AOD 爐氧槍射流參數(shù)的優(yōu)化

江 虹，朱小寧

(長春工業(yè)大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，長春 130012)

AOD 爐氧槍射流參數(shù)的優(yōu)化

江 虹，朱小寧

(長春工業(yè)大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，長春 130012)

為提高側(cè)頂復(fù)吹A(chǔ)OD(Argon Oxygen Decarburization Furnace)，即氬氧精煉法過程中的脫碳效率，提出對側(cè)槍射流方式進行改進和參數(shù)優(yōu)化，提高AOD爐壽命和降低耐火材料消耗。采用改進的N-S方程及湍流方程，對側(cè)槍的射流參數(shù)建立模型，得到不同參數(shù)下，側(cè)槍傾角和吹氣速度對AOD精煉過程的影響。當槍個數(shù)為7、傾角為18°、射流速度為52.12 Nm3/h時是最佳工況。分析結(jié)果表明，通過對AOD爐冶煉時側(cè)槍的射流建立并改進N-S模型，可以有效提高AOD爐爐齡。

AOD爐;N-S方程;側(cè)吹;流體流動

0 引言

側(cè)頂復(fù)吹A(chǔ)OD(Argon Oxygen Decarburization Furnace)爐精煉技術(shù)是目前世界上冶煉低碳鋼最主要的技術(shù)。提高AOD爐的壽命已成為關(guān)鍵性課題，我國純側(cè)吹A(chǔ)OD爐壽命雖然已超過140爐，側(cè)頂復(fù)吹爐也在150～180爐之間，但與國外較先進的技術(shù)相比還有很大差距，日本的AOD爐壽命已達到500爐以上［1］。

氬氧精煉過程中，加之側(cè)槍的鼓吹氣流使爐內(nèi)流體的流制、傳熱、結(jié)構(gòu)都非常復(fù)雜，影響AOD爐壽命的因素多種多樣，為大幅度提高爐齡需要從根本問題著手研究。精煉技術(shù)中氧槍的噴射對爐內(nèi)的脫碳保鉻反應(yīng)起決定性作用［2］，筆者通過對氧槍的噴射過程建立模型，得到在均衡利弊的關(guān)系下最優(yōu)化的氧槍射流參數(shù)。

1 建立模型

1.1 標準N-S模型

AOD爐冶煉鐵液時，流體符合黏性、不穩(wěn)定流動、不可壓縮流體和層流流動等條件。N-S方程建立的模型可反映粘性流體的基本力學(xué)規(guī)律［3］，雖然在早前是較難求解的非線性偏微分方程，但目前計算機技術(shù)高速發(fā)展已經(jīng)可以解決這一難題。

N-S方程假設(shè)流體是連續(xù)的

1.2 改進模型

文獻［4］中的水模型試驗大體表現(xiàn)了側(cè)槍噴出的氣體在液體中上升的整個過程，當側(cè)槍有一定角度噴出的氣體進入液體時，在浮力、阻力、慣性的作用下，水平方向速度迅速減小向上浮動。氣流上升時，流股周圍液體填補，形成氣液兩相流，氣流分裂成大量小氣泡，氣泡橫截面逐漸變大直至溢出液面，液體的動能轉(zhuǎn)化為勢能。N-S方程要求假設(shè)流體內(nèi)部沒有空隙，所以需要對N-S方程進行改進。v-p形式的N-S方程中速度和壓力的空間插值必須滿足Zienkiewicz有限元法條件，否則會導(dǎo)致空域中節(jié)點壓力場振蕩。圖1為AOD爐剖面結(jié)構(gòu)。

圖1 3D AOD爐剖面圖Fig.1 Cutaway view of AOD converter in 3D

2 模型計算

2.1 建立計算域

對標準120 t的AOD爐計算，根據(jù)文獻［6］的參考數(shù)據(jù)，其側(cè)槍參數(shù)如表1所示(7個側(cè)槍)。

表1 AOD爐冶煉的幾種工況參數(shù)Tab.1 Several situations of AOD refining

2.2 邊界條件

1 )入口條件采用壓力入口，表壓為1.2 MPa，溫度為35℃;

2 )出口采用壓力出口邊界條件，設(shè)定表壓為0.098 1 MPa，出口溫度為1 602℃;

