程懷吉，張芳萍，來 飛，許貫鵬(太原科技大學(xué)，太原 030024)

20世紀(jì)90年代末，美國的普萊克斯公司研制了一種新型吹氧技術(shù)，該項技術(shù)的基本結(jié)構(gòu)是在原有的傳統(tǒng)超音速氧槍噴頭周圍增加一圈燒嘴[1]，這樣可以使拉瓦爾噴頭噴出的氧氣射流被高溫低密度的環(huán)狀介質(zhì)包圍，避免了周圍介質(zhì)和氧氣射流的直接接觸，大大緩解了周圍介質(zhì)對氧槍射流的衰減作用；同時使射流在較長的距離內(nèi)保持氧氣射流的初始直徑和速度，形成類似于激光束的一種氧氣射流，使氧槍形成高聚合射流的技術(shù)，即聚合射流技術(shù)。這種技術(shù)產(chǎn)生的射流能量高度集中，具有很強的穿透能力，對促進(jìn)鋼液中的復(fù)雜物理化學(xué)反應(yīng)、均勻鋼水成分及溫度、提高氧氣利用率、提高金屬收得率等都有著明顯的效果。

目前，聚合射流氧槍技術(shù)已經(jīng)在美國的Mac-Steel、德國的BSE等國外廠家得到廣泛應(yīng)用并取得了很好的使用效果[2]。國內(nèi)的部分廠家也已經(jīng)在電爐上使用聚合射流氧槍，但仍需要結(jié)合煉鋼的生產(chǎn)實踐來加強聚合射流氧槍技術(shù)的開發(fā)。在國內(nèi)北京科技大學(xué)等研究部門對聚合射流氧槍技術(shù)的研究水平比較高，但對轉(zhuǎn)爐氧槍中應(yīng)用聚合射流技術(shù)的研究比較少。

本文應(yīng)用數(shù)值模擬方法，借助專業(yè)流體商業(yè)軟件FLUENT[3]，分別對傳統(tǒng)超音速射流和聚合氧槍射流兩種氧槍射流進(jìn)行模擬，通過對模擬結(jié)果的分析和對比，明確了聚合射流中伴隨流的特性，獲得了兩種氧槍的射流特性及優(yōu)劣差異。

1 數(shù)值模擬

1.1 模型假設(shè)與控制方程

為分析在同等壓力下聚合射流氧槍和傳統(tǒng)氧槍的射流特性，在建立模擬模型時，提出以下假設(shè)：(1)相對于氧槍噴頭射流流出后的區(qū)域足夠大；(2)忽略拉瓦爾噴管內(nèi)的摩擦；(3)氧槍射流中所有氣體均屬于理想氣體，均滿足氣體狀態(tài)方程[4]；(4)射流的湍流模型采用湍流k-ε模型[5]；(5)主氧采用超音速射流，環(huán)氧采用高速低密度射流。

在可壓縮連續(xù)模型中的控制方程為：

連續(xù)性方程：

(1)

其中，t是時間，ρ是密度，V是速度矢量[6]。

動量守恒方程：

(2)

其中，p是靜壓，g是重力，F(xiàn)是外部體積力，τ是粘性應(yīng)力張量。

能量守恒方程：

(3)

氣體狀態(tài)方程：

p=p(ρ,T)

(4)

組分質(zhì)量守恒方程：

(5)

其中Yi是組分i的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，Ji是組分i的擴散通量，Ri是生成該組分的凈生成率。

初始條件及邊界條件：(1)氧槍噴頭入口的總壓力值為0.8 MPa，射流出口環(huán)境壓力取爐膛壓力103 352 Pa；(2)模型周圍環(huán)境溫度為300 K；(3)計算空間采用開放式；(4)計算誤差為10-5.

1.2 計算結(jié)果及分析

圖1是應(yīng)用FLUENT流體分析商業(yè)軟件，模擬傳統(tǒng)超音速氧槍在0.8 MPa 壓力條件下，氧槍射流的速度場圖。

圖2是利用FLUENT流體分析軟件模擬在0.8 MPa壓力條件下，聚合氧槍射流的速度場圖。

圖1 超音速氧槍射流的速度分布

圖2 聚合氧槍射流的速度分布

圖3是利用tecplot軟件對兩種模擬結(jié)果的后處理對比圖。圖中左圖是傳統(tǒng)超音速氧槍射流模擬結(jié)果的后處理，右圖是聚合氧槍射流模擬結(jié)果的后處理。在傳統(tǒng)超音速射流距入口0.8 m時速度降為50 m/s，聚合射流在距入口0.9 m時速度為100 m/s，傳統(tǒng)超音速氧槍射流的出口速度大約為519 m/s，而聚合氧槍射流的出口速度大約為1 100 m/s，聚合氧槍比傳統(tǒng)氧槍具有更高的初始速度。圖中顯示，在相同的滯止壓力條件下，聚合射流氧槍可以獲得聚合度更好并且衰減更慢的有效射流[7]。

圖3傳統(tǒng)氧槍和聚合氧槍的射流對比

Fig.3Jetcontrastoftraditionaloxygenlanceandcoherentoxygenlance

圖4傳統(tǒng)超音速氧槍射流中心軸線的速度變化曲線

Fig.4Speedchangecurveoftraditionalsupersonicoxygenlancejetalongcenteraxis

圖5 聚合氧槍射流中心軸線的速度變化曲線

2 結(jié)論

(1)聚合射流氧槍的保護氣體能夠形成一個圓錐形的高溫保護區(qū)域，使聚合氧槍可以得到比普通氧槍速度更高、聚合性更好、射流長度更長的射流。

(2)聚合射流氧槍的射流相比于普通超音速氧槍衰減更慢，在相同距離上的沖擊力更大，聚合度更好[8]。

(3)聚合射流氧槍的射流核心區(qū)長度比傳統(tǒng)射流氧槍延長了許多。從而使射流具有更好的穿透能力，并可增加氧氣和鋼液的接觸面積，增加氧氣對鋼液的攪拌強度。在促進(jìn)鋼渣間復(fù)雜的物理化學(xué)反應(yīng)、提高氧氣利用率方面，比傳統(tǒng)超音速氧槍具有更大優(yōu)勢。

參考文獻(xiàn)：

[1] 袁章福，潘貽芳.煉鋼氧槍技術(shù)[M].北京：冶金工業(yè)出版社，2007.

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

[3] 于勇.FLUENT入門與進(jìn)階教程[M].北京：北京理工大學(xué)出版社，2008.

[4] 黃衛(wèi)星，陳文梅.工程流體力學(xué)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2001.

[5] 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(xué)報，2008，20(12)：14-17.

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

[7] 盧帝維，朱榮.轉(zhuǎn)爐氧槍噴頭參數(shù)的數(shù)值模擬研究[J].冶金能源，2008，27(6)：10-12.

[8] 楊竹芳.聚合射流氧槍的發(fā)展及應(yīng)用[J].加熱設(shè)備，2011，40(2)：7-9.