氧枪，是氧气转炉炼钢中的主要工艺设备之一，其性能特征直接影响到冶炼效果和吹炼时间，从而影响到钢材的质量和产量。

在吹炼过程中，氧枪不但要承受火点2500℃左右的高温区的热辐射，还要承受钢和渣激烈的冲刷，工作条件十分恶劣。因此氧枪要有牢固的金属结构和强水冷系统，以保证它能耐受高温、抗冲刷侵蚀和抵抗振动。氧枪最先应用于平炉炼钢炉顶吹氧，1952年氧气顶吹转炉炼钢法问世，氧枪成为它的关键设备。此后，氧枪的应用范围又扩大到电弧炉和钢包精炼炉等领域；功能也从单一喷吹氧气发展到兼能喷吹造渣粉剂、燃烧粉剂的复合氧枪以及具有二次燃烧功能的分流式或双流式多层氧枪。

氧枪对吹炼的影响作用是通过氧气射流流股与熔池的相互作用来实现的，而这种作用主要取决于射流到达熔池表面时的速度大小及其分布，因此氧枪喷头的各项工艺参数的寻优与结构的优化设计非常重要。应用领域：氧枪主要应用在钢铁行业、冶金行业等。

在转炉炼钢过程中，高压氧通过氧枪喷嘴转化为超音速射流，喷射到熔池中。射流的动力学行为对于供氧和造渣起着重要作用。吹炼过程中复杂的物理现象与射流对熔池的冲击作用密切相关。长期以来，对氧枪多股射流吹炼特性的研究一直是一个热点，对传统氧枪在各种条件下的不断认知以及相关知识的不断积累，为转炉炼钢做出了重要贡献。

双结构氧枪喷头主要由氧气入口、内孔、外孔、进水环缝，出水环缝构成。内外孔交错排列分布，内外孔的流量比变化范围在0.4-2.0；内孔中心轴线与喷头的中心轴线夹角α1和外孔的中心轴线与喷头的中心轴线夹角α2关系为：α2-α1= 3°-5°。内孔出口处的中心线距喷头中心线L1和外孔出口处中心线距喷头中心线为L2关系为：L2：L1=1.10-1.30。对于120-260吨转炉，氧枪喷头数量为内孔3个，外孔3个；对于300-350吨转炉，氧枪喷头数量为内孔4个，外孔4个。

该成果已成功应用于鞍钢260t转炉。针对260t转炉，喷头的内喷孔流量比为55%，内外孔出口直径分别为61.5 mm和55.6 mm，倾角分别为12°和16°，将该喷头应用于鞍钢炼钢总厂四分厂260t转炉，与传统5孔氧枪的冶炼效果进行对比，平均吹氧时间缩短了51秒，供氧强度提高了0.14 Nm³/t·min。

本成果一种大型转炉喷吹工艺方法，所述转炉设有喷吹系统，喷吹系统包括设于转炉顶部的旋流氧枪及设于转炉底部的水平缝式底吹元件；所述旋流氧枪、水平缝式底吹元件用于向转炉内喷入气体或弥散态的固体颗粒，固体颗粒包括CaO固体颗粒或稀土元素固体颗粒；所述旋流氧枪喷入的气体包括氧气、氩气或氮气；所述水平缝式底吹元件喷入的气体包括CO2、氩气、氮气或氧气。本发明通过设于转炉顶部的旋流氧枪及转炉底部的水平缝式底吹元件选择性地向转炉内吹入空气或固体颗粒，有利于降低废气排放，减少冶炼时间，提高化渣效果，减少石灰消耗量。

本成果的大型转炉喷吹工艺方法，将水平缝式底吹元件和旋流氧枪耦合在一起，能够提高金属收得率5 .2％以上，缩短冶炼时间，节能环保。同时能够提高化渣速度，降低转炉一次吹炼时间，增加熔渣搅拌强度，还具有防喷溅、氧消耗量小、增加供氧强度的优点，在溅渣护炉时能够减少炉冒渣堆积，从而增加转炉一次炉龄。旋流氧枪是能够喷碳粉或其它固体粉剂的多功能氧枪，喷孔增设旋流角，可避免射流流股过早融合，以减少冶炼过程中的喷溅现象，选取合适的旋流角，可以加快成渣速度，提高熔池搅拌效果。旋流氧枪溅渣时，旋流角的存在可减少氮气射流对炉底的直接冲刷，使炉渣更多地往熔池部位聚集，使炉帽部位粘渣过多现象有所缓解，可有效提高溅渣护炉效果。

