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氧枪技术自氧气顶吹转炉出现以来，就在 不断地改进与发展。氧气是通过形状复杂的氧枪喷头供给转炉熔池进行冶炼操作的。氧枪喷头各参数的合理选取、精细的加工制造技术及最佳的熔炼操作，自然受到 炼钢工作者的极大关注。
众所周知，在氧气顶吹转炉出现之初，氧枪喷头是单孔直筒形的。随着转炉容积的加大，要求按比例地增加氧气流量，使 用一个单孔直筒形喷头供应氧气，就会增大喷溅，降低金属收得率。到1964年逐渐地从直筒型喷头过渡到收缩一扩张型拉瓦尔式多孔喷头。多孔氧枪的主要优点 是容易化渣，提高金属收得率、减少喷溅、吹炼过程平稳，并提高了氧气利用效率。但多孔喷头的缺点是氧射流的穿透能力减弱了。也即对同样的供氧能力，多孔氧 枪的操作枪位较低。这意味着除增加设计、制造的复杂性以外，多孔氧枪将处于更加恶劣的工作条件，使氧枪喷头易被侵蚀，就需要更有效的水冷条件，就需增加冷 却水用量，改善喷头内冷却水通道的设计。
改革开放以来，我国钢产量有了极大增加。许多产铁的地方增设钢厂，已有的转炉不断扩容，生产发展 后原有的氧枪就不适应冶炼要求，这就要求如何选取最佳氧枪的问题。
主要应根据转炉生产能力的大小、原料条件和炉气净化设备的能力来决定其 管径大小。氧枪喷头的设计还应考虑到转炉的炉膛高度、直径大小、熔池深度等参数及氧气供应情况、前后工序的衔接等因素来确定其孔数、喷头出口的马赫数和氧 流股直径。
对于原料中废钢比较高、高磷铁水冶炼或需二次燃烧提温等情况，则其氧枪喷头的设计就需特殊考虑。
转 炉炉容比（V/T）是指转炉腔内的自由空间的容积V（单位m3）与金属装入量（单位t） 之比。转炉的冶炼操作和生产率都与炉容比（V/T）密切相关。若装入量过大，则炉容比相对就小，在吹炼过程中可能导致喷溅增加、金属损耗增加、易烧枪粘 钢；若装入量过小，则熔池变浅，炉底会因氧气射流对金属液的强烈冲击而过早损坏，甚至造成漏钢，并会降低转炉的生产能力。合适的炉容比是从生产实绩中总结 出来的。它与铁水成份、装入的金属料种类等因素有关。大型转炉的炉容比一般在0.9~1.05米3/吨之间，而小型转炉的炉容比在 0.8米3/吨左右。通常当转炉容量小、或铁水含磷高、或供氧强度大、喷孔数少、用铁矿石或氧化铁皮做冷却剂等情况，则炉容化应选 取上限。反之则选取靠下限。
熔池深度h 确定装入量时，除考虑合适的炉容比外，还应保持合适的熔池深度h。为获得平稳快速的熔化反应，必须保持氧气射流对金属熔池具有一定的冲击深度和搅拌强度。 通常冲击深度L与熔池深度h之比选取L/h≈0.4~0.6左右。操作实绩证明，当L/h＜0.3时，即冲击深度过浅，则脱碳速度和氧的利用率会大为降 低，还会导致出现终点成份及温度不均匀的现象；当L/h＞0.7时，即冲击深度过深，有可能损坏炉底和喷溅严重。在适合的炉容比情况下，如果熔池装入量过 浅，可考虑将熔池砌成台阶形。
供氧时间的确定 现在许多钢厂的工艺设备为转炉——精炼设备——连铸。要使生产流程紧凑有序的配合，调度应综合统计得出转炉工序的冶炼周期及纯供氧时间。由纯供氧时间就可 算出供氧强度，即单位时间内每吨金属的耗氧量，单位是Nm3/t·min。供氧强度还应考虑转炉的附属设备能力，尤其是氧枪的冷却 系统及炉气净化系统能力。
