（冶金工程专业论文）炼钢聚合射流氧枪流场的数值模拟研究.pdf

摘要 氧枪是炼钢供氧搅拌的关键性1 艺设备，氧枪- “生氧i 剿2 j c 的特点及氧气射 流对熔池的冲击和搅拌作用直接影响着氧气炼钢的各项经济技术指标。本文阐述 了炼钢用氧技术的关键设备一氧枪的发展、分类、设计及使用寿命，分析了氧气 射流特性及氧气射流与熔池相互作用的关系和新型聚合射流氧枪的突出特性及其 在炼钢厂的广阔应用前景，结合射流基本理论提出本论文研究的方法和内容。 本文建立了计算传统射流氧枪和聚合射流氧枪流场的数学模型。采用控制容 积法离散微分方程组，计算压力的方法采用s i m p l e c 法，确定了计算过程收敛标 准，选用追赶法解方程组，采用c f x 4 3 实施计算。考察了无伴随流，环境温度变 化情况下氧枪射流核心区长度的变化规律；以及在聚合射流主射流条件给定的情 况下，伴随流气体温度、压力等因素对聚合射流主射流核心区长度的影响。 计算结果表明，对传统超音速湍流射流，当射流环境温度提高时，超音速核 心区长度增加，射流扩张角减小，射流的速度分布与温度分布具有相似性；对聚 合氧枪射流的核心区长度随主射流的伴随流温度提高而增加，最大可以达到4 0 d e ， 随伴随流压力的提高而增加，与普通超音速氧枪射流相比，聚合氧枪射流轴线速 度明显减缓。 关键词：氧枪，聚合射流，流动，模拟 a b s t r a c t o x y g e nl a n c ei s t h ek e ye q u i p m e n to fo x y g e ns u p p l yf o rs t e e l m a k i n g t h e c h a r a c t e r i s t i c sa n db e h a v i o ro fo x y g e nj e td i r e c ta f f e c tt h ee c o n o m i ci n d e xo f s t e e l m a l ( i n 8 w i t ho x y g e ni n j e e t i o n i nt h ep r e s e n tp a p e r , o x y g e nl a n c e , t h ek e y e q u i p m e n to f o x y g e nu s e ，i sd i s c u s s e di nd e t a i la b o u ti t sd e v e l o p m e n t ，c l a s s i f i c a t i o n ， d e s i g n ，a n di t sl i f ec y c l e t h em p e r s o n i cj e ta n di t si n t e r a c t i o nw i t ht h eb a t ha l ea l s o d i s c u s s e d t h ec o h e r e n tj e to x y g e nl a n c e ，an e wt y p eo x y g e nl a n c e ，i si n t r o d u c e di n d i = t a 订a b o u ti t sf u n d a m e n t a lr e s p e c t sa n dt h ee x t e n s i v ep r o s p e c to fa p p f i c e t i o ni n s t e e l m d f n gp l a n t s o nt h eb a s i so f t h et h e o r yo fs u p e r s o n i cj e t ，t h ec o n t e n t sa n dt h e a p p r o a c h e sl i f ep u tf o r w a r di nt h ep a p e r m a t h e m a t i c a lm o d e l so f f l o wf i e l do ft h ec o n v e n t i o n a lo x y g e nl a n c ea n dc o h e r e n t j 髓o x y g e nl a n c ea r ee s t n b l i s h e di nt h ep r e s e n tw o r k t h ed i f f e r e n t i a ld p l m i sa r e d i s c r e d i t e db yf i n i t e - d i f f e r e n c eo v e re a c hc o n t r o lv o l u m e t h es l m p l f 阢a 1 9 0 r i h mi s a p p f i e dt os o l v et h ep r e m u r ee n dc o r r e c a n gv e l o c i t yc o m p o 蛐f o rc o n l i l l n i t y t h e d i s c r e d i t e de q u a t i o m8 