精挤成型二段组合式氧枪喷头的研制

孟永社 （江苏博际热能技术有限公司）

李承祚 （首钢集团公司）

供氧是氧气转炉炼钢控制过程的中心环节，直接影响其吹炼效果和钢种质量。喷头是构成氧枪最重要的部件，一个好的喷头设计必须较好地解决喷孔形状、尺寸、孔数、倾角、材质等问题，合理组织水流、科学测算喷头底部铜壁厚度，从而保障喷头既有良好的射流特性，又具有较高的耐用性。

转炉炉内，反应区的温度超过2000℃，喷头端面承受很高的热负荷，同时，喷头受到熔渣侵蚀和钢渣喷溅等，使得氧枪喷头的使用环境非常恶劣；而铜的熔点只有1083℃，所以如何增强喷头的冷却能力、减小喷头的变形、稳定喷头射流特性、延长喷头寿命一直是喷头制造技术发展研究的方向。

1．氧枪喷头制造技术的发展过程

早期转炉使用的单孔喷头，其中心有一个大的喷氧孔，由于高速氧气气流的温度在－100℃以上，加之端面四周有很好的水冷，所以单孔喷头的冷却不存在问题。随着转炉容积的增大，三孔（多孔）喷头出现以后，喷头的冷却变得日益重要，也推动了氧枪喷头制造技术的创新发展。

1.1第一代 锻造气冷（水冷）喷头受结构制约被淘汰

这一阶段生产的3孔喷头是用紫铜棒经车床加工、钻孔而成（图1）。喷头通过3股高速喷出的低温氧气来实现冷却。由于氧气气流的冷却能力有限，为了使孔之间的部位不过早损坏，设计制造时3个喷氧孔靠得很近，结果导致氧气流股提前交汇，影响了氧枪的冶炼效果，

图1 锻造水冷喷头 图2美国HOTTON锻造喷头

头中心部位经常被烧漏。为了解决锻造喷头孔间部位的水冷问题， 美国HUTTON公司生产的锻造喷头在氧孔之间钻孔，并通水冷却，以避免孔间部位被烧漏（图2）。但采用这一方法喷头使用寿命仍然很短。

1.2 第二代 铸造中心水冷喷头被广泛使用

铸造喷头结构更趋合理，设计的分水盘将冷却水强制引向喷头中心，优化了喷头的冷却方式，使用中喷头变形较小（图3）。同时，喷头参数的修改相对容易，制造成本较低，适合大批量生产。目前生产的喷头大多采用铸造方法生产。

图3  铸造喷头

1-氧管  2-中管  3-外管  4-喷头本体

国内目前铸造喷头大多采用天然砂，使用水玻璃做黏结剂或采用树脂砂。铜的熔炼主要使用中频感应炉，少数厂家采用真空冶炼、真空浇注的工艺。

铜在冶炼过程中极易吸收气体，控制氢氧含量是铜铸造技术的关键环节。在实际生产中电炉装料时，随炉可加入一定数量的木炭屑，铜料熔化后，木炭则上浮，使空气与铜液隔绝，以减少铜液的吸气和氧化；也有的采用中性覆盖剂来覆盖铜液。必要时，可采取除气和脱氧的方法，比如吹入氩气、氮气，将氢气携带上浮；或者真空除气；还可以加入磷、锰、锂、铜硼合金等脱氧剂以降低铜液中的氧含量，可以防止气孔的产生。设计合理的浇冒口位置，实现顺序凝固、合理补缩，可以有效防止发生缩孔和疏松。

铸造中心水冷喷头由于在铸造过程中会产生气孔、疏松、夹杂物等不可避免的缺陷，同时喷头铜的纯度较低，导热性能不高。国家有色金属及电子材料分析测试中心评测的铸造喷头晶粒度约在0.4mm（参照标准YS/T347-2004），含氧量约在0.006%（惰气脉冲红外热导法GB/T5121.8-2008）（如图4）在使用过程中喷氧孔出口容易倒角，影响氧枪的冶金效果，所以铸造喷头的使用寿命大多在150炉～200炉左右

