多角度耦合下120t转炉用旋流氧枪的射流行为研究.pdf

Feb.2024Vol.53.No.1（Sum 304）2024 年 2 月第 53 卷第 1 期（总第 304 期）云南冶金YUNNAN METALLURGY氧枪是转炉冶炼过程中的关键设备，传统氧枪在转炉冶炼过程中存在炉外喷溅的风险，严重影响人身安全，研究者们通常采用增大倾角的方法降低喷溅发生，然而倾角过大会造成射流冲刷炉衬，因此，常规氧枪的结构特点限制了其进一步发展。为解决上述问题，研究者们进一步提出了旋流氧枪，相比于传统氧枪，旋流氧枪的氧气射流发生旋转，减小了轴向冲击力，但增加了切向冲击力，有效避免射流过早的融合，减少熔池喷溅同时改善了化渣效果，有效提高了吹炼效率。薛志 等1研究高效节能型旋流氧枪喷头的设计应用时发现 120 t 和 150 t转炉的旋流氧枪对应其喷孔的最优旋流角为6.5毅耀*收稿日期：2023-09-11作者简介：马浩然（1999-），男，辽宁锦州人，硕士研究生，主要研究方向转炉炼钢。通讯作者：刘广强（1987-），男，辽宁鞍山人，副教授，主要研究方向气液两相流，E-mail：。基金项目：十四五国家重点研发计划项目（2021YFB3702000）；辽宁省教育厅面上项目（JYTMS20230932）。Feb.2024Vol.53.No.1（Sum 304）2024 年 2 月第 53 卷第 1 期（总第 304 期）云南冶金YUNNAN METALLURGY多角度耦合下 120 t 转炉用旋流氧枪的射流行为研究*马浩然1，刘广强2，王玺1，刘坤1，杨瑀1（1.辽宁科技大学材料与冶金学院，辽宁 鞍山 114051；2.辽宁科技大学土木工程学院，辽宁 鞍山 114051）摘要：针对多角度耦合影响下的旋流氧枪复杂射流行为仍然不明确的问题，采用数值模拟的方法对 120 t转炉用五孔旋流氧枪进行射流特性研究，结果表明：旋流角对射流超音速区长度的影响大于倾斜角；倾斜角越大，氧气流股射流速度衰减越快；旋流角和倾斜角的增加都会使射流湍动能流率变大；有效冲击面积随倾斜角的增大而增大，并在倾斜角 14毅，旋流角 10毅时达到峰值。基于研究结果建立了 120 t 转炉用旋流氧枪有效冲击面积与倾斜角和旋流角的归一化数学模型。关键词：旋流氧枪；数值模拟；冲击特性；搅拌强度中图分类号：TF711文献标识码：A文章编号：1006-0308（2024）01-0070-10Jet Flow Behavior of Cyclone Oxygen Lance of 120 t Converterwith Multi-angle CouplingMA Hao-ran1,LIU Guang-qiang2,WANG Xi1,LIU Kun1,YANG Yu1(1.Faculty of Materials and Metallurgy,University of Science and Technology Liaoning,Anshan,Liaoning 114051,China;2.Faculty of Civil Engineering,University of Science and Technology Liaoning,Anshan,Liaoning 114051,China)ABSTRACT：The cyclone oxygen lance with multi-angle coupling has complex,unclear jet flow behavior,so it studied the jet flowfeatures of a five-hole cyclone oxygen lance for a 120 t converter by numerical modeling,results show that rotational flow angle has moreinfluence than inclination angle on the length of the supersonic jet zone;the larger the inclination angle,the faster the oxygen stream jetvelocity attenuation;the increasing of rotational flow angle and inclination angle can increase the turbulent kinetic energy rate of jet flow,the effective impact area can be increased along with the increasing inclination angle,and the area can reach to the peak value