1 0s o l v e db yt d m aa n dt h ec o n v e r g e n ts t a n d a r di s s p e c i f i e d t h ec a l c u l a t i o nw 舔c a r r i e d0 l i tb yc f x 4 3 t h ee f f e c to f r o o mt e 脚p i 嘲m 勰 o no x y g e nt a h o e j e tb e h a v i o rw i t h o u ts e c o n d a r yf l o w 髑s t u d i e d a sw e l la s , t h ee 惑e e t s o f 把m 衅翱加i ea n dp i 鹊哪o ft h e 棚a f yg a sf l o wo nt h e 扭删j dw e r e i n v 髓t i i ；& l 。d t h es i m u l a t i n gr e s u l t si n d i c a t et h a tt h ec o h e r e n tj e to x y g e nl a n c esp m e n t i a l s u p e r s o n i ce o l el e n g t hi n c r e a s e sw i t ht h ei n c a m s eo f t h et e 棚埘嬲瞳l l 璋a n dt h ep l 瑚& l o f t h ec o n c o m i t a n tf l o w c o m p a r e dw i t hc o n v e n t i o n a lo x y g e nl a n c e ，t h ec o h 口n cj e t o x y g 蜘l a n c eb 峙am o r eo b v i o u sd e c a d e n c ei na x i a ls p 慨，d k e yw o r d s ：o x y g e nl a l l c e , c o h e r e n t j e t , f l u i df l o w , s i m u l a t i o n i i 声明 本人声明所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取 得的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所作的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 本人签名：墨晏 日期：例3 字1 东北走学硕士论文第一章绪论 第一章绪论 1 1 用氧技术与炼钢工艺 钢铁工业是氧气的最大消耗者，钢铁工业中使用氧气，大大提高了生产率， 降低了成本。使用氧气炼钢与其它炼钢法相比，具有吹炼速度快，生产效率高， 钢水质量好、品种多等优点，因此在世界范围内得到迅速的发展。 氧气在钢铁工业中的应用首先是使用空气中的氧气。用碳和热空气中的氧气 把天然的氧化铁还原成铁水，用氧气将钢液中的杂质氧化，使氧化产物上浮在重 度较轻的熔渣中，并将熔渣与钢液分离。早在1 9 世纪，高纯度豹氧气炼钢引起了 贝塞麦的注意，在1 8 5 6 年他用自己的名字命名这种炼钢方法的专利。雨后发展的 平炉使用大量的氧气( 以空气的形态) 燃烧碳氯物燃料，来提供炼钢所需的热量。平 炉炼钢中使用氧气，可以提高平炉中火焰的温度和燃料的燃烧效率，加速了糖炼 的速度。这些研究为氧气顶吹转炉炼钢和工业用氧的发展奠定了基础。 2 0 世纪4 0 年代初，大型空气分离机问世以来，开始提供大量廉价的氧气，5 0 年代，空气低温分离技术的发展使工业化生产氧气成为可能，该技术与炼钢的工 艺进展为氧气顶吹转炉的开发准备了条件。1 9 5 2 年在奥地利的l i n z 城和1 9 5 3 年在 及m 删证z 城先后建成了3 0 吨的转炉车闯并投入生产，所以这一方法又删i ，d 法。用 纯氧吹炼由于不存在氮气的翻冷效应，可以获得更高韵温度，具有反应速度快， 热效率高的优点，因此它成为冶金史上发展最迅速的新技术。而后又发展了氧气 底吹转炉，它采用开口冷却的喷嘴，使纯氧从炉底吹入熔浊而不致损坏炉底。氧 气底吹法对熔池的搅拌最为强烈，脱碳能力强，锰和铁的氧化损失较顶吹法小， 能够适用于高磷生铁，吹炼过程变化曲线重复性好，有利于实现动态控制。但吹 炼前期造渣不好，为此人们又开发了顶底复合吹炼技术，既改善了搅拌又保持了 顶吹冶炼前期造渣好的优点p ，。 无论何种吹氧炼钢的方法都离不开供氧搅拌的关键性工艺设备氧枪，氧枪 产生氧气射流的特点及氧气射流对熔池的冲击和搅拌作用直接影响着氧气炼钢的 各项经济技术指标。因此认真研究氧枪的发展、设计、氧气射流特性及其与熔池 的相互作用，对炼钢工艺的改进起着重要的作用。 一1 一 东北大学硕士论文第一章绪论 1 2 炼钢氧枪 氧枪是炼钢的供氧设备，它是随羲氧气炼钢的发展耐发明、发展起来的。第 次用氧枪从炉子上部吹入纯氧冶炼钢水的试验j 二1 9 4 8 年3 月在瑞士获得成功。至 今，不管是转炉还是电炉，甚至是炉外精炼都离不开氧枪。