CO2摻混比例對于O2+CO2混合噴吹氧槍射流特性的影響

2022-08-22 01:40:30黃標彩魏光升丁國慧

工業加熱 2022年7期

夏韜，朱榮，馮超，黃標彩，董凱，魏光升，丁國慧

(1.北京科技大學冶金與生態工程學院，北京 100083；2.福建三鋼閩光股份有限公司，福建三明 365000；3.首鋼京唐鋼鐵聯合有限責任公司，河北唐山 063200)

我國是世界產鋼大國，鋼鐵是國家建設不可或缺的關鍵一環，在經濟發展中也有著舉足輕重的地位。然而鋼鐵產業卻是典型的高能耗、高排放、高污染產業，高效化、綠色化、智能化的鋼鐵生產模式的研究已成為熱議話題，降低鋼鐵行業的能源消耗和污染排放成了社會廣泛關注的話題[1-4]。

鋼鐵生產主要有轉爐煉鋼和電爐煉鋼兩種流程，其中轉爐煉鋼是當今最主要的煉鋼流程。氧槍是轉爐煉鋼系統的關鍵設備，氧氣在氧槍噴頭中通過喉口形成超音速射流，在轉爐冶煉過程中，氧氣射流通過直接沖擊高溫熔池，與熔池元素發生一系列復雜的化學反應，同時射流沖擊可攪拌熔池成分，也使熔池溫度更加均勻[5]。

CO2是一種弱氧化性氣體，高溫下可與鋼液元素發生化學反應[6]，在鋼鐵冶金流程中可以起到攪拌作用、覆蓋保護作用和稀釋作用，在轉爐冶煉過程中，可與熔池中的碳反應起到控溫作用，有利于轉爐脫磷，同時反應吸熱，可降低火點區溫度，從而減少煉鋼煙塵的產生[7-9]。將CO2作為資源應用于鋼鐵冶金流程，在實現CO2減排的同時，可實現節能降本及提高鋼鐵產品質量。然而，由于二氧化碳與氧氣分子量不同，其通過氧槍噴頭形成的射流特性必然會產生變化。近年來隨著計算流體力學的發展，國內外許多學者采用CFD研究手段對氧槍超音速射流特性進行模擬研究[10]，本研究基于數值模擬手段，對不同比例CO2摻混到氧槍射流產生的影響進行了相關研究。

1 模型與控制方程的建立

1.1 控制方程

本研究中涉及的連續性方程、能量守恒方程、動量守恒方程如式(1)～式(3)所示：

(1)

(2)

(3)

1.2 計算域和邊界條件

本研究針對某鋼廠300 t轉爐，設計專門6孔氧槍噴頭進行模擬研究。其噴頭尺寸及相關參數如表1所示。

表1 噴頭尺寸及相關工藝參數

圖1為模擬用六孔氧槍噴頭結構示意圖，其中喉口直徑為Dt，出口直徑為De，中心傾角為α。

圖1 氧槍噴頭結構

為研究不同CO2摻混比例對氧槍射流特性的影響，針對上述參數噴頭，設置了不同CO2摻混比例，如表2所示。

表2 氧槍射流氣體介質

為通過數值模擬的方法研究CO2對射流特性的影響，本研究使用ICEM CFD軟件進行網格劃分，網格采用六面體結構化網格，如圖2所示，計算域為一個直徑40倍出口直徑，長75倍出口直徑的圓柱形區域。用Fluent 17.0進行模擬計算。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。入口邊界選擇質量流量入口，出口邊界選擇壓力出口，其余設置為墻。

圖2 氧槍噴頭的計算域和邊界條件

2 模擬結果討論分析

2.1 噴孔軸線射流特性

圖3顯示了六孔噴頭在環境溫度分別為273、1 773 K，CO2摻混比例分別為0、30%、50%、100%條件下，沿噴孔軸向射流的速度，動壓力，馬赫數以及湍動能的分布變化情況。從圖3(a)顯示結果可以看出，伴隨溫度的升高，噴孔軸線速度增大；伴隨CO2比例的提高，射流出口速度逐漸下降，但沿軸向射流衰減速度下降。圖3(b)顯示了射流動壓力分布情況，隨著CO2比例的提高，射流出口動壓力逐漸升高。定義馬赫數大于1.0的氣體射流長度為核心段長度，圖3(c)結果顯示，隨著CO2比例的提高，射流核心段長度逐漸增加。噴孔軸線射流的分布可以解釋為：由于CO2分子量44，其氣體密度大于氧氣，摻混CO2后，射流平均密度增大，因此在相同設計壓力條件下，隨著CO2摻混比例的提高，射流出口速度有所下降；同時，周圍空氣介質對射流的阻礙作用也相對減弱，導致射流速度下降減緩。雖然出口速度下降，但動壓力受射流速度和密度兩方面因素影響，由于密度增大，導致出口動壓反而上升。圖3(d)顯示，CO2比例提高會降低射流的湍動能，不同溫度下均有此規律。