喷孔倾角α的确定 对于多孔喷头而言，每个喷孔轴线与喷头轴线之间的倾角为α。为避免从喷头射出的各股射流在到达熔池表面前相交，倾角应尽量取较大值。倾角过小，各射流的穿 透能力增大，而冲击熔池的面积减小。倾角过大则射流的穿透能力减小，冲击熔池的面积增大，担心冲刷炉壁。炼钢工作者极为关注喷孔倾角的原因也在此。必须考 虑从同一喷头喷出的几股射流之间相互作用的问题。每一股射流靠近喷枪轴线的那一边，都要从喷枪轴线上的同一区域“抽吸”空气。这样就使多股射流之间区域的 压力下降，而使射流互相牵引。所以射流间的距离减小或夹角减小，都会增加互相吸引的倾向，甚至使各股射流会合并起来，在到达液面以前就相交了，故操作中大 都取倾向为11°~12°，以保证射流冲击区相互分开。
据最近做的溅渣护炉水模试验得出共识，氧枪喷孔的倾角，取12°为宜。
表 1是各种喷孔倾角在不同枪位时射到熔池液面的冲击圆中心距。
表1 喷孔倾角、枪位与冲击圆心
倾 角度
枪位m
9°
10°
11°
12°
14°
16°
0.8
0.253
0.28
0.31
0.34
0.39
0.458
1
0.316
0.352
0.388
0.425
0.498
0.57
12
0.38
0.42
0.47
0.51
0.598
0.688
14
0.44
0.49
0.54
0.59
0.69
0.80
16
0.50
0.56
0.62
0.68
0.79
0.91
测算可知，通常所选取的喷头倾角α在不同枪位时射到熔池液面 的冲击面积距炉壁较远，只要每天定期测定液面距离，准确操作氧枪枪位，冶炼就会顺利进行。
氧枪是氧气转炉炼钢的关键设备，氧枪管直径取决 于转炉大小，有较规范的设定尺寸。而氧枪喷头的形状和孔数各异，就成为设计的重要内容。经多年的炼钢实践，收缩— 扩张的拉瓦尔型三孔喷头已为许多炼钢车间所普遍采用，而大型转炉对4孔、5孔等多孔喷头改善吹炼操作有更大的兴趣。喷头每个孔的氧流量从最小20Nm3/t·min 到最大283Nm3/t·min，氧射流速度在457~518m/s之间变化，取决于使用时的工况氧压和喷出口面积对喉口面积之 比。
进行氧枪喷头设计之前，必须十分慎重地确定氧枪喷头设计所需要的初始数据，包括氧流量、氧气压力、纯吹氧时间、输氧管道的压力范围、 熔池深度、铁水成分等。由于一些炼钢车间缺乏准确的计量仪表，往往给出的数据不准确。就应当到冶炼现场去观察具体条件，结合实践经验确定出几个最关键的初 始数据。
氧流量的确定 氧流量是指单位时间内通过氧枪的氧气量。通常采用体积流量单位，即米3/分。它与喷头面积大小直接有关。当喷孔出口马赫数Mt选定 后，喉口面积就只与氧流量有关了。一旦喉口面积确定，氧流量也就确定了。喉口面积取大了，氧流量过大，就会使化渣、脱碳失去平衡，造成喷溅；喉口面积取小 了，氧气流量减小，会延长冶炼时间，降低生产率。影响最佳状态所需供氧强度的因素很多，如铁水成分、氧的利用率等很难用一个标准公式表示。实践显示，对于 一定的原料成分、造渣工艺及吹氧强度，有着最有利的供氧强度范围。因此应根据冶炼实践总结出的氧气流量和供氧强度来计算喷孔直径，决不可任意选取[2]。 对于没有准确计量仪表的钢厂，氧枪喷头设计所需的氧流量可以根据转炉炼钢的物料平衡方法来计算，一般每吨钢耗量约为50~60Nm3/t。