炼钢吹氧时，氧枪使 氧气流股在喷头的出口处具有一定的速度和较大的动能，这样氧气流就能以一定 的压力冲击熔池中的液体金属，起到供氧和搅拌作用，使其具有较高的反应速度 和较高的热效率。因此，氧枪是炼钢的关键设备。 1 2 1 氧枪的分类及发展 炼钢氧枪的种类很多h ，按照炉子的种类可以分为转炉氧枪、平炉氧枪和电 炉氧枪；按照喷头孔数可以分为单孔氧枪和多孔氧枪；按照喷头孔型可以分为真 筒型、拉瓦尔型及螺旋型氧枪，其特点如表1 1 所示。近年来还出现了诸如。突扩4 、 “旋转”等特殊孔型的喷头h 。按照氧枪喷头的制造方法可以分为锻造喷头、铸 造喷头和组装式( 焊接) 喷头氧枪，其特点如表1 2 所示。髓着炼钢技术的发展，炼钢 炉型的大型化，氧枪喷头经历了单孔向多孔的发展过程，孔型则由直筒型向拉瓦 尔型及螺旋型的发展r j 。近年来又出现了许多新型用途的氧枪，如双流道氧枪， 聚合射流氧枪等。 表i i 氧枪喷头孔型类型 t a b l e l 1 t y p e o f o x y g e n l a n c e h e a d 拉瓦尔型直筒型螺旋型 压力能可有效的转交为动结构简单，加工方便，适氧气出口呈螺旋气流，搅 能，氧气出口速度快，穿透力用于平炉氧枪和电炉氧枪，但拌好，化渣快、喷溅小，但结 强、形成稳定的超素速射射流， 氧气出口速度慢，衰减快，射构复杂，加工困难，氧枪喷头 氧枪性能好。流不稳定。寿命短。 表1 2 氧枪喷头的制造方法 锻造喷头铸造喷头组装式喷头 加工方法简单，材质致密，氧枪寿命长，性能好，生喷头结构合理，水冷效果 导热性能好，寿命低。产效率高，但易于产生气孔、好，氧枪寿命长，性能良好， 裂纹、疏松等铸造缺陷。但加工精度要求高，制造工艺 复杂。 东北大学硕士论文第一章绪论 双流氧枪是8 0 q ：代开发的氧枪，其具有主、副两种氧气喷孔，主喷孔的氧气 流胶进行吹炼，副喷孔的氧气流股将炉内生成的c o 氧化成c 0 2 ，强化供热，增加 废钢装入量，同时，将乳化渣中的铁粒氧化，加速冶金反应。因此，双流氧枪使 炼钢过程的自身能量在炉内得到，充分利用，是良好的强化冶炼和节能设备，其 有较高的技术经济效益l6 1 。双流氧枪包括四种结构型式，如表l3 所示。 表1 3 双流氧枪的类裂 t a b l e1 3t y p eo f o x y g e nl a n c ew i t ht w of l o w s 双流道氧枪双流道分层氧枪分流氧枪分流双层氧枪 氧枪为四层主氧流和副氧 主氧流和副氧流不能单 主氧流和副氧流 管结构，主氧流和流分布于两层平面，独控制，但因结构简单，具有分布于两层平面不能 醐氧流可以单独而且可以单独控制。双流氧枪二次燃烧的优点，易单独控制。 控制。于推广。 聚合射流氧枪是9 0 年代末研制的新型的氧枪，它能产生长距离保持初始出口 直径、速度、射流动量的聚合射流，相同距离时聚合射流的注入能力远远大于传 统超音速气体射流，可促进钢渣反应、均匀成分和温度、减少喷溅、提高氧气利 用率、提高金属收得率。同时因穿透能力的增强，枪位可适当提高，降低氧枪喷 头消耗1 。 1 2 2 氧枪喷头的设计 氧枪由喷头、枪身和尾部三部分组成，喷头常用紫铜材质，枪身由无缝钢管 做成的三层套管组成。尾部结构应该方便输氧管、进水和出水软管同氧枪的连接， 保证三层套管之间密封及水流的畅通，以及便于吊装氧枪p 1 。 氧枪设计的内容包括：喷头设计，水冷系统设计，枪身和尾部结构系统设计。 其中喷头是氧枪的核心部分，所以喷头的设计是氧枪设计的关键和难点。 1 2 2 1 超音速氧枪喷头设计的主要要求 枪头的孔型和孔的数目是枪头的关键性工艺参数，它直接影响吹炼的操作制 度和工艺效果。高压氧气经过拉瓦尔喷管后可以获得超音速氧气流，有利于熔池 的搅拌，提高冶炼效果，在具有同样搅拌能力的情况下，枪头离熔池面较远，可 以提高枪龄；液态金属单位面积上承受的氧气流冲击力也较直筒形小，可以减少 喷溅、提高金属收得率。这也是超音速氧气射流受到普遍欢迎的原因。为获得超 音速的射流速度，氧枪喷孔一般都采用先收缩后扩张的拉瓦尔型，工业上为了便 一3 东北走学硕士论丈 第一章绪论 于制作扩张段，均简化为圆锥形。 工况条件下的喷管设计，可以根据气体动力学知识进行，丽非工况情况下的 超音速喷管在实际生产中是经常遇到的，例如当环境雎力大于设计的压力时，就 会在出口产生压缩波。相反，剩流在喷管内未完全膨胀，出口就出现膨胀波。因 此在设计时要注意以下原则： ( 1 ) 在一定的操作氧压和枪位条件下，为吹炼提供所需的供氧强度，使氧气射 流获得较大的动能，以达到合适的穿透深度，对熔池搅拌均匀的同时又不致引起 较大的喷溅。为此，要求正确设计工况氧压和喷孔的形状、尺寸，并要求氧气射 流沿轴线的衰减应尽可能慢p 1 。 ( 2 ) 在合适的枪位下，氧气射流在熔池面上要形成合理的反应区，保证熔池反 应均匀，对炉衬侵蚀小且均匀。尤其对多孔喷枪，要求各股氧气射流到达熔池面 时不汇合，形成多个反应区。 ( 3 ) 氧枪喷头寿命要长，为此要求喷头的结构合理、简单，氧气射流沿着氧枪 轴线不出现负压医和过强的湍流运动。 l 2 主要参数盼选择 氧气流量：指单位时间内向熔池供氧的数量，其单位是n o ，m i n 。