。

图4铸造喷头铜晶粒度

1.3第三代 组合式喷头优势明显

组合式喷头20世纪90年代引进国内，并在首钢210吨转炉使用。喷头平均寿命超过500炉，冶金性能非常稳定。同期的铸造喷头平均寿命只有177炉，可见组合式喷头优势非常明显。

组合式喷头按其组合方式的不同可分为锻压组合式喷头、锻铸组合式喷头、精挤成型二段组合式喷头等。

锻压组合式喷头（图5）由底部、喉管、氧管、分水盘、定位块、中管、外管等组成。除喷头底部与外管采用氩弧焊接、中管与分水盘采用螺纹连接外，其余件采用钎焊连接。喷头底部和氧管分别选用一定直径的无氧铜和紫铜，用模具分别锻压，然后加工水道，最后与喉管、分水盘一起焊接。由于钎焊缝数量很多，所以对加工质量和焊工水平要求较高。

图5锻压组合式喷头

1-氧管2-喉管3-底部4-中管5-外管6-分水盘7-定位块

铸锻组合式喷头（图6）底部采用模具锻压，其喷头氧管、喉管、分水盘铸成一体，可做铸铜件也可做铸钢件，采用钎焊方法焊接在一起。该喷头对钎焊部位尺寸要求较为严格，异种金属的钎焊难度较大；同时，钎焊缝位置太靠近底部，焊接操作性不好。

图6锻铸组合式喷头

1-底部2-外管3-中管4-喉管 5-氧管6-上部7-分水盘

精挤成型二段组合式喷头是江苏博际热能技术有限公司在多年跟踪氧枪喷头制造技术的发展，分析现有组合式喷头产品优势与不足的基础上开发的又一种组合式喷头产品，并申报了国家专利（专利号：201020022862.1）。

2．精挤成型二段组合式喷头的研制

从组合式喷头产品结构看，喷头底部和喷头外管铜钢要求采用氩弧焊保证质量外，钎焊缝在使用过程中不得出现漏水。钎焊间隙通常控制在0.12mm左右。间隙太小，钎料流动受阻，可能填不满焊缝，造成漏水；间隙太大，钎料又会从焊缝处流走造成浪费。要保证钎焊间隙，就必须提高加工精度。但从图纸分析，喷氧孔分度圆直径误差、高度误差、角度误差、配合面直径误差、平面度误差均影响到焊缝间隙，造成焊缝间隙超差或间隙不均匀，焊缝质量难以保证。在喷头生产中和实际使用中大部分出现漏水的部位在氧管与喉管的结合处。显而易见，目前这种锻压组合式喷头的不足是焊缝数量太多，尤其是喷头氧管与喉口之间焊缝既多又集中，焊缝相互影响，加之焊接操作视线不好，造成一次焊接合格率不高。

精挤成型二段组合式喷头（图7）克服了锻压组合式喷头的不足，将喉管与喷头氧管挤压成一体，减少了50%的焊缝和一道加热过程，限制了晶粒的长大，提高了喷头的强度；同时，一次焊接成品率的提升，节约了资源。

图7精挤二段组合式喷头

1-上部 2-底部 3-中管 4-外管 5-分水盘 6-定位块

2.1喷头底部材料的选择

合理的氧枪喷头工艺参

数的确定需要经过流体力学

计算、实验室氧气流场分布

测试和上炉试验三个步骤，

并根据冶炼条件的变化不断

优化。当喷头参数确定之后

提高喷头导热能力就变得非

常重要。根据氧枪喷头所使

用的环境，考虑加工铜具有

仅次于银的优良的导热性，

参照溶质元素对铜热导率的

影响(如图8）和铜的力学性

能与晶粒大小的关系（如图

9），我们选用无氧铜Tu1作

为喷头底部的材料。这样既

可提高喷头的冷却性能，又

可以防止“氢病”的产生。

加工铜的物理性能和无氧铜的化学成分如表1：

性 能	纯铜（T2.T3）	特种铜
		砷铜	碲铜	银铜
密度（g/cm^3）	8.94	8.94	8.94	8.94
熔点（℃）	1083	1084.5	1080	1084
热导率（W/m.K）	399	193.84	368.83
线膨胀系数	16.6	17.7	17.7
电导率	100	45	95	96.7

