轉爐氧槍聚合射流的數值模擬

來 飛,張芳萍,程懷吉,紀 鵬,俞洪杰,王永濤

(1.太原科技大學 山西省現代軋制工程中心,太原 030024; 2.中國重型機械研究院股份公司,西安 710032)

轉爐氧槍聚合射流的數值模擬

來 飛1,張芳萍1,程懷吉1,紀 鵬1,俞洪杰2,王永濤1

(1.太原科技大學 山西省現代軋制工程中心,太原 030024; 2.中國重型機械研究院股份公司,西安 710032)

選取三孔氧槍,建立了可以描述聚合射流特性的數學模型,利用FLUENT軟件對轉爐煉鋼中聚合射流和傳統射流分別進行數值模擬,并對模擬結果進行分析。結果表明,保護氣體減緩了射流軸向速度的衰減,從而證明聚合射流氧槍在轉爐煉鋼中的優越性,為今后的研究和實際應用提供理論依據。

氧槍;聚合射流；數值模擬

在轉爐煉鋼過程中,熔池的攪拌作用和冶金反應程度決定了吹煉的效果,而在用氧技術的設備中氧槍氧氣射流對熔池里的反應又起著關鍵作用[1]。現代轉爐煉鋼工藝要求更高的噴吹距離、沖擊強度和穿透能力,因此在實際應用中,降低氧槍槍位成為獲得良好吹煉效果的重要手段之一,但這樣容易造成燒槍,使氧槍的壽命變短。美國的Praxair公司在20世紀末研究了一種聚合射流氧槍,其基本原理是在超音速拉瓦爾氧槍噴頭外層加一層保護氣體,形成具有保護作用的伴隨流,阻隔外界環境和主孔氧氣射流的接觸,大大減少外界氣流對中心氧氣射流的衰減作用,使射流在較長的噴吹距離內保持良好的聚合性,從而改善射流的穿透能力、促進鋼液反應等各項特性[2]。

在電爐煉鋼中,聚合射流氧槍的研究比較多,并比較廣泛的應用到了實際生產當中,但在轉爐煉鋼中的研究還較少。本文選取三孔氧槍,利用FLUENT軟件對轉爐煉鋼中聚合射流和傳統射流進行模擬,得到兩種射流的模擬結果,通過比較證明聚合射流氧槍在轉爐煉鋼中的優越性,為今后將聚合射流氧槍應用到實際生產中提供了理論參考。

1 數值模擬

1.1 幾何模型

聚合射流氧槍是在傳統超音速噴嘴外層均勻分布圓形的小噴孔,為了計算的簡便,研究將圓形小噴孔看做環縫[3]。本研究選用的氧槍為三孔氧槍,噴孔軸線與中心線的夾角為12°,采用1∶1的比例進行模擬,氧槍噴孔采用拉瓦爾式結構,喉口直徑為41 mm,出口直徑是53 mm,環縫尺寸取值為10 mm,將射流出口后的計算區域相對噴頭尺寸選擇為無限大,取射流空間為?1 600 mm×3 000 mm,整個流體計算域采用三維幾何模型。其網格劃分如圖1所示。

圖1 聚合射流三孔氧槍網格劃分

1.2 模型假設與控制方程

分析聚合射流氧槍和傳統拉瓦爾氧槍的射流特性,在建立數學模型時,采用以下假設:

1) 管內流動的氣體是理想狀態下的氧氣,為可壓縮氣體模型;

2) 計算模型采用傳熱模型、湍流k-ε模型;

3) 拉瓦爾噴管內所有的連接處都很光滑,摩擦可以忽略不計;

4) 射流出口后的計算區域相對于拉瓦爾噴管足夠大,整個流場中的氣體均屬于理想氣體,滿足氣體狀態方程[4]。

在可壓縮連續模型中,控制方程為如下。

連續性方程:

(1)

式中:ρ為是密度；t為是時間；v是速度矢量。

動量守恒方程:

(2)

式中:p為是靜壓；g為重力；F為外部體積力；τ為微元體表面上的粘性應力張量。

能量方程:

(3)

狀態方程:

p=p(ρ,T).

(4)

組分質量方程:

(5)

式中:Yi是組分i的質量分數;Jj是組分i的擴散通量;Ri是單位時間內單位體積消耗或者生成該組分的凈生成率;Si是其他質量源項[5]。

1.3 模擬結果及分析

根據以往聚合氧槍射流的研究成果和轉爐煉鋼中實際的經驗,模擬氧槍射流時的設置如下[6]:

1) 由于空氣和氧氣的各項性質比較接近,可以將主氧射流用空氣來代替,將由環縫射出的保護氣體設置為He;

2) 入口邊界條件設置為壓力入口,將三個主氧入口的總壓值設置為0.8 MPa,將作為保護氣體的伴隨流的總壓值設置為0.2 MPa;

