（钢铁冶金专业论文）超音速聚合射流氧枪射流行为的数学物理模拟研究.pdf

，- ，11 奏 l o ad i s s e r t a t i o ni nf e r r o u sm e t a l l u r g y m a t h e m a t i c a la n d p h y s i c a lm o d e l i n g o f s u p e r s o n i cc o h e r e n tj e t b e h a v i o rf r o mo x y g e n l a n c ef o rc o n v e r t e rs t e e l m a k i n g b y l i uk u n s u p e r v i s o r ：p r o f e s s o rz h um i a o y o n g n o r t h e a s t e r nu n i v e r s i t y d e c e m b e r2 0 0 7 0 - 冀 0 ， llrl- o 0。，1_lj；jj。 独创性声明 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，不包含其他人己经发表或撰写过 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做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢 ：也 思o 学位论文储繇未j 叶 e t 期：伽哗弓月专日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位论 文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和 磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学位论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 ( 如作者和导师不同意网上交流j 请在下方签名；否则视为同意。) 学位论文作者签名： 签字日期： 导师签名： 签字日期： 1_i一 毪磊警鼙龋路h j 栩时y ：， 。 东北大学博士论文 摘要 超音速聚合射流氧枪射流行为的数学物理模拟研究 摘要 氧枪是现代氧气炼钢的关键设备，其性能直接影响到炼钢生产的产量、质量、原材 料消耗、生产作业率和环境等重要指标。氧枪性能的优劣取决于由氧枪出口喷射出的氧 气射流特性。如将超音速聚合射流技术应用于转炉炼钢生产，将大大提高炼钢的生产效 率和节能效率。本文分别采用实验室射流测试实验、水模型实验、热态模拟实验及数值 模拟等研究方法，系统地研究了聚合射流氧枪及传统超音速射流氧枪氧气射流行为特征 及与炼钢熔池相互作用规律，其目的是为此技术的应用提供理论基础。主要的研究内容 和结果如下： 氧枪射流特性的物理模拟研究。利用微机控制液压伺服的多点压力快速扫描的氧枪 检测系统，对常温下以空气模拟的射流进行了较为系统的研究。重点考察了单股射流中 心线速度在不同驱动压力下的衰减规律；多股射流中心线相对于喷孔几何轴线的偏移规 律；多股射流轴线速度的衰减规律；操作枪位对射流冲击面积的影响；以及由低密度氦 气伴随的聚合射流流场的速度分布规律等。热态聚合射流物理模拟实验结果表明聚合射 流比传统超音速射流具有减缓其轴向衰减及径向扩散，更加具有刚性、聚合性和对熔池 更大的冲击性，使其在一定程度上保持中心氧气射流相对聚合的特征。 氧枪射流特性的数值模拟研究。首先根据射流物理模拟测试实验结果对标准的 k 一占双方程模型进行了修正；并运用f l u e n t 软件模拟了不同滞止压力下l a v a l 喷管 内的流动、传统超音速射流在不同的滞止压力和环境温度时的流动特征以及带有氦气低 密度伴随流情况下，不同结构参数与工艺参数下聚合射流流场的流动特征。数值模拟结 果表明超音速聚合射流氧枪在有低密度氦气伴随的情况下，能更大程度地减缓轴线上速 度的衰减，核心区长度明显增加，使中心射流在距喷嘴更长距离内保持其初始速度及冲 击动量。 氧枪射流与炼钢熔池相互作用规律的物理模拟。水模型实验模拟鞍钢18 0 t 顶底复吹 转炉冶炼过程，实验的相似准数为修正的f r o u d e 准数，几何相似比取为1 0 - 1 。考察了 不同的底枪布置，不同的顶、底吹流量、不同吹炼枪位下熔池的搅拌混合特征。