多股旋流分散防堵铁水喷吹脱硫喷枪的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及铁水预处理领域，具体地指一种多股旋流分散防堵铁水喷吹脱硫喷枪。
【背景技术】
[0002]根据资料报道，现代钢铁冶金流程中的铁水喷吹脱硫工艺以其技术成熟、设备投资省而在国内钢铁企业普遍推广应用，并根据脱硫剂种类和喷吹方式的不同，又分为钙基脱硫剂喷吹、镁基脱硫剂复合喷吹和金属颗粒镁纯喷等方式；除纯喷金属颗粒镁中小型铁水罐铁水脱硫采用枪头带气化室的喷枪外，其它工艺均采用单喷口直筒式喷枪以及倒T形或倒Y形双喷口喷枪。由于金属镁和硫的亲和力很强，具有脱硫能力强、反应速度快、脱硫渣量少、对铁水带渣量与铁水温度不敏感等特点，可以不进行铁水预先扒渣，因而，具有铁水喷吹脱硫时间短、脱硫扒渣铁损低、铁水温降小等优点，早在上世纪70年代就有喷吹金属颗粒镁或镁基脱硫剂进行铁水脱硫的报道，目前作为铁水喷吹脱硫的主流工艺在国内外钢铁企业普遍应用。
[0003]文献“吴明，铁水镁脱硫高效化的研究与应用，安徽冶金，2010年，Nol”和文献“舍甫钦科Α Φ、巴什马科夫AM等、铁水包内大用量喷镁脱硫工艺，炼钢，2013年，No6”分别报道了双喷口倒Y形喷枪在铁水镁基复合喷吹脱硫和铁水金属颗粒镁纯喷脱硫工艺中的应用效果，与原单喷口直筒式喷枪相比，双喷口倒Y形喷枪的应用，取得了改善喷吹脱硫动力学条件、降低脱硫剂消耗、缩短喷吹脱硫时间的优良效果。由此可见，增加喷吹流股数量达到了扩展流股流经区域、强化脱硫剂分散、改善脱硫动力学条件的目的，但喷枪实际生产中存在堵枪频繁的严重不足，不仅大幅度缩短了喷枪的使用寿命，同时也制约了脱硫生产能力的有效发挥。通过现场调研和技术交流，对于不同种类脱硫剂的铁水喷吹脱硫，与单喷口直筒式式喷枪相比，倒T形与倒Y形双喷口喷枪均存在严重的堵枪风险，尤其是镁基复合喷吹脱硫与纯喷金属颗粒镁脱硫，相比倒T形双喷口喷枪，倒Y形双喷口喷枪堵枪风险更高、堵塞物疏通更困难。通过三种喷枪的镁基复合喷吹与金属颗粒镁纯喷脱硫工业性对比试验，进一步证实了倒T形与倒Y形双喷口喷枪堵枪严重的不足，并在采用钢筋热态疏通喷口时，发现喷口堵塞物呈半熔融态粘结喷口内壁，冷却后粘接强度大，钢筋无法彻底疏通，喷吹15-30炉时彻底堵塞。针对上述问题，特从金属镁的性能出发进行分析，金属镁的熔点为651°C，沸点为1107°C，若将金属镁直接喷吹到高温铁水(一般为1300°C左右)中进行脱硫，将使金属镁迅速气化形成高温高压镁蒸汽泡；此外，在温度多670°C时，熔化状态的镁或镁蒸汽与喷吹氮气发生反应:3Mg+N2= Mg 3N2;由于喷吹脱硫过程中喷枪喷口区域的喷射气体扰动，强化了该区域的铁水换热，使喷口外侧段快速加热到金属镁的熔点温度，甚至更高，为该喷口段Mg3N2的形成创造了条件，形成的Mg 3N2微粒在界面力的作用下向金属喷口内表面不断沉积，此外，金属颗粒镁的杂质及其钝化膜在金属镁高温气化后形成残留物，也会向金属喷口内表面不断沉积，最终形成高温半熔融态和冷却后结合强度大的粘渣，导致喷口疏通困难，这也是为什么目前纯喷金属颗粒镁或镁基复合喷吹铁水脱硫用喷枪仍以单喷口直筒式喷枪的主要原因。对于钙基脱硫剂复合与混合喷吹脱硫，虽然实际生产中单喷口直筒式喷枪与倒T形或倒Y形双喷口喷枪均有采用，但倒T形或倒Y形双喷口喷枪的喷口堵枪现象时有发生，虽然脱硫剂中不含金属镁，不存在金属镁喷口区域的高温反应物沉积堵塞喷口问题，但在喷吹系统压力剧烈喘动或脱硫剂受潮粘接条件下，引起两个喷口流股不对称，低流速喷口流股充满度小，易形成脱硫剂沉积和铁水沿喷口内壁内渗凝结，从而增加了该喷口的流动阻力，促进了喷口流股的不对称性和进一步凝铁堵塞，最终彻底堵塞而终止使用。