输氧管压力范围的确认 输氧管道中的压力范围制约着喷头前的滞止压力Po所能达到的范围。滞止压力Po是一个重要参数。氧枪喷孔出口马赫数Mt的确定，主要视滞止压力Po的大小 而定，如所选取的Mt高了，则要求的滞止压力Po大，超过管道压力，则氧射流出口条件变为Pt＜Po，即成过膨胀气流。这样的氧射流出口后将产生压缩波， 使射流轴心速度衰减加快，从而减弱了对熔池的冲击能力，影响冶炼效果。反之，如设计的氧射流Po低，则氧压未能充分利用就造浪费。如某厂引进的法国LD— AC转炉，为喷吹石灰粉造渣用，其喷枪Mt选为2.21，滞止压力Po为1.3Mpa。而某厂氧气压力只能到0.9~1.0Mpa，就成前一种情况，冶炼 效果很差。
枪位高度范围 枪位高度是指氧枪在冶炼过程中，从喷头端面到熔池液面的垂直高度，即冶炼过程枪位。枪位高低，对氧枪喷头出口马赫数Mt的选取有着直接影响。在一定的氧射 流出口速度下，枪位高可避免烧枪，但为保持射流对熔池的搅拌能力，即保证一定的冲击深度，就应相对地提高射流出口马赫数Mt，反之亦然。可见，要保持正常 冶炼，除氧枪喷头设计适当外，还应准确控制吹炼过程的枪位。
喷头水道与内表面 喷头在转炉内1800℃的高温环境中使用，就要用高速冷却水及时冷却。氧枪主要是靠由外壁到冷却水之间的对流传热来冷却的。在炉内氧枪与喷头要接受大量的 幅射热，辐射热的传递是与绝对温度的四次方成正比。据文献提供有代表性的氧枪冷却条件的例子：一个外径219mm的氧枪，冷却水流量113吨/时，冷却水 温升11℃。实测得到该例中冷却水带走热量为Q=12.42×105千卡/小时，根据氧枪暴露面积计算，通过氧枪的钢和铜的外壁 （假定12毫米厚）应能对付的热通量能力要大于此值的十多倍。由于氧枪头内水流通道短、折转弯等原因，喷头内水道设计一定要宽敞，内表面一定要光滑以减少 死水区和降低磨擦阻力。如果内表面粗糙或有死水区存在，就会产生膜态沸腾，而不是核态沸腾。就会大大降低冷却水带走的热量，喷头就会损坏。
冷 却水质量对于氧枪操作，和在锅炉装置中一样是很重要的因素。如果在冷却水通道内表面积存了外来物或沉淀了水垢，都会妨碍氧枪传热，降低氧枪寿命。氧枪冷却 应该用加药剂处理的循环水。而有些钢厂直接使用从江河中抽取的水来冷却氧枪，造成氧枪更换频繁。氧枪喷头内部水流不畅，造成膜态沸腾，传热效果恶化，膜态 的热通量只有核态沸腾的七分之一。
氧枪设计和制造出来、经过冷态测定掌握了氧枪喷头的射流特性以后，还要在炼钢车间做生产试用。以确定选 定的氧枪参数与原料条件、造渣制度、供氧制度等诸因素的匹配情况，为更合理地设计和使用氧枪提供依据。
氧枪设计是一个多因素起作用的过 程，为分辨出各参数对吹练效果的影响，可采取统计的方法。将氧枪参数分为几何参数和使用参数。对使用参数当作定值，则只剩下对氧枪喷头的几何参数进行试验 了。这样试验组次少，易于取得明确的试验结果。但实际上，因为许多炼钢车间缺乏必要的准确计量设备，而且工艺操作的偶然影响因素很多，所以就很难把使用参 数当成定值。
吹炼时氧流量的控制 对某一种喷头，设计的供氧流量就是工况流量，在吹炼时应该达到或超过设计的氧流量。若供氧流量小于设计工况点流量就会使射流在到达出口前产生过渡膨胀，出 口端产生负压区，造成喷孔出口端过早熔蚀成喇叭口，供氧流量控制小于设计流量时对喷管寿命产生不利影响。
吹炼氧压 与出口马赫数Mt 对于制造好的喷头，吹炼氧压Po与出口马赫数Mt都已确定了。吹炼氧压只能大于设计氧压而不应小于设计氧压。控制吹炼的方法就只能在设计枪位高度范围内随 吹炼过程进行适当调整。