确定了 顶底复吹转炉最佳搅拌效果所对应的结构参数与工艺参数。实验结果表明聚合射流氧枪 可以达到顶底复吹的搅拌效果，如能在转炉冶炼工艺中应用，可取消底吹系统，简化转 东北大学博士论文摘要 炉设备，提高转炉炉龄，可引领转炉炼钢技术的变革。 目前，聚合射流氧枪技术仅在国内宝钢等几家电炉上得到初步应用，其技术尚未公 开。该项技术在转炉炼钢上的应用，国外仍处于工业试验阶段，而国内尚属空白。为此 针对超音速聚合射流氧枪射流行为特征的数学物理模拟研究将为研制聚合射流氧枪和 其在电炉及转炉中的应用起到一定的借鉴和指导作用，对于我国炼钢生产的进一步发展 具有重要的理论价值和现实意义。 关键词：聚合射流；转炉氧枪；流动；混合，数值模拟；物理模拟 i i a bs t r a c t t h eo x y g e nl 鲫c ei st h ee s s e n t i a le q u i p m e n tf o rm o d e mo x y g e ns t e e l m a l ( i n gp r o c e s s w h o s ep e 怕m 狃c ed i r e c t l ya f f e c t st h es t e e l - m a k i n gp r o d u c t i o no u t p u t ，q u a l l 劬删m a t e n a j c o i l s 眦p t i o 玛p r 0 删o nw o r kr a t ea n de n v i r o n m e n ta n ds u c h k i n do fi m p o r t a n tt a r 睁趾d s 0o n mo x y g e n1 a n c ep e r f o r m a n c eq u a l i t yi s d e c i d e db yc h a r a c t e r i s t i co ft h eo x y g e nj c t n o ww 1 1 i c hs p r a y s 舶mt h eo x y g e nl a n c eo u t l e t s t e e l m a k i n gp r o d u c t i o ne f f i c i e n c y 锄d t h e e n e r g ys a v i l l ge f f i c i e n c yw i l lb eg r e a t l yi m p r o v e d i fs u p e r s o n i cc o h e r e n tj e tn o w 钯幽l o g y i sa p p l i e di n t oc o n v e r t e rs t e e l m a k i n g t h el a b o r a t o r yj e tf l o wt e s te x p 删，毗r 姗北1 e x p e r i r n e n t ，恤锄a ls t a t es i m u l a t i o nm o d e lt e s ta n dn u m e r i c a ls i m u l a t i o n r e s e a r c hm e 也o d s w e r ea d o p t e dr e s p e 曲e l yi nt h i sa r t i c l ew h i c hc o m p r e h e n s i v e l ya n ds y s t e m a t i c a l l yg a v e o x y g e nj e tf l o wc h a r a c t e r i s t i c s o ft h ec o h e r e n tj e tf l o wo x y g e n l a n c ea n d o 似 s u p e r s o i l i cj c tf l o wo x y g e nl a n c e a sw e l la st h er u l eo fi n t e r a c t i o ni nt h es t e e l 。m a k i n gm 0 1 t e n b a m ，捌n ga tp r 0 v i d i n gt h e o r yb a s i sf o rt h i st e c h n o l o g ya p p l i c a t i o n m a i n 代s e 踟hc o 删 a n dr e s u l ta sf o l l o w s ： 。 