它是根据吹 炼每吨金属的耗氧量、金属装入垂和供氧时间来决定的。 供氧强度：指单位时间每吨金属的供氧量，其单位是n o t ir a i n 一。每吨金属 所需氧量可以根据铁水成分、废钢比、所炼钢种、渣量、渣中f e o 含量、矿石或铁 皮加入量等已知条件由物料平衡计算得出。一般每吨金属实际耗氧量为5 0 6 0 n m 3 。每吨钢耗氧量，若采用低磷铁水约为4 5 5 5 n o f 1 左右，采用商磷铁水 约为6 0 - - 6 9 n m t - 左右。供氧时问根据经验确定，它与炉子容量、原料条件、冶 炼钢种、造渣制度等因素有关。 喷头孔数：除小容量转炉采用单孔喷头外，现在转炉皆用多孔喷头，现有3 、4 、 5 孔等。由于多孔喷头变集中供氧为分散供氧，增大了氧射流同熔池的冲击面积， 取得了显著的吹炼效果。 设计工况氧压：设计工况氧压又称理论氧压，它是指喷头进口处的氧气压力， 它近似等于滞止氧压p o ( 绝对压力) 。因为现场氧气测压点一般在快速切断阀之前， 从此处至喷头前还有压力损失，测量难度较大，因此就难以保证设计工况氧压的 精确度。目前国内一些小型转炉工况压力约为o 5 o 8 m p a ，一些大型转炉则为 - 4 - 东北大学硕士论疋 第一章绪论 0 8 5 11 m p a 1 0 l 。 喷头出口处马赫数( m a ) ：马赫数m a 是喷头设计的一个莺要参数。m a 值和设计 1 ：况氧压p o 与出 - 3 援力p c 的比值帆) 有确定的函数关系，而p c 值基奉小变，因此 p f l 的选取实质i + 就是马赫数m a 的选取。随着m a 值的增久，喷头氧气射流出门速度 u 要提高。从提高转炉熔池的搅拌力出发，希望选取更高的m a ，然而p o 也要相应提 高，当m a 2 以后，随p n 的提高，氧气射流出口速度u 的增加变慢，这在经济上是不 合适的。目前国内外氧枪喷头出口马赫数多选取2 0 左右，在总管氧压允许条件下， 也有选取2 2 2 3 左右的。选好p 0 后，一般是将炉役期的最低操作氧压定为设计氧 压，来进行喷头设计。根据实验数据，当操作氧压低于设计工况氧压( 负偏离) l d ， 或不超过设计工况氧压( 正偏离) 5 0 时，产生的激波或膨胀波都不严重。般测压 点的压力最多允许偏离设计工况压力的2 0 左右“。 炉膛压力：喷头出口的环境压力对氧枪喷头来说是指炉膛压力，它与喷头射 流的出口压力的差异，决定了氧气出口后的流动状态，所以炉膛压力也是喷头设 计的重要参数之一。在吹炼过程中喷头周围的情况复杂，炉膛压力也随之变化。 另外转炉容量不同，炉膛压力也稍有差异。根据实测数据，一般炉膛压力高于当 地大气压l 2 k p a 。为了使氧气射流的展开和速度衰减变慢，一般应选取喷头出口 压力等于炉膛压力。 喷孔夹角：喷孔夹角是指喷孔几何中心线和喷头中轴线之间的夹角：它是多 孔喷头设计的重要参数之一。氧气射流沿喷孔向外喷射的过程中，多股射流之问 发生相互卷吸而使射流向中心偏移。每股射流在周熔池作用处的最大冲击力点和 喷头中轴线之闻的距离称为冲击半径，其大小主要决定于喷孔夹角和枪位，同时 也受马赫数、氧压、喷孔间距的影响。生产实践表明：冲击半径r 冲和熔池半径r 培 之比( 称为循环比r 比) 是对转炉冶炼有重要影响的参数之一，因为它影响着熔池的 循环运动。多孔喷头要求r 比= o 1 o 2 ，中小型转炉r 此= o 1 0 0 1 5 。选取r 此时还应 参考熔池深度与熔池直径的比值大小，该比值大，则r 此可取小些，反之员n r 此取大 些。随着喷头孔数的增加，喷孔夹角应增大，它们之间的关系参考表1 4 。 表1 4 多孔喷头孔数和喷孔夹角之间的关系 孔数 345 5 夹角 9 l l1 0 1 31 3 1 51 5 1 7 东北大擘硕士论文 第一章绪论 喷孔间距：喷孔问距( d 问) 是指喷头出口中心线与喷头中轴线之间的距离，它对 射流之间的相互作用也，“生很大影响。其值大小常用喷孔分散度m ( m 剐间d 出) 来表 示。如果喷孔阅距d 闻过小，会增大氧气射流之闯的吸引程度。从降低喷孔之间的 氧7 气射流汇交的角度考虑，增大喷孔问距d m 同增大喷孔夹角是r 致的。因此， 喷头设计时原则上应尽可能增大喷孔间距，丽不应轻易增大喷孔夹角，但是增大 喷孔闻距又往往受喷头尺寸的限制。根据三孔喷头的冷态测定实验表明，在喷头 端面。当喷孔分散度m = o 8 1 0 对，不会对氧气射流的速度衰减产生明显的影响。 喷孔端面形状：对于单孔喷头，其端面呈平面。对于多孔喷头由于每个喷孔 同喷头中轴线呈一定夹角。如果整个喷头端面形状是平面，则每个喷孔出口断面 将呈斜面形状，斜口超音速赜管射流流出的边界条件是不对称的，这时射流流态 必然受到边界几何条件的影响，产生射流沿斜口管壁流动的复杂情况。因此，喷 头端面应设计成与喷头轴线的垂直平面相交的夹角圆锥面，而其夹角正相当于喷 孔夹角，这样喷孔便成为正口拉瓦尔喷管。为了改善锥面受热情况，若喷头中心 线处未设喷孔，可用一个垂直于喷头中心线的小平面代替尖锥顶较为合适。 喷孔的形状：如前所述，氧气顶吹转炉基本上都是用拉瓦尔管来获得超音速 的，它由收缩段、喉口和扩张段三部分组成。