基于聚合射流氧槍數(shù)值模擬的研究

程懷吉，張芳萍，來 飛，許貫鵬(太原科技大學，太原 030024)

20世紀90年代末，美國的普萊克斯公司研制了一種新型吹氧技術，該項技術的基本結構是在原有的傳統(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)狀介質包圍，避免了周圍介質和氧氣射流的直接接觸，大大緩解了周圍介質對氧槍射流的衰減作用；同時使射流在較長的距離內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，即聚合射流技術。這種技術產生的射流能量高度集中，具有很強的穿透能力，對促進鋼液中的復雜物理化學反應、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，聚合射流氧槍技術已經在美國的Mac-Steel、德國的BSE等國外廠家得到廣泛應用并取得了很好的使用效果[2]。國內的部分廠家也已經在電爐上使用聚合射流氧槍，但仍需要結合煉鋼的生產實踐來加強聚合射流氧槍技術的開發(fā)。在國內北京科技大學等研究部門對聚合射流氧槍技術的研究水平比較高，但對轉爐氧槍中應用聚合射流技術的研究比較少。

本文應用數(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行模擬，通過對模擬結果的分析和對比，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：(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)

組分質量守恒方程：

(5)

其中Yi是組分i的質量分數(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 計算結果及分析

圖1是應用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果的后處理，右圖是聚合氧槍射流模擬結果的后處理。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。在促進鋼渣間復雜的物理化學反應、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：

[1] 袁章福，潘貽芳.煉鋼氧槍技術[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入門與進階教程[M].北京：北京理工大學出版社，2008.

[4] 黃衛(wèi)星，陳文梅.工程流體力學[M].北京：化學工業(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)值模擬及應用[J].煉鋼，2011，27(6)：1-4.

[7] 盧帝維，朱榮.轉爐氧槍噴頭參數(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)展及應用[J].加熱設備，2011，40(2)：7-9.