p h y s i c a lm o d e l 啦r e s e a r c h o no x y g e nl a n c ej e t f l o wc h a r a c t e r i s t i c r e m v e 哆 s v s t e m a t i cr e s e 砌0 nj e tf l o ws i m u l a t e db yt h en o r m a lt e m p e r a t u r e a i rw a sc a r r i e do u tb y 戚gr a p i ds c a n i l i n go x y g e nl a n c ee x a m i n a t i o n s y s t e mw i t ht h em i c r o c o m p u t e rc o 咖l h v 删i cs e o ，m u l t i s p o t sp r e s s u r e t h em a i nr e s e a r c h c o n t e n ti i l c l u d e s ：w e a k e 衄gn l l eo 士 s i i l g l e n o z z l ej e tf l o wa x i ss p e e du n d e rd i f f e r e n td r i v i n gp r e s s u r e ；d i s p l e m m r u l e0 tm e 删- n o 劢ej e tn o w 蕊sc o m p a r e d t on o z z l eg e o m e t r ya x i s ；w e a k e n i n gr u l eo f 舢l t i 。忽l e i e tf l o wa x i ss p e e d ；i n f l u e n c e o nj e tf l o wi m p a c ta r e ad u e t od i 髓r e n to p e r a t i l 觚c e p o s i t i o i l s ；c o h e r e n tj e tf l o wf i e l dv e l o c i t yd i s t r i b u t i o nr u l ew i t h t h el o wd e n s i t yh e l i u ma n ds o o n 1 l l et l l e m a l 嘲t ec o h e r e n tj e tf l o wp h y s i c a lm o d e l i n ge x p e r i m e n tr e s u ni n d i c a t e d 似 c o m p a r e d t 0t h et r a d i t i o n a ls u p e r s o n i cj e tf l o w , t h ec o h e r e n tj e tf l o wh a sc h 撒c t e n s t l c s 呲h 鹤s l o 讹gd o 啪i t sa x i a lw e a k e n i n ga n dr a d i a ld i r e c t i o n p r o l i f e r a t i o n , m o r en 咎d ，l o r e c o h e r e n t 觚db i g g e ri m p a c tt o am o l t e nb a t h ，m a i n t a i n i n gt h ec e n t r a lo x y g e nj e t 士l o w r e l a t i v e l yc o h e r e n tt oa c e r t a i l ld e g r e e n m n e r i c a ls i m u l a t i o nr e s e a r c ho no x y g e nl a n c ej e tf l o w c h a r a c t e r i s t i c f i r s tt h es t a n c k a r d k - 6d o u b l ee q 帆t i o nm o d e lw a s r e c t i