轉(zhuǎn)爐氧槍超音速射流特性的數(shù)值模擬研究

唐逸興，董 凱，姚柳潔，韓德文，魏光升

(1.北京科技大學 冶金與生態(tài)工程學院,北京 100083；2.高端金屬材料特種熔煉與制備北京市重點實驗室，北京 100083；3.河鋼股份有限公司承德分公司,河北 承德 067000)

在轉(zhuǎn)爐煉鋼過程中，氧氣通過氧槍噴頭形成超音速射流，經(jīng)高溫爐氣與熔池接觸，帶動熔池流動，促進化學反應發(fā)生并均勻熔池成分和溫度[1]。作為轉(zhuǎn)爐煉鋼系統(tǒng)的關鍵設備，氧槍在轉(zhuǎn)爐冶煉過程中起到了脫碳升溫，攪拌熔池，造渣，去夾雜等冶金效果[2]。為了進一步響應綠色冶金的號召，節(jié)能減排，提高冶煉效率，研究氧槍的超音速射流特性及其對冶煉效果的影響非常有必要。

近年來隨著計算流體力學的發(fā)展，國內(nèi)外許多學者采用CFD方法對氧槍的超音速射流特性進行了模擬研究。呂明[1]等研究了轉(zhuǎn)爐內(nèi)不同槍位條件下的頂吹氣體射流特性,并通過與理論計算結果的對比分析，發(fā)現(xiàn)：單孔氧槍數(shù)值模擬的沖擊深度小于理論計算值、沖擊面積大于理論計算值,且隨著槍位的提高,沖擊深度差值變小,沖擊面積差值變大。陳興華等[3]研究了轉(zhuǎn)爐槍頭參數(shù)對超音速射流流場分布特性的影響,并將研究結果應用到轉(zhuǎn)爐的常規(guī)冶煉過程中，使冶煉的平均時間縮短了1.5 min。闞永海等[4]研究了轉(zhuǎn)爐氧槍優(yōu)化前后兩種氧槍頂吹射流特性，并分析射流與熔池的相互影響，其研究成果投入工業(yè)生產(chǎn)后，優(yōu)化后的氧槍供氧時間縮短2.12 min/爐，噸鋼氧耗下降5 m3/t(標準)。

某鋼廠150 t轉(zhuǎn)爐煉鋼平臺采用雙聯(lián)法提釩煉鋼，現(xiàn)有1座120 t提釩轉(zhuǎn)爐，3座150 t煉鋼轉(zhuǎn)爐。為了加快冶煉節(jié)奏，提高提釩鐵水的生產(chǎn)效率，現(xiàn)對提釩轉(zhuǎn)爐的氧槍進行重新設計。在提高供氧強度的基礎上分別設計了3種不同馬赫數(shù)的氧槍，并對新舊4種提釩氧槍的超音速氧氣射流特性進行綜合研究，以此來確定氧槍的優(yōu)選參數(shù)，將該優(yōu)選氧槍應用于實際提釩轉(zhuǎn)爐冶煉過程中，使提釩轉(zhuǎn)爐半鋼冶煉時間縮短了42 s。

1 數(shù)值模擬

1.1 控制方程

連續(xù)性方程：

能量守恒方程：

動量守恒方程：

1.2 模型建立

為研究不同氧槍的超音速射流特性，本研究采用Gambit進行建模及網(wǎng)格劃分，計算域為一個直徑30 De，長80 De的圓柱形區(qū)域。網(wǎng)格采用6面體結構化網(wǎng)格，為了確保數(shù)值模擬結果的準確可靠，對不同計算區(qū)域選用不同的網(wǎng)格大小和網(wǎng)格密度[5]。氧槍具體參數(shù)見表1。

表1 氧槍槍頭尺寸

采用fluent18.0進行數(shù)值模擬計算。湍流模型采用標準的k-ε模型，壓力、密度、動量、能量采用二階迎風差分模式，使用coupled耦合求解法計算。具體邊界條件設置見表2。

表2 邊界條件設置

1.3 基本假設

(1)氧氣是理想不可壓縮流體，并滿足理想氣體狀態(tài)方程;

(2)計算域中的環(huán)境溫度假定為室溫，計算域的邊界壓力等于環(huán)境壓力;