对比传统氧枪，双结构氧枪喷头成果的亮点在于：采用了两组不同结构的喷孔并交错布置，突破了传统氧枪结构设计单一的局限性。其中第一组喷孔布置在内侧，喷孔中心轴线与氧气入口中心轴线采用小倾斜度布置，第二组喷孔布置在外侧，喷孔中心轴线与氧气入口中心轴线采用大倾斜度布置。在吹炼过程中，内、外喷孔协同作用，其中内侧喷孔强化射流对熔池的冲击效果和搅拌强度，增大了喷头的射流核心区长度；外侧喷孔缓解了内侧喷孔的射流衰减，增加了熔池冲击面积，内外喷孔的交错布置减少了射流流股之间汇合可能性，降低炉口喷溅的发生。此外这种交错布置也会增加柱间缝隙，增大冷却水流量，改善喷头冷却效果，延长喷头使用寿命。将该技术应用于大中型转炉，可实现提高供氧强度，缩短冶炼时间的目的，是加快转炉生产节奏节、实现能降耗的有效途径。

 目前我国炼钢企业中，转炉炼钢仍然占据主导地位，而电弧炉炼钢仅仅占炼钢总量的9%左右，远远低于世界平均水平，电弧炉炼钢企业主要集中在头部集团，并且占比较少。

转炉主要用于碳钢、合金钢及铜和镍的冶炼，转炉炼钢是以铁水、废钢、铁合金为主要原料，不借助外加能源，靠铁液本身的物理热和铁液组分间化学反应产生热量而在转炉中完成炼钢过程。转炉的喷吹方式按气体吹入炉内的部位分为顶吹、底吹和侧吹；按喷吹的气体种类为分空气转炉和氧气转炉。碱性氧气顶吹和顶底复吹转炉由于其生产速度快、产量大，单炉产量高、成本低、投资少，为目前使用最普遍的炼钢设备。

钢中气体和夹杂物是评价钢的冶金质量的主要指标。氧气顶吹转炉炼钢反应速率快，沸腾激烈，所以钢中H、N、O含量较低，[H]为(3～5)×10-4%，[N]为(20～40)×10-4%，低碳钢[O]为0．06%～0．10%。夹杂物和脱氧及凝固操作有关。影响顶吹转炉钢含氮量的重要因素是氧气纯度，所以用于转炉炼钢的氧气应该是99%以上的纯氧。

低碳钢是转炉炼钢的主要产品。由于转炉脱碳快，钢中气体含量低，所以钢的塑性和低温塑性好，有良好的深冲性和焊接性能。用转炉钢制造热轧薄板、冷轧薄板、镀锌板、汽车板、冷弯型钢、低碳软钢丝等，都具有良好的性能。

国内外研究者一直致力于对各类新型吹炼设备的研发，比如旋流氧枪、聚合射流氧枪、中心亚声速氧枪、交错氧枪等等。作为交错氧枪的衍生，双结构氧枪的设计思想在于：根据出口轴心距的不同将传统氧枪喷孔分成两组并呈交错排布。在此基础上，通过分别改变两组喷孔的倾斜角度与喷孔流量实现吹炼过程的多参数控制，比如通过扩大外喷孔倾斜角度增大射流对熔池的冲击面积，通过减小内喷孔倾斜角度增强射流对熔池的冲击强度。

本成果有望将冶炼周期缩短至33min以下，喷溅率降低至1%以下钢铁料消耗控制在1100kg/t钢以下，目前国内的大中型转炉供氧强度进一步提高，按全年增产12万吨钢计算，年增效益360万元。该成果在国内各类钢厂具有极高的推广价值，能在原有转炉的条件下增加钢产量，也可以在钢产量不变的情况下减少转炉数量，从而降低钢的生产成本,提高转炉钢厂的竞争能力，目前项目各单位也在积极进行宣传推广。