f i e da c c o r d i n gt ot h ej e tf 1 0 wp h y s l c a l m o d e l l n g i i i 东北大学博士论文 e x p e r i m e n tr e s u l t b yf l u e n t t h ej e tf l o wi nt h el a v a ln o z z l e w i t h o u th e l i u m a c c o m p a n y i n g t e m p e r a t u r e ，o rw i t ht h el o wd e n s i t yh e l i u ma c c o m p a n y i n gf l o wo ru n d e rd i f f e r e n td e s i g n p a r a m e t e r sa n dp r o c e s sp a r a m e t e r s t h en u m e r i c a ls i m u l a t i o nr e s u l ti n d i c a t e dt h es u p e r s o n i c c o h e r e n tj e tf l o wo x y g e nl a n c ew i t hl o wd e n s i t yh e l i u mc a ng r e a t l ys l o wd o w nt h e w e a k e n i n go fa x i ss p e e d ，i n c r e a s ec o r ea r e al e n g t h , m a k ec e n t r a lj e tf l o wm a i n t a i ni t si n i t i a l v e l o c i t ya n dt h ei m p a c tm o m e n t u mw i t h i nl o n g e rd i s t a n c ea p a r tf r o mt h en o z z l e p h y s i c a lm o d e l i n gr e s e a r c ho ni n t e r a c t i o nr u l eo fo x y g e nl a n c ej e tf l o wa n dm o l t e nb a t h w a t e rm o d e le x p e r i m e n tw a ss i m u l a t e da c c o r d i n gt oa n s h a ni r o na n ds t e e lc o m p a n y s18 0 t t o p b o t t o mc o n v e r t e rp r o c e s sa n dt h ee x p e r i m e n ts i m i l a r i t yn u m b e rw a st h er e v i s i o nf r e u d n u m b e r 、析t l lg e o m e t r ya n a l o g u er a t i o10 ：1 t h ew a t e rm o l de x p e r i m e n tw a sc a r r i e do nu n d e r t h ec o n d i t i o no fd i f f e r e n tb o t t o ml a n c ea r r a n g e m e n t ，d i f f e r e n tt o p - b o t t o mb l o w i n gc u r r e n t c a p a c i t y , d i f f e r e n tb l o w i n gl a n c ep o s i t i o n t h ee x p e r i m e n tn o to n l yg a v et h ed e s i g n p a r a m e t e r sa n dt h e s t r u c t u r ep a r a m e t e r sf o rb e s ts t i r r i n gt o p b o t t o mc o n v e r t e r , b u ta l s o s h o w e dt h a tt h ec