付少朋，李俊國(guó)，曾亞南，遲洪亮

(河北聯(lián)合大學(xué)冶金與能源學(xué)院，河北唐山 063009)

轉(zhuǎn)爐冶煉過(guò)程中，氧槍氣體射流直接影響化渣效果、冶煉時(shí)間和氧槍操作的穩(wěn)定性，對(duì)渣鋼混溶、爐襯侵蝕等方面產(chǎn)生重要影響，從而制約著轉(zhuǎn)爐冶煉強(qiáng)度和生產(chǎn)成本。課題組針對(duì)唐鋼50t轉(zhuǎn)爐用四孔氧槍?zhuān)瑢?duì)四孔變角氧槍氣體射流特性及其對(duì)熔池作用規(guī)律進(jìn)行了研究。實(shí)際應(yīng)用結(jié)果表明，四孔變角氧槍具有較強(qiáng)的化渣能力、噸鋼石灰消耗量和雙渣率等均不同程度降低［1］。本文采用CFD流體模擬軟件模擬了四孔變角氧槍氣體射流流場(chǎng)，研究了不同噴孔傾角下氣體射流的分布規(guī)律，確定了射流核心段長(zhǎng)度，以及速度和動(dòng)壓分布規(guī)律，為優(yōu)化四孔變角氧槍結(jié)構(gòu)，從而應(yīng)用于工業(yè)化生產(chǎn)奠定了理論基礎(chǔ)。

1 模型的建立與計(jì)算條件

1.1 幾何模型與網(wǎng)格劃分

實(shí)際應(yīng)用四孔氧槍噴頭結(jié)構(gòu)參數(shù)為:馬赫數(shù)2.0、喉口直徑26 mm、出口直徑35.5 mm、氧槍流量13000～15000 Nm3/h，為了研究不同噴孔傾角下氧槍氣體射流的變化規(guī)律，確定不同噴頭噴孔傾角參數(shù)，如表1所示。噴頭A每個(gè)噴孔的傾角均為10.5°，在此基礎(chǔ)上，噴頭B至噴頭E的噴孔夾角變化1°，噴頭F至噴頭I的噴孔夾角變化0.5°。

表1 噴頭類(lèi)型的劃分

根據(jù)氧槍結(jié)構(gòu)參數(shù)，采用Gambit2.3軟件以直角坐標(biāo)系進(jìn)行建模，在數(shù)值模擬幾何建模過(guò)程中，假設(shè)氣體射流進(jìn)入一個(gè)長(zhǎng)度3 m、半徑0.8 m的圓柱形空間內(nèi)，然后對(duì)空間內(nèi)的射流速度分布規(guī)律進(jìn)行了模擬。為了進(jìn)行精確計(jì)算，采用局部加密網(wǎng)格技術(shù)，噴頭部分流場(chǎng)較為復(fù)雜，采用加密的四面體網(wǎng)格，圓柱計(jì)算域內(nèi)采用六面體網(wǎng)格。為了保證計(jì)算精度的基礎(chǔ)上縮短模擬時(shí)間，根據(jù)噴頭的對(duì)稱性，截取模型的1/4進(jìn)行計(jì)算，劃分網(wǎng)格共計(jì)約8.5萬(wàn)。Fluent后處理過(guò)程中，使用了一階迎風(fēng)格式進(jìn)行離散化處理，壓力場(chǎng)和流場(chǎng)采用SIMPLE算法。

圖1 氧槍計(jì)算區(qū)域模型

1.2 邊界條件

根據(jù)氧槍射流模擬過(guò)程的特性需進(jìn)行下列假設(shè):

1)laval噴嘴內(nèi)部連接處光滑，摩擦力可以忽略。

2)填充氣體為可壓縮氣體，氣源為氧氣。

3)依據(jù)超音速射流特性，采用全熱模型、湍流κ－ε模型。

1.3 基本方程

1)控制方程通用形式

式中，φ為通用變量，可以代表u、v、w、T等求解變量;Γ為廣義擴(kuò)散系數(shù);S為廣義源項(xiàng)。

對(duì)于連續(xù)方程:

