喷孔倾角对aod转炉用氧枪射流特性的影响

喷孔倾角对aod转炉用氧枪射流特性的影响

0射流特性的模拟研究在侧底吹扫aod转炉的过程中，顶吹氧枪是一种重要的供氧设备。氧气枪的射流特性与冶金的性质密切相关。因此，对氧气枪的气体辐射特性的研究可以优化氧枪喷嘴的设计，指导生产实践。在已有报道中,对氧枪射流的研究主要集中在对顶吹转炉或顶底复吹转炉用氧枪的模拟研究,刘坤等利用数值模拟方法研究了在不同滞止压力下,单孔拉瓦尔管内流体流动状态和激波的产生情况。YUAN等用实验方法研究了300t转炉用双参数多孔氧枪的射流特性。刘坤等模拟研究了单孔氧枪喷头射流流场,分析滞止压力,环境温度对射流特性的影响。李存牢等对单孔氧枪射流对熔池的冲击深度进行了研究。WANG等对多孔氧枪射流作了三维数值模拟,研究了射流的混合特性。而对AOD转炉用氧枪射流的模拟研究至今文献中尚未见报道,宝钢120tAOD转炉起初用的氧枪为单孔拉瓦尔氧枪,但是在冶炼中存在脱碳速度低,熔池中的铬氧化严重等现象,后来开发应用三孔11度氧枪后,冶炼效果得到了很好的改善。显然,对于AOD炉冶炼来说,利用多孔氧枪比利用单孔氧枪更加能提高生产效率。所以,对AOD转炉三孔射流特性进行模拟研究尤为必要。然而,在实验室的条件下,不可能模拟真正的冶炼环境下的射流,因此,模拟结果不能很好的反应实际冶炼环境中射流特性,而计算流体力学的发展很好的解决了这一问题,利用CFD软件,可以模拟在实际AOD转炉冶炼环境下的气体射流,弥补了在实验室研究氧枪射流的不足。本文采用FLUENT6.3商业软件,在一定的氧压,不同喷孔倾角的工况下,对110tAOD转炉用三孔氧枪射流进行了数值模拟研究,所得出的结论为AOD转炉用氧枪喷头的设计和氧枪操作工艺的优化提供了可靠的理论基础。1计算模型的构建1.1非等温过程模型为了建立传输方程,本模拟做如下假设:(1)氧气为可压缩理想气体;(2)整个过程为稳态,非等温过程;(3)忽略喷孔内壁摩擦对射流的影响。1.2物理守恒定律根据流体力学的基本理论,通过氧枪喷头产生的超音速气体射流遵循基本的物理守恒定律,即质量守恒、动量守恒、能量守恒。控制方程就是对这些定律的数学描述。不少文献已经报道,标准的κ-ε模型的模拟结果可以很好的和实验结果相吻合,因此,本文采用标准κ-ε模型进行计算。1传热系数的值控制方程的通用形式为:式中,Ф为通用变量,代表u、v、w、T等变量,Г为广义扩散系数,S为广义源项。对于不同的方程,各变量的值为:连续性方程:Ф=1;Г=0;S=0;动量方程:Ф=ui;Г=μ;S=−∂p∂xiS=-∂p∂xi;能量方程:Ф=T;Γ=kcpΓ=kcp;S=0;式中,u、v、w分别代表三个坐标轴方向的速度,m/s;ρ—流体的密度kg/m3;T—流体温度,K;μ—粘性系数;P—压力,Pa;k—流体的传热系数;cp—比热容J·kg-1·K-1。2和的经验常数Gk是由于平均速度梯度引起的湍动能k的产生项;C1ε和C2ε为经验常数,取值分别为1.44和1.92;σk,和σε分别是与湍动能k和耗散率ε对应的Prandtl数,取值分别为1.0和1.3;Cμ取值0.09。1.3螺钉计算域的确定假设氧气射流自喷孔喷出后进入了一个长3m,半径0.8m的圆柱内,为了减少计算时间,取整个模型的三分之一作为计算域。喷头结构和计算域如图1所示。喷头主要结构参数和工艺参数如表1所示。1.4初始和边界条件(1)采用压力输入，表压1.2MPa,温度为308K;(2)出口采用压力出口边界条件，表压为0.0961MPa,出口温度为1873K;(3)收敛残差分析模拟采用稳态,耦合,隐式算法求解,选用标准κ-ε湍流模型,收敛残差除能量方程为10-6外,其余都为10-3,计算结果用Tecplot360可视化软件后处理。2数值模拟结果及其分析2.1结果对比与实验测定值的对比为了保证数学模型参数设置的正确性和模拟结果的可靠性,将氧枪射流的数值计算结果与文献给出的实验测定值进行对比,结果如图2所示。其中纵坐标为射流速度沿射流轴线方向的无因次值,横坐标为距喷口出口的距离与拉瓦尔喷管喉口直径的比值。