材质	代号	化学成分/%（质量分数）
		主要成分		杂质＜
		Cu	P	Bi	Pb	S	P	O
无氧铜	Tu1	99.97		0.001	0.003	0.004	0.002	0.002
	Tu2	99.95		0.001	0.004	0.004	0.002	0.003

表1加工铜的力学性能和无氧铜的化学成分

2.2喷头挤压成型工艺

2.2.1 加热温度的选择

由于铜是面心立方结构，具有良好的塑性加工能力，可进行冷热挤压变形，制造形状复杂的各种零件。由于纯铜存在“中温脆性”，即在500-600℃之间纯铜的塑性较低（如图10），因此控制挤压温度非常重要。当温度高于650℃，纯铜具有极好的塑性和较低的变形抗力，加热温度高于900℃后，晶粒快速粗化，（如图11）导致塑性下降和高温氧化，所以纯铜适合的挤压温度为800-900℃。

图10铜的塑性曲线图

图11 纯铜的再结晶图

2.2.2 挤压工艺过程

精密挤压是锻压技术发展的新工艺，是用模锻方法生产与成品零件尺寸和形状很接近的工艺技术。具有提高金属材料利用率、减少或部分取消切削加工量、提高挤压件的尺寸精度和表面质量、可以得到合理的金属流线分布，提高工件的力学性能的特点：

（1）挤压成形工艺分析

氧枪喷头精挤成型的关键是喷头底部的挤压成型。目的是达到细化晶粒、提高导热性能、保证喷孔扩张段成型良好及喷头水道光滑。

适当减小铜材的变形阻力是喷头底部成型的重点。金属成形变形阻力的大小,决定于金属的化学成分、金属的组织、变形温度、变形速度、变形程度以及与这些有关的各个过程，如加工硬化、再结晶、动态回复、静态回复等。一般情况下，随着变形温度的提高，各种金属的强度指标（屈服极限、强度极限和硬度等）均降低。因为随着变形温度的升高，金属原子热振动的振幅增大，滑移阻力减小，新的滑移不断产生，同时增加了非晶扩散机理及晶间粘性流动，使变形阻力降低；在高温下发生动态回复和动态再结晶，可减轻或消除由于塑性变形所产生的加工硬化，使变形阻力降低。所以提高挤压温度、控制每次挤压的形变量非常重要。

高温下，无氧铜易氧化，形成Cu₂O，分布在铜的晶界上，在使用中易产生裂纹。适当降低温热变形温度，可以减少无氧铜含氧量。

综合分析，喷头底部的挤压过程需要分三步完成：

第一步 合理的体积预分配（热压）

第二步 扩张段成型（热压）

第三步 底部翻边成型（冷压）

（2）有效实施体积预分配

我们选取武钢三炼钢250吨转炉φ355.6喷头底部，采用数值模拟技术研究坯料的变形过程，有效实施体积预分配，达到变形均匀、充形饱满，同时提高模具寿命。

毛坯形状与尺寸是影响成形力和保证坯料在挤压过程中良好地充满整个形腔的关键因素之一。为保证充形效果，选择合适的制坯尺寸尤为重要。为此，采用MARC/Autoforge软件对不同坯料尺寸的挤压过程进行模拟分析。图12为坯料形状分别为(a) φ200 ； (b) φ250 ；(c) φ300；(d) φ320；(e) φ350（单位:毫米) 等五种情况下挤压过程坯料充填情况模拟结果。

图12 不同制坯尺寸充形情况模拟对比

由图12及最大挤压力分析，当坯料直径小于320mm时，金属首先充满凹坑后再流向周边，而且，在小于300 mm后，坯料在充满凹坑过程中有失稳或起褶皱的趋向，如图中a、b。此外，在充形后期，金属的充填过程类似闭式挤压，凸模的外沿严重阻碍了金属的流动趋向，造成挤压力的急剧增大，如图中c、d。当坯料直径较大时，如图中e，坯料体积分配趋于合理，制件凸台与周边几乎同时开始充填，不仅在高度上接近一致，而且最大挤压力也下降了很多。

加热过程还可以采取有效的惰性气体保护措施，通过快速有效成形，保证工件含氧量指标及尺寸要求。

（3）挤压成型方案

综合分析试验结果，确定喷头底部温热挤压成形工艺方案：

下料→ 加热→ 制坯→ 水淬→加热→ 扩张段热挤压→ 水淬 →回火→冷成型→ 清洗。（挤压成型过程如图13所示）

成形设备：1250T油压机。 润滑剂：石墨乳。

经过精挤成型的喷头底部晶粒度可达0.07mm,中心部分的晶粒度为0.002mm(如图14).