對(duì)于動(dòng)量方程:

式中，u、v、w分別代表坐標(biāo)軸方向的速度;ρ為密度;T為溫度;μ為黏度系數(shù);P 為黏性系數(shù);k為流體的傳熱系數(shù);cp是比熱容。

2)標(biāo)準(zhǔn)κ－ε模型

對(duì)于能量方程:

式中，Gk是由于平均速度梯度引起的湍動(dòng)能k的產(chǎn)生項(xiàng);C1ε，C2ε為經(jīng)驗(yàn)常數(shù)，取值分別為1.44、1.92;σk，σε分別是與湍動(dòng)能k和耗散率ε對(duì)應(yīng)的Prandtl數(shù)，取值分別為1.0、1.3;Cμ取值0.09。

1.4 邊界條件的確定

模擬采用非耦合、隱式求解算法進(jìn)行，選擇常用的k-epsilon湍流模型。1)入口邊界:壓力入口，設(shè)定值為0.85 MPa;

2)出口邊界:壓力出口，設(shè)定值為:0.104 ～0.15 MPa;

3)溫度條件:取環(huán)境溫度為300K;

4)對(duì)稱條件:根據(jù)截取模型的對(duì)稱性，在降低計(jì)算量的同時(shí)并保證能分析流場(chǎng)內(nèi)全部區(qū)域的射流分布規(guī)律，根據(jù)模型結(jié)構(gòu)特點(diǎn)相關(guān)面應(yīng)設(shè)置為對(duì)稱面(Symmetry);

5)壁面條件:采用壁面函數(shù)(Wall);

6)耦合方式與插值方法:壓力速度耦合采用SIMPLE算法，插值方法采用PRESTO!，各流動(dòng)變量的無(wú)量綱殘差設(shè)置為不大于10－3數(shù)量級(jí);

7)初始化后，迭代計(jì)算過(guò)程中適時(shí)調(diào)整松弛因子，保證結(jié)果收斂，最后迭代穩(wěn)定后保存文件并分析模擬結(jié)果。

2 數(shù)值模擬結(jié)果及分析

多孔氧槍的每個(gè)氧氣流股與其它氧氣流股相融合之前，都保持著自由射流的特性。當(dāng)各氧氣流股開(kāi)始融合后，流股間就存在相互間的動(dòng)量交換，這種融合首先從射股邊緣開(kāi)始，逐漸向中心軸線發(fā)展，與此同時(shí)，單流股所具有的自由射流特性逐漸消失。如果多孔氧槍各流股在融合前與熔池液面相接觸，氧槍操作更加平穩(wěn)，有利于熔池?cái)嚢瑁?，4］。多孔氧槍流股的融合除了與單個(gè)氧氣流股射流特征有關(guān)外，主要取決于氧槍噴孔夾角。噴孔夾角過(guò)小，氧氣流股將過(guò)早融合，射流與熔池液面接觸時(shí)將與單個(gè)自由射流相似，不利于熔池吹煉;增加噴孔夾角后，氧氣流股融合較慢，射流與熔池液面接觸時(shí)沖擊面積增加，吹煉平穩(wěn);但噴孔夾角過(guò)大時(shí)，氧氣流股動(dòng)能衰減過(guò)快，不利于熔池?cái)嚢琛Ｒ虼?，在設(shè)計(jì)氧槍時(shí)，需要針對(duì)不同氧槍噴孔夾角選擇合適的槍位，從而保證氧氣流股在到達(dá)熔池液面前，基本上不融合，這樣就能夠充分發(fā)揮多孔噴頭的優(yōu)越性。