(3)氧槍噴嘴的內(nèi)部連接足夠光滑，以忽略管道中的摩擦;

(4)壁面采用無滑移壁面，并利用標準壁面方程計算近壁面位置處速度。

2 氧槍超音速射流模擬研究

2.1 氧槍射流速度場分布

為研究氧槍射流的速度分布情況，選取合適大小的氧槍單孔射流界面，圖1為各氧槍射流軸向速度分布云圖。通過對比氧槍射流速度在100，200，300 m/s時的射流長度，研究各氧槍射流軸向速度的衰減情況。發(fā)現(xiàn)在相同射流速度與設計流量工況下，氧槍的射流長度隨馬赫數(shù)的減小而減??；同馬赫數(shù)下，氧槍射流長度隨著氧槍設計流量的減小而減小。在射流速度為100 m/s的情況下，1#槍頭射流長度比原槍頭增加了1.7%；射流速度為200 m/s時，1#槍頭射流長度比原槍頭增加了1.6%；射流速度為300 m/s時，1#槍頭射流長度比原槍頭長1.2%。由此可見，1#槍頭射流衰減速度比原槍頭更為緩慢，到達熔池時能具有更好的動能和攪拌效果。

3.3.1 河套灌區(qū)土地資源承載力不斷提高 由于河套灌區(qū)2001—2016年糧食產(chǎn)量的增長速度高于人口的增長速度，其土地資源承載力在原本糧食盈余的基礎上不斷提高。2001年實際人口為154.03萬人，理論承載力為336.26萬人，土地資源承載力指數(shù)為0.458，人均糧食占有量為873.22 kg，是達到營養(yǎng)安全需要的人均糧食消費量（400 kg）的2倍多，糧食盈余率為54.19%。2016年河套灌區(qū)實際人口154.81萬人，理論承載力665.68萬人，土地資源承載力指數(shù)0.233，人均糧食占有量1 719.95 kg，糧食盈余率達到76.74%，比2001年提高了22.55個百分點（圖4）。

圖1 超音速射流縱截面速度分布

實際生產(chǎn)過程中，頂吹制度為“定槍位變流量”操作方式，并且常用槍位為1.5 m，因此，本文對1.5 m槍位處超音速射流特性展開詳細研究。

圖2為超音速射流徑向速度的分布曲線。如圖2所示，各射流在該方向的速度分布總是先增大，在射流中心處達到峰值，然后迅速減小。其中1#氧槍、2#氧槍、3#氧槍和原氧槍射流分別在X/De=5.5、5.5、5.8和6.1處達到峰值，其峰值速度大小分別117.1，115.9，114.1和108.3 m/s。由此可知，從射流衰減角度可知：原氧槍射流與周圍環(huán)境氣體間的相互作用更強，導致射流在徑向的衰減現(xiàn)象更加明顯，該現(xiàn)象將在下文湍動能分析部分詳細論述。研究該區(qū)域上速度大于100 m/s的射流分布區(qū)間，其中1#氧槍、2#氧槍、3#氧槍和原氧槍射流寬度分別為：2.80 De、2.40 De、2.55 De和2.02 De。由此可以看出，在同一槍位下，1#氧槍高速射流區(qū)域分布更廣，射流具有更高的動能。

圖2 射流縱向速度分布

湍動能是指湍流中單位質(zhì)量流體的平均動能，是衡量湍流混勻能力的一個重要指標。圖3為各氧槍射流在軸向方向的湍動能分布云圖。如圖3所示，氧槍射流在射流軸向區(qū)域Y/De=6～15范圍內(nèi)具有較大的湍動能，其中1#、2#、3#氧槍射流高湍動能區(qū)域(>5 000)主要分布在射流中心區(qū)的右側(cè)，而原氧槍射流高湍動能區(qū)域則分布在射流中心區(qū)的左右兩側(cè)。射流的湍動能越大，表明流體之間的摻混程度越大，流股與流股之間，流股與周圍環(huán)境氣體之間的卷吸作用越強，射流的衰減也就越快。這即為圖1中原氧槍射流速度在徑向快速衰減的根本原因。

