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《貴州醫(yī)科大學(xué)學(xué)報》2016年第11期

摘要：

集束氧槍是現(xiàn)代電弧爐煉鋼主要供氧手段。保護氣的物理特性對集束射流的射流特征有著一定的影響。本研究利用Fluent軟件對電弧爐煉鋼過程中常用集束氧槍的射流特征進行了數(shù)值模擬。在模擬實驗中，應(yīng)用普通的保護氣取代電弧爐煉鋼過程中集束氧槍常用的燃?xì)猓治霰Ｗo氣的種類、保護氣的流量以及保護氣的溫度對集束射流特性的影響，并且將其與傳統(tǒng)超音速氧槍和電弧爐的集束氧槍的射流特性進行對比。

關(guān)鍵詞：

電弧爐；保護氣；集束射流；數(shù)值模擬

氧槍是現(xiàn)代煉鋼過程中的主要供氧設(shè)備。傳統(tǒng)超音速氧槍存在著射流距離短，速度衰減快，沖擊深度小等問題。集束射流氧槍是由美國的普萊克斯公司于20世紀(jì)90年明并應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)之中。集束氧槍憑借其射流能量集中、氧氣的聚合度大、穿透能力強等優(yōu)勢，獲得了在現(xiàn)代煉鋼設(shè)備上的大規(guī)模應(yīng)用，特別是在電弧爐煉鋼中的應(yīng)用。現(xiàn)代煉鋼工業(yè)中，采用的集束氧槍通常都是通過天然氣和環(huán)氧的燃燒產(chǎn)生的保護氣對主氧流進行包圍，從而減緩氧氣衰減的速度，使得主氧流能夠在較長的距離內(nèi)保持氧氣射流的初始直徑和速度。雖然集束氧槍已經(jīng)在冶金工業(yè)中應(yīng)用了十幾年了，國內(nèi)外的生產(chǎn)企業(yè)已經(jīng)有著豐富的工程經(jīng)驗。但是，集束氧槍在工業(yè)應(yīng)用中依舊會出現(xiàn)問題，原因是研究人員對集束氧槍的射流特性及保護氣的物理特性對集束氧槍射流特性的影響認(rèn)知不足。本文應(yīng)用Fluent軟件對集束射流的流場進行數(shù)值模擬，研究保護氣對集束氧槍射流特性的影響，為工業(yè)用集束氧槍的應(yīng)用提供理論指導(dǎo)。

1實驗方案

1.1噴孔設(shè)計

本文章采用的集束氧槍的結(jié)構(gòu)為單層保護氣噴孔加主氧噴孔的結(jié)構(gòu)。其幾何結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。普通超音速氧槍的拉瓦爾管幾何尺寸和集束氧槍相同。其中拉瓦爾管的幾何尺寸見表1。

1.2實驗方案

本實驗通過改變保護氣的種類、溫度以及其質(zhì)量流量，分析這些因素的變化對集束射流射流特性產(chǎn)生的影響。實驗方案見表2。

2控制方程及邊界條件

2.1幾何模型介紹

本文僅對氧槍的射流特性進行分析，所以在建立數(shù)學(xué)模型時把拉瓦爾管出口的計算區(qū)域設(shè)置成無限大的空間。其幾何模型如圖2所示，應(yīng)用ICEM軟件，按照1:1比例建立氧槍槍頭的幾何模型，并進行網(wǎng)格劃分。在現(xiàn)代煉鋼過程中，從氧槍噴頭射出的氧氣的流動區(qū)域為煉鋼爐內(nèi)部熔池上方的空間。本文的計算域是從氧氣射流進入噴頭開始到Φ500mm×2500mm的計算空間。整個計算域空間采用了六面體網(wǎng)格，網(wǎng)格質(zhì)量良好，有利于提高模擬的精度。對于此數(shù)值計算有以下幾種假設(shè)：(1)流體為無源有黏可壓縮流體。(2)氧槍噴頭管壁光滑，流體與壁面間的摩擦力可以忽略不計。(3)為了簡化幾何模型，集束氧槍的保護氣噴頭采用環(huán)縫式噴孔設(shè)計，取代多孔對稱結(jié)構(gòu)。