2.1 氧槍氣體射流流場(chǎng)模擬結(jié)果

表1給出的不同噴頭夾角下，氧氣射流流場(chǎng)如圖2所示。由圖2可見(jiàn)，噴孔傾角變化1°或0.5°情況下，氣體射流流場(chǎng)基本相似。超音速氧氣從噴孔噴出后在一定距離內(nèi)都將保持自由射流的特性，在離開(kāi)噴孔出口后，各流股與周?chē)臍怏w相接觸，由于流股內(nèi)氣體靜壓力低于外界氣體的壓力，周?chē)鷼怏w不斷被射流卷入，流股直徑不斷增加，射流橫截面不斷擴(kuò)大，同時(shí)射流流速不斷降低。多股氧流內(nèi)側(cè)卷入氣體量比射流外側(cè)卷吸的氣體量少，因此射流內(nèi)側(cè)氧流速度衰減較慢，外側(cè)氧流速度衰減較快，使得各氧氣流股的最大速度點(diǎn)將偏離各流股的幾何中心軸線，而傾向氧槍軸線方向，出現(xiàn)了各氧氣流股逐漸向氧槍中心線靠攏的趨勢(shì)［5］。從射流流速的衰減過(guò)程來(lái)看，當(dāng)氣體離開(kāi)噴口截面后，由于射流氣體與外界氣體間的摩擦、擴(kuò)散等相互作用，流股邊緣氣體的流速逐漸下降，逐漸有超音速向亞音速過(guò)渡。從射流等速段開(kāi)始直至射流其中心線上的速度仍然大于聲速的區(qū)域稱為超聲速核心段［6］，該核心段是反應(yīng)氧槍射流特性的基本參數(shù)。由模擬結(jié)果可以看出，與噴頭A相比，隨著噴孔傾角的增大，其射流的核心段長(zhǎng)度有所增大;噴孔傾角偏移1°噴頭射流的核心段長(zhǎng)度比偏移0.5°噴頭的射流核心段更長(zhǎng)些。

圖2 不同槍型氣體射流流場(chǎng)

2.2 氧槍氣體射流速度分布規(guī)律

在氧槍射流流場(chǎng)模擬的基礎(chǔ)上，確定不同噴孔傾角噴頭氣體射流流速沿噴孔出口方向的分布規(guī)律，如圖3所示。

圖3 不同槍型氣體射流速度分布曲線

由圖3可以看出，各噴頭氣體射流的中心軸線速度分布基本相似，距噴頭距離越近，射流速度分布范圍也就越寬，一定距離后射流基本達(dá)到平穩(wěn)。由噴孔傾角均為10.5°噴頭A的射流速度分布可以看出，射流距噴嘴出口0～1 m內(nèi)，射流速度分布范圍較大，氣體射流速度衰減較快;射流距噴嘴超過(guò)1.6 m后，射流流速過(guò)小，沖擊能量不足，從而造成對(duì)熔池的沖擊力較弱，不容易滿足轉(zhuǎn)爐的冶煉條件。因此，為了保證冶煉過(guò)程的平穩(wěn)進(jìn)行，噴頭A的槍位控制在1～1.6 m較為適宜。與噴頭A相比，噴頭B、C、D和E的對(duì)角的噴孔傾角相差1°，同理可確定噴頭B、C、D 和E 的槍位分別控制在1～1.6 m、1～1.7 m、1～1.8 m 和1～1.9 m 較為適宜。當(dāng)對(duì)角噴孔的噴孔傾角相差0.5°時(shí)，與噴頭 A相比較，噴頭 F、G、H和 I的槍位分別控制在1 ～1.55 m、1 ～1.6 m、1 ～1.65 m 和1 ～1.75 m 時(shí)更適于吹煉操作。

