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辽宁科技大学硕士论文摘要 凝聚射流氧枪特性的仿真研究 摘要 射流是流体运动的一种很重要的形式，很多工程技术领域都用到了射流这种 理论和技术。转炉炼钢氧枪是射流应用的一个重要领域，氧枪出口氧气射流的品 质直接影响着氧气炼钢的质量及成本等各项经济技术指标，因此本文结合凝聚射 流技术的原理，对低密度伴随流射流的特性进行探讨。 本文应用数值模拟的研究方法，对湍流自由射流进行了理论分析，建立了控 制方程，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 商业软件模拟了传 统无伴随流射流在不同的滞止压力和环境温度时的流动状况，以及带有副孔氦气 低密度伴随情况下，分析了不同结构参数与工艺参数下伴随射流流场的流动状态。 由实验测试结果证实了本文数值模拟所选模型的适用性，通过对数据进行分 析和处理，明确了低密度伴随射流的特性，获得了有、无伴随流两种射流特性差 异的重要数据和结论，即低密度气体的伴随，可以保护中心孔氧气射流，减缓其 轴向衰减及径向扩散，使其在一定程度上保持相对凝聚的状态。 关键词：氧枪，数值模拟，低密度伴随，凝聚射流 辽宁科技大学硕士论文a b s t r a c t s i m u l a t i o ns t u d yo fc o h e r e n tj e to x y g e nl a n c ec h a r a c t e r i s t i c s a b s t r a c t j e ti sa ni m p o r t a n tk i n do ff l u i dm o v e m e n tt y p e s ，i t st h e o r i e sa n dt e c h n i q u e sa r e w i d e l yu s e di nm a n ye n g i n e e r i n gf i e l d s c o n v e r t e rs t e e l m a k i n gi s o n eo ft h em o s t i m p o r t a n ta p p l i c a t i o n ，t h ec h a r a c t e ro fo x y g e nj e tw i l la f f e c tt h eq u a l i t y , c o s tm a d s oo n s ot h el o wd e n s i t yc h a p e r o n a g ej e tw a sr e s e a r c h e dw i t ht h et e c h n i co fc o h e r e n tj e t i nt h i s p a p e r ，a d o p t i n g t h em e t h o do fn u m e r i c a l s i m u l a t i o n ，a n a l y z i n g t h e o r e t i c a l l yt u r b u l e n tf r e ej e t ，s e tu pg o v e r n i n ge q u a t i o n s ，m o d i l y i n gt h es t a n d a r d 七一sm o d e l + b yu s i n gt h ec o m m e r c i a lc f ds o f t w a r ef l u e n t ，t h ec h a r a c t e ro f t r a d i t i o n a lj e tw i t hd i f f e r e n tp m s s u ma n dt e m p e r a t u r eh a sb e e ns i m u l a t e d ，a n dt h ej e t f o l l o w i n gw i t hc h a p e r o n a g ef l o wi n d i f f e r e n ts t r u c t u r ep a r m n e t e r sa n dt e c h n i c s p a r a m e t e r s t h ea p p l i c a b i l i t yo ft h em o d e lc h o o s e di n t h i sp a p e rh a sb e e np r o v e db y e x p e r i m e n tr e s e t b ya n a l y z i n ga n dd e a l i n gw i t ht h ed a t a ，t h ec h a r a c t e ro fl o wd e n s i t y c h a p e r o n a g e nj e th a sb e e no b t a i n e d , m a n yi m p o r t a n td a t aa n dc o n c l u s