团队由刘坤教授领衔，现有教授2人，副教授1人，讲师2人，其中博士生导师1人，硕士导师4人，团队先后共培养博士研究生7人，硕士研究生89人，其中在读博士研究生4人，在读硕士研究生30人。团队成员秉承“敢为人先，开拓创新”的精神，打破学科壁垒，聚焦冶金能源、废弃资源高效利用，形成喷吹新设备、新工艺、新材料研发等交叉学科研究方向，探索新知，为冶金理论进步和工业技术创新产生了较大的推动作用。

团队围绕转炉冶炼关键设备，基于射流及两相流及燃烧传热理论，采用计算流体软件及现代化测试手段，联合中钢集团鞍山热能研究院、鞍钢钢铁研究院、鞍钢股份公司炼钢厂，东北大学，开展产学研合作，探索氧枪喷头设计新方法、射流剪切掺混及喷溅新理论，从延缓射流衰减出发，研发多结构参数氧枪喷头，以解决转炉吹炼供氧强度低、喷溅严重、金属收得率低等问题。近5年，团队成员承担省级以上科研项目19项，其中国家重大专项课题2项，国家自然科学基金8项，发表高水平论文36篇，获批专利10余项，实现成果转化2项。

刘坤教授为团队负责人，主要成员有冯亮花、刘广强、韩鹏、杨滨，均为博士学历，具有丰富的科学研究经历和经验。团队分工明确，按照氧枪喷头设计理论基础，团队成员按顺序分别承担射流、两相流的数模及水模研究任务，成果贡献度按由大到小依次顺序为刘坤教授、冯亮花教授、刘广强副教授、韩鹏博士、杨滨博士。团队管理制度明晰，制定了科研项目申报条例、经费使用条例、科研成果署名条例、学习交流条例等，团队成员权责明确，团结协作攻克转炉冶炼用喷头技术及喷吹工艺难题。

刘坤教授主要研究方向

1，转炉炼钢超音速射流氧枪的数值模拟,

2，连铸浸入式水口和二冷动态控制的仿真软件开发

3，转炉渣的综合利用,

4，定向凝固技术的基础研究

5，高温蓄热式加热炉内流场、温度场及浓度场的数值模拟

刘坤教授的主要相关课题

国家 高温熔融金属作业事故预防与控制技术 国家重大科技研发 2017/10~2020/12 140

国家 超音速凝聚射流氧枪特性基础研究 国家基金 面上项目 2006.01～2008.12 23

国家 含钒劣质煤综合利用工程技术研究 国家科技部科研院所专项基金 2013/05~2015/05 12

国家 菱镁矿基脱硫剂在外加电场作用下铁水预处理脱硫的应用基础研究 国家基金面上项目 2014/01~2017/12 80

现今，我国社会经济的不断发展推动了工业建设不断迈出步伐，各行业对钢材的需求量逐渐上升，对钢材质量的要求也越来越严格。为了更好地满足各行业对钢材数量和质量的需求，我国炼钢产业也在不断完善和优化炼钢过程，逐渐加强对转炉炼钢终点控制技术的应用。对传统模式下的炼钢工艺而言，推进转炉炼钢终点控制技术的应用不仅可以有效提升操作水平，而且还有利于提高企业的产出效率和产品质量。相关企业应结合目前生产过程中的不足，把转炉炼钢终点控制技术更科学、合理地应用在生产过程中，实现操作工艺的升级和创新，推动钢铁行业的进一步发展。

我国在转炉炼钢终点控制技术的应用过程中，主要历经了人工控制、静态控制、动态控制和自动化控制4个阶段，在每种技术的应用过程中，其准确率和炼钢质量都在不断提高。在人工控制的过程中，工作人员根据已有经验来观察炉火变化，并借助常规的检测手段判定终点，相对而言，原材料较为浪费、准确率较低；在静态控制技术的应用中，主要以静态模型作为基础，根据钢水成分和温度构建模型，并通过计算物料平衡和热平衡、纠正模型数据进行操作，准确率有一定提高，但操作和计算过程较复杂；动态控制技术则是基于静态模型构建动态模型，主要用于炼钢后期动态监控吹炼过程、调整参数，其准确率较高，可达80%及以上，被广泛应用于炼钢生产过程；自动控制技术是基于动态控制之上，通过与计算机相连来控制冶炼过程，其在减少误差的同时极大提高了产品质量，在应用过程中，可以通过动态信息获取及时进行调整、计算、传递，从而达到吹炼目标。

