底吹还原喷枪的试验研究

张和平

（河南豫光金铅集团有限责任公司，河南 济源 454650）

底吹还原喷枪的试验研究

张和平

（河南豫光金铅集团有限责任公司，河南 济源 454650）

详细介绍了底吹还原喷枪的通气方式、进气压力、通气流量、气体通道规格以及其选用的原理和使用效果。

底吹还原喷枪；通气方式；进气压力；通气流量；气体通道

1 概述

河南豫光金铅股份有限公司开发并已申请专利（ZL200720152994.4）的“用于液态高铅渣还原的底吹熔池还原炉”，其核心技术设备还原炉需要配备一种连续向炉内提供热量、对炉料进行搅拌、有利于还原反应进行的还原喷枪。由于该还原炉属于新型铅冶炼装置，因此其还原喷枪也需要开发。目前国内已应用于铅冶炼工业生产的氧气底吹用氧枪可作为参考，但该类氧枪通入的是氧气、氮气和水，不能满足还原炉的要求，而且气量、气压等也不适于还原炉。QSL炉还原段所用的喷枪是向炉内喷入氧气、氮气、水、压缩空气及粉煤，虽能满足还原炉需要，但通入的气体种类多、喷枪结构复杂、不易操作，而且还需要从国外引进，费用昂贵。河南豫光金铅集团有限责任公司在液态高铅渣还原底吹熔池还原炉的试验过程中，对底吹还原喷枪的通气方式、通气流量、天然气通道的规格及进气压力进行了试验研究。

2 底吹还原喷枪的试验研究

2.1 底吹还原喷枪的通气方式

QSL炉还原段所用喷枪向炉内喷入的物质有氧气、氮气、水、压缩空气和粉煤五种，喷枪的气体通道从内到外分为3层，内层气体通道通入的是粉煤和压缩空气，中间层气体通道通入的是氧气，外层气体通道通入的是氮气和水。

底吹熔池还原炉开始试验时，所用的还原喷枪就是借鉴QSL炉还原段喷枪的通气方式，外层气体通道通入氮气，中间层气体通道通入氧气，内层气体通道通入还原性气体天然气。这种通气方式的还原喷枪，在试验过程中存在的主要问题是使用寿命短，长时六、七天，短时仅两、三天，如此短的寿命，无法进行工业化生产。

对还原喷枪使用寿命短的原因进行分析，认为通过还原喷枪向炉内喷入的天然气、压缩空气和粉煤与氧气的反应差别很大，天然气燃烧的热值远远大于粉煤，而且使用的天然气纯度高，粉煤和压缩空气混合后，粉煤的浓度不可能太高，因此，炉内天然气与氧气反应的程度比压缩空气和粉煤与氧气反应剧烈很多，天然气与氧气剧烈反应对喷枪产生的烧损非常严重，造成喷枪使用寿命短。

此后又尝试了另一种进气方式，外层气体通道还是通入氮气，中间层气体通道改为通入还原性气体天然气，内层气体通道通入氧气，然而喷枪的使用寿命无明显延长。

以上两种通气方式的共性是天然气和氧气从喷枪出来后在氮气隔开的区域迅速燃烧，造成枪头周围局部高温。如果不通氮气，天然气和氧气可能更多地与熔体反应，天然气还可能发生裂解吸热反应，枪头的局部高温可能减弱。基于上述分析，取消了外层氮气道通，改只通天然气和氧气两种气体。喷枪的气体通道从内到外分两层，内层通入的是氧气，外层通入的是天然气。

改进后，试验取得了令人非常满意的结果，喷枪能够使用15 d以上。将其用在5万t还原炉，使用寿命达到30 d。喷枪使用寿命的延长，为液态高铅渣直接还原试验成功及工业化生产打下了坚实的基础。

这种喷枪气体进气方式看上去非常简单，但实际上是长时间试验研究的结果，同时也是一种认识的突破。底吹熔炼氧枪和QSL炉还原段所用喷枪的外层气体通道通入的是氮气和水，以往人们认为：在氧气喷嘴氧气通道外围高速流过的惰性气体或空气，不仅能强化冷却喷嘴，而且在喷嘴之后，氧气外围有一层惰性气体或空气遮护，阻隔氧气与熔体直接接触，从而对喷嘴起保护作用，使之蚀损缓慢，使用寿命延长。由于这种保护作用是有限的，于是人们根据喷嘴结瘤的机理，采取对氧气喷嘴强化冷却措施，包括增加冷却气体流量，在冷却气体中加水等，制造结瘤的条件，生成结瘤即蘑菇头。蘑菇头使喷嘴端头及其四周耐火砖与熔体隔开，更有效地保护了喷嘴及其四周耐火砖，大大延长了氧气喷嘴使用寿命。试验证明，天然气不仅可作为还原性气体，而且也可作为一种保护性气体，对喷枪起到保护作用。