o h e r e n tj e tf l o wo x y g e nl a n c em a ya c h i e v et h er e s u l to ft o p b o t t o m c o n v e r t e rs t i r r i n ge f f e c t i ft h ec o h e r e n tj e tf l o wo x y g e nl a n c ec a nb ea p p l i e di n t h ec o n v e r t e r , b o t t o mb l o w i n gs y s t e mo fc o n v e r t e rc a nb ec a n c e l e d i nt h a tc a s e ，n o to n l yt h ec o n v e r t e r e q u i p m e n tc a nb es i m p l i f i e d ，b u ta l s o t h ec o n v e r t e rl i n i n gl i f ec a nb ei m p r o v e d ，a sw e l la st h e i，1川一一 j_】，_1。ii _1“訇 目录 摘要i a b s t r a c t i i i 目录v 第一章绪论1 1 1 研究背景l 1 2 氧枪概述。：2 1 2 1 氧枪的分类及发展2 1 2 2 氧枪喷头的主要参数3 1 2 2 1 氧气流量和供氧强度。3 1 2 2 2 输氧管道的压力范围3 1 2 2 3 炉膛压力4 1 2 2 4 枪位高度4 1 2 2 5 出口马赫数4 1 2 2 6 喷管喉道直径5 1 2 2 7 氧枪孔数和轴线与喷孔轴线夹角5 1 2 3 氧枪的工艺要求5 1 3 单股射流氧枪特性。6 1 3 1 无激波超音速氧气射流的特征7 1 3 2 超音速区域长度7 1 3 3 超音速射流完全展开区的流动特性9 1 3 4 高温下射流的流动特性1 l 1 3 5 自由射流的沿程卷吸1 2 1 4 多股射流氧枪特性1 3 1 4 1 多股射流特性的研究_ 1 3 1 4 2 多股射流中心的偏转1 5 1 4 3 多股射流流场的特点1 5 1 5 聚合射流氧枪特性15 v ：，一 目录 11 ； 1 6 17 18 ：! ( ) ：z ：； ：! z 1 ：1 6 ：1 6 ：1 6 ：1 8 ：；：! 3 4 ：；l ； ：；8 ：；9 ：；9 ：；9 4 5 4 9 ? ! ；1 ! ；1 ! ；：! ：! ；：! 5 4 ! ；! ； ! ；7 5 l ； ! ；8 妙h ；j t 。 ； ： t r ， 匀 参 彳 r 目录 一5 8 一5 9 6 3 3 6 本章小结6 4 第四章氧枪射流行为特征的数值模拟6 6 4 1 数学模型的建立6 6 4 1 1 控制方程6 6 4 1 2 湍流模型。6 7 4 1 3 传热模型6 8 4 1 4 组分模型。6 8 4 2 计算条件：6 9 4 2 1 计算所涉及的边界条件6 9 4 2 2 空间结构模化及数值模拟方案的制定7 l 4 2 3 控制条件7 3 4 3 氧枪喷头l a v a l 喷管内流动行为的数值模拟7 3 4 3 1 不同滞止压力下的管内流动特征7 4 4 3 2 不同滞止压力下喷管轴线上的压力和马赫数的变化规律7 6 ， 4 3 3 数学模型选取对模拟结果准确性的影响7 7 4 3 4 本节小结。7 8 4 4 传统超音速氧枪射流流场特征的数值模拟7 9 4 4 1 滞止压力对射流流场特征的影响一7 9 4 4 2 环境温度对射流流场特征的影响8 4 4 4 3 本节小结8 6 4 5 聚合射流氧枪流场行为特征的数值模拟8 7 4 5 1 副孔结构参数对主射流轴线上速度衰减规律的影响8 7 4 5 2 副孔工艺参数对中心主射流流场分布规律的影响8 9 4 5 3 湍流模型选择对模拟结果准确性的影响9 4 4 5 4 本节小结：9 5 v l l 东北大学博士论文目录 第五章氧枪射流与熔池相互作用规律的物理模拟 9 7 5 1 物理模型实验研究方法9 7 5 1 1 均混时间的研究9 7 5 1 2 氧枪枪位的研究9 8 5 1 3 氧气射流对熔池穿透深度及冲击面积的研究9 9 5 1 4 底吹的喷嘴位置及搅拌模式1 0 0 5 2 实验研究的主要内容1 0 2 5 3 实验装置及参数。