脫硫劑利用效率較高，能夠快速有效地將鋼液中的硫含量降低到極低水平[2-3]。

鑒于該RH噴粉法脫硫有很多優點，國內外其它廠家也相繼開發了如RH-MESID、RH-KTB(PB)、RH-WPB等各種RH頂噴粉法[4-5]。帶噴粉功能的RH多功能頂槍是RH頂吹噴粉法脫硫的關鍵裝備之一，除具有傳統的脫碳、加熱、化學升溫、二次燃燒等功能外，增加了噴粉功能，將脫硫粉劑噴吹到真空槽內的鋼液中，能夠快速有效地將鋼液中的含硫量降低到目標范圍內。本文針對帶噴粉功能RH多功能頂槍的噴粉管設計進行了分析和研究。

1 RH頂噴粉法和多功能頂槍

RH頂吹噴粉法(RH-PTB)是在RH真空精煉處理時的真空條件下，通過RH真空槽頂部的多功能頂槍以惰性氣體為載氣將粉末狀脫硫劑噴入真空槽內鋼水中進行脫硫處理的工藝方法。RH頂吹噴粉法系統原理簡圖如圖1所示。

圖1 RH頂吹噴粉法系統原理簡圖

RH頂噴粉法(RH-PTB噴粉法)向鋼液噴入脫硫劑粉是通過頂槍來完成的。與一般RH多功能頂槍不同，帶噴粉功能的RH多功能頂槍是在RH多功能頂槍的氧氣管中心設計一根噴粉管，接入噴吹系統，使原來的多功能頂槍增加噴粉功能。噴粉脫硫操作時，頂槍下降至噴粉槍位，脫硫粉劑經過噴粉管出口，通過頭部的氧槍噴頭(Laval管)噴出多功能頂槍進入真空槽內的鋼水。RH多功能頂槍頭部結構如圖2所示。

圖2 RH多功能頂槍頭部結構示意圖

2 設計與分析

國內外研究表明，RH多功能頂槍的脫硫粉劑噴吹強度(單位時間噴吹量)和噴吹槍位(頂槍噴吹時距鋼液面的高度)以及脫硫粉劑顆粒大小直接影響脫硫效果。RH噴粉在真空槽內進行，部分粉劑會隨真空槽內的氣流運動被吸入真空系統，噴吹槍位合理、粉劑顆粒大小合適，進入鋼水中粉劑多，粉劑利用率高，脫硫效果就好[3-6]。

生產實踐和研究都證明[3-8]：

(1)噴吹槍位越低(距鋼液表面近)越好，但在實際生產中過低的槍位極易在槍頭上粘結冷鋼，損壞頂槍，噴槍壽命降低；槍位問題實際上反映的是粉劑顆粒到達鋼液面時的速度問題。能夠進入鋼水的粉粒其臨界條件：粉粒必須克服上升氣流阻力、鋼液表面張力和鋼水浮力，粉粒進入鋼水后速度逐漸降至零，進入鋼水距離應不小于粉粒直徑。因此粉劑顆粒噴出時應具備相應的出口速度。

(2)噴吹強度并非越大越好。噴吹強度大可縮短處理時間，但粉劑在鋼液內凝聚使表觀粒徑變大而減少了滯留時間；在硫含量很低范圍時，鋼水中硫的擴散速度減慢；脫硫率并不隨噴吹強度大而增大，如圖3所示。

圖3 噴吹強度對脫硫速度常數的影響

(3)粉劑顆粒大時，在鋼水中上浮速度大而滯留時間短，粒徑大反應界面變小；相反粒徑過小時，容易被抽進真空排氣系統，粉劑進入鋼水的量減少，粉劑有效利用率也就變小。粉劑粒徑存在合理的范圍，如圖4所示。

為得到較高的粉劑有效利用率、脫硫率，噴粉設備設計需要研究的有關因素是：槍位和粉劑出口速度、噴吹強度。對RH多功能頂槍的噴粉管設計而言，需要達到工藝操作要求的噴吹強度和粉劑出口速度。設計合理的管徑及可以得到對應的粉劑出口速度、噴吹強度，噴粉管與氧槍噴頭之間的位置關系會影響到粉劑出口速度及吹氧脫碳時氧氣流的出口速度。

圖4 脫硫率和石灰粉平均粒徑的關系

2.1 管徑設計

2.1.1 噴粉槍內徑

根據國外經驗公式[9]