设计一个气动特性很好的超音速喷 管需要进行大量的计算，而且喷管内形是一个复杂的曲面，其喉口又是收缩段和 扩张段曲面相接的一个面，其长度趋于零，加工比较困难。氧气喷孔的主要作用 是将压力能转换为动能，使获得的氧气射流对熔池有较大的冲击能力。因此，要 对喷管的设计进行简化，使喷管呈罔锥形，也便于加工制造。实践证明这样做是 可以满足冶炼要求的。圆锥形喷管收缩段的半角可允许达到3 0 。左右，收缩段入口 处的直径一般希望大于喉口直径韵二倍。若半锥角为3 0 时，则收缩段长度约相当 于喉口直径的一倍。圆锥形喷管的喉口有定的长度，其等截面长度应尽量短， 一般取为2 l o m m 。而且要求收缩段和扩张段与堠口直径成圆滑连接，不要出现 棱角。这种喷管加工容易，可保证喉口尺寸精确。圆锥形的喷管扩张段韵半锥角 一般为4 6 9 ，根据喉口直径选定半锥角后便可计算出扩张段长度。 1 2 3 氧枪喷头寿命及影响因素 氧枪喷头控制着氧气动力学特性，关系着氧气转炉炼钢过程。氧枪喷头的寿 命是指氧枪保持其气体动力学特性时间的长短，保持时间越长，喷头寿命越长。 氧枪喷头寿命主要与喷枪的枪位、材质、设计制造和吹炼操作有关p “。枪位 6 一 东北大学硕士论文第一章绪论 的提高可以延长喷头的寿命，但是人们在使用传统超音速射流氧枪进行吹氧冶妫： 时，为增强氧气对熔池的搅拌。提商脱碳速度和冶炼效率，不得4 i 使用低枪位操 作，这降低了氧枪的寿命：喷头的材质一一般使用高导热性和可焊接性的纯铜制作 般认为尽可能地增加喷头的壁厚尤其是端面壁厚可以延长喷头的寿命，实践迁 明，适当地减薄端面壁厚并不影响喷头的寿命。喷管在加工及使用过程中，因为 腐蚀原因或加工误差会影响射流出口的压力，影响喷头的寿命；操作过程控制氧 流量低于设计值时，在喷管附近就易于产生负压区。吹炼时被乳化的铁与渣熔化 物，沿着氧枪向f 流，易被吸入喷管之间的负压区。从喷管唼出的氧射流中的氧 与渣铁熔化物中的铁燃烧时，产生的热量足以使喷管外沿被熔化，降低喷头的寿 命，应该努力从改进操作水平来提高喷头的寿命。 1 3 聚合射流技术氧枪的原理及基本特性 聚合射流氧枪是美国营莱克斯( p r a 鞠耐气体公司开发的一种氧气喷吹技术 3 0 2 1 1 ，该技术提供了一种安全易行的方法，用以在一个独立的完整体系中进行吹 氧、脱碳、二次燃烧和加热的操作。在传统超音速射流和聚合超音速射流之问进 行比较，关键的不同点如下： ( 1 ) 聚合射流能保持初始射流速度、直径、气体密度和冲击力超过7 0 倍的出 口直径，远比传统超音速射流长。( 圈1 1 ) 轴 线 鎏 ，、 英 墨 孽 2 0 0 0 1 5 0 0 l o o o 5 伽 2 马 赫 l 数 0 1 0 2 03 0 4 05 06 0 距喷头端蕊距离( 英寸) 圈i il 传统超音速射流与聚合射流速度对比 1 1 嘲出 y 删蝴蜘妇蠡妇i 唧o n i c j c t 8 d 棚j e t 7 一 东北走擘硕士论文 第一章绪论 ( 2 ) 射流扩散和寝减的速度也显著降低。 ( 3 ) 冲击液体熔池的深度比传统射流冲击深度深约8 0 。 ( 4 ) 聚合射流核心区长度、射流扩散和衰减及其压力可以控制。 ( 5 ) 熔池均混时间与底吹搅拌混合时间相近。 ( 6 ) 喷溅大大减少。 圈1 2 聚台射流与超音速射流的喷吹状况对比 f i g 1 2g 咖叩a r i s o f i n j e c h o nb e t w e e nu - m i i l i o n a 翱p 既s 衄_ i c j c ta n do o i 味锄t j d 图1 2 比较了使用固定的聚合射流喷嘴和需要操作的传统超音速氧枪的喷吹 情况。水模型研究和对电炉的观察发现，超音速聚合射流具有更大的熔池穷透深 度，不形成明显的射流冲击坑。这就为钢水内气泡的迁移提供了足够的动能。因 此，聚合射流技术能够向熔池射入数量多且精确的氧气。 聚合射流的关键性技术在喷嘴f 刈。喷嘴中心豹主氧流攒囱熔池，高动能和喷 吹速度是不足以使射流在要求距离上保持聚合状态的，为了使射流在一定距离上 保持聚合状态，必须用另一介质来引导氧气，也就是用燃气流包围主氧气流。燃 烧产生的高温膨胀，大大地降低了周围气体的密度，周围的气流起到封套作用， 使主氧气射流聚合在一起，从而极大地降低了主射流对周围气体的卷吸，使超音 速射流核心区的长度延长。由此产生超音速射流核心区长度可以变化的射流。喷 射器也可以产生传统的超音速射流。 为了研究传统超音速射流和聚合超音速射流的特征，纽约普莱克斯技术中心 技术人员进行了实验p “。实验装置仪器如图1 3 所示，主要试验设备有传统射流喷 嘴、聚合射流喷嘴以及产生射流的气体和流量控制装置，采用皮托管装置测量轴 向和径向射流，使用气体试样掇针和分析装置测量气体密度，研究莅周围气体温 - 8 - 东北大荦硕士论文 第一章绪论 度和组成变化的条件下卷入量的装置。实验气体为空气、氩气、氮气、氧气，实 验条件为气体流速、压力、伴随流气体成分和温度等。 图1 3 聚合射流和传统超音速气体射流特征的实验装置示意图 f i g ，1 3s c h e m a t i c d 旬印a i n l c 啦l s e t u p f o r u a d i t i o n a ls u l k n , o m c j e t a n d e o h e r t j e t 实验结果表明，对传统超音速射流来说，射流核心区或保持射流出口速度的 距离大约是6 或7 a d e 。