120 t 轉(zhuǎn)爐氧槍噴吹射流特性及其冶金效果

闞永海，范鼎東，任茂勇，鄧志勇，李 軍

（1.天津天鋼聯(lián)合特鋼有限公司，天津301500；2.安徽工業(yè)大學(xué)，安徽馬鞍山243002）

0 引言

氧槍為轉(zhuǎn)爐煉鋼生產(chǎn)過程提供氧氣的主要設(shè)備，氧氣經(jīng)過氧槍的拉瓦爾噴頭發(fā)展成超音速射流，具有良好的沖擊攪拌熔池作用。氧氣到達熔池表面時射流速度較大，熔池表面較易形成凹坑，帶動并加速熔池的流動，在攪拌熔池的同時，促進化學(xué)反應(yīng)進程[1-2]。因此其在加快轉(zhuǎn)爐冶煉節(jié)奏、促進化渣、降低碳氧積等方面起到?jīng)Q定性作用[3]。沖擊深度和沖擊面積可以表示超音速氧槍噴吹射流特性[4-5]。隨著冶金技術(shù)與工藝的進步完善，以及數(shù)值模擬技術(shù)的發(fā)展與廣泛應(yīng)用，國內(nèi)外冶金工作者對超音速氧氣射流特性進行了大量研究。

呂明等[6]利用Fluent 軟件研究了轉(zhuǎn)爐煉鋼不同槍位條件下的頂吹氣體射流特性，將數(shù)值模擬結(jié)果與理論計算相比較得出，隨著槍位的提高，沖擊深度差值變小，沖擊面積差值變大。陳興華等[7]結(jié)合VOF 多相流模型對轉(zhuǎn)爐復(fù)吹熔池流場進行了三相流模擬，確定最佳頂吹氧槍結(jié)構(gòu)方案，將轉(zhuǎn)爐平均供氧時間縮短1.5 min，噸鋼氧耗降低1.33 m3/t。馬浩冉等人[8]研究不同壓力的氧槍射流，發(fā)現(xiàn)射流對熔池的沖擊面積和深度對流場分布的影響規(guī)律。陳紹春等研究了轉(zhuǎn)爐集束射流氧槍的射流特性及衰減規(guī)律。汪成義[9]等研究了不同參數(shù)下氧槍的沖擊深度與熔池作用面積之間的關(guān)系，獲得了合理的氧槍設(shè)置參數(shù)。潘貽芳等[10]對天津鋼鐵氧氣噴吹系統(tǒng)進行了改造，其設(shè)計的四孔噴頭氧槍噴吹強度增大，改善了爐內(nèi)鋼水流動和反應(yīng)動力學(xué)條件。

天津天鋼聯(lián)合特鋼有限公司（以下簡稱天鋼聯(lián)合）為縮短冶煉時間、提高轉(zhuǎn)爐產(chǎn)量、實現(xiàn)高效率快節(jié)奏的生產(chǎn)工藝，2019 年在其120 t 轉(zhuǎn)爐上采用了新設(shè)計的氧槍工業(yè)生產(chǎn)。其新氧槍將噴孔中心線與氧槍軸線的夾角由12°增加到12.5°，將工作壓力由0.82 MPa 增加到0.9 MPa。經(jīng)工業(yè)生產(chǎn)實踐證明，采用新氧槍冶煉，有利于熔池攪拌，促進化渣，縮短冶煉時間，相較于原氧槍，更適合高效率快節(jié)奏的生產(chǎn)工藝要求。為更加深入了解新、原氧槍噴吹射流特性，采用數(shù)值模擬方法對兩種氧槍射流流場進行分析，并對兩種氧槍的冶金效果進行了對比分析，得出射流與轉(zhuǎn)爐熔池的相互作用影響，為轉(zhuǎn)爐煉鋼氧槍合理確立參數(shù)提供了理論支持。

1 數(shù)學(xué)模型建立

為分析兩種氧槍噴吹射流流場分布特性，本文利用標準的k-ε方程模擬氧氣射流特性，對天鋼聯(lián)合新、原兩種氧槍噴吹射流進行了三維數(shù)值模擬分析，力求得出射流與熔池相互作用特性，為氧槍設(shè)計提供理論支撐（主要參數(shù)如表1 所示）。由于冶煉過程中通常采用恒壓變槍模式，只通過調(diào)整槍位來完成整個冶煉任務(wù)，故本文分別研究槍位為1.3 m、1.5 m、1.8 m、2.0 m 時氧槍射流特性。兩種不同氧槍噴頭夾角模式下的氧氣射流速度剖面云圖如圖1所示。由圖1 初步可知：兩槍氧氣射流均向軸向中心線發(fā)生不同程度的偏移；新槍射流在軸向交匯的位置相對延后，可相對減少射流之間的影響。