圖3 噴孔軸線射流特性

2.2 噴孔中心線射流特性

圖4顯示了不同溫度，不同CO2摻混比例條件下，多孔噴頭中心線射流特性的分布情況。從圖4(a)顯示結果可以看出，伴隨距離的增大，中心線速度逐漸上升，且隨著摻混CO2比例的提高，射流出口處中心線速度更大，但射流速度增大趨勢減緩，說明射流摻混CO2后，流股之間摻混程度下降。圖4(b)結果顯示，隨著距離的增大，射流中心線動壓力逐漸增大，且CO2摻混越多，提高效果越明顯，此規律在低溫下更明顯。圖4(c)顯示了射流中心線馬赫數的分布情況，從圖4結果可以看出，隨著CO2摻混比例提高，射流馬赫數逐漸升高。圖4(d)顯示，CO2比例提高會降低射流的湍動能，不同溫度下均有此規律，這與圖3規律相吻合。

圖4 噴頭中心線射流特性

圖5顯示了不同溫度、不同CO2比例條件下的中心面速度場分布。從圖5中可以看出，射流速度伴隨溫度升高而升高。在相同溫度條件下，伴隨CO2比例的升高，射流高速區面積減小，平均速度下降，低溫和高溫下此規律一致；此外，射流靠近中心線區域速度上升減緩，說明摻混CO2后射流流股摻混程度下降。這與圖4分析結果一致。

圖5 中心面速度場分布

2.3 噴孔徑向射流特性

圖6顯示了不同溫度、不同CO2摻混比例條件下射流徑向速度分布情況。結果顯示，伴隨噴吹距離的增大，射流徑向速度的最大值減小；相同噴吹距離的情況下，摻混CO2比例越高，射流徑向速度最大值越小。伴隨噴吹距離的增大，射流卷吸環境氣體量逐漸增加，根據能量守恒定律，射流速度呈現逐漸降低趨勢。進一步觀察發現，伴隨CO2比例的提高，射流最大速度點逐漸遠離中心線，說明摻混CO2后，射流對中心線方向的環境氣體卷吸量減少，流股之間摻混程度下降，這與圖4、圖5分析結果一致。

圖6 不同溫度、不同CO2摻混比例條件下射流徑向速度分布

圖7顯示了不同溫度、不同CO2比例、不同距離橫截面速度均值比較情況。結果表明，溫度升高會提升射流平均速度，隨著噴吹距離的增加，橫截面速度均值逐漸下降；摻混CO2會降低橫截面平均速度，且摻混比例越高，速度均值下降越明顯，從數值上驗證了圖6的曲線變化規律。

圖7 不同溫度、不同CO2比例、不同距離的橫截面速度均值比較

圖8顯示了不同溫度、不同CO2摻混比例條件下射流徑向動壓力分布情況。伴隨溫度的升高，動壓力最大值升高，最大值出現位置更加遠離中心線。伴隨噴吹距離的增加，動壓力最大值逐漸減小；且由于混入CO2后射流氣體密度增加，在相同溫度和噴吹距離的條件下，CO2比例的提高會增加動壓力的最大值，此規律與圖3、圖4分析一致。

圖8 不同溫度、不同CO2摻混比例條件下射流徑向動壓力分布

圖9顯示了不同溫度、不同CO2摻混比例條件下射流徑向溫度分布情況。結果表明，伴隨軸向距離的增大，射流的徑向溫度逐漸升高，射流中心點與徑向的溫度差逐漸減小，射流徑向溫度曲線趨于平緩。結果還發現，射流徑向最低溫度值伴隨CO2摻混比例的提高而下降，說明環境氣體對射流的影響減弱。

圖9 不同溫度、不同CO2摻混比例條件下射流徑向溫度分布

圖10顯示了不同溫度、不同CO2摻混比例條件下，不同噴吹距離處射流速度場分布情況。結果表明，在相同距離處的射流速度伴隨環境溫度的增大而增大，在相同溫度條件下，伴隨噴吹距離的增大，射流速度減小，并且在相同的距離和溫度條件下，隨著CO2比例提高，射流速度減小，沖擊面積也略微減小，這與圖6、圖7的分析規律一致。由于射流沿程卷吸環境氣體使射流的速度逐漸減小，而摻混CO2后，射流密度增大，其出口速度下降，對周圍氣體介質的卷吸作用也減弱，流股摻混減弱，射流能更好地維持特性，但沖擊面積變小。