i o n so ft h e d i f f e r e n c eo ft h el o wd e n s i t yc h a p e r o n a g ej e tf l o wa n dt h et r a d i t i o n a ls u p e r s o n i cj e tc a n b eo n a i n e dd i r e c t l y ：l o wd e n s i t yc h a p e r o n a g ef l o wc a np r o t e c tt h em a i nj e t ，d e c r e a s e t h es p e e di na x i a la n dd i f f u s ei nr a d i a lt om a k et h ej e tt ok e e pt h es t a t eo fc o h e r e n ti n s o m ed e g e e k e y w o r d s ：o x y g e nl a n c e ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，l o wd e n s i t yc h a p e r o n a g e ， c o h e r e n tj e t i i 辽宁科技大学硕士论文 主要符号说明 主要符号说明 物理意义 滞止压力 温度 马赫数 射流出口处气体速度 射流轴线上的速度 射流出口后任一截面动量 射流出口处动量 射流出口后任一截面密度 射流出口处气体密度 射流中某点到轴线距离 喷管出口直径； 射流出口截面气体质量流量 射流出口截面气体流量 射流出口截面面积 扩张角 射流动力粘度 导热系数 总焓 平均流体密度 有效粘度 体积力 湍流脉动速度 混合长度 气体常数 由层流速度梯度而产生的湍流动能 由浮力产生的湍流动能 h i 髓 岛r 施 抬 伽 彤 船 p 成 ， 踟 巩见儿 目 h a h p 如b 。 k r 魄瓯 辽宁科技大学硕士论文主要符号说明 r ， y m k i 丑 化学反应的净产生速率 湍流交换系数 动量传递系数 断面速度分布系数 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为 获得辽宁科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料，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 的说明并表示了谢意。 签名：丛玺盗日期：兰2 ：i 竺 关于论文使用授权的说明 本人完全了解辽宁科技大学有关保留、使用学位论文的规定， 即：学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅：学校 可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手 段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：墨塑垒垄垦导师签名： 豳型荤日期：型 辽宁科技大学硕士论文 第一章结论 第一章绪论 1 1 射流的概述 工程上经常遇至这种情况：流体经管嘴喷射到一个足够大的空间中去，由于流 体脱离了原来限制它流通的管道，不再受固体界面的限制，而在大空问中继续扩 散流动，这种气流的流动称为射流。射流是- - e e 较普遍的流动形式，从不同的角 度考虑，可以将射流分成各种类型。 按流动形态可把射流分为层流射流和紊动射流( 湍射流) 。 按射流的物理性质不同，可将射流分为不可压缩射流和可压缩射流：等密度射 流和变密度射流。 按射流的断面形状可将射流分为平面( 二维) 射流、圆形( 轴对称) 射流和矩形 ( 三维) 射流等。 按射流周围环境的条件也可进行如下分类： 从环境固体边界的情况分：在无限空间的流体运动的称为自由射流；在有限空 问内的流体运动的称为非自由射流或受限空间射流； 从环境的性质来划分：射入同种性质的流体内的称为淹没射流；射入不同性质 流体之内的则为非淹没射流( 如大气中的水射流) 。 射流的流动还要受周围流体形态的影响，即周围流体是静止的还是流动的， 若流动的，其流动方向是平行于射流还是和射流有一定的交角( 横流) ，是同向伴 随流动还是反向伴随流动。 按射流的原动力来划分：射流分为动量射流、浮力羽流和浮射流等三类。 射流是工程中非常常见的一种物理现象，因此很早以前人们就对射流问题进 行了相关的研究。在五十年代和六十年代，英、美、苏以及设在依几谬顿( i j m u i d e n ) 的国际火焰研究中心就对射流的空气动力学进行了不少的工作。我国的浙江大学 和西安交通大学在这方面也进行了不少的工作。目前对于圆形及平面自由射流问 题的时间平均参数的分布和有关空气动力特性都已比较清楚。对其紊流参数、相 关系数、间歇系数及高阶相关的分布，七十年代以来，人们也做了大量的工作【2 j 。 近年来，人们对射流理论做了更进一步的研究。这主要包括自由射流理论、 壁面射流理论、交叉射流理论、多股射流及旋转射流理论等瞄l 。 