唐逸興，董 凱，姚柳潔，韓德文，魏光升

(1.北京科技大學(xué) 冶金與生態(tài)工程學(xué)院,北京 100083；2.高端金屬材料特種熔煉與制備北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(jìn)化學(xué)反應(yīng)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(guān)鍵設(shè)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(jìn)一步響應(yīng)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(xué)的發(fā)展，國內(nèi)外許多學(xué)者采用CFD方法對氧槍的超音速射流特性進(jìn)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(jié)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(jié)果應(yīng)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(biāo)準(zhǔn))。

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(jìn)行重新設(shè)計。在提高供氧強(qiáng)度的基礎(chǔ)上分別設(shè)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(jìn)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(yīng)用于實(shí)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(jìn)行建模及網(wǎng)格劃分，計算域?yàn)橐粋€直徑30 De，長80 De的圓柱形區(qū)域。網(wǎng)格采用6面體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，為了確保數(shù)值模擬結(jié)果的準(zhǔn)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(jìn)行數(shù)值模擬計算。湍流模型采用標(biāo)準(zhǔn)的k-ε模型，壓力、密度、動量、能量采用二階迎風(fēng)差分模式，使用coupled耦合求解法計算。具體邊界條件設(shè)置見表2。

表2 邊界條件設(shè)置

1.3 基本假設(shè)

(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(biāo)準(zhǔn)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(shè)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(shè)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(dá)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(chǔ)上不斷提高。2001年實(shí)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(dá)到營養(yǎng)安全需要的人均糧食消費(fèi)量（400 kg）的2倍多，糧食盈余率為54.19%。2016年河套灌區(qū)實(shí)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(dá)到76.74%，比2001年提高了22.55個百分點(diǎn)（圖4）。

圖1 超音速射流縱截面速度分布

實(shí)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(xì)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(dá)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(dá)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(qiáng)，導(dǎo)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(xì)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(biāo)。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(qiáng)，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(dāng)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(qiáng)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(jìn)行統(tǒng)計，其結(jié)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(jìn)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(dǎo)致射流動能和壓力間的影響復(fù)雜。在煉鋼過程中，高溫熔體的運(yùn)動狀態(tài)與射流接觸液面時的壓力分布密切相關(guān)。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(jié)果分析

為了驗(yàn)證設(shè)計氧槍的真實(shí)效果，在某鋼廠150 t提釩轉(zhuǎn)爐上對1#氧槍進(jìn)行工業(yè)試驗(yàn)。鐵水成分如表4所示。試驗(yàn)過程共測試2個優(yōu)化后槍頭，試驗(yàn)過程中采用兩個槍頭，得到990爐次工業(yè)試驗(yàn)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(jìn)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(shè)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(qiáng)，促使氧氣射流與鋼液充分接觸與反應(yīng)；且供氧強(qiáng)度的提高，有利于加劇熔池反應(yīng)，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(jì)效益的同時也提高了冶煉安全性。

圖7 氧槍使用壽命

4 結(jié) 論

(1)同設(shè)計流量下，氧槍射流長度隨著馬赫數(shù)的減小而減?。煌R赫數(shù)下，氧槍射流長度隨著氧槍設(shè)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(dá)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(guān)。

(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(jìn)行工業(yè)試驗(yàn)，

結(jié)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(jì)性和安全性。