表1 氧槍噴頭主要幾何參數(shù)

圖1 兩種氧槍模式下氧氣射流速度剖面云圖

1.1 模型假設(shè)

（1）氧氣被認為是理想氣體；

（2）氧槍噴嘴內(nèi)部連接光滑，忽略管道中的摩擦；

（3）靠近噴嘴內(nèi)壁面流體是黏性的，同時氧槍壁為無滑移壁面。

1.2 數(shù)學(xué)模型

對于標準k-ε模型，湍流動能k和其耗散率ε由傳輸方程（1）、（2）計算得出：

式中，Gk表示由于平均速度梯度而產(chǎn)生的湍流動能，如公式（3）所示。

式中，G1ε、G2ε、G3ε是常數(shù)，σk和σε分別代表為k和ε的紊流普朗特數(shù)。這些值已經(jīng)從實驗確定并具有以下默認值：1.44，1.92，0.09，1.0，1.3。

1.3 邊界條件

（1）在噴嘴入口處使用壓力入口條件，壓力為設(shè)置參數(shù)；

（2）出口處采用壓力出口條件，數(shù)值為101325 Pa 一個大氣壓；

（3）氧槍噴嘴的內(nèi)表面采用非滑移壁面，壁面附近的流場使用標準壁面函數(shù)計算。

2 氧槍噴吹射流特性數(shù)值模擬研究

2.1 氧槍射流速度分布

通過兩種不同氧槍噴頭夾角模式下的氧氣射流速度模擬，分別作出槍位H=1.5 m 時氧槍射流平面等速對比圖（如圖2 所示）和氧槍射流速度立體分布對比圖（如圖3 所示）。由圖2、圖3 分析可知，在相同槍位下，新槍的等速線（v＞10 m/s）所包圍的區(qū)域要比原槍大，同時新槍的射流分布均勻合理。這是由于新槍的工作壓力、噴孔與氧槍軸線的夾角都較大，因此新槍可提高冶煉效果。

2.2 氧槍射流的干擾性

在射流噴吹過程中，氧槍噴孔與氧槍中心線呈一定夾角，在不受外力的影響下，下游射流與中心線夾角保持不變。然而，對于多孔射流氧槍，多孔射流之間的區(qū)域受射流影響，氣體在射流抽引作用下隨射流一起向射流方向運動，在此作用下，多股射流中心區(qū)域壓力下降，而射流外側(cè)壓力與爐口壓力大致相等，導(dǎo)致射流靠近氧槍中線內(nèi)側(cè)壓力小于外側(cè)壓力，此時射流實際角度在壓力差的作用下偏向壓力小的一側(cè)（氧槍中心線方向），即射流中心線偏移現(xiàn)象。氧氣射流中心線相對于噴孔幾何軸線的偏移是多股射流相互抽引的結(jié)果。圖4 為模擬兩種氧槍射流中心線的偏移曲線。兩氧槍射流的偏移都隨著槍位的增加而增大，其中原槍的偏移較新槍大。原槍射流離開噴嘴后，各股流之間相互抽引力增大，各股流間距隨槍位增大而減小聚集，使得氧射流與熔池作用范圍減小，不利于成渣，同時也不利于二次燃燒的提高。

圖2 氧槍射流平面等速對比圖

圖3 氧槍射流速度立體分布對比圖

圖4 兩氧槍射流中線偏移圖

由圖5 可知，射流速度隨著從噴頭軸向距離的增加，衰減程度有所減緩，射流的速度也在減小。隨著槍位的提高，氧氣射流受爐內(nèi)氣氛影響加強，氧氣射流速度隨著射流發(fā)散程度增加而減小，導(dǎo)致射流對熔池的沖擊深度減小、熔池動力學(xué)變差、氧氣利用率降低。可見，新槍正常吹煉槍位時（1.3～1.6 m），射流到達鋼液面的速度均大于原氧槍，衰減程度也較原槍弱。故優(yōu)化后的氧槍對熔池的沖擊利用率、沖擊強度均有所提高。

圖5 前后兩種氧槍不同槍位射流速度

2.3 氧槍射流對熔池的作用

氧氣射流對轉(zhuǎn)爐熔池表面的沖擊深度及沖擊面積，都將對冶煉過程產(chǎn)生較大影響，對研究熔池的混勻、攪拌效果具有重要意義。由沖擊深度和沖擊面積計算公式[11-12]，即公式（4）～（6）。