辽宁科技大学硕士论文 第一章绪论 1 。2 国内外射流特性的研究现状 自由射流是射流流入静止空间的传播，射流不受周围空问的限制且介质与射 流属同种流体阳。 由喷嘴流出的射流与周围静止介质发生动量交换，周围流体沿射流边界处以 一定的横向速度连续被卷入射流里面。前人的理论分析和实验均表盟【= ；】：与轴心 速度u 相比，射流的横向速度很小，因此在流场中接近轴心的大部分区域流线几 乎是平行的。 由于射流内产生了混合的湍流区，射流的动量一部分传给混入的介质，但总 的动量不变，只是射流总的质量流量沿轴向逐渐增加，导致射流的轴心速度减小、 射流的半径( 扰动范围r ) 增大。 在自由射流中，速度、温度和浓度分布具有相似的特性，可用与雷诺数无关 的普遍无因次剖面来表示【6 _ 8 l ，这种特性称为自由射流的白模性。因此可以用一 定比例的模型实验研究来代替大型氧枪喷头的实际测量。 1 2 1 亚音速射流的研究 亚音速射流出口处射流具有均匀的速度，但随着射流与周围静止介质的剪切 力，射流速度衰减。在距出口3 7 d 0 ( 出口直径) 处，轴线速度不受影响，这个 圆锥区称为核心区，即圆锥顶点到出口内速度等于出口速度，核心区后是射流的 充分发展区，长度在8 o d e 间。 利用牛顿第二定律进行射流速度分布的分析，亚音速射流动量守恒 即：旦：1 ( 1 i ) 州p 其中：m ：2 石f 2 r d r ( 1 2 ) i 蛤署g e b l e2 d e 2 = m e l d e = , j o e 务 s ， 式中：俨叫流出口后任一截面动量； 舱射流出口处动量： p 射流出口后任一截面密度； u 射流出口后任一截面上某点的速度： 辽宁科技大学硕士论文 第一章绪论 r 对流中某点到轴线距离； p 。射流出口处气体密度； “。射流出口处气体速度； 幽喷管出口直径； 以射流出口截面气体质量： q 射流出口截面气体流量； 爿。射流出口截面面积。 忽略粘度的影响，对排放入与周围介质同密度的射流而言，在充分发展区， 各个位置的射流速度分布是相似的，即“兰= ，( 二) ”，式中表示轴线速度，因 1 , 0 x 此通过实验和理论分析得出速度分布表达式： 堕：e 生，( 1 4 ) “b x 薏= e x 一五引， s ， “。l xj 其中，a = 2 k2 ，式中：x 表示距喷口距离，k i 是比例常数。 国外有研究者指出k 从理论上是在5 8 和5 9 2 _ 间f 9 a o j ，也有一些研究者指出k ， 随射流动量和轴向距离而变化”，可以推导出任何截面的质量流率与出口质量流 率之比： 一m ：k ，三 ( 1 6 ) m 。d 。 式中，i i l 表示射流任一截面上的质量，该式表示质量增加与距喷口距离呈直线关系。 s p a l d i n g 和r i c o u 用实验数据无因次分析计算了当射流雷诺数大于2 5 1 0 5 时的亚音速射流卷吸量的大小： ：k ， ( 1 7 ) x m i p d i k 。与前面提到的k 。的关系为： 畅：攀( 鱼) ；， ( 1 。8 ) 、万p g e f , ：p 。表示周围介质密度，p 。表示射流气体密度。 同时有研究者对射流的扩张角进行了分析，指出扩张角随射流动力粘度增加 辽宁科技大学硕士论文 第一章绪论 而增加，且独立于周围介质，关系式如下所示： t a l l 昙= o 2 3 8 ( “ ( 】9 ) 式中，臼表示扩张角，y g 表示射流动力粘度，该式可以用来计算高温下的亚音速射 流的扩张角。 1 2 2 超音速射流的研究 超音速射流结构分三个区域，如图1 1 所示，即势能核心区，超音速区，亚 音速区。势能核心区内各点速度等于射流出口速度，核心区外，在射流边界上， 由于粘性的作用，射流与周围介质发生湍流混合，进行能量交换，导致射流减速， 并逐渐向轴线上扩展，使轴向速度逐渐下降，到某一距离后，恰好等于音速，此 区域既为超音速区，超音速区外为亚音速区。 图1 1 超音速射流的结构示意图 一般认为可用射流轴线及横截面上的速度分布来描述单股射流的基本特性，对 于超音速射流的研究，c h a t t e r j e e i n 将它与亚音速射流对比后指出，超音速射流 核心区后的亚音速段的流动特性类似于亚音速射流完全扩展区的流动，因此上面 式1 4 、1 5 仍然成立，但他并未讨论式中k ，兄，及其关系随超音速射流而产生 的变化。 由于早期实验条件和研究范围的局限，对超音速射流的研究不够完善，仍沿 用亚音速的a = 2 七2 的关系，大规满、鞭岩”1 对超音速射流的研究得到k ，= 8 9 ，并 指出k ，是滞止压力的函数。考虑到可压缩性的动量传递系数和断面速度分布系数。 蔡志鹏、马恩祥等1 4 1 应用轴对称湍流射流理论分析得出 = c 2 k ，2 ，其中c 为可压 缩射流的速度关系参数，且小于1 ，首次得到a ， p c ，p c = p 。和p 。 p c ) 的l s 最长。 p 。i 玟 图1 3 超音速核心流长度随出口条件的变化 而且，一般来说由简易l a v a l 喷管测出的超音速核心流长度要比由精密电镀 的标准l a y a l 喷管测出的超音速核心流长度要小些，这是喷管结构对流动产生的 影响。 