2.2控制方程建立

本文涉及的數(shù)值計算為可壓縮流體的流場分布計算。考慮到保護氣的作用，在模型應(yīng)用中采用了組分輸運模型，并且針對加入天然氣和氧氣混合噴吹的那組加入了EDC燃燒模型。本模擬計算滿足質(zhì)量守恒方程、動量守恒方程、能量守恒方程和組分質(zhì)量守恒方程。質(zhì)量守恒方程：墜ρ墜t+div(ρu)=0動量守恒方程：墜(ρu)墜t+div(ρuu)=div(μgradu)-墜p墜x+S能量方程：墜ρT墜t+div(ρuT)=div(kcpgradT)+ST對于組分輸運模型，其基本方程為組分質(zhì)量守恒方程：墜(ρcs)墜t+div(ρucs)=div(Dsgrad(ρcs))+Ss

2.3邊界條件及求解方法

本文的數(shù)值計算均采用基于壓力的求解器求解，入口條件采用質(zhì)量流量條件；其中主氧流量為2000m3/h(標(biāo)準(zhǔn))（0.7936kg/s）；保護氣流量參數(shù)，則根據(jù)之前的實驗方案進行調(diào)節(jié)；環(huán)境壓力為1個標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，環(huán)境溫度為300K；在求解方法中選用PISO算法進行迭代計算，相比SIMPLE算法，它解決了每個迭代步獲得的壓強場與動量方程偏離過大的問題，并且在每個迭代步中增加了動量修正和網(wǎng)格畸變修正過程。