该成果产生于十三五重点研发课题“高温冶金熔体泡沫化控制与防喷溅技术研究”，投入研发经费近200万元，历经四年时间，基于2名博士、4名硕士的培养，形成了基于射流及其与熔池相互机制研究来调控喷头结构参数的设计理论和方法，成功设计260t转炉用双结构氧枪，并实现了工业应用，效果良好。该成果对推动转炉加快冶炼、实现转炉炼钢与高拉速连铸的有效匹配具有重要的意义。此外，应用该喷头技术还能显著降低转炉炼钢烟尘量、提高转炉二次燃烧率，是提高转炉废钢比、实现转炉节能减排的有效路径。再者，控制喷溅发生对降低钢铁料消耗，降低成本，增加钢铁企业效益起到至关重要的作用，本成果应用于大中型转炉可有效防止喷溅的发生，对于公共安全风险防控具有重要意义。

本成果可通过专利转让、技术入股、技术合作共同研发来实现成果落地及转让。具体方式及经费可结合企业需求进行协商。目前已在鞍钢260t转炉上应用。可支持现有转炉炼钢厂使用本成果。也可以建设新型转炉。

现代氧气转炉炼钢车间一般由以下各部分组成：铁水预处理站及铁水倒罐站；废钢堆场与配料间；主厂房；铁合金仓库及散状原料储运设施；中间渣场；耐火材料仓库；一、二次烟气净化设施及煤气回收设施；水处理设施；分析、检测及计算机监控设施；备品备件库、机修间、生产必需的生活福利设施；水、电、气（氧、氩、氮、压缩空气）等的供应设施。

1、转炉容量系列宜为260t。

2、新砌转炉炉容比宜为0.9m³／t～1.0m³／t。炉壳的高径比应在1.30～1.60之间。

3、转炉炉型应为对称炉帽，直筒形炉身，筒球型或锥球型炉底。新建转炉炉壳应采用整体炉壳。炉壳和托圈可分段运输，现场组焊，热处理后，对组装焊缝进行超声波探伤和磁粉探伤。

4、容量小于150t的转炉，修炉宜为简易上修方式，容量不小于150t的转炉，修炉宜为修炉塔机械化上修方式。

5、转炉宜采用水冷炉口、水冷炉帽。炉底和耳轴应按复吹要求设计。转炉托圈宜采用水冷或风冷，托圈与炉壳之间的间隙宜为100mm～250mm，应根据托圈与炉体之间的连接形式、托圈相对于炉体的上下位置以及炉体冷却方式等条件确定。

6、炉壳与托圈的连接宜采用悬挂式下连接方式，也可采用上支撑连接方式。托圈耳轴支座可采用一端游动或摆动轴承座。

7、转炉应采用全悬挂式倾动机构，平衡机构宜选用扭力杆型。倾动宜采用交流变频技术，4台电机独立驱动，转速应为0.1r／min～1.5r／min。转炉炉体可连续转动±360°。能平稳倾动、准确停止在任意角度的位置上。当出现冻炉塌炉事故时，4台电动机同时工作，转炉可以慢速倾动。

8、转炉倾动力矩的设计应满足正常操作最大合成力矩的要求。容量不大于200t的转炉应按全正力矩设计，发生断电或机械故障时应能靠自重回复零位。容量200t以上转炉宜采用正负力矩设计。

9、转炉应设置挡渣装置和出钢口衬砖更换设备，同时应配置机械化拆炉、补炉、修炉和溅渣护炉所需设施。

10、每座转炉应配置两根遥控快速更换的氧枪，以及相应的氧枪升降与横移装置。氧枪升降应采用双钢丝绳卷扬，速度应为2m／min～40m／min，可两级调速或无级调速。