當射流速度大于10 m/s時，氧氣射流能夠?qū)θ鄢氐臎_擊力能夠起到良好的化渣和攪拌作用[4]，因此，本

圖3 超音速射流縱截面湍動能分布

文通過對比射流速度為50 m/s時，射流橫截面的速度分布，以此判斷射流對熔池攪拌能力的強弱。在1.5 m槍位時，4只氧槍的等速度線圖如圖4所示，從圖4中可以清楚地看出：在1.5 m槍位時，1、2、3號氧槍射流核心區(qū)域(速度>100 m/s)的面積明顯大于原氧槍。

圖4 射流縱向截面等速度線

對各個截面中射流速度大于50 m/s區(qū)域的面積進行統(tǒng)計，其結果如表3所示，1#氧槍射流速度大于50 m/s的區(qū)域面積與2#和3#氧槍接近，均大于原氧槍；其中1#氧槍的區(qū)域面積比原氧槍提高了3.1%，2#氧槍的區(qū)域面積比原氧槍提高了2.3%，3#氧槍的區(qū)域面積比原氧槍提高了3.6%。

表3 4只氧槍射流面積 m2

2.2 射流動壓分布

氧氣由槍頭拉瓦爾管進入到噴出這個過程中，從高壓低速向低壓高速狀態(tài)轉(zhuǎn)變。從槍孔噴出后，氧氣射流與周圍空氣之間的相互作用導致射流動能和壓力間的影響復雜。在煉鋼過程中，高溫熔體的運動狀態(tài)與射流接觸液面時的壓力分布密切相關。因此，探究氧氣射流壓力變化規(guī)律[6]，對于優(yōu)化冶煉過程十分必要。

圖5 射流縱向動壓分布

3 工業(yè)結果分析

為了驗證設計氧槍的真實效果，在某鋼廠150 t提釩轉(zhuǎn)爐上對1#氧槍進行工業(yè)試驗。鐵水成分如表4所示。試驗過程共測試2個優(yōu)化后槍頭，試驗過程中采用兩個槍頭，得到990爐次工業(yè)試驗數(shù)據(jù)。其中有效數(shù)據(jù)為982爐次。先針對供氧時間及槍頭壽命進行分析討論。

表4 鐵水成分

在統(tǒng)計的982爐次數(shù)據(jù)中，1#氧槍的供氧時間與原氧槍供氧時間如圖6所示。由于1#氧槍的設計流量更大，因此射流具有更高動能，對熔池的攪拌能力也更強，促使氧氣射流與鋼液充分接觸與反應；且供氧強度的提高，有利于加劇熔池反應，利于成渣。對供氧時間的影響為：在保證提釩率的前提下，供氧時間由原氧槍的4 min58 s降至4 min18 s，較原來縮短了13.4%。

圖6 氧槍吹煉時間

由于1#氧槍射流在相同的槍位下具有更高的動能，因此在轉(zhuǎn)爐吹煉過程中可以選擇并使用較高的槍位制度，以提高氧槍壽命。圖7為1#氧槍與原氧槍使用壽命對比，使用優(yōu)化氧槍后，氧槍使用平均壽命為491爐次，比原氧槍使用壽命提高了7.7%，提高經(jīng)濟效益的同時也提高了冶煉安全性。

圖7 氧槍使用壽命

4 結 論

(1)同設計流量下，氧槍射流長度隨著馬赫數(shù)的減小而減小；同馬赫數(shù)下，氧槍射流長度隨著氧槍設計流量的減小而減小。

(2)在1.5 m槍位下，從射流軸心處到射流軸向上，射流的速度和動壓總是先增大再減小，并在射流中心處達到峰值。根據(jù)射流湍動能的分布可知：原氧槍射流中心區(qū)向外偏移、射流速度和動壓衰減迅速的原因是射流與周圍環(huán)境的相互作用有關。

(3)針對同一槍位下射流速度在縱截面內(nèi)的分布研究顯示，氧槍流量與射流截面中高速區(qū)分布區(qū)域面積成正比；氧槍馬赫數(shù)對此的影響不是很明顯。

(4)選用射流動能更好的1#氧槍進行工業(yè)試驗，

結果顯示：1#氧槍平均供氧時間為4 min18 s，較原來縮短了13.4%。優(yōu)化后氧槍平均壽命為491爐次，相比于現(xiàn)有氧槍其壽命提高了7.7%。因此，本文對氧槍的優(yōu)化有利于提高冶煉的經(jīng)濟性和安全性。