李山宏 謝國威 李 琳 侯 春 廖 軼 楊 杰

(1.中鋼集團(tuán)鞍山熱能研究院有限公司，2.遼寧科技大學(xué))

近年來，我國的煉鋼設(shè)備向大型化、高效率和低能耗的方向發(fā)展，高供氧強度、高廢鋼比和低冶煉周期成為轉(zhuǎn)爐煉鋼的追求目標(biāo)。尤其對于300 t以上的轉(zhuǎn)爐，加快冶煉節(jié)奏和降低吹煉時間對于降低產(chǎn)品單位成本和能耗的效果更加顯著。400系列氧槍噴頭作為300 t以上轉(zhuǎn)爐配套的核心設(shè)備，對轉(zhuǎn)爐煉鋼的高供氧強度、高廢鋼比和低冶煉周期等均有很大影響。

專家學(xué)者在氧槍噴頭超音速射流特性[1-7]方面做了大量研究工作，但噴頭冷卻方面較少，且大量研究工作集中在小尺寸氧槍噴頭的冷卻性能[8]，400系列氧槍噴頭的研究更少。

以常用Ф406的5孔氧槍噴頭作為研究對象，利用數(shù)值模擬的方法，對比分析Ф406氧槍噴頭合理的冷卻結(jié)構(gòu)。

1 幾何模型建立及條件設(shè)定

在工況條件一定的情況下，水冷擋板的結(jié)構(gòu)形式對氧槍噴頭水冷效果有重要的影響。研究利用Fluent流體計算軟件，模擬對比不同水冷擋板結(jié)構(gòu)下氧槍噴頭的流場分布，進(jìn)而確定合理的水冷擋板。以常用小尺寸氧槍噴頭水冷擋板作為1號方案；在1號方案基礎(chǔ)上增加分水擋板形成2號方案；在總結(jié)1號、2號兩種方案優(yōu)劣的基礎(chǔ)上，設(shè)計新的水冷結(jié)構(gòu)作為3號方案，水冷擋板結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 水冷擋板結(jié)構(gòu)

1.1 幾何模型建立

1.1.1 模型假設(shè)

(1)假定冷卻水的流動為三維穩(wěn)定態(tài)流動。

(2)內(nèi)壁光滑，忽略內(nèi)壁摩擦對液體流動的影響。

(3)忽略重力對流體流動的影響。

(4)假定流體為理想不可壓縮。

1.1.2 模型建立和網(wǎng)格劃分

幾何模型如圖2所示，采用全尺寸模型，具體尺寸見表1。模型主要由銅頭、氧外管等固體域和進(jìn)水、回水等流體域組成。該模型采用四面體和六面體混合劃分方法，對幾何模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，其中狹細(xì)部和氧支管等曲率較大處局部加密，3種方案的網(wǎng)格數(shù)量平均在200萬左右，既保證了模型計算精度，又提高了計算效率。

圖2 幾何模型

表1 氧槍噴頭設(shè)計參數(shù) mm

1.2 條件設(shè)定

模型的流體入口邊界條件為質(zhì)量流量，流量為113.89 kg/s，溫度為313 K，流體出口邊界條件為壓力出口，壁面采用無滑移邊界條件，近壁面區(qū)域采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)處理，固液接觸面設(shè)置為couple方式。模擬計算參數(shù)見表2。

表2 模擬計算參數(shù)

圖3 1號方案距銅頭底部0.05 m的速度場

2 數(shù)學(xué)模型選擇和求解

計算模型選擇常用的標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型，采用有限體積法對控制方程進(jìn)行離散和求解，流場的速度與壓力的關(guān)系采用交錯網(wǎng)格和Couple算法求解，差分格式為二階迎風(fēng)格式，收斂標(biāo)準(zhǔn)為殘差小于10-5。

(1)|G|=pnqm,p/=q均為素數(shù),且適當(dāng)選擇符號便有G的Sylow p-子群PG,而Sylow q-子群循環(huán),故QG,并有Φ(Q)≤Z(G);