马赫数Mα即喷头出口速度V与当地音速α之比。它是超音速喷头的重要参数。据中科院化冶所蔡志鹏研究员调查80% 以上的喷头马赫数为1.9~2.0。国外有马赫数到2.3多。根据气体动力学的知识可知，喷头Mα=2左右，既节省能量，又可获得稳定的操作压力。若 Mα＜2，则操作不太稳定，这时操作压力稍有波动，Mα将急剧下降，影响射流性比较大。若Mα＞2.3，操作虽更加稳定，因射流出口Mt愈高，射流衰减愈 慢，但需付出更大的压力能。例如Mα=2.5时，则要求喉口前压力为Po=1.708MPa，而射流的冲击动能提高并不大。故选择Mα=1.9~2.0的 钢厂占80%。国外用LD—AC法冶炼高磷铁水，随气流喷入石灰粉造渣，为避免喷溅烧枪，所以就选喷头的Mα尽量大，以提高枪位时仍能获得大的冲击速度。
喷头更换标准 氧枪喷头状况对冶炼效果的影响，很难在冶炼过程中直接观察出来。只能从以下几方面来考察。
①化渣情况。由炉前观察或借助于声纳化渣仪判定 化渣时间。取终渣样或过程渣样进行化学分析，以计算脱硫率、脱磷率、渣中FeO含量。
②从记录纯供氧时间计算供氧强度。
③ 计算每吨钢的氧单耗量。
④观察冶炼过程喷溅程度和次数，称量样中铁珠量，计算吹损。
⑤记录氧枪损坏原因及分析枪龄。
当 各项冶炼指标明显变差时，就应该判定要更换喷头了。因为这说明喷头的射流特性已明显变坏。研究表明新喷头的各股射流在熔池面上互不掺混，而使用223次后 的旧喷头各股射流在到达熔池面以前就已会合近似单孔喷头的射流，冲击深度虽增加约23%，但冲击区域却减少14.2%。原规定喷头使用到200炉即更换。 统计1~200炉枪龄的喷头冶炼效果与＞201炉后的效果比较，得出吨钢氧单耗增加0.49~4.23Nm3/t·S，脱硫率要降 低17.5~24.8%。所以将氧枪喷头寿命应该定义为“在保持喷头设计的射流特性条件下，用于炼钢炉次的多少。”而不是氧枪漏水不能再工作时为止。由于 对300吨转炉氧枪新旧喷头进行实体测试的结果与喷头冶炼实绩相吻合，就得到宝钢现用的铸造喷头的使用寿命不宜超过200炉。
关于喷头更 换标准问题，钢铁研究总院杨文远教授等在1996年第9届全国炼钢会议上发表过新旧喷头的射流变化对冶炼的影响。文中阐述了30吨转炉的新旧喷头进行的测 试表明，旧喷头流量较新喷头下降2~4%，旧喷头诸流股掺混严重，有效冲击面积减少50%。统计的冶炼实绩也表明旧喷头多消耗石灰4.62kg/t、多耗 氧3.48m3/t、脱硫率低9%、终渣（TFe）高2.46%。故建议对铸造喷头，其寿命为200~300炉时应更换喷头。
上 述结果是对30吨转炉进行的。转炉渣量按10%计算为3吨。则每炉多消耗铁（TFe）达73.8kg、多耗氧104.4Nm3，多 消耗石灰138.6kg.。
许多炼钢车间出于管理原因，追求高的氧枪枪龄，有些甚至搞“千炉枪龄竞赛”，皆因生产过程缺乏计量化，难于考 核冶炼收得率。仅抓少换枪、多出钢。为解决延长枪龄、少换枪的目的，必须要工艺操作规范化。
氧气转炉氧枪的设计与使用总 结
（1）氧枪喷头的选取与设计，应以准确的氧流量、氧气管压力和装入量为依据，合理确定喷孔倾角，确定冶炼周期，还应 考虑与精炼、连铸等工艺的配合；
（2）喷头制造要严格控制电解铜的含氧量，保持铸件内表面光滑，严格控制铜——钢焊接质量；
（3） 使用喷头要求工艺生产过程计量化、工艺操作规范化，炼钢车间应在冶炼时间、钢水收得率、渣中FeO含量、操作稳定性及炉龄枪龄等诸技术指标之间取得最佳平 衡，来确定最好的吹炼操作；
（4）炼钢厂应根据本单位情况，制订喷头更换标准
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