由图2可以看出,计算结果和实测结果吻合较好。2.2射流的速度分布图3(a)、(b)、(c)、(d)分别为三孔氧枪在喷孔倾角为9度、10度、11度和12度时射流的速度场分布云图,由图3可以很明显的看出,射流流股自喷孔喷出后,不是沿着喷孔轴线向前推进,而是向氧枪轴线靠拢。沿着氧枪轴线方向,距离喷孔出口一定距离处,射流流股会相互融合,各个流股渐渐的失去独立流股的运动特性。自喷孔喷出的超音速气流在流动的过程中,不断的吸收周围环境介质,射流横截面积不断增大。而在三个流股相夹的中间区域,即沿着氧枪轴线方向的区域,由于射流流股的隔离作用,射流流股内侧吸入的环境介质比其外侧吸入的要少,所以压力比射流外围的压力要低。因此,射流在外围压力的作用下,流股向氧枪轴线方向靠拢,这样,在距喷孔一定的距离上,射流就会相互吸引融合。由数值计算可得,在氧压为1.2MPa时,9度、10度、11度和12度氧枪喷孔出口射流速度都为513m/s。当倾角为9度时,在距离喷孔出口1.2m以后,射流速度增加到180m/s,且在此距离后,射流速度几乎保持平稳,10度与9度也有相似的趋势,但是由于倾角增大,射流融合距离较9度的大,所射流沿氧枪轴线方向的速度较低,在距离喷孔出口1.2m以后,射流轴向最大速为125m/s。对110tAOD转炉来说,冶炼时枪位较高,一般在2m以上,因此,从射流的速度分布分析,喷孔倾角为9度和10度时射流的特性比较适合冶炼操作,因为当抢位在大于2m冶炼时,射流的速度变化比较稳定,不易形成喷溅。而喷孔倾角为11度和12度时,射流的轴向速度更小,均小于100m/s,对熔池的冲击速度不够,达不到必要的冲击深度。2.3氧枪的操作位置图5为射流动压在距喷孔出口不同距离横截面上的面积加权平均值随着该距离和喷孔倾角的变化关系,从图5中可以看出,9度和10度的动压平均值随轴向距离的增加衰减速度比10度和12度的小,在枪位1m到1.2m之间动压达到最大值。11度和12度氧枪在枪位为2.5m以后,动压迅速衰减,这是因为喷孔倾角越大,射流在前进过程中吸收的周围气体介质就越多,流股横截面积增大,压力降低,动压衰减的就比较快。对110tAOD转炉特殊的冶炼环境来说,氧枪的操作枪位一般大于2m。显然,11度和12度的动压在抢位为2m时就开始迅速衰减,这就意味着当使用11度和12度氧枪时,枪位高于2m时,动压衰减速度太快,调节枪位动压波动太大,不利于稳定冶炼,且动压较小,对熔池液面的冲击不够,因此,从射流动压的分布来看,110tAOD炉氧枪的喷孔倾角在9度到10度之间为宜。2.4喷孔倾角和距喷孔出口距离的影响对于AOD转炉,顶枪射流的冲击面积不宜过大,具体射流的冲击面积占熔池表面面积的多少为最优,文献中至今尚未见报道。但是根据李冬刚等的研究结果,顶枪射流不能与侧吹射流溢出钢液表面的位置重合,否则,射流的动能会和侧吹气体的溢出动能相互抵消,而造成动能的耗散损失,这样顶吹和侧吹对熔池的搅拌作用就不能完的发挥,以致熔池混合时间延长,不利于提高熔池的传质速度。图6为射流冲击半径与喷孔倾角和距喷孔出口距离的关系。由图6可以看出,随着距喷孔出口距离的增加,射流的冲击半径增大,在距喷孔一定的距离上,即一定的操作枪位下,射流的冲击半径随着喷孔倾角的增大而增大。喷孔倾角为9度、10度、11度和12度时,在操作枪位为2.5m到2.8m范围内,射流的冲击半径几乎保持不变,分别为0.5m、0.58m、0.62m、0.68m。根据萧泽强等的研究结果,侧吹气流在熔池中的水平穿透距离约为侧吹风枪内径的30倍,然后气流突然转折形成弥散的气泡上浮。所以,对于110tAOD转炉,熔池表面直径约为2m,这样计算,侧吹射流气体的溢出位置大约在离转炉轴线0.6m的位置。显然,当喷孔倾角为11度和12度时,射流的熔池半径都大于0.6m,所以,从理论上讲,对110tAOD转炉,这两个角度是不适合的。而倾角为9度和10度的射流冲击半径都小于0.6m,所以,9度和10度是比较适合的。3喷孔角度的影响在氧气压力1.2MPa、入口温度为300K、出口温度为1873K条件下,对射流轴线速度、动压和冲击半径随着喷孔倾角的变化规律进