3數(shù)值模擬結(jié)果及數(shù)據(jù)分析

圖3為CO2做保護氣時，主氧軸線的速度衰減示意圖，并且和普通超音速氧槍以及集束氧槍的主氧軸線的速度衰減曲線進行了對比。從圖3中可以看出，隨著保護氣溫度的升高，主氧射流的核心段長度相應(yīng)的增加，其速度衰減的趨勢變緩。當(dāng)保護氣溫度為300K時，其主氧軸線速度的變化曲線和普通超音速氧槍的軸線速度變化曲線幾乎重合。而當(dāng)保護氣溫度為3500K時，其主氧軸線速度變化相較保護氣溫度為300K時，已經(jīng)有了很大的變化，其射流核心區(qū)長度變長，衰減趨勢變緩。但是，與集束氧槍相比，其核心區(qū)長度依舊相對較短。圖4為CO2做保護氣時，主氧軸線的溫度變化示意圖，并且將其和普通超音速氧槍和集束氧槍的主氧軸線溫度變化進行了對比。從圖4中可以看出，隨著保護氣溫度的上升，主氧軸線溫度的最高值逐漸上升。在保護氣溫度相同的條件下，主氧氣流的溫度開始逐漸上升，當(dāng)?shù)竭_(dá)一定的射流距離之后，其軸線的溫度達(dá)到最大值，隨后，主氧的軸線溫度開始下降。保護氣溫度為300K時，其主氧的軸線溫度的變化規(guī)律與普通超音速氧槍的主氧軸線溫度變化規(guī)律幾乎相同。而保護氣溫度為3500K時，其主氧軸線溫度的最高值要比集束氧槍主氧軸線溫度的最高值要低許多。圖5～圖8分別為N2和O2做保護氣時，其主氧軸線的速度變化規(guī)律和溫度變化規(guī)律的示意圖。它們的變化趨勢和CO2是相似的，在這里就不再過多的重復(fù)說明。下面主要分析，不同種保護氣氛對主氧射流核心段長度的影響。由圖9可知，當(dāng)保護氣氛的種類一定時，其主氧射流的核心段長度隨著保護的溫度的上升而增加，并且，在保護氣的低溫段，隨著保護氣溫度的上升，其射流核心段上升的趨勢明顯一些，即斜率大。當(dāng)保護氣的溫度上升到2000K之后，其主氧射流的核心段長度上升的趨勢變緩，即斜率變小。對于相同的保護氣溫度而言。當(dāng)N2、O2以及CO2依次做保護氣時，主氧射流的核心區(qū)長度依次減小。其中N2做保護氣時，主氧射流的核心段最長，而CO2做保護氣時，主氧射流的核心段最短。在同一保護氣溫度下，二者主氧射流的的核心段相差0.04m左右。而O2則在這兩者之間與N2和CO2都相差0.02m左右。對于N2來講，當(dāng)其溫度為300K時，其主氧射流核心段長度為0.297m；當(dāng)其溫度為3500K時，其主氧射流核心段長度為0.535m。對O2而言，當(dāng)其溫度為300K時，其主氧射流核心段長度為0.272m，當(dāng)其溫度為3500K時，其主氧射流核心段長度為0.518m。而CO2做保護氣時，其溫度為300K，主氧射流核心段長度為0.256m，這和普通超音速射流的核心區(qū)長度幾乎一樣，當(dāng)其溫度為3500K時，其主氧射流的核心區(qū)長度為0.504m。總體而言，保護氣氛對主氧射流的核心區(qū)長度影響比較小，但是保護氣溫度對主氧射流的核心區(qū)長度影響比較大。急速射流的核心區(qū)長度可以達(dá)到0.7m以上。這比用3500K溫度下的N2做保護氣的主氧射流核心段長度要長0.2m。不同N2質(zhì)量流量對主氧射流核心區(qū)長度的影響見圖10。圖10表示的是N2流量分別為0.07、0.10和0.13kg/s三種情況下對主氧射流的核心段長度的影響。從圖10中可知，在保護氣溫度相同的條件下，隨著N2質(zhì)量流量的上升，主氧核心段的長度是增加的。當(dāng)質(zhì)量流量為0.07kg/s、保護氣溫度為300K時，主氧射流的核心區(qū)長度為0.256m，保護氣溫度為3500K時，其主氧核心區(qū)長度為0.445m；當(dāng)N2質(zhì)量流量為0.13kg/s、保護氣溫度為3500K時，主氧射流的核心區(qū)長度為0.30m，保護氣溫度為3500K時，主氧射流的核心區(qū)長度為0.544m。當(dāng)N2的質(zhì)量流量由0.07kg/s上升到0.10kg/s時，主氧射流的核心區(qū)長度上升的十分顯著；而當(dāng)N2的質(zhì)量流量由0.10kg/s上升到0.13kg/s時，主氧的核心區(qū)長度變化不大。這說明保護氣的質(zhì)量流量對主氧核心區(qū)長度的影響有一個臨界值，當(dāng)N2流量在臨界值以下時，增加N2的質(zhì)量流量可以顯著的增加主氧射流的核心區(qū)長度；當(dāng)N2流量在臨界值以上時，增加N2對主氧射流核心區(qū)的長度影響不大。

4結(jié)論

(1)當(dāng)保護氣種類一定時，隨保護氣溫度升高主氧射流核心段長度增加，當(dāng)保護氣的溫度上升到2000K之后，其主氧射流的核心段長度上升的趨勢變緩。

(2)對于相同的保護氣溫度而言，當(dāng)N2、O2以及CO2依次做保護氣時，主氧射流的核心區(qū)長度依次減小。其中N2做保護氣時，主氧射流的核心段最長；而CO2做保護氣時，主氧射流的核心段最短。

(3)保護氣的質(zhì)量流量對主氧核心區(qū)長度的影響有一個臨界值，當(dāng)N2流量在臨界值以下時，增加N2的質(zhì)量流量可以顯著的增加主氧射流的核心區(qū)長度；當(dāng)N2流量在臨界值以上時，增加N2對主氧射流核心區(qū)的長度影響不大。

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作者:劉偉 劉潤藻 單位:貴州省黔西南民族職業(yè)技術(shù)學(xué)院 北京科技大學(xué)冶金與生態(tài)工程學(xué)院