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转炉自动炼钢的关键技术为氧枪控制,而原有氧枪设备的结构特征与参数设置已经很难适应于自动炼钢系统,造成吹炼过程极其不稳定。基于此,重点研究了高马赫数氧枪喷头设备,在理论分析与钢厂实际要求的基础上,提出并优化设计了关键参数,采用数值模拟与冷态水模拟相互印证的手段,获取了在不同工况参数下高马赫数氧枪喷头的射流特性与钢液速度流场分布之间的依赖关系。在之后的自动炼钢工业实践中,结合变枪变压工艺,充分应用了高马赫数氧枪喷头的压力适用范围,转炉吹炼过程更加稳定。文章主要研究内容有:1)基于北方某钢厂自动炼钢的实际条件要求与氧枪喷头的设计原则,对高马赫数氧枪喷头的喉口直径、扩张段长度、喉孔倾角等主要参数进行设计计算,设计研究出高马赫数氧枪喷头,设计工况氧压为1.1MPa,出口马赫数可以达到2.15。2)根据钢厂实际数据,选取了几个供氧压力与供氧枪位,采用数值模拟软件Fluent对高马赫数氧枪喷头在不同供氧压力与不同供氧枪位下的射流特性和冲击熔池的流场效果进行了模拟。之后基于模型与原型几何相似以及修正的Froude准数(Fr)相等原则,进行了冷态水模拟实验,对数值模拟结果进行了相互验证。研究结果表明:当Ma=2.0~2.3时,曲线平稳,设计压力变化适中,操作稳定性最佳;随着供氧压力的不断提高,高马赫数氧枪的氧气射流的马赫数和高速段长度的等射流参数都不断增大,对熔池的冲击效果不断增强,但射流之间相互干扰的作用也不断增强;高马赫数氧枪在大于设计供氧压力1.1 MPa状况下,冲击直径与冲击深度增幅较小;高马赫数氧枪最高马赫数氧枪枪位在1.6m~2.2m之间冲击深度适中,熔池混匀效果最好,此时钢液流速在熔池径向方向上的分布更加均匀,且高速区域占比更大,混匀时间较短,对熔池底部钢液的搅拌效果最好。将设计研究出的高马赫数氧枪喷头及应用到自动炼钢生产后,结合变枪变压工艺,吹炼过程喷溅由8.2%降低到3.2%,较之前相比降低大约5%,转炉终渣TFe含量由18.5%降到了15.3%,溅渣效果明显得到改善;冶炼过程中吹炼枪位较之前比提高了100mm-200mm,与之前的枪龄相比,提高了100炉,使得氧枪喷头的寿命大幅度提高。图29幅;表23个;参59篇。