辽宁科技大学硕士论文 第一章绪 论 1 2 3 凝聚射流的研究 凝聚射流的关键技术在喷嘴【2 4 ，高的动能和喷吹速度是不足以使射流在要求 的距离上保持凝聚状态的，因为，主氧气射流会对周围气体产生卷吸，降低其速 度，因此，出现了同向伴随流，既是用另一一种介质气流与主氧气同向流动起到引导 作用，减小了氧气射流与外围气流之间的速度差，因而射流边界上的混合速度减 慢，降低了衰减。针对这种同向伴随流的相关研究较少，浙江大学的施俊美等人 通过数值模拟的方法做了初步分析，结果表明：伴随流对射流的轴向衰减有较大 的减缓作用，伴随流速度越大，这种减缓作用越强。 普莱克斯( p r a x a i r ) 的中心技术人员采用燃气流包围在氧气射流周围，燃烧 产生的高温膨胀，大大降低了周围气体的密度，周围的气流起到套封作用，大大 降低了主射流对周围气体的卷吸作用，由此产生超音速射流核心区很长且较长距 离上保持凝聚状态的射流，如图1 4 所示。为研究传统超音速射流和凝聚射流的特 征，普莱克斯( p r a x a i r ) 的中心技术人员进行了大量的实验2 ”，研究周围气体温 度和成分的变化对射流产生的影响，实验所用气体有空气、氧气、氩气、氮气。 研究表明：对传统的超音速射流来说，射流核心区的长度大约是6 或7 4 d e ，而凝 聚射流的核心区长度可以保持至u 3 0 d e 或3 7 d e 的距离，比较其轴向衰减速率远小于 传统的超音速射流，而且加上伴随流后比传统的超音速射流少卷吸1 0 的气体质 量。如图1 5 所示，在距离为2 或3 英尺的轴向距离时，凝聚射流仍能保持出口处的 直径和速度，尽管在4 英尺的距离时观测的轴向速度的降低，但是流速仍然是超音 速的，而传统的超音速射流此时是亚音速的。， j 釜2 0 0 0 o 兰1 5 0 0 蔷1 0 0 0 u 5 0 0 p i t o t t u b em e a s u r e m e n t s j e 。t 。c 。o 。n 。d 。i 。t 。i 。o 。n 。s 。：- 4 。0 。, 。0 。0 。0 。s 。c 1 f 。h 1 。o x 。y 。g e n 1 0 0 p s j g , m a c h2 o 。x t i 一- 、 k o n v e n ti o n a l c o，裔 、。j e t 01 02 03 04 05 06 07 0 d i s t a n c ef r o mn o z z l e ( i n c h e s ) 恻1 4 传统射流与凝聚射流轴线上速度衰减情况 2 辽宁科技大学硕士论文 第一章绪 论 r a f l i a ld l s t a a n c i n c h e s ) 图1 5 距离出口不同横截面上的速度分布 1 3 本文研究的工业背景 1 3 1 吹氧炼钢工艺 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，高纯度的氧气炼钢引起了 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。而后发展的 平炉使用大量的氧气以空气的形态燃烧碳氢物燃料，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，加速了精炼 的速度。这些研究为氧气项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 艺进展为氧气顶欧转炉的开发准备了条件。1 9 8 2 年在奥地利的l i n z 城和1 9 8 3 年在 d o n a w i t z 城先后建成了3 0 吨的转炉车问并投入生产，所以这一方法又n l d 法。用 纯氧吹炼由于不存在氮气的制冷效应，可以获得更高的温度，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池而不致损坏炉底。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 一迎基扫130一芒，嚣o 辽宁科技大学硕士论文 第一章绪论 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 吹冶炼前期造渣妤的优点【2 6 。 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。 1 3 2 传统炼钢供氧设备氧枪 氧枪是炼钢的供氧设备，它是随着氧气炼钢的发展而发明、发展起来的。第 一次用氧枪从炉子上部吹入纯氧冶炼钢水的试验于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 、传统氧枪的分类及发展 炼钢氧枪的种类很多【2 7 】，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直 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“突扩气”、 “旋转”等特殊孔型的喷头口8 1 。