式中，G為粉劑噴吹強度；D為噴槍出口內徑。

2.1.2 噴粉槍的出口速度

為使粉劑能夠穿透氣、鋼界面進入鋼液內部，粉劑到達鋼液面必須具有一定的速度，據文獻[10]，此速度需>100 m/s，取110 m/s。

uP=(0.22～0.32)×ug[9]

式中，uP為粉氣流速度，uP=0.25×ug；ug為氣流速度，ug=440 m/s。

真空條件下射流速度的衰減，根據文獻[11]，

式中，um為噴槍氣流速度；ue為噴槍出口氣流速度，約為530 m/s；x為槍位；K、α為系數；P0為噴粉槍入口壓力；Pe-真空槽內壓力。

2.2 噴粉管與氧槍噴頭之間的位置

由于噴粉管在氧氣通道內部，噴粉管出口位于氧氣噴頭入口處。盡管噴粉與吹氧操作不同時進行，但噴粉管與氧槍噴頭之間位置設計不當，噴粉管位置會對氧氣射流造成影響；氧氣噴頭也會對噴粉射流有影響。采用CFD軟件分析噴粉管位置對噴粉射流的影響及噴粉管位置對吹氧射流的影響，以期獲得噴粉管與氧槍噴頭之間的合理位置范圍。

2.2.1 建模

Fluent是通用的CFD軟件，具有較強的適應及較廣的應用面，可以用來求解一些幾何形狀和邊界條件都很復雜的流動問題，還可以通過設置不同的控制參數進行各種的數值計算。更為重要的是Fluent不受物理模型和實驗模型的限制，靈活性高，容易模擬真實條件和實驗中只能接近而無法達到的理想條件。

本文以國內某鋼廠RH多功能頂槍作為研究對象，按照其參數進行建模。

2.2.2 噴粉管位置對噴粉射流的影響

由于氧氣噴頭為Laval管，一定條件下，噴粉射流經過Laval管會對其流動產生影響。在多功能頂槍噴粉操作條件下，改變圖2中噴粉管出口端到氧氣噴頭喉口距離L，結合工程實際，L取值在44～84 mm之間進行了幾個位置的模擬，通過模擬可以看出粉劑通過噴粉管出口噴出后經氧氣噴頭的速度變化。

如圖5、6、7所示，隨著內置噴粉管到喉口距離L的增大，載氣的出口速度及載氣達到鋼液面時的速度減小，當L=44 mm增加到L=84 mm時，載氣達到鋼液面時的速度減小了25 m/s左右。

圖5 距離L=44 mm噴粉時，laval噴管內部的速度云圖

圖6 距離L=84 mm噴粉時，laval噴管內部的速度云圖

圖7 不同噴粉管位置下，噴粉時氣流速度的衰減曲線

2.2.3 噴粉管位置對吹氧射流的影響

當不進行噴粉操作時，氧槍需要完成吹氧操作，噴粉管的位置不合適會對氧氣流產生影響。在多功能頂槍吹氧操作條件下，對噴粉管出口端到氧氣噴頭喉口距離L在44～84 mm之間進行了幾個位置的模擬，通過模擬可以看出噴粉管位置對氧氣噴頭噴出的氧氣流的影響及氧氣噴頭后的速度變化。

如圖8、9、10所示，隨著內置噴粉管到喉口距離L的增大，當L=44 mm增加到L=64 mm時，氧氣的出口速度及氧氣達到鋼液面時的速度變化不大，但當L繼續增大到74 mm時，氧氣的出口速度及氧氣達到鋼液面時的速度增大，氧氣衰減到鋼液面時的速度增加了45 m/s左右，L繼續增大到84 mm時，氧氣的出口速度及氧氣達到鋼液面時的速度變化不大。

圖8 距離L=44 mm吹氧時，laval噴管內部的速度云圖

圖9 距離L=84 mm吹氧時，laval噴管內部的速度云圖

圖10 不同噴粉管位置下，吹氧時氣流速度的衰減曲線

分析：減小內置噴粉管到喉口距離L可以增大噴粉時載氣的出口速度及載氣達到鋼液面時的速度，有利于噴粉脫硫反應，但減小到一定程度后將降低吹氧時氧氣的出口速度及氧氣達到鋼液面時的速度。考慮到充分發揮RH多功能頂槍的噴粉與吹氧功能，噴粉管與氧槍拉瓦爾噴管之間的距離L存在合理的范圍。在本文設計條件下，綜合考慮使得吹氧管和噴粉管的速度都比較大，則噴粉管距離喉口的距離L取60～70 mm之間為宜。