传统超音速射流的衰减速率银快，对聚会射流核心区可以 保持3 0 d e 或3 7d e 的距离，轴向衰减速率远远小于传统超音速射流。聚合射流一 般要比传统超音速射流卷入少1 0 的气体质量，射流核心区长度大大增加。 气 体 速 度 英 尽 秒 径f 自距离( 英寸) 图1 4 聚台射流与传统超音速射流径向速度对比 1 4t h ee o m p a m o no f r a d i a lv e l o c i t yb e t w e e nt r a d i t i o n a ls u l 弛r s o n i o j c a n dc o h e r e n t j e t 图1 4 描述了距喷1 2 1 不同距离的聚合氧气射流和传统超音速氧气射流的径向 速度分布。在距离为2 或3 英尺的轴向距离时，聚合射流的速度基本上保持不变， - - 9 - 东北大擘硕士论文第一章绪论 几乎等于出口处的射流速度，尽管在4 英尺的距离时观测到轴向速度的降低，但 是流速仍然是超暂速的，而传统射流的速度是距音速的。即聚合射流要比传统身j 流保持初始直径和速度的距离大得多。 卷吸研究是用来分析比较聚合射流与传统超音速射流卷吸量的。实验结果表 明，聚合射流气体卷吸量要比传统射流卷吸量少1 0 ，这种现象可以解释聚合射流 为什么具有保持初始射流直径、初始出口速度、气体密度和冲击力的原因。 水模型实验研究比较了不同气体注入方式对水溶池的搅拌能力，观察气体射 流与水熔池的相互作用。用混合时闯的多少讨论熔池的搅拌效果。实验所用气体 流速范围是5 0 0 - 2 0 0 0 s c f h 。底部搅拌所需时间在2 5 3 5 秒范围内。传统射流流速 为1 0 0 0 s c f h 对，均匀时间只有枪位降低到5 英寸以下才小于4 0 秒，在氮气流速为 2 0 0 0 s t i l l 时，枪位不低于8 英寸时才有与底吹一样的效果。聚合射流喷嘴氮气流率 1 0 0 0 s c f l t 、枪位是1 5 英寸时，混合时间与底吹混合时问相似。结果表明顶部使用 聚合射流氧枪至少在混合时间上与底吹有相同的效果。 传统氨气射流在枪位为1 2 英寸，流速为1 0 0 0 s o l h 时，吹入水烙池深度为4 , 5 英寸，射流在熔池表面凹陷柏孔径远远大于初始射流直径，大量的水游从溶池表 面溉出。在同样条件下聚合射流能穿入溶泡，形成气体腔，它要比传统射流形成 的气体腔大得多。穿孔深度为8 英寸，比传统射流大8 0 。使用聚合射流可以在 熔池中形成气泡，在使用传统氧枪时没有出现，使用聚合射流氧枪喷溅程度大大 减少，几乎没有水滴喷溅出来。所有这些实验结果表明，聚合射流混合所需时问 与底吹搅拌所需时间相同，聚合射流喷射深度比传统超音速射流大8 0 ，使用聚 合射流喷溅大大减少。 1 4 聚合射流氧枪在电炉上的使用效果 电炉炼钢工序要降低成本，提高劳动生产率，可采用先进的用氧工艺，以期 用廉价的化学能代替高昂的电能。多功能的聚合射流喷射器能满足这种要求，并 且已经成功地应用于电弧炉。沿电弧炉炉壁四周可以安装多个聚合射流系统喷嘴， 标准情况下安装1 - 4 个。每个电炉安装喷嘴的数目取决于电炉要求的喷吹速率、 燃烧速率与二次燃烧率。喷射器安装在e b t ( 偏心底出钢) 区域可以消除冷区和促进 泡沫渣的形成。除了喷吹外，每个喷射器还可以用作侧壁烧嘴，熔化废钢和补充 一1 0 一 东北大晕硕士论文 第一章绪论 二次燃烧所需的氧气，从而可以提高电弧炉的生产效率和降低电量消耗，正因为 如此，每个喷嘴可以向电弧炉提供各种形式的化学能。目前在世界范围内，已经 有4 0 个电弧炉t 成功使用聚合射流技术，并取得显著的经济效益p 。使用聚合 射流技术取得了娃著效益。固定喷射器的喷吹完全自动化，取消氧枪操作装霄， 降低r 枪管消耗，没有必要移动喷枪出入炉；喷射器4 i 只是集中在渣fj 【j 区域， 丽可以在炉内均匀地提供各种形式化学能( 燃烧、喷吹和二次燃烧) 因每个喷射器 氧气流比单个传统门枪流量低，聚合射流喷溅少，很少发生喷溅和电炉损坏事故； 提高了炉内氧气使用的效果和效率，可加速脱碳和降低总氧气消耗量；显著降低 碳的注入量，可获得质量较高的连续的泡沫渣；渣门可一直保持关闭，减少空气 渗入；因喷溅减少，耐火材料消耗降低；操作连续，终点控制良好。 除了这些受益，为使电炉生产率最大，聚合射流还可以向电弧炉增加化学能 量。目前安装用氧量安全达到5 0 n m j t ，对于一个典型的超高功率电弧炉，与传统 喷吹系统相比，聚合射流系统对电弧炉提供以下更有利的操作条件：较高喷吹速 率，燃烧速度和二次燃烧率( 达到2 倍) ；更多氧气射入熔池；较快的脱碳率( 达到2 倍k 较少的喷溅和提高炉渣的泡沫化。 德国b s w 厂首先在偏心炉底出钢口区安装了聚合射流氧枪喷头，解决了因偏 心炉底出钢口吹氧清理和出钢后碳过高等延长冶炼时间问题。而后又沿炉侧壁安 装了聚合射流氧枪系统，提高电炉生产率，创造日产5 0 炉钢的世界记录p “。 