按照氧枪喷头的制造方法可以分为锻造喷头、铸 造喷头和组装式喷头氧枪，其特点如表1 2 所示。随着炼钢技术的发展，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【2 9 , 3 0 。 近年来又出现了许多新型用途的氧枪，如双流道氧枪，凝聚射流( c o h e r e n t j e t ) 氧枪等。把转炉的冶炼技术提高到一个新的水平。 凝聚射流氧枪是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、射流动量的凝聚射流，相同距离时凝聚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 头消耗刚。 辽宁科技大学硕士论文 第一章绪论 表1 2 氧枪喷头的制造方法 2 、传统氧枪的寿命及影响因素 氧枪控制着氧气动力学特性，关系着氧气转炉炼钢过程。其中喷枪的枪位、 材质、设计制造和吹炼操作对氧枪寿命有直接的关系【3 ”。 枪位的提高可以延长氧枪喷头的寿命，但是人们在使用传统超音速射流氧枪 进行吹氧冶炼时，为增强氧气对熔池的搅拌，提高脱碳速度和冶炼效率，不得不 使用低枪位操作，这降低了氧枪的寿命。氧枪的材质一般使用高导热性和可焊接 性的纯铜制作。一般认为尽可能地增加氧枪的壁厚尤其是端面壁厚可以延长氧枪 的寿命，实践证明，适当地减薄端面壁厚并不影晌氧枪的寿命。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，影响氧枪的寿命。 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，沿着氧枪向下流，易被吸入喷管之间的负压区。从喷管喷出 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， 不仅降低氧枪的寿命，而且影响到氧气射流动力学特性。 为了解决顶吹氧枪搅拌能力不足的问题，国内外采用底吹气体的顶底复吹冶 炼工艺取得了搅拌好，不易喷溅，渣中氧化铁含量低，金属收得率高的效果，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，与应用转 辽宁科技大学硕士论文 第一章绪涪 炉溅渣护炉工艺提高的转炉炉龄不能同步。 1 3 3 凝聚射流氧枪技术 美国普莱克斯( p r a x a i r ) 气体公司开发的一种凝聚射流( c o h e r e n tj e t ) 氧 枪喷吹技术，应用气体力学原理，在传统氧枪上加上了伴随流系统，使氧气射流衰 减速度大大放慢，形成类似于激光束的氧气射流的一种技术。这种射流能量集中， 具有极强的穿透能力，对促进钢渣反应、均匀钢水成分与温度、减少喷溅、提高氧 气利用率、提高金属收得率等都有十分明显的效果。 1 、凝聚射流氧枪的特点 浚技术提供了一种安全易行的方法，和传统的超音速射流相比较，具有如下 的几点特性： ( 1 ) 凝聚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，远比传统的超音速射流长： ( 2 ) 射流扩散和衰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 ) 凝聚射流核心区长度、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。 2 、在电炉上的应用 凝聚射流技术最初是为电炉设计的。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 应用凝聚射流技术的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凝聚射流系统喷嘴，标准情况下安装l 一4 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，熔化废钢和补充二次燃烧所需f | 勺氧气，从丽可以 提高电弧炉的生产效率和降低电量消耗。目前在世界范围内，已经有4 0 个电弧炉 上成功使用凝聚射流技术，并取得显著的经济效益。凝聚射流喷溅少，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，生产率大火提高，对于一个典型的超高功率电弧炉，与传统喷吹系统 辽宁科技大学硕士论文 第一章绪论 相比，聚合射流系统对电弧炉提供以下更有利的操作条件： ( 1 ) 较高喷吹速率，燃烧速度和二次燃烧率( 达到2 倍) ； ( 2 ) 更多氧气射入熔池；较快的脱碳率( 达到2 倍) ； ( 3 ) 较少的喷溅和提高炉渣的泡沫化。 美国伯明翰钢铁公司西雅图工厂在1 2 5 , 屯电炉上安装了三个凝聚射流氧枪喷 嘴，使电耗下降至f j 2 9 k w b ，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 ，提高了氧枪喷嘴寿命，减少了炉体维修时间，炉渣泡沫化程度好 3 3 , 3 4 1 。 