when theinclination angle is 14毅,the inclination angle is 10毅.According to the research results,it established a normalized mathematical modelwith the effective impact area of cyclone oxygen lance for 120 t converter,inclination angle and rotational flow angle.KEY WORDS：cyclone oxygen lance;numerical modeling;impact characteristics;stirring intensity707毅，各喷孔之间的最优夹角为 13毅。王慧 等2利用Fluent 软件模拟旋流氧枪的氧气射流和转炉内部的钢液流速发现 10毅旋流角的旋流氧枪喷头效果最佳，Higuchi 等3通过六孔冷态水模实验发现旋流角为11.4毅时的喷溅率最低。Li 等4基于数值模拟研究了旋流角对 120 t 转炉四孔旋流氧枪流场特性的影响，优化后最终选取旋流角为 5毅。综上，目前在旋流氧枪搅拌强度的定量解析上还缺乏进一步的探索，尤其是多角度耦合作用对旋转射流特性以及搅拌强度的影响。本文基于 120 t 转炉模型，研究了旋流角和倾斜角对旋流氧枪射流流场分布及冲击特性的影响，并提出有效冲击面积与倾斜角和旋流角的归一化公式，为 120 t 转炉旋流氧枪的实际生产应用提供参考。1模型建立1.1控制方程与湍流模型控制方程：在计算过程中，流体的连续性方程、动量守恒方程及能量守恒方程见式（1）耀式（3）。连续性方程：动量守恒方程：能量守恒方程：式中 籽 氧密度，籽=p/RT，kg/m3；ui和 uj为 i 和j 方向的速度，m/s；T 为射流温度，K；p 为压力，Pa；子ij为黏性应力，Pa s；姿eff为有效导热系数，W m-1 K-1。湍流模型：使用标准的 k-棕 湍流模型，模型中湍流动能 k和比耗散速率 棕 的方程表达式为式中 滓k=2.0，滓棕=2.0；滋t为湍流粘性，滋t=籽k/棕，Pa s；Gk为由于平均速度梯度引起的湍动能产生，kg/m s3；G棕为耗散率产生，kg/m s3；Yk和Y棕和代表湍流引起的 k 和 棕 的耗散，kg/m s3；Sk和 S棕为自定义源项。1.2模型建立和边界条件以某钢厂 120 t 转炉为原型，设计了五孔旋流氧枪，氧枪喷头规格与实际情况基本一致，氧枪喷头构造示意图如图 1 所示，网格划分和边界条件如图 2 所示，为在提高计算精度的同时增加运算效能，对模型结构进行了优化，模拟整个计算域的 1/5。利用六面体单元划分计算区域，生成网格。由于喷管出口区域的速度梯度变化较大，对此处局部加密网格。选取倾斜角为 12毅，13毅，14毅，旋流角 0毅，5毅，8毅，10毅，13毅的 15 组氧枪喷头进行模拟研究，结构尺寸参数见表 1，边界条件见表 2。（1）（2）（3）（4）（5）图 1结构示意图Fig.1The schematic diagram of the structure图 2网格划分示意图Fig.2The schematic diagram of mesh generation马浩然，等：多角度耦合下 120 t 转炉用旋流氧枪的射流行为研究71Feb.2024Vol.53.No.1（Sum 304）2024 年 2 月第 53 卷第 1 期（总第 304 期）云南冶金YUNNAN METALLURGY模拟过程假设：淤氧气为牛顿流体和可压缩气体；于流动为三维、稳定、非等温；盂氧气分子的粘度取决于温度。边界条件设置：入口为压力入口，出口边界条件设为压力出口，内部界面被设置为周期性边界条件，其余部分设置为壁面。计算利用基于压力的求解器，压力速度耦合使用 SIMPLE 格式，湍动能和湍流耗散率的离散使用二阶迎风格式，当能量残差小于 10-6，其他变量残差小于 10-3时认为计算收敛。1.3网格独立性检验首先对模型进行网格独立性测试，设计四种网格数量方案，即 A耀D 方案为 85 万、150 万、200 万和 240 万，在其他设置均相同的条件下对四种方案进行模拟计算，射流速度分布如图 3 所示，H/de 表示为枪位，为无量纲量。在 30 de 时，通过计算得出 A 方案与 D 方案的速度差值百分比为29.30%，B 方案与 D 方案的差值百分比为 3.80%，C 方案与 D 方案的差值百分比为 0.60%。结果显示C，D 两种情况的计算结果差别最小，考虑计算成本，本文最终选取 C 方案，选取网格数量大约为200 万。