2.2 底吹还原喷枪的进气压力

底吹还原喷枪的进气压力与氧气底吹熔池氧枪有相同之处，也有不同。相同的是都应有一个最低的进气压力，不同的是底吹还原喷枪的进气压力应尽量降低。对底吹气流与金属熔池之间相互作用的研究，业界人士已达成这样的共识：即底吹气体的流出行为是两种基本状态，一是“气泡”喷出，二是“射流”喷出，两者的分界是出口气流马赫数约为1。当出口气流马赫数小于1时，气流呈气泡形式流出喷嘴，将引起喷嘴出口压力脉动，易造成熔体倒灌堵塞喷嘴，喷嘴及周围耐火砖蚀损加快。当出口气流马赫数等于或无限接近1时，气流呈气柱深入熔池一定高度才被断成气泡，熔池熔体压力变化传播不进喷口，喷枪内的气体流动稳定，喷嘴及周围耐火砖蚀损缓慢。李运洲进行了高压模拟实验［1］，实验在水深500 mm、喷嘴直径10 mm、底吹的条件下进行，试验发现喷吹气体的压力超过0.4 MPa后，喷嘴端部不再形成气泡和气泡带，而是形成接近于喷嘴直径的柱状射流深入水池，在气流束的顶部气液交混形成稳定的气泡带。因此气体从喷嘴流出“射流”状态应保证喷吹气体压力有一个最低压力。

底吹熔炼熔池喷入氧气和其他气体的过程为：气体射流由喷嘴喷出后，沿射流的纵轴向熔池面伸展，这时射流四周的熔体沿射流束的径向流来。射流带动熔体向上运动，熔体衰减射流的能量，减缓射流的运动，互相运动的同时发生物理化学反应，射流则逐渐扩大。但主射流仍保持着“气柱”或“气舍”的形状，直到达到一定高度方在主射流的顶部发生气液交混，形成气泡带向熔池面伸展。气体到达熔池面时逸出，熔体则再向下流动形成回流，使熔池熔体不断循环流动。由于通过还原喷枪进入还原炉的为高纯度天然气和氧气，这两种气体会在主射流的顶部发生气液交混时剧烈反应，放出大量的热，同时天然气也可能发生裂解反应，由于生成物的体积大于反应物的体积，炉料中的气体体积急剧膨胀，从而造成高温炉料喷溅到喷枪上方的耐火材料上，对耐火材料进行冲刷，耐火材料损坏较快。试验时中发现，炉内喷枪上方的耐火材料损坏非常严重，为此，在试验过程中，尽量降低进气压力，以便主射流的顶部上面有足够厚的炉料，反应因气体体积急剧膨胀产生的喷溅物通过炉料的距离足够长，尽量减弱高温喷溅物对耐火材料的冲刷。通过试验得到的还原喷枪合适进气压力为0.4～0.7 MPa。

2.3 底吹还原喷枪的通气流量

喷枪的流量与通气的截面积、喷枪入口处气体压力、气体温度、通道表面光洁度、通道长短等因素有关。在光滑铜管内通气体，喷枪的气体流量与入口处气体的压力成正比，与通气的截面积也成正比。对于还原喷枪为多个截面长方形的通气通道是否合适，用喷枪做了大量的试验，得出以下结论：1对于一种规格通气截面且通气面积一定的喷枪，气体入口压力在0.3 MPa以上，通气流量与气体入口压力近似成正比关系。2喷枪通气流量与通气截面积的关系，不是简单的正比关系，只是随通气面积增加而增加；喷枪通气流量还与通道的截面尺寸、通道数量、加工精度及安装等有关系。从试验中得到喷枪通气流量与进气压力和通气截面面积之间的关系，以此为指导设计底吹还原喷枪。

2.4 底吹还原喷枪的气体通道

通过试验摸索出还原喷枪的合理进气通道尺寸，气体通道尤其是天然气应采用多个细小沟槽结构，保证气体能够呈多个细小气束，这些气束以极高的速度喷入熔体，一方面有利于天然气燃烧热和裂解反应物传递、扩散，避免引起炉料剧烈喷溅；另一方面有利于在较低的进气压力下避免熔体堵塞气体通道，影响喷枪的使用寿命。

3 结语

底吹还原喷枪采用通天然气和氧气的通气方式，在国内有色行业尚无先例。试验证明：还原喷枪能够满足还原炉的供气要求，外层通天然气能够起到保护喷枪的作用，喷枪的使用寿命在30 d以上。还原喷枪在结构、材质、进气压力、流量、加工精度等方面，还有进一步优化的空间。该技术可以推广应用在铜及其他金属熔炼上。

[1]李运洲.钢铁.1980，（3）：1-3.

Abstract:The gas supply style,inlet pressure,gas supply flow rate,gas channel specification,selection principle and usage effect on lance of bottom-blown reduction furnace are introduced in detail.

Key words:lance of bottom-blown reduction furnace;gas supply style;inlet pressure;gas supply flow rate;gas channel

Experimental research of lance of bottom-blown reduction furnace

ZHANG He-ping

TF812.031.1

B

1672-6103（2011）02-0030-02

张和平（1967—），男，河南济源人，毕业于洛阳工学院，工程师。

2010-08-04