图13挤压成型方案图

图14经挤压后铜晶粒度照片

2.3喷头的焊接工艺

2.3.1 喷头的钎焊工艺

喷头上部和喷头底部的焊接采用火焰钎焊连接，要求焊件搭接部分间隙控制在0.12mm左右，同时表面光洁度好。考虑后续焊接工艺的影响，要求焊接材料的熔点超过600℃，同时必须具有极好的流动性，所以选取银基焊料LA,配合相应的钎焊剂，可以获得良好的强度和密封性。

2.3.2喷头外管铜钢焊接

铜钢的熔点、热导率、线膨胀系数差异较大，对其焊接性不利；但其原子半径、外层电子数比较接近（如下表3）。

表3  铜钢物理参数

元素	密度g/cm^3	熔点℃	热导率w/m.k	线胀系数	原子半径10^-10m	晶格类型	晶格常数10^-10m
Fe	7.87	1537	66.7	11.7	1.27	α、γε-Fe	2.86/3.668
Cu	8.92	1084	399	16.6	1.28	面心立方	3.6147

在液态时Fe与Cu无限互溶，对焊接是有利的。在Fe与Cu的焊缝中不存在不融合的间层,所以可以用较多的方法进行焊接。焊接结构如图17所示。铜钢焊接的主要问题是焊缝金属易产生热裂纹，热影响区易产生渗透裂纹。国内铸造喷头大多选用纯铜焊丝采用氩弧焊接的方法，可以满足150-200炉的寿命要求。

由于组合式喷头的寿命较高，正常使用可达400炉以上，加之炉内和炉外的温度变化太大，喷头一直承受较大的冷热应力考验，所以对焊缝提出更高的要求：强度要高、抗疲劳强度要高。所以我们选用铝青铜材料焊丝（其力学性能如图15所示），当铝含量控制在8%以下时具有高的强度和塑性，其组织呈α单相固溶体，适用于冷热塑性变形，同时具有耐蚀、耐磨、耐冲击的性能。采用氩弧焊的方法，可以获得良好的焊缝。

铜钢氩弧焊接工艺为：焊件表面清理→铜预热→焊接→焊后保温→加工→焊缝探伤

图15铝青铜的力学性能与AL含量的关系图

3 结语

3.1随着氧枪喷头制造水平的提高，组合式喷头在大中型转炉的使用优势明显，越来越广泛的得到应用。

3.2新研制的精挤成型二段组合式氧枪喷头，喷头底部选用无氧铜Tu1料，经体积预分配制坯→扩张段成型→喷头底部翻边成型三道工艺步骤精密挤压成形，水道光滑、无须加工；喷头上部采用紫铜二工步精密成型。

3.3新研制的精挤成型二段组合式氧枪喷头钎焊缝数量比锻压组合式喷头减少50%，焊缝位置更趋合理，喷头安全性更好。

3.4经挤压后组织为孪晶a相，晶粒细小，晶粒度可达0.07mm，中心部位晶粒度可达0.002mm。喷头少一次加热焊接过程，晶粒长大的趋势被限制，导热系数大幅提高，喷头变形小，冶金性能更稳定。

3.5设计制作的上下导水锥和分水盘形状强制冷却了喷头中心，水道光滑，冷却水水流分布合理，喷头底部壁厚均匀，在满足强度的前提下可以减小壁厚，提高冷却效果；

3.6喷氧孔用成型铰刀在镗床加工，使用专用夹具在车床加工，孔的精度高。

3.7精挤成型二段组合式喷头导热好、变形小，冶金性能稳定，使用寿命长，适宜在大中型转炉上使用。

参考文献

1. 刘志昌 氧枪 化学工业出版社 2008

2. 李承祚等 氧气转炉锻压组合式氧枪喷头的研制 冶金设备 2002.2

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