氧枪是转炉炼钢生产过程中不可缺少的关键设备之一,传统结构氧枪喷头的特征为各喷孔尺寸和布置形式完全相同,存在氧耗较高、供氧强度低、冶炼周期长、氧枪使用寿命较短、化渣效果不理想并且时有发生喷溅等问题。为解决传统结构氧枪的弊端,本课题基于延缓射流衰减、增大气-液反应面积的设计思想出发,设计了适用于大中型转炉的交错双结构六孔氧枪喷头,创造性的提出喷孔尺寸非一致性的设计结构,并采用双角度双距离的布置方式,即大孔中心线与喷头中心轴线采用小角度布置在内侧,小孔中心线与喷头中心轴线采用大角度布置在外侧。通过实验检测射流的流场分布,掌握交错双结构氧枪射流的关键动力学参数分布特征,并为数值模拟计算研究奠定基础;通过数值模拟计算明确设计结构变量和操作工艺对射流特性的影响机制,解析交错双结构氧枪分步融合特性的产生原因及作用机制,提出冲击面积以S10、S30、S50、S75进行定义划分,建立了射流对熔池冲击面积的数学模型;通过水力学模拟实验,阐明炉口最大喷溅量和混匀时间减小的原因,探明射流的融合距离-最大径向距离-冲击坑宽度-冲击面积之间的协同作用;开展工业试验评估交错双结构氧枪的冶炼效果,是最具有说服力的实践验证手段。研究结果表明:交错双结构氧枪喷头由于设计结构的非一致性,导致射流流股具有分步融合的特性,使其融合距离相比传统结构氧枪喷头可以从1.34 m增加到2.25m,因此避免了各股射流同时达到最大喷溅点,其中最少的炉口最大喷溅量只有传统结构氧枪喷头炉口最大喷溅量的39%,喷溅现象可以得到有效控制。交错双结构氧枪改变了射流对熔池的冲击形式,传统结构氧枪的冲击面积呈圆形,交错双结构氧枪的冲击面积呈三角形。氧枪喷头的喷孔角度对融合距离起主导作用,喷孔的角度越大,射流的融合距离越长,流股的最大径向距离越大,熔池形成的冲击坑宽度越宽,钢渣与钢水之间的接触面积变大,渣钢反应更加充分,脱磷率可以平均提高0.65～2%。有效冲击面积主要起到搅拌熔池的作用,有效冲击面积越大,射流对熔池的搅拌作用越强,交错双结构氧枪的最大有效冲击面积可以达到传统结构氧枪的2倍,可以显著提高射流对熔池的搅拌力,使其对应的最短混匀时间相比传统结构氧枪缩短了17 s,冶炼过程中吹炼时间可以平均缩短25～40 s/炉。