2.3 氧槍氣體射流動(dòng)壓分布規(guī)律

在氣體射流動(dòng)壓作用下，熔池液面將形成凹坑，對(duì)熔池進(jìn)行攪拌。而射流對(duì)熔池的機(jī)械攪拌作用與氧氣射在射流橫截面上的流股動(dòng)壓分布密切相關(guān)，決定著射流對(duì)熔池的沖擊面積。所謂的沖擊面積，是指氧氣流股與熔池液面(渣面)接觸的面積，而有效沖擊面積與射流動(dòng)壓相關(guān)。一般將氣流與液面接觸的時(shí)動(dòng)壓為30 mmHg以上的橫截面積定義為有效沖擊面積，此時(shí)，氧氣流股可以吹開(kāi)渣層與鐵水發(fā)生機(jī)械和化學(xué)作用。根據(jù)模擬結(jié)果，對(duì)射流方向不同位置處氣體射流在橫截面積上動(dòng)壓分布進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，如圖4所示。

圖4 不同槍型射流的動(dòng)壓分布曲線

由圖4可以看出，各噴頭氣體射流動(dòng)壓分布規(guī)律基本相似，距噴頭距離越近，射流動(dòng)壓分布范圍也就越寬，同一截面處壓力變化較大，射流達(dá)到一定距離后，射流動(dòng)壓基本一致，射流沖擊熔池時(shí)基本達(dá)到穩(wěn)定。由噴孔傾角均為10.5°噴頭A的射流速度分布可以看出，在距噴嘴0～1.6 m時(shí)，射流動(dòng)壓均大于30 mmHg(即4000Pa)，射流長(zhǎng)度繼續(xù)增加，動(dòng)壓持續(xù)降低，不能滿足沖擊熔池的要求。因此，在距噴嘴0～1.7 m時(shí)，射流動(dòng)壓能夠滿足冶煉要求，繼續(xù)延長(zhǎng)射流，有效沖擊面積將減小，不能滿足冶煉要求。與之相比，噴頭B、C、D和E的槍位分別控制在1～1.6 m、1～1.7 m、1～1.8 m和1～1.9 m較為適宜。當(dāng)對(duì)角噴孔的噴孔傾角相差0.5°時(shí)，與噴頭A 相比較，噴頭 F、G、H 和I的槍位分別控制在1 ～1.55 m、1 ～1.6 m、1 ～1.65 m 和1 ～1.75 m時(shí)更適于吹煉操作。

3 結(jié)論

通過(guò)Fluent軟件，對(duì)不同噴孔傾角氧槍的射流流場(chǎng)進(jìn)行了模擬，分析了射流速度分布和動(dòng)壓分布隨射流長(zhǎng)度的變化規(guī)律，為變角氧槍噴孔傾角的設(shè)計(jì)奠定了基礎(chǔ)，得到如下結(jié)論:

(1)與噴孔傾角均為10.5°的噴頭A射流相比，噴孔傾角變化1°或0.5°情況下，氣體射流流場(chǎng)基本相似，一定距離內(nèi)各流股都將保持自由射流的特性;隨著氧氣噴孔傾角增大，射流的核心段長(zhǎng)度有所增加;

(2)對(duì)于不同噴孔傾角噴頭，距噴孔出口距離越近，射流速度分布范圍也就越寬，一定距離后射流速度基本達(dá)到平穩(wěn);噴頭A的槍位控制在1～1.6 m較為適宜;噴孔傾角變化1°時(shí)，噴頭B、C、D和E的槍位分別控制在1 ～1.6 m、1 ～1.7 m、1 ～1.8 m 和1 ～1.9 m 較為適宜;噴孔傾角變化0.5°時(shí)，噴頭 F、G、H 和 I的槍位分別控制在1 ～1.55 m、1 ～1.6 m、1 ～1.65 m 和1 ～1.75 m 時(shí)更適于吹煉操作;

(3)對(duì)于不同噴孔傾角噴頭，各噴頭氣體射流動(dòng)壓分布規(guī)律基本相似;距噴頭距離越近，射流動(dòng)壓分布范圍也就越寬;射流達(dá)到一定距離后，射流動(dòng)壓基本一致，實(shí)際槍位控制與射流速度分布規(guī)律的結(jié)論相吻合。

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