10 3 5 3 1 实验装置1 0 3 5 3 2 复吹转炉结构参数与操作参数1 0 4 5 4 物理模型的建立。1 0 5 5 4 1 近似模型法1 0 5 5 4 2 相似准数1 0 6 5 4 3 模型几何尺寸确定1 0 9 5 4 4 模型供气参数确定1 1l 5 5 底吹物理模型实验11 2 5 5 1 实验方案1 1 2 5 5 2 实验数据11 3 5 5 3 结果分析与讨论113 5 5 4 本节小结11 6 5 6 顶底复吹转炉的物理模型实验1 1 7 5 6 1 实验方案117 5 6 2 实验步骤118 5 6 3 实验数据119 5 6 4 结果分析与讨论1 1 9 5 6 5 本节小结1 2 2 5 7 聚合射流氧枪物理模型实验1 2 3 5 7 1 实验的理论依据1 2 3 ， 5 7 2 实验方案12 5 5 7 3 实验步骤12 5 v i l l ， 冀 j r ， i ，1 峙 目录 1 2 6 1 2 7 1 2 8 1 2 9 1 3 7 1 3 8 1 3 9 附录1 4 0 论文包含图、表、公式及文献1 4 7 i x ， 妒 ， v 增 、? j 一 第一章绪论 设备，是炼钢生产 一次用氧枪从炉子 ，不管是平炉，转 气射流在喷头的出 口处具有一定的速度和较大的动能，这样氧气射流就能以一定的速度冲击熔池中的液体 金属，起到供氧和搅拌作用，使转炉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。 然而喷头又是构成氧枪的中心环节，对喷头的主要要求为应具有良好的射流特性和 较高的耐用性。随着转炉大型化的发展，氧枪喷头孔型由直筒型向拉瓦尔型，孔数由单 孔向多孔发展。为了具有较强的熔池搅拌作用，氧气喷头一般都采用拉瓦尔型，使喷头 出口流速达到超音速，但因射流由喷头射出后，周围气体将卷入射流中，降低了射流流 速，需通过缩短氧气喷头到钢液面距离来保持射流到达熔池时的速度，这样使氧气喷头 处于高温较恶劣的环境之中，并易于粘结喷溅的钢渣产生烧枪缩短氧枪喷吹寿命，同时， 喷头出口气流马赫数大于2 时，随喷头滞止压力提高，流速增加较低，即喷头流速的增 加受到限制，为了解决顶吹氧枪搅拌能力不足的问题，国内外采用底吹惰性气体的顶底 复吹冶炼工艺取得了搅拌好，不易喷溅，渣中氧化铁含量低，金属收到率高，与顶吹相 比能够冶炼更低含碳量钢种等效果，但是顶底复吹冶炼工艺底枪维护困难，寿命较低， 除武钢9 9 年底枪寿命达到1 5 0 0 0 炉次，与转炉炉龄同步外，国内转炉底枪寿命大都在 3 0 0 0 炉次以下，与经过溅渣护炉工艺提高的转炉炉龄不能同步。 最新开发的普莱克斯凝聚喷射技术是氧气喷吹技术的一部分，它用来向电弧炉高效 率熔池喷枪、泡沫渣、二次燃烧、烧嘴操作提供一套全自动的方法和完整一体的系统。 凝聚气体射流是突破性技术，为b o f ，q b o p ，以及用来生产不锈钢、铁合金的各种转 炉气体炼钢工艺操作性能的提高提供了可能。 如果将超音速凝聚射流应用于转炉炼钢生产。将原来的普通超音速氧气射流转变为 聚合射流，将具有更大的熔池穿透深度，不形成明显的射流冲击，减少了喷溅的发生， 东北大学博士论文第一章绪论 为钢水内气泡的迁移提供了足够的动能。这使转炉在不安装底部供气元件的情况下达到 顶底复吹效果，使企业无需在底吹系统上花费精力和财力。解决转炉溅渣护炉工艺炉龄 提高而底枪寿命不能与其同步的问题。改善冶炼效果，降低能耗，提高氧枪寿命。综合 上述诸多原因才有了本课题的探索。中国目前钢产量每年突破3 亿吨，是世界头号产钢 大国。该项技术在我国的推广和应用，会为我国的钢铁企业带来很大的经济效益，并将 成为钢铁界的继溅渣护炉技术后的又一项伟大技术性革命。 1 2 氧枪概述 1 2 1 氧枪的分类及发展 炼钢氧枪的种类很岁1 1 ，按照炉子的种类可以分为转炉氧枪、电炉氧枪；按照喷头 孔型可以分为直筒型、拉瓦尔型及特殊孔型氧枪，其特点如表1 1 所示，近年来还出现 了诸如“突扩”、“旋转”等特殊孔型的喷头。按照氧枪喷头的制造方法可以分为锻造头、 铸造头和组装式( 焊接) 喷头氧枪，其特点如表1 2 所示。