美国伯明翰钢铁公司西雅图工厂在1 2 5 吨电炉上安装了三个聚合射流氧枪喷 嘴，代替原来的燃烧器和水冷炉门氧枪，使电耗下降到2 9 k w h ，电极消耗降低1 5 ， 显著降低耐火材料消耗，小时产钢量提高1 1 4 ，脱碳曲线重复性好，提高了氧枪 喷嘴寿命，减少了炉体维修时甸，渣泡沫化程度好聪3 7 1 。 意大利l s p 钢厂在7 6 吨电炉傩壁安装三个聚合射流氧枪喷头代替原有的侧壁 燃烧器和单管氧枪，单支聚合射流氧枪喷头的供氧速度为1 2 0 0 n ，h ，燃烧能力 为3 m w ，二次燃烧速度为5 0 0 n m ，使电炉生产率提高了1 2 ，热耗降低到 3 0 0 k w h t 。s i d e r e a 厂在原料使用海绵铁的电炉应用聚合射流氧枪系统，提高了氧 气吨钢使用量达到了3 9 n m 3 t ，提高电炉生产率2 0 0 , 4 ，节能1 1 。 聚合射流的多点喷吹能力和较深的熔池穿透量，可以促进熔池均匀混合，因 此产生f e o 含量较低的渣，与其它的降氮措施相配合，使用聚合射流系统可以降 低氮含量。这对生产低氮产品的钢厂更加重要。使用聚合射流技术还可以大大降 采北太擎碛壬袍文第一幸绪论 低电弧炉生产不锈钢的成本，提高劳动生产率，同时提高工艺操作水平和操作安 全。 1 5 聚合射流氧枪在转炉上的应用 聚合射流系统最初是为电炉设计的，目的是减少喷吹装置、烧嘴等设备的数 量，降低设备投资。由于聚合射流系统突出特征和较深的熔池穿透量，p r a x a i r 公司 目前正在转炉上进行应用实验，第一批测试转炉聚合射流系统的钢厂是伊斯帕特 内陆公司的印地安纳钢厂和美国钢铁公司加里厂，初期数据良好，正进行进一步 的工艺改进和调整。实验结果表明可实现吨钢降低成本3 5 美元的良好效果p 。 转炉聚合射流技术具有和底吹气体搅拌系统相似的优点，但它不需要底部供 气构件，因此降低了成本。对水模型研究和对电炉观察发现，超音速聚合射流具 有更大的熔池穿透深度。不形成明显的射流冲击。这就减少了喷溅的发生，为钢 东内气泡的迁移提供了足够的动能。 聚合射流技术将原来的传统超音速氧气流转变为聚合射流，增强了熔池搅拌， 减少了喷溅。这使转炉在不安装底部供气元件的情况下具有复吹转炉的性能。 转炉聚合射流的主要优点还有：由于脱碳速度的提高，提高了生产作业率； 喷溅减少和渣中铁含量的降低，提高了金属收得率；钢中终点哟的降低，减少脱 氧用铝的消耗；能处理含硅量更高的铁水，提高了转炉吃废钢的能力；减少了补 吹的次数；因枪位提高和喷溅的减少，氧枪的寿命提高。 目前国内大多数转炉采用溅渣护炉技术来提高炉龄，降低生产成本，实现转 炉生产“高效化”。转炉溅渣护炉技术最近几年在我国得到迅速推广，经过几年的 实践，获得较好的效益例。但是，复吹转炉采用溅渣护炉技术后，普遍出现炉底 上涨，并堵塞底吹透气元件，使底部供气元件寿命下降的难题。由于在每炉溅渣 操作的后期，熔池温度降低和渣中的一些高熔点相析出，使炉渣粘度大为增加； 溅渣结束后，粘渣倒不干净而粘结在炉底，丽在下一炉炼钢过程中，熔池部分的 炉衬受不到炉渣的侵蚀，其蚀损速度低于渣线和炉身上部的炉衬，前一炉的溅渣 层在下一炉之后仍有残留。这样随着炉次的增加，炉底上涨就加厚。炉底上涨会 造成熔池液面上升、炉容比下降、增加喷溅、炉帽易损坏等问题发生，复吹供气 元件堵塞，元件寿命与炉衬寿命不同步。溅渣护炉工艺实施前，世界各国复吹转 - 1 2 东北大学硕士论文第一章绪论 炉炼钢工艺条件不一样，底部供气元件寿命也不一样。日本和法国约在3 0 0 0 炉次 左右，美国约在2 0 0 0 炉次左右，中国在i o o o - 3 5 0 0 炉次左右。使用溅渣护炉技术后， 我国的复吹转炉底部供气元件寿命下降，影喃了转炉复吹效果。 炉底上涨和底吹喷孔堵塞带来的后果是炉渣返干、粘枪、粘烟罩、喷溅，使 操作不平稳，转炉的某些经济技术指标受戮直接影响。但是中国的许多企业，甚 至美国的钢厂都未因溅渣两放弃复吹技术，努力从延长底吹透气元件寿命与快速 更换元件上下工夫。尤其是国内一些院校与企业相结合，力图研制体积小、供气 强度高的供气元件和性能良好的供气设备，以达到提高冶金效果与辅助溅渣护炉 的双重目的。从报道可以看出，耳前这一问题在国内外尚未得到很好地解决。此 外，采用溅渣护炉技术后，氧枪粘渣严重，给氧枪正常使用增加困难，有的钢厂 采用刮渣器清理氧枪，为得秘足够盼谢渣能力，还需要加固和改造氧枪提升系统。 虽然武钢、宝钢等钢厂已经解决了溅渣后底音蓐供气问题，但仍然还有许多钢厂从 提高炉龄角度出发，放弃了转炉底吹或从底吹效果出发，放弃溅渣护炉提高炉龄 寿命。 但聚合射流技术为这一难题的解决提供了可能。聚合射流技术将原来的传统 超音速氧气流转变为聚合射流，增强了熔拖搅拌，减少了喷溅。这使转炉在不安 装底部供气元件的睛况下具有复吹转炉的性熊。气流在穿透深度上使企业无需在 底搅捧系统上花费财力，既达到了实现顶底复合吹炼应有的冶炼效果的目的，又 从根本上解决了底部供气元件维护复杂与寿命低的闯趣。特别是对我国大多数转 炉都已经采用溅渣护炉工艺，炉龄大幅度提高，但是底枪寿命没有相应提高，纯 顶吹冶炼比例较大的状况，聚合射流氧枪应用于转炉生产意义更加重大。 