3 )壁面處采用無滑移邊界條件，近壁面處采用標準壁面函數(shù)處理。

3 模擬結(jié)果及分析

計算采用VC++6.0編譯程序，計算結(jié)果用Tecplot10.0可視化處理［7］。

3.1 噴槍傾角對冶煉過程的影響

較早的研究已經(jīng)提出與單槍的鼓吹作用相比，多槍工況可使流場和湍動更加合理，射流對爐襯的反沖力會隨側(cè)槍個數(shù)的減少而增加，文獻［8］分別對4～7個側(cè)槍工況的模擬實驗已經(jīng)得出在考慮爐體成本的情況下，7槍工況為最佳。筆者不再對側(cè)槍個數(shù)加以贅述。圖2是在7個噴槍作用下，吹氣速度為52.12 Nm3/h，噴槍角度分別為18°、22.5°、27°時鼓吹效果在鋼液面的整體表現(xiàn)，鼓吹效果雖較均勻但分部狀況體現(xiàn)吹氧效果各不相同。

結(jié)合圖2、圖3可以看出，噴槍傾角越小，射流延軸線方向的速度越大，越容易形成噴濺;噴槍傾角越大，射流延軸線方向速度越小，對鋼液的攪拌效果達不到最佳的冶煉效果。其中圖3中d為爐內(nèi)直徑。

圖3 側(cè)槍不同傾角的射流平面示意圖Fig.3 Jets flowing on different angular separation

圖2 7槍工況不同傾角射流溢出鋼液表面位置Fig.2 Different angular separation with 7 tuyeres

同時傾角過大各相流體易形成對流，對AOD爐爐襯形成沖擊，降低爐襯壽命。文獻［9］中也提出頂槍的射流位置不可與側(cè)槍射出流體在溢出鋼液后的位置相同，否則，頂槍的射流動能會和側(cè)槍剩下的射流動能抵消，不能發(fā)揮頂槍攪拌的最佳效果，導(dǎo)致鋼液冶煉時間加長，冶煉終點控制復(fù)雜嚴重影響爐體壽命。

3.2 射流速度對冶煉過程的影響

射流速度為45.49 Nm3/h時，達不到理想的攪拌效果，冶煉時間過長影響鍋爐壽命。射流速度為73.05 Nm3/h時，各相射流相互作用力增強，作用爐體反沖力并易形成噴濺，對鋼液的損失較大。圖4為各相射流在鋼液中流動趨勢，與先前估計的效果相符。

圖4 3種側(cè)槍射流速度Fig.4 Three situations of side-blowing rates

4 結(jié) 語

通過對AOD爐冶煉時側(cè)槍的射流建模并改進N-S模型，計算分析得到：1)側(cè)槍傾角越小、射流強度越大，氣體延軸線方向速度越大，越容易形成噴濺，同時對爐襯反沖力越大，對爐襯損蝕也越嚴重;2)側(cè)槍傾角越大、射流速度越小，氣體延軸線方向速度越大，鼓吹對鋼液的攪拌效果越不明顯;3)7槍冶煉工況時結(jié)合射流對鋼液的攪拌效果、噴濺效果及對爐襯的損蝕確定噴槍傾角18°，射流速度52.12 Nm3/h為最佳的噴槍參數(shù)。

具體射流作用對爐襯的反沖力也十分重要［10］，是影響爐齡的重要因素之一，將在今后著重研究。

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Parameter Optimization of Side Blowing Jets for AOD Converter

JIANG Hong，ZHU Xiaoning

(College of Electrical and Electronic Engineering，Changchun University of Technology，Changchun 130012，China)

To improve the efficiency of decarburization during the top and side combined AOD(Argon Oxygen Decarburization Furnace)process，we suggest optimizing the parameter of the side blowing jets.In thisway the AOD converter's life length will be extended and the consumptions of refractorymaterialwill be lower.We use a better N-S equation to simulate the process.After analyzing the solutions of the equations，we find out how the jets and fluid flow in different parameters，and obtain an arrangement of 7 tuyeres with an angular separation of 18°and a blowing rate of52.12 Nm3/h is a perfectmode.As a result，by optimizing the N-Smodel of the sideblowing，we can extend the AOD converter's life length.

argon oxygen decarburization furnace(AOD)converter;N-S equation;Side-blowing;fluid flow

TH 6;TF701.2

A

1671-5896(2014)03-0258-04

2013-09-27

吉林省教育廳“十二五”科學(xué)技術(shù)研究基金資助項目(吉教科合字［2013］第140號)

江虹(1970— )，女，長春人，長春工業(yè)大學(xué)副教授，主要從事智能儀器、圖像處理和測試計量技術(shù)及儀器研究，(Tel)86-13514307926(E-mail)jianghong@mail.ccut.edu.cn。

劉東亮)