意大利l s p 钢厂在7 6 吨电炉侧壁安装三个凝聚射流氧枪喷头，氧枪喷头的供氧 速度1 2 0 0 n m 3 h ，燃烧能力为3 m w ，二次燃烧速度为5 0 0 n m 3 h ，便电炉生产率提高了 1 2 ，热耗降低到3 0 0 k w h t 。 德国b s w 厂首先在偏心炉底出钢口区安装了凝聚射流氧枪喷头，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 了凝聚射流氧枪系统，提高电炉生产率，创造日产5 0 炉钢的世界记录。 s i d e r e a 厂在原料使用海绵铁的电炉应用凝聚射流氧枪系统，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 ，节能1 1 。 我国南京钢厂电炉分厂从意大利引进了整套的技术和装备。使用效果良好。 凝聚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，降 低氮含量，这对生产低氮产品的钢厂更加重要。使用凝聚射流技术还可以大大降 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。 3 、在转炉上的应用 凝聚射流是美国的p r a x a i r 公司研究开发的继溅渣护炉技术后的又一次创举。 2 0 世纪7 0 年代初，美国的p r a x a i r 公司开始研究溅渣护炉技术，该技术近几年在我 国得到了广泛的推广应用，宝i 上l 钢铁公司最高炉龄达n 1 4 0 0 1 炉次，鞍山钢铁公司 9 0 t 转炉达t l j l 0 0 0 0 炉次以上，武钢达n l s 0 0 0 炉次，北台铜厂达到1 9 4 0 0 次，比原 来提高一倍以上。该技术的基本原理是将高压氮气通过氧枪以很高的速度喷向炉 内的剩余炉渣，将炉渣溅起后覆盖在炉衬上，再经冷却、凝固形成固态的自消耗 型的耐火材料涂层，减缓炉衬砖的侵蚀速度口引。但是，复吹转炉采用溅渣护炉技 术后，普遍出现炉底上涨，并堵塞底部透气元件，使之寿命下降的难题。各国的 复吹转炉炼钢工艺条件不同，底部供气元件寿命也不同，日本和法国3 0 0 0 炉次左 辽宁科技大学硕士论文 第一章绪论 右，美 2 0 0 0 炉次左右，中国1 0 0 0 3 5 0 0 炉次左右，底部供气元件寿命的下降， 影响了转炉复吹的效果。 炉底上涨和底部供气元件堵塞带来了炉渣返干、粘枪、粘烟罩、喷溅的后果， 使操作不平稳，直接影响转炉的经济效益。但是，中国，甚至美国的钢厂都未曾 放弃溅渣护炉技术，国内一些院校和企业力图研制供气强度更高，性能更优越的 供气设备，虽然武钢、宝钢已经解决了底部供气问题，但很多钢厂放弃了转炉底 吹或从转炉底吹效果出发，放弃了溅渣护炉提高炉龄。从相关报道可知，目前这 一问题在国内外尚未得到很好的解决。 由于凝聚射流系统突出的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，第批测试转炉凝聚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锅铁公司加里厂，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 美元的艮好效果。 凝聚射流应用于转炉的主要收益在于： ( 1 ) 由于脱碳速度的提高，提高了生产作业率； ( 2 ) 喷溅减少和渣中铁含量降低，提高了金属收得率； ( 3 ) 钢中终点 0 的降低，减少脱氧用铝的消耗； ( 4 ) 能处理含硅量更高的铁水，提高了转炉吃废钢的能力； ( 5 ) 减少了补吹的次数； ( 6 ) 因枪位提高和喷溅的减少，氧枪的寿命提高。 目前国内还没有该项技术的系统报道。 1 4 课题的研究内容及方法 本课题应用f l u e n t 商业软件通过计算机进行数值模拟，并依据相似原理做氧 枪射流的冷态测试实验，通过实验对氧枪射流过程的各参数进行测量，同时用所 测数据对数学模型进行修正，保证得出的结果真实可靠。 具体内容涉及： 1 根据现场情况获得相关技术参数，确定所用模型的几何尺寸； 2 传统无伴随流氧枪射流在边界条件改变时的特性分析； 3 氦气伴随流射流在边界条件改变时的特性分析； 辽宁科技大学硕士论文第一章绪论 4 由实测数据对数学模型进一步修正、完善。 1 5 课题研究的意义 本课题以国家自然基金项目为出发点，结合其研究内容，针对目前国内大多 数转炉普遍出现喷溅，炉底上涨，堵塞底吹供气元件，使底部供气元件寿命下降 的难题。通过数值模拟并结合实验，更好的了解凝聚射流技术及形成条件，为这 一难题的解决提供可能。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。 辽宁科技大学硕士论文 第二章射流的基本理论 第二章射流的基本理论 2 1 湍流自由射流稳定流动的相似分析 2 1 1 不可压缩气体射流稳定流动的相似分析 首先把氧气射流视为不可压缩的粘性流体来研究。