3)將出口邊界條件設置為壓力出口,壓力值設置為103.352 kPa,略高于標準大氣壓。

4) 模擬的環境溫度取為300 K。為了對兩種射流情況進行比較,選取單孔射流的軸向方向,和氧槍射流的徑向方向[7],模擬結果如圖2、圖3所示。

圖2 傳統氧槍射流的單孔軸向方向的速度分布云圖

圖3 聚合氧槍射流的單孔軸向方向的速度分布云圖

圖4 傳統氧槍射流在距氧槍1 m截面處的速度分布云圖

從傳統超音速射流和聚合射流的單孔軸向方向的速度分布云圖可以看出,由于有保護氣體的保護,使聚合射流的最高速度可達1 200 m/s以上,而傳統射流的最高速度僅為接近500 m/s,這說明在有伴隨流保護氣體的作用下,可以使氧槍射流在噴頭出口處獲得更高的初速度。在傳統射流軸線上1.5 m處的速度減為150 m/s,而在聚合射流軸線上1.5 m處的速度為300 m/s,速度要在2 m多的位置上才減為150 m/s,這說明在伴隨流保護氣體的作用下,可以使射流的速度保持高聚合性,使射流在軸向上的衰減變慢[8]。

圖5 聚合氧槍射流在距氧槍1 m截面處的速度分布云圖

從聚合射流與傳統射流在距氧槍1 m截面處的速度云圖可以看出,聚合射流的三股射流的中心速度均可達到400 m/s,比傳統射流的中心速度高出200 m/s多,聚合射流的影響區域略大于傳統射流,由于聚合射流的中心速度大,所以由中心到邊緣的衰減要快于傳統射流。由此得到,聚合射流氧槍的沖擊面積不會比傳統射流大很多,但由于其中心速度高,將會得到對熔池更高的穿透能力,這樣氧槍對熔池的攪拌效果會更好[9]。

2 結論

1) 與傳統三孔超音速氧槍射流相比,由于有保護氣體的保護,聚合射流可以在射流初始階段得到更大的初速度,射流軸向上的衰減變得更慢。

2) 與傳統三孔超音速氧槍射流相比,聚合射流在徑向上的擴展很小,可以保持很好的初始直徑,同時也保護了中心射流的速度不向徑向擴散,可以得到對熔池更高的穿透能力,并產生更大的沖擊深度和攪拌能力。

3) 聚合射流與傳統氧槍射流的模擬比較結果,為今后聚合射流氧槍在實際生產中的應用提供了理論依據。

[1]袁章福,潘貽芳等. 煉鋼氧槍技術[M]. 北京:冶金工業出版社,2007.

[2]楊竹芳.聚合射流氧槍的發展及應用[J].工業加熱,2011,40(2):7-9

[3]李三三,朱榮,李存牢. 煉鋼氧槍的集束射流數值模擬研究[J].冶金能源,2010,29(5):12-14.

[4]于勇. FLUENT入門與進階教程[M]. 北京:北京理工大學出版社,2008.

[5]黃衛星,陳文梅. 工程流體力學[M]. 北京:化學工業出版社,2001.

[6]劉坤,朱苗勇,王瑩冰. 聚合射流流場的仿真模擬[J].鋼鐵研究學報,2008, 20(12):14-17.

[7]陳紹春,朱榮,楊竹芳,盧帝維. 轉爐集束射流氧槍的射流特性研究[J].福州大學學報,38(5):711-716.

[8]付振祥,潘貽芳,王寶明等. 聚合射流氧槍射流特性的數值模擬及應用[J].煉鋼,2011,27(6):1-4.

[9]盧帝維,朱榮. 轉爐氧槍噴頭參數的數值模擬研究[J].冶金能源,2008,27(6):10-12.

(編輯：劉笑達)

TheNumericalSimulationofCoherentJetOxygenLanceinConverterFurnace

LAIFei1,ZHANGFangping1,CHENGHuaiji1,JIPeng1,YUHongjie2,WANGYongtao1

(1.ModernrollingEngineeringCenterofShanxiProvince,TaiyuanUniversityofScienceandTechnology,Taiyuan030024,China; 2.ChinaNationalHeavyMachineryResearchInstitute,Xi′an710032,China)

Coherent jet oxygen lance is a new kind of oxygen lances that has been developed recently. It is widely applied in electric furnace steelmaking.However,it is less used in converter steelmaking. In this paper, three-hole oxygen lance was selected and the mathematical model which describes jet characteristics was set up. Numerical simulations of coherent jet and traditional jt of oxygen lance were performed by using a commercial software,Fluent, and the simulation results were analyzed. Results show that the attenuation of central jet in the axial is reduced because of the existence of shielding gas, thus proving the superiority of coherent jet oxygen lance in converter steelmaking and providing theoretical basis for later.

oxygen lance; coherent jet; numerical simulation

2013-08-06

山西省自然科學基金資助項目(2013011022-2);山西省UIT資助項目(2012240);太原科技大學UIT資助項目(xj2012013)

來飛(1988-),男,河北邯鄲人,碩士生,主要從事轉爐煉鋼的數值模擬研究，(Tel)18334707620

張芳萍,女,副教授,碩士生導師,(Tel)13099071841

1007-9432(2014)02-0188-03

TF777

:A