式中，h為沖擊深度，cm；H為氧槍槍位，cm；p0為滯止壓力，MPa；d1為喉口直徑，cm；θ為噴孔夾角，°。

式中，S為沖擊面積，m2；d為沖擊直徑，m；p0為出口氣體密度，kg/m3；p1為鋼液密度，kg/m3；g 為重力加速度，m/s2（取9.8）；v0為出口氣流速度，m/s；d0為出口直徑，m；B為常數(shù)，馬赫數(shù)取0.5～3.0。

當氧氣到達熔池表面的射流速度大于10 m/s時，即產(chǎn)生的沖擊力可以滿足過程化渣和熔池攪拌的要求。采用公式計算氧射流對熔池的沖擊深度、沖擊面積與槍位之間的關(guān)系（如圖6 所示）。結(jié)果表明，原槍在1.3 m 和1.5 m 槍位下，射流對轉(zhuǎn)爐熔池沖擊面積分別為0.62 m2和0.74 m2；優(yōu)化后氧槍在1.3 m 和1.5 m 槍位下，熔池沖擊面積分別為0.66 m2和0.80 m2；沖擊面積分別提高了6.5%和8.2%。原槍在1.3 m 和1.5 m 槍位下，熔池沖擊深度分別為120.9 cm 和112.4 cm；新槍在1.3 m 和1.5 m 槍位下，熔池沖擊深度分別為119.8 cm 和111.2 cm；熔池沖擊深度分別減少了0.9%和1.0%。因此，新槍可以在保持較為有效地沖擊深度同時，將沖擊面積提高，使得熔池具備較好的混勻、攪拌效果，有利于促進熔池中各項物化反應(yīng)的進行和氧氣利用率的綜合提高。

圖6 氧射流對熔池作用與槍位的關(guān)系

3 工業(yè)效果與分析

為檢驗優(yōu)化后新槍的冶煉效果，對天鋼聯(lián)合120 t 轉(zhuǎn)爐2018、2019 年的冶煉數(shù)據(jù)進行了收集、對比處理，由于主要冶煉的鋼種均為普碳鋼，故對比分析了轉(zhuǎn)爐供氧時間、冶煉周期、噸鋼耗氧量、終渣FeO 和堿度、脫磷率等情況。原槍和新槍轉(zhuǎn)爐冶煉的平均數(shù)據(jù)以及優(yōu)化前后終渣成分與脫磷率的平均數(shù)據(jù)對比，如表2、3 所示。由于新氧槍的相關(guān)技術(shù)參數(shù)更加合理，加之新槍工作壓力增大，對熔池的作用效果增強，改善了轉(zhuǎn)爐冶煉所必備的動力學(xué)條件，進而穩(wěn)定了熔池的升溫速度、提高了脫碳速度，促使氧氣利用率大大提高。

使用新氧槍吹煉，沖擊面積大、攪拌均勻、化渣快、操作比較穩(wěn)定。在堿度下降的情況下，保證了良好的脫磷效果。優(yōu)化前后渣中FeO 含量平均降低了1.75%，這也表明降低了鋼鐵料消耗。

由于優(yōu)化后的氧槍對熔池的作用效果優(yōu)于原先，改善了轉(zhuǎn)爐冶煉過程的動力學(xué)條件，由圖7 可知，優(yōu)化后轉(zhuǎn)爐碳氧積比優(yōu)化前有所降低，平均下降值為：0.0002，這有助于鋼水質(zhì)量、合金收得率的提高。

4 結(jié)論

（1）兩槍的氧射流均向軸向中心線發(fā)生不同程度的偏移，且都隨槍升高偏移增大，其原槍的偏移程度較新槍大；新槍氧射流在軸向交匯位置相對延后。

表2 轉(zhuǎn)爐有關(guān)冶煉數(shù)據(jù)對比

表3 優(yōu)化前后終渣成分與脫磷率

圖7 優(yōu)化前后碳氧積對比

（2）新槍可以在保持有效沖擊深度同時，將沖擊面積提高；相較于原槍，在1.3 m 和1.5 m 槍位下，氧射流對熔池的作用效果分別提高6.5%和8.2%。

（3）工業(yè)結(jié)果表明，天鋼聯(lián)合對氧槍的升級改造是合理有效的，優(yōu)化后供氧時間縮短2.12 min，噸鋼氧耗下降5 Nm3/t，渣中FeO 含量降低1.75%。