3 數(shù)模結(jié)果對比分析

3.1 1號方案結(jié)果及分析

1號方案是小尺寸氧槍噴頭的常用水冷擋板結(jié)構(gòu)，應(yīng)用在406型氧槍噴頭上。通過數(shù)值模擬得到1號方案的冷卻水速度分布情況，距銅頭底部0.05 m處速度分布如圖3。相鄰氧支管間的水流速度較大，平均流速約為12 m/s，且流股集中；而繞流到支管后部的水流速度較小，均在2 m/s以下，部分區(qū)域的流速甚至低于1 m/s；噴頭中心區(qū)域的水流速度較低，平均流速約為5 m/s，局部區(qū)域的平均流速維持在2 m/s。

氧槍噴頭在使用過程中，銅頭端面正對高溫熔池，但由于氧氣流束為超音速射流，噴孔附近的高溫氣流會向銅頭端面邊緣和中心區(qū)域匯聚，噴吹孔附近并無高溫氣流存在。因此相對于銅頭其他區(qū)域，銅頭中心及邊緣區(qū)域的熱負(fù)荷大，對冷卻強度要求高。但由圖3分析可知，銅頭中心及邊緣區(qū)域冷卻水流速僅為2～5 m/s，冷卻強度低，冷卻效果不佳，銅頭中心區(qū)域可能會出現(xiàn)鼓包變形，銅頭邊緣區(qū)域可能會發(fā)生焊縫開裂，導(dǎo)致冷卻水外溢等問題。所以，1號方案的流場的速度分布不合理。

3.2 2號方案結(jié)果及分析

為了實現(xiàn)分區(qū)域冷卻銅頭，減少水流間干擾，降低支管間水流速度，提高繞流支管的水流速度，盡量避免支管后部形成死區(qū)，同時提高銅頭抗變形能力，2號方案在銅頭和水冷擋板之間增加了分水擋板。2號方案距銅頭底部0.05 m處速度分布如圖4。由圖可知，增加分水擋板后，支管間的最大流速區(qū)域在擋板附近，平均流速約12 m/s，支管后部區(qū)域的平均流速在2 m/s以下；端面中心區(qū)域的流速在2～5 m/s之間。

2號方案的冷卻效果并未達(dá)到設(shè)計目的，速度最大區(qū)域貼近分水擋板，支管后部的死區(qū)并無明顯改善，而且噴頭中心區(qū)域出現(xiàn)水流速度過低的現(xiàn)象。簡單地在常用小尺寸氧槍噴頭水冷擋板和銅頭之間增加分水擋板，不能滿足406型氧槍噴頭的高效冷卻要求。

圖4 2號方案距銅頭底部0.05 m的速度場

3.3 3號方案結(jié)果及分析

相對于小尺寸氧槍噴頭，406型氧槍噴頭空腔內(nèi)水冷空間較大，流場分布需更加均勻，銅頭中心區(qū)域的冷卻強度要求更高，并且需要消除局部死區(qū)，減少銅鋼焊縫處由于溫度應(yīng)力導(dǎo)致的開裂現(xiàn)象。為滿足上述要求，技術(shù)人員在水冷擋板中心處設(shè)計了適宜的漸進(jìn)式圓形開口，形成3號方案，以保證406型氧槍銅頭中心區(qū)域的水冷強度，并且控制端面的水流速度在3～6 m/s，減少流速局部過大導(dǎo)致支管后部死區(qū)的情況，3號方案距銅頭底部0.05 m處速度分布如圖5。

圖5 3號方案距銅頭底部0.05 m的速度場

流場的速度基本控制在5～12 m/s之間，其中，在銅頭中心和邊緣區(qū)域的平均流速約為12 m/s，其他區(qū)域的最低流速基本控制在5 m/s。流場整體的速度分布較合理，銅頭中心和邊緣區(qū)域的水冷速度分布均勻且流速合理，支管后部也未出現(xiàn)速度低于2 m/s的低速區(qū)域。

4 結(jié)論

(1)通過模擬結(jié)果可知，設(shè)置不合理的水冷隔板會增加水冷流動阻力，惡化流場均勻性。

(2)流場速度分布的合理性對大尺寸氧槍噴頭冷卻效果的影響顯著。在1號和2號方案下，406型氧槍噴頭的流場中局部低速區(qū)較多，流速在2 m/s以下，較差的冷卻強度會導(dǎo)致銅頭發(fā)生鼓包變形。采用3號方案后，406型氧槍噴頭的流場較合理，銅頭中心和邊緣區(qū)域的平均流速約為12 m/s，流場的最低速度基本控制在5 m/s，整體的冷卻效果更佳。