随着转炉大型化的发展，氧 枪经历了由单孔向多孔的发展过程；孔型由直筒向拉瓦尔型及螺旋型的发展，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1 1 氧枪喷头孔型类型 t a b l e1 1t h et y p eo f o x y g e nl a n c en o z z l ep a s s 表1 2 氧枪喷头的制造方法 t a b l e1 2m a n u f a c t u r em e t h o do fo x y g e nl a n c en o z z l e 双流道氧枪是8 0 年代开发的氧枪，其具有主、副两种氧气喷孔，主喷孔的氧气流 股进行吹炼，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 j 、 气 ， ， 第一章绪论 因此，双流氧枪使转炉的自身 能量在转炉内得到了充分利用，是良好的强化冶炼和节能设备，具有较高的技术经济效 益。双流道氧枪包括四种结构形式，如表1 3 所示。 表1 3 双流氧枪的类型 t a b l e1 3t h et y p eo f d o u b l ef l o wo x y g e nl a n c e 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、射流动量的射流，相同距离时射流的注入能力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 穿透能力的加强，枪位可适当提高，降低氧枪喷头消耗。 1 2 2 氧枪喷头的主要参数 1 2 2 1 氧气流量和供氧强度 氧气流量：指单位时间内向熔池吹氧的数量，它是根据吹炼每吨金属的耗氧量、金 属装入量和供氧时间来决定的。通常采用的是体积流量。 供氧强度：指单位时间内供给每吨钢水的氧量。每吨钢水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 含量等已知条件由物料平衡计算得出。供氧时 间根据经验确定，它与炉子容量、原料条件、冶炼钢种、造渣制度等因素有关。 氧气流量或供氧强度是氧枪喷头设计的重要初始数据。它与氧枪喷孔的喉道面积大 小直接相关。在选定了出口马赫数与氧枪的工作条件之后，喉道面积就只与流量有关。 如果喉道面积取大了，氧流量变大，超过了冶炼所需要的强度，就会使化渣去磷与脱碳 速度失去平衡，给冶炼带来不利，如果喉道小了，氧流量随之减小，满足不了冶炼所需 的强度要求，则会延长冶炼时间，降低生产率。因此，氧气流量的确定是很重要的。 1 2 2 2 输氧管道的压力范围 在氧枪的工作系统中，氧枪喷头前的滞止压力所能达到的范围，取决于输氧管道 东北大学博士论文第一章绪论 中的压力范围。在氧枪设计中，滞止压力风是一个重要参数。在一定的炉膛压力见下， 氧枪喷头喷孔出口马赫数m a 的确定，主要视滞止压力岛的大小而定。如果所选取的m a 高了，则要求的滞止压力风大，当风高于输氧管道总管中的压力所能达到的滞止压力p o 时，则氧射流出口条件变为p , l p o 1 ，即为过膨胀气流。这样氧射流出口后将产生压缩 波，使射流轴心速度衰减增快，从而减弱了对熔池的冲击能力。同时，氧气流量也减少 了，达不到供氧强度的要求，势必影响冶炼效果。另一方面，如果设计的滞止压力低， 则氧气压力未能充分利用，就会构成浪费。所以在氧枪设计之前，应弄清转炉供氧管道 所能提供的压力范围，使设计的滞止压力处于其内，以便既能保证氧枪处在设计点工作， 又能有效的利用氧气压力能。 1 2 2 3 炉膛压力 炉膛压力段与氧枪喷头出r z l 压力b 之比( p , l p 。) 决定了氧射流出口后的流动状态。 因此，炉膛压力见是氧枪喷头设计的重要参数之一。在吹炼的过程中，喷头周围的情况 是复杂的，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1 2k 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。 1 2 2 4 枪位高度 枪位高度是指氧枪在冶炼过程中，从喷头端面到熔池铁水表面的垂直高度。即一般 冶炼术语中的过程枪位。从喷头的寿命出发，枪位越高越好。因为高枪位在一定程度上 可以避免烧枪。但枪位高，在一定的氧射流出口速度的条件下，冲击速度就小了。但为 了保证射流对熔池的搅拌能力，就应保证一定的冲击深度。因此，使用枪位的高低，对 氧枪喷头喷孔的出口马赫数的选取有着直接的影响。在氧枪喷头设计前，应结合冶炼现 场的实际情况选取。 1 2 2 5 出口马赫数 对于几何喷管，出口马赫数m a 取决于喷管喉道面积与出口面积4 之比。即 ? = 厂 筹) 。