当射流流动过程中，其密 度变化不大或是相对变化远远小于1 的时候，即： a , o ：鱼二竺0 0 5 ( 2 1 ) p qp q 可视为不可压缩的流体来处理 3 6 。一般来说，当流体流动的马赫数小于0 3 可视为 不可压缩流动。 不可压缩流体流动特性的运动方程可由力学的基本定律得到，即惯性力( 质 量乘以加速度) 等于作用与该质量上所有力的总和： p 罢一印+ 胛l u + p g ( 2 2 式中，等号左边为惯性力，等号右边第一项为压力梯度，第二项为摩擦力，第三 项为重力。 这里讨论的前提是不可压缩自由射流流动，射流中每一点的压力变化应等于 所流入空间的压力。因此，压力梯度等于零，即即= 0 。在氧气炼钢过程中，因 为氧气的密度与铁水的密度相比为1 4 7 0 0 0 ，其值小的多，所以氧气重力可以忽略 不计，即可以认为氧气射流的重力项p g = 0 。因此， ：述射流流动的运动方程可 以简化为惯性力和摩擦力两项。即： p 警= 心3 考虑到射流在自由射流中的重要作用，根据雷诺假设，在射流剪切层中采用 总动力粘性系数= 分予粘性+ 湍流粘性，即： = + 。 ( 2 4 ) 这里，v 。，即为湍流交换系数，包括湍流运动粘性系数，湍流导温系数。 其中湍流交换系数：v 。= f 。 式中：“。为速度的脉动量，f 。，为湍流混合长度。 辽宁科技大学硕士论文 第= 章射流的基本理论 当湍流粘性比分子粘性大得多时，分子粘性可以忽略不计，故： 耻哺2 。 故摩擦项为： ，2 “= 。v2 “ ( 2 5 ) 单值性条件为： ( 1 ) 几何条件，刑于轴对成圆形截面的射流，喷口直径为矿，对于平面射流，其 喷口宽度为b 。 ( 2 ) 边界条件，喷口出口处( 当x = s 。) 的速度为u 。，射流边界处( 当y - + r 或卜r ) 的速度为u = o 。 现在可以用积分类比法求相似准数，则方程式( 2 ，3 ) 转化为： p 兰= , o r 。u l 2 ( 2 6 ) 上式等号双方都除以：w 。u 1 2 ，则： 巴! ! ：竺! ! 竺( 2 7 ) m u l z。u l z 得： 旦：1 或一u l ：c 。n 盯 v fv ” 其中，v 。= 。p 为湍流运动粘性系数， 因此式( 2 7 ) 可以转化为雷诺数胄p 。由此可知不可压缩的射流流动仅与雷诺 数r p 和无因次坐标有关。 根据阿布拉莫维奇( a b r a m o v i t c h ) 3 7 1 的湍流自由射流理论，此处可引入湍流 射流的经验系数( 无因次准数) 口。此系数随喷口处湍动效应的增加而增加，举例 如下： 当圆形喷口出口处具有均匀速度场时，a = o 0 6 6 ； 当喷口内装有旋转叶片时，a = o 2 7 ； 当用铁丝网格放在出口处时，则a = o 0 8 9 。 从单值性条件相似得出相似准数，因此自由射流中的不可压缩粘性湍流定常 流动只有一个准数方程。这个准数方程表示无因次速度和准数口以及无因次坐标 之间的依赖关系。 同时，可依据经验把口和无因次坐标结合起来： 辽宁科技大学硕士论文 第二章射流的基本理论 堕和旦：! d ，缓d e 艘 因此，对于轴对称的射流，其准数方程为： 考2 f 降a x 面y s ， 如果设“。为射流轴线上的速度，则式( 2 8 ) 转化为： 薏寺= 矗 ( 去) 旺e ， 其中，薏= ，；( 警j 为射流轴向无因次速度分布方程，而薏= ( 去 为射流横 断面上无因次速度分布方程。 根据阿布拉莫维奇( a b r a r n o v i t c h ) s 7 l 的湍流自由射流理论，射流主体段速度 分御具体形式如下： 旦：o 4 8 生 ( 2 1 0 ) “。c 嘣 射流横断面上的速度分布为： 或 耕一o t s ( 爿 2 泣 旦。一o7 7 ( 翁 “。 2 1 2 可压缩气体射流稳定流动的相似分析 ( 2 1 2 ) 对于高速气体射流，其密度变化是较大的，故必须考虑其可压缩的性质。在 町+ 压缩气体射流流动中，压力，密度的变化也会引起温度很大的变化。这时可用 连续方程，运动方程，能量方程( 热力学第一定律) 和状态方程来描述。 连续方程v ( p u l = 0 ( 2 1 3 ) 运动方程 能量方程 p ( 甜v ) “= v p + v ( ，铲“) + ；v ( ，“v “) j 。cp t u v ) t = ( u v ) p ( 2 1 4 ) ( 2 1 5 ) 辽宁科技大学硕士论文 第二章射流的基本理论 状态方程! ：r r ：旦二 py ( 2 1 6 ) 方程式( 2 1 5 ) 中，左端为气体射流的焓变化，右端为其中的压力变化。在高速流 动中，假定射流与周围介质无热交换和能耗。 式中：p 气体压力，单位为p a ； 日当地音速，单位为m s ； r 为热容比； k 气体常数，空气r = 2 8 7 j ( k g k ) ，氧气r = 2 6 0 j ( k g k ) 。 v 为一阶微分算子，v 2 为二阶微分算予，其积分类比可用必和夕乏：代替- 通过转换得到： 等卜肛饲卿l 丛d o ：h j m + 1 3l 盟 1 0 5 时 雷诺数的影响很小，因此，上述关系可简化为： 等州他 ( 2 3 。) 