[0004]通过常规单喷口直筒式喷枪与倒T形、倒Y形双喷口喷枪实际生产应用中的破损状况调研结果，发现在喷枪铁水浸入段的中部区域存在严重的冲刷磨损状况，根据磨损状况，可看出喷吹气流上浮运动以及气泡聚集效应是导致喷枪铁水浸入段冲刷磨损严重的主要原因，为此，申请号为201020183592.2的中国实用新型专利公开了一种枪头设置有扰流分配器的新型喷枪，其特征在于扰流分布器外形为鼓形结构，鼓形截面为圆形或椭圆形结构，并在下部鼓形结构开设有2条以上的分流凹槽；分流凹槽均以喷枪喷口为起点在扰流分布器下部鼓形结构壁面上对称布置；分流凹槽宽度沿开口方向逐渐增大，转角部位为圆弧过渡面结构。利用扰流分布器鼓形结构下部的从下而上直径(径向尺寸)不断增大的结构特征，遏制上浮速度分量，提高喷射的径向水平流动速度分量，不仅降低了载气与预处理剂上浮对喷枪的冲刷磨损，而且增大喷射载气与预处理剂的径向流动距离，延长预处理剂上浮轨迹、铁水中的停留时间与反应时间，提高预处理剂利用效率，降低预处理剂消耗与铁水预处理成本；同时，为载气与预处理剂在上浮过渡阶段的径向内聚提供足够的径向行程，延缓上浮内聚流动对喷枪耐火材料枪衬壁面的冲刷磨损，降低喷枪局部枪衬因换热增强导致的热应力增大与热应力纵裂纹破损，延长喷枪使用寿命。通过以喷枪喷口为起点向外放射的半圆形或半椭圆形截面分流凹槽的诱导流动作用，分化喷射流股，降低流股冲刷磨损动能，并提高喷射流股总面积与预处理剂的分散混合效果，扩展预处理剂反应面积与反应传质速度，提高预处理剂利用率。由于实际生产用喷枪直径有限，喷枪金属枪芯与耐火材料枪衬复合体结构复杂，因而上述专利中设计的半圆形或半椭圆形截面分流凹槽尺寸受限，在凹槽深度一定的条件下，凹槽界面流通面积小，难以达到流股分股的目的，同时，凹槽结构易冲刷磨损，流股流向诱导作用急剧减弱。通过水模试验中喷吹气泡上浮行为的观察，证实了上述分析结果。此外，通过上述喷枪的工业性试验，发现喷吹金属颗粒镁或镁基脱硫剂进行铁水脱硫时，喷枪喷口易堵塞，通过堵塞物的取样分析，堵塞物主要成分为氮化镁，根据工业性试验过程观察，发现喷口区域散热速度慢，分析认为，凹槽的包裹作用强化了喷口区域的保温，导致喷枪待用过程中喷口温度高，在喷枪再次下枪浸入铁水喷吹脱硫过程中，喷口区域喷吹气流冷却不足而再度快速升温，进而达到喷吹氮气与金属镁的反应温度，导致喷口氮化镁沉积，喷吹不畅引起铁水倒灌进入喷口，导致喷口堵塞。
[0005]针对如何改善铁水喷吹脱硫动力学条件问题，文献“决定铁水包铁水喷粉脱硫效率的三个基本参数，钢铁研究学报，2000年增刊”进行了系统的研究，指出脱硫粉剂的利用率和喷粉脱硫的处理时间是决定铁水包喷粉脱硫效率的重要因素。要使粉剂得到充分利用，首先必须使粉剂尽可能多地穿透射流的气一液界面进入铁水，即尽可能提高粉剂穿透比；其次，还要延长粉剂在铁水中的平均停留时间，以使粉剂与铁水充分反应。处理时间的减少则需要改善熔池动力学条件，从而降低铁水包达到均匀混合的时间(均混时间)。因此，改善铁水包内传输动力学条件以最大限度地提高喷粉脱硫效率便成为解决问题的关键。为此，提出了“决定铁水包喷粉脱硫效率的三个基本参数”这一概念，理论分析了影响这三个基本参数的主要因素；通过实验，建立了熔池均混时间、粉剂穿透比与喷吹操作参数之间的关系；同时利用流场计算结果回归出粉剂停留时间与载气流量及喷枪插入深度的定量关系式。研究结果表明，熔池均混时间与搅拌能密度、喷嘴结构、喷枪平面位置均有关系，熔池均混时间随搅拌能密度的加大而缩短。多出口喷嘴的搅拌效果比单出口喷嘴搅拌效果好；喷枪喷嘴出