为了在喷管的出口截面上达到胁数，则要求滞止压力岛与出口截面上 的压力肛之比盟达到一定的比例。随着胁数的增大，盟值随之也增大。由于在实际 氏p q 冶炼时，转炉内的压力见变化不大，为使射流在出口截面达到只= p c 的工作条件，即 4 - 膏 k k n 、 东北大学博士论文第一章绪论 使氧枪处在设计点工作条件下，大的m a 数需要的碥值则很大，输氧管道中的压力往往 ， 一 达不到，则出现过膨胀气流。为避免这种现象的出现，喷头设计的m a 数不应大于2 5 。 但另一方面由超音速射流衰减规律知道，射流出口马赫数m a 愈高，射流衰减愈慢。在 相同的射程内，射流末点的速度高，冲击能量大。由提高枪位避免烧枪和获得大的冲击 速度的角度来看，应使喷头设计的m a 尽量大。目前，国内外氧枪喷头出口马赫数多选 取2 0 左右。 1 2 2 6 喷管喉道直径 出口马赫数m a 确定后，喷孔喉道直径大小与流量密切相关。因此氧枪喷头喷孔喉 道直径应根据冶炼所要求的氧流量而定。所以合理确定喉道直径，归根结底是确定氧流 量和供氧强度的问题。对氧枪做的实际吹炼试验表明，对一定的铁水原材料成分和造渣 制度、吹炼制度等冶炼条件，有着最有利的供氧强度和单耗要求。因此应根据冶炼实践 总结出的氧流量和供氧强度来计算喷孔直径，决不可以任意选取。 1 2 2 7 氧枪孑l 数和轴线与喷孑l 轴线夹角 喷孔之间的间距过小，氧气射流之间相互吸引，射流向中心偏移，影响每股射流中 心速度的衰减。一般要求在喷头端面，喷孔中心同氧枪中心轴线之间距离一般保持在 ( 0 8 1 0 ) d 出。喷头喷孔孔数和对应夹角关系如表1 4 所示。 表1 4 喷头喷孔孔数和对应夹角关系表 t a b l e1 4t h er e l a t i o n s h i pt a b l eb e t w e e nt h eh o l en u m b e ro fn o z z l ea n dc o r r e s p o n d i n gi n c l u d e da n g l e 最后，需要说明的是，随着转炉吨位的增大，转炉直径愈来愈大，而熔池深度的增 加却很有限。这样，从满足冶炼所要求的冲击深度、冲击作用区域来考虑，或应提高枪 位或应增加孔数。但在一定的出口m a 数下，提高枪位，氧射流在炉气中穿行的距离增 长了，射流边界上氧气与炉气的掺混、燃烧等情况变得严重了，从而降低了输送到反应 区去的氧气浓度及冲击速度，不利于冶炼，所以对于大吨位的转炉氧枪喷头设计的努力 方向应是增加孔数。， 1 2 3 氧枪的工艺要求 氧枪在氧气炼钢生产过程中起着关键作用，对氧枪的研究也越来越重要，对氧枪的 要求也越来越高。从设计优化的角度看，主要是射流特性和寿命的影响。射流品质的好 ： - 5 - 东北大学博士论文第一章绪论 坏与喷孔的加工工艺和喷孔尺寸有关，如果喷孔的光滑程度越高和设计尺寸越合理，则 氧枪的射流品质越好。而氧枪的寿命主要与喷枪的枪位、材质、设计制造和吹炼操作有 关【2 】。枪位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 冶炼时，为增加氧气对熔池的搅拌，提高脱碳速度和冶炼效率，不得不使用低枪位操作， 这就降低了氧枪的寿命；喷头的材质一般使用高导热性和可焊接性的纯铜制作，喷管在 加工和使用过程中，因力n - r _ 误差和腐蚀原因会影响射流出口的压力，操作过程控制氧流 量低于设计值时，在喷管附近就易产生负压区，使从喷管喷出的氧射流中的氧与渣铁熔 化物中的铁燃烧，产生的热量足以使喷管外沿被熔化，降低喷头寿命。 氧气顶吹转炉炼钢的供热脱碳以及对熔池的搅拌，都借助于氧枪所提供的射流来完 成。氧射流的流动状态及对铁水熔池的冲击情况与冶炼效果密切相关。就氧枪的基本功 能来说，它是个能量转换器，通过它将输入氧道内的压力能转化为动能。所以由能量转 换角度来看，氧枪喷头优劣的评定标准应是能量转化过程损失的大小，而从氧枪喷头产 生的射流对熔池的搅拌作用来看，氧枪评定的标准应是产生冶炼所需要的射流特性。而 射流特性，则与喷头的结构参数，加工制造情况，以及使用时的条件等有关。因此，合 理地确定喷头的结构参数，设计与制造出满足生产实际需要的氧枪喷头是一个重要的课 题【3 】。 氧气顶吹转炉炼钢对氧枪喷头的要求可归结为以下几点： 1 ) 提供冶炼所需要的供氧强度； 2 ) 在足够高的枪位下，氧射流对铁水熔池的冲击能量大，能满足达到良好冶炼效 果所要求的冲击深度，使得对熔池的