1 6 本文研究目的意义、主要内容及方法 据p r a x a i r 专家称：聚合射流氧枪是继溅渣护炉技术之后炼钢生产的又一项革命 性技术，而且其影响力和经济效益较溅渣护炉技术还要大。中国目前钢产量每年 突破2 亿吨，是世界头号产钢大国。聚合射流技术的开发与推广应用无疑将是非常 有意义的。目前国内对此项技术的研究刚处于起步状态，对凝聚射流氧枪的形成 规律和设计参数的选择还不清楚。通过分析资料和文献，聚合射流氧枪的原理是 在拉瓦尔喷管的周围增加烧嘴，使拉瓦尔喷管氧气射流被高温低密度介质所包被， 1 3 东北失擘硕士论文第一章绪论 减缓氧气射流速度的衰减，在较长距离内保持氧气射流的初始直径和速度。能够 向熔池提供较长距离的超音速聚合射流。伴随流燃烧形成高温火焰，使主射流的 周围温度升高密度降低，使射流卷吸气体量大大的较少。因此有必要弄清楚喷头 伴随流的参数变化对聚合射流核心区长度的影响。而这方面的研究文献还很少。 就研究方法丽言，目前对氧气射流特性分析通常采用理论分析与冷态模型实 验相结合的研究方法，即根据相似原理进行的冷态模型试验可得到氧气射流速度 衰减规律和截面轴线速度分布情况，进行指导生产。全比例的模型特别昂贵，现 场测试又是不可能的。非全比例的模型也只能进行冷态、局部或单元过程的模型 实验，不能完整的再现实际过程。这不仅与实际过程有很大的差别，而且装置放 大后的一般规律往往是无法得到的，效果自然难以掌握。实验中，由于伴随流的 高温燃烧，实验室实验测试时，传感器容易被损坏，现场测试的物理实验耗费太 大。函此传统的研究方法具有缀大的局限性。 由于计算机的发展和数值计算技术的不断成熟，利用计算枫对实际过程进行 数值模拟的计算流体力学方法迅速发展起来。这种研究方法可以对全过程进行数 值模拟，并能得到计算区域内韵各种变量的连续分布信息。可以广泛的设置条件 对各种情况进行模拟。如危险的、超越正常条件的、待开发韵过程进行模拟。数 值模拟可以对现有过程进行诊断、优化装置设计及改善操作，特别是该方法迅速、 廉价、灵活、直观并易于理解，这些都是物理实验所无法实现的。因此本论文采 用数值模拟计算方法计算伴随流参数对聚合射流的影响，为聚合射流氧枪喷头的 设计提供参考依据。随着计算流体力学豹发展，大型商业软件的诞生越来越受到 人们的欢迎。商业软件具有较好的用户界面，有很好的前处理、质处理功能，可 大大减少人的工作量，这些工作往往缺少新意而且非常繁琐但又是必不可少的部 分。正是基于此原因，计算选用商业软件c f x 来进行模拟计算。 因此本论文主要研究内容为( 1 ) 无伴随流，环境温度为室温或改变环境温度 情况下，研究氧枪射流核心区长度的变化规律；( 2 ) 在聚合射流主鸯予流条件给定 的情况下，研究伴随流气体温度、压力等因素对聚合射流主射流核心区长度的影 响。 1 4 - 东北大学硕士论文 第二章氧枪射流特性的前人工作分析 第二章氧枪射流特性的前人工作分析 2 1 氧枪射流特性分析 氧气射流对熔池的搅拌作用主要是由射流本身的特性决定的，研究超音速射 流的轴线速度衰减规律及对周围气体的卷吸，对理解氧枪对熔池的相豆作用具有 重要的意义。为了研究超音速射流的特点，首先分析亚音速射流的特点，然后与 超音速射流作比较。 2 1 1 亚音速射流的特点 图2 1 亚音速射流结构图 f 迳2 it i cs l x u c t m o f s u b - s o n i c j e t 亚音速射流可以分为三个区，如图2 1 所示。出口处，射流具有均匀的速度， 但是，虢着射流与周围静止介质的剪切力，射流速度衰减。在距出n 3 - - t d e ( 出口 直径) 处，轴线速度不受影响，此徊锥形区称为核心区，即圆锥顶点到出口内速度 等于出口速度。核心区后是射流充分发展区，此长度在8 i o d e 问，中间部分是过 渡区f 1 3 】。 利用牛顿第二定律，亚音速射流动量守恒即： 丝：i ( 2 一1 ) 肘。 m = 2 冗fp u2ray3(2-2) 一1 5 - 东北大学硕士论文第二章氧枪射流特性的前人工作分析 蛤扣砌。盯。) 诅凳 ( 2 3 ) 式中：m ，射流出 2 1 后任。截面动量； m e ，出口动量： d ，射流出口后任一截面密度； u ，射流出口后任一截蕊上某点的速度； r ，射流中某点到轴线距离； p 。，射流出口处气体密度； i i e ，射流出口处气体速度； d e ，喷管出口直径； m 。，射流出口截面气体质量； ( ! e ，射流出口截面气体流量； ，射流出口截面面积。 忽略粘度的影响，对捧放入与周围介质的同密度射流而言，在充分发展区， 各个位置的射流速度分布是相似的。即u , n o = y ( r x ) ，如表示轴线速度，因此轴线速 度衰减可以写成： uto：k1生(2-4) “t x 式中，舅表示距喷口距离，k l 是比例常数。文献f 1 4 1 5 】指出k 1 从理论上是在5 8 和6 2 _ n ，也有一些研究者f 1 6 1 指出，k l 随射流动量和抽线距离面变化，可以推 导出任何截丽的质量流率与出口质量流率之拢： 兰=如车(2-5) 埘fa 。 式中，m 表示射流任一截面上的质量，( 2 1 5 ) 式表示质量增加与距喷口距离呈直线关 系。 s p a i d i n g 和硒伽u 用实验数据无因次分析计算了当射流雷诺数大于2