老叫地，叼 ( 2 3 1 ) 荨( 慨，柳 ( 2 3 2 ) 丢钔魄，y ) ( 2 1 3 3 ) 通过以一l x 寸可压缩湍流自由射流的相似分析可知，射流流场的速度分布和温 度分布都与喷嘴的出口马赫数m a 和儿何参数有关，都可以表示为m a 。和z ，y 的 甬犄婪磊 里! 翌垫查兰塑主垒墨二2 一 、第二章射流的基本理论 2 2 可压缩流动的实用方程 理想气体通过变截面管流动，假设磨擦力忽略不计且满足理想流体定常等熵 流动方程组： 连续方程 运动方程 能量方程： 翌里。垡生+ d u ：0 p 。a u t u u d u 。! d p ：0 j _ 二 。 p 矗+ 卫：c d 瑚r 矗t + 西邓渊。 等熵过程方程： 歹p = c 。月盯 由理想气体状态方程和音速的定义式得到音速的表达式如下： a = 、丙 可知气体的音速除与气体性质有关外，还与当地的温度t 有关 定义马赫数为：m 2 j 由以上式子得到管横截面积与马赫数之间的重要关系式： 堂a ：( mz 一1 ) 掣u 出上式可知，d u 0 ，劳且来流滞止压力满足p 丹o 风时，气体卷吸率增加，射流迅速衰减， 当n 风时，气体卷吸率减小，射流衰减变慢。 辽宁科技大学硕士论文 第三章射流数值模拟的基础 第三章射流数值模拟的基础 数值模拟在最近2 0 年中得到了飞速发展，因为无论是分析的方法或是实验的 方法都有较大的局限性，例如复杂的问题无法做出分析解，费用的昂贵丽无力进 行实验测定等。而数值计算的方法正是具有成本较低和能模拟较复杂过程等优点， 能够克服以上的种种问题，而且当前计算机技术的迅猛发展也给它提供了坚实的 物质基础。数值模拟不但可以拓宽实验研究的范围，还可以减少昂贵的实验成本 及繁琐工作量。目前用于流动和传热方面数值模拟的商业软件有p h o e n i c s ， f l u e n t ，s t a r c d ，c f x ，f l o w 3 d 等。 3 1 数值模拟中常用的数值方法简介 数值模拟的方法发展至今，各种数值解法的主要区别在于区域的离散方式、 方程的离散方式及代数方程求解的方法这3 个环节上。在流动与传热的数值计算 中广泛应用的方法有4 种：有限差分法( f i n i t ed i f f e r e n c em e t h o d ，f d m ) ，有 限元法( f i n i t ee l e m e n cm e t h o d ，f e m ) ，有限分析法( f i n i t ea r i a 【y t i cm e t h o d ， f a m ) 及有限容积法( f i n i t ev o l u m em e t h o d ，f v m ) 。下面简单介绍一下各种方法 的主要思想。 3 1 。1 有限差分法 这是历史上最早采用的数值方法，对简单几伺形状中的流动与换热问题也是 - - e e 最容易实施的数值方法i 38 3 9 1 。其基本思想是：将求解区域用与坐标轴平行的 一系列网格线的交点所组成的点的集合来代替，在每个节点上，将控制方程中每 一个导数用相应的差分表达式来代替，从而在每个节点上形成一个代数方程，每 个方程包括了本节点及其附近一些节点上的未知值，求解这些代数方程就获得了 所需的数值解。由于各阶导数的差分表达式可以从t a y l o r 展开式来导出，这种方 法又称建立离散方程的t a y l o r 展丌法。其基本理论已发展得相当成熟，有较完整 的定性分析理论( 收敛性和稳定性理论) ，差分格式灵活多样，计算程序编写简便， 数学推演和概念清晰，较多地应用于求解双曲型和抛物型问题。 其求解步骤如下： ( i ) 对定义域进行网格划分； 辽宁科技大学硕士论文 第三章射流数值模拟的基础 ( 2 ) 选取合适的差分格式，用差商代替微商，建立差分方程； ( 3 ) 求解差分方程。 有限差分法的主要缺点是对复杂区域的适应性较差及数值解的守恒性难以保 汪。 3 1 2 有限容积法 在有限容积法中，将所讨算的区域划分成一系列控制容积，每个控制容积都 有一个节点作代表。通过将守恒型的控制方程对控制容积做积分来导出离散方程。 在导出过程中，需要对界面上的被求函数本身及其阶导数的构成作出假定，这 种构成的方式就是有限容积法中的离散格式。用有限容积法导出的离散方程可以 保证具有守恒性，而且离散方程系数的意义明确，是目前流动与传热问题的数值 计算中应用最广的一种方法【4 04 ”。 3 1 3 有限元法 在有限元法中把计算区域划分成一系列元体( 在二维情况下，元体多为三角 形或四边形) ，每个元体上取数个点作为节点，然后通过对控制方程做积分来获得 离散方程。它与有限容积法区别主要在于： 1 ) 要选定一个形状函数( 最简单的是线性函数) ，并通过元体中节点上的被求变 量之值来表示该形状函数。在积分前将该形状函数代入到控制方程中去；这 一形状函数在建立离散方程及求解后结果的处理上都要应用。 2 ) 控制方程在积分前要乘上一个权函数，要求在整个计算区域上控制方程余量 ( 即代入形状函数后使控制方程等号两端不相等的差值) 的加权平均值等于 零，从而得出一组关于节点上的被求变量的代数方程组。 有限元的最大优点是对不规则区域的适应性好。