3 使用效果

該多功能頂槍成功應用于國內某鋼廠RH，噴粉系統可達到的最大噴吹強度為250 kg/min，通常使用噴吹強度為100～200 kg/min，脫硫時間5～10 min，在不影響生產節奏的前提下，對于4～5 kg/噸鋼的脫硫劑單耗，平均脫硫率>40%。表1為某低硫鋼種RH噴粉前后的成分變化，脫硫率可達52%，使用效果良好，且不影響頂槍的脫碳、加熱、化學升溫、二次燃燒等功能。

表1 RH頂槍噴粉裝置使用效果 ×10-5

4 結束語

RH脫硫工藝操作要求的噴吹強度和粉劑出口速度決定RH多功能頂槍的噴粉管直徑。本文根據文獻資料進行了噴粉槍內徑和噴槍出口氣流速度設計計算。通過計算和Fluent軟件模擬對帶噴粉功能的RH多功能頂槍的噴粉管設計進行了研究分析，得到了在給定氧槍設計條件下噴粉管與氧氣噴頭之間位置的最佳范圍，并成功應用于實際生產中，在不影響多功能頂槍傳統功能的前提下，取得了令人滿意的噴吹強度和脫硫效果。

[1] 崗田泰和, 真屋敬一. RH粉體上吹精煉法の開發[J].鐵と鋼，1994,80(1):9.

[2] 廖建軍,賴朝彬,秦哲,等. RH 脫硫概述[J].有色金屬科學與工程，2013 (04):74-80.

[3] 彭瑋珂,林利平. RH頂吹噴粉脫硫工藝實踐[J].煉鋼，2000,16(05):21-23,34.

[4] 楊宏博,李京杜,高增福,等. RH噴粉脫硫工業試驗研究[J].煉鋼，2014,30(01):55-58.

[5] 桐原 理.RH真空爐噴槍頂吹石灰粉進行鋼水脫硫[J].現代冶金，2004(04):51-55.

[6] 陳義勝,賀友多,蒼大強. RH真空室噴粉顆粒運動數學模型[J].包頭鋼鐵學院學報， 2001,20(02):122-124.

[7] 趙俊學. 噴粉冶金過程粉粒穿透氣液界面的行為探討[J].江蘇冶金，1995(04):20-23.

[8] Takanori Miyazawa,Takanori Endo,Hiroaki Yamazoe,etc. Development of the New Top Lance Nozzle at No.3 RH Degasser in Kashima Steelmaking Plant[J]，AISTech 2011 Proceedings-Volume I.2011:1401-1412.

[9] 知水. 噴射冶金中氣力輸送設備的工藝設計[J].冶金設備，1984(04):19-23.

[10] 趙榮玖. 冶金用粉劑噴吹罐及其參數分析[J].重型機械，1987(07):9-17.

[11] Ikuhiro SUMI, Goro OKUYAMA, Seiji NABESHIMA,etc. Behavior of Top-Blown Jet under Reduced Pressure[J]，ISIJ International. 2007, 47 (01): 73-79.

Design on powder injection pipe of RH multi-functional top lance

LIU An1，SUN Ya-fei1，REN San-bing2

(1.Baosteel Engineering & Technology Group Co.,Ltd.,Shanghai 201900,China；2.Baosteel Research Institute, Shanghai 201900,China)

This study investigates RH multi-functional top lance with powder injection at home and abroad. It analyzes what effect desulphurizing rate on three perspectives：powder jet intensity，grain size and the powder lance position. A computational fluid dynamics (CFD) software is used to analyze how powder injection pipe position effects powder injection and oxygen jet, which gets a reasonable range position between powder injection pipe and oxygen lance nozzle. An on-line designed situation shows when the distance L from powder injection pipe to nozzle throat is of 60～70 mm, the maximum injection strength could get 250 kg/min, desulfurization rate could be 52%.

RH;powder injection;oxygen lance;numerical simulation

TF777

A

1001-196X(2017)05-0074-05

2017-01-25；

2017-03-29

劉安(1964-)，男，陜西西安人，寶鋼工程技術集團有限公司高級工程師，現從事爐外精煉設備設計、研發。