1.4模拟结果验证本研究模拟结果验证以 Kai Dong 等5的文章的试验为基础，此文提出适用于 120 t 转炉的旋流氧枪模型，依据此文给定的模型参数喷嘴马赫数为2.04，氧枪喷嘴喉部直径为 37.4 mm，出口直径为49.4 mm，主喷孔夹角为 13毅，旋流角为 10毅，膨胀段半导角为 4毅建立四孔旋流氧枪模型。射流速度设置为 23 000 Nm3/h，其他设置均与本文数值模拟设置相同，进行数值模拟运算，将 300 K 环境温度下的喷嘴轴向射流速度模拟结果分布绘制成图4，并与朱荣等的文章中冷射流的试验结果进行对比，结果表明，数值模拟结果与同一位置冷试验射流速度之间的最大误差值仅为 1.01%，证明本文数值模拟结果良好。表 1氧枪结构尺寸参数Tab.1Structural dimension parameters of oxygen lance表 2边界条件参数Tab.2Boundary conditions parameters氧枪结构参数设计马赫数/-2.08喷孔喉口直径/mm35.2喷孔出口直径/mm47.4喷孔倾斜角度/（毅）12、13、14喷孔数量N/-5喷孔旋流角度/（毅）0、5、8、10、13边界条件参数炉膛压力/MPa0.104进口压力/MPa0.92进口温度/K300炉内温度/K300图 3不同数量网格方案下射流的速度分布Fig.3The jet flow speed distribution under mesh scheme withdifferent amount图 4喷嘴轴向射流速度分布Fig.4The axial jet flow speed distribution of nozzle72图 6不同旋流角和倾斜角下马赫数分布Fig.6Mach number distribution under different rotational flow angles and inclination angles2结果与讨论2.1不同喷头的射流特性分析射流流股从氧枪喷口喷出后在轴线上的速度不断衰减，最终到达熔池表面形成冲击坑，不同倾斜角下射流到达熔池的速度差异很大，图 5 为旋流角为 0毅时，倾斜角分别为 12毅，13毅和 14毅对应的不同射流形态。可以看出射流速度随着轴向距离的增加逐渐衰减，这主要是因为在射流前进过程中，射流流股在前行中与周围空气之间存在动量和能量交换，大量低速气体进入流股造成速度持续衰减。以 200 m/s 等速线为例（图 5 中虚线），当倾斜角度为 12毅时，200 m/s 等速线的位置为 1.62 m，当倾斜角增至 14毅时，200 m/s 的等速线包围的区域减小至 1.56 m，即倾斜角越大，氧气流股射流速度衰减的越快，从而其到达熔池表面时对熔池的冲击能力越弱，形成的冲击坑强度越小。转炉炼钢过程中，定义射流超音速区为喷孔出口到射流中心线 Ma=1 处的距离，该数值是射流冲击力的一个重要参数。从图 6 可知，射流超音速区长度随喷孔旋流角（图 a）和倾斜角（图 b）的增大而减小。当喷孔旋流角从 0毅增加到 13毅时，射流超音速区长度从 15.2 de 减小到 13.4 de，而倾斜角从 12毅增加到 14毅时，射流超音速区长度仅从13.7 de 减小到 13.4 de。由此可以看出旋流角的角度变化对射流超音速区长度的影响大于倾斜角，该结论与相关文献结论一致6。射流流股的径向速度起到促进流股与熔池表面相接触的作用，图 7 为不同旋流角（图 a）和倾斜角（图 b）下，射流径向速度随枪位的变化规律，从图中可以看出倾斜角和旋流角的增大都会增大射流的径向速度，射流流股对熔池表面的冲击力也相应变大，在转炉生产过程中容易出现液滴与熔池表面相脱离的现象，从而造成金属液滴喷溅7。同时图中也可以看出射流的径向速度随枪图 5不同倾斜角下的射流运动形态Fig.5The jet flow motion tracing under differentinclination angles区域/m2.52.01.51.00.5001020304050600102030405060H/deH/de马浩然，等：多角度耦合下 120 t 转炉用旋流氧枪的射流行为研究73Feb.2024Vol.53.No.1（Sum 304）2024 年 2 月第 53 卷第 1 期（总第 304 期）云南冶金YUNNAN METALLURGY图 7不同旋流角和倾斜角下射流径向速度分布Fig.7Jet flow radial direction distribution under different rotational flow angles and inclination angles图 8不同旋流角和倾斜角下射流切向速度分布Fig.8Jet flow tangential velocity distribution under different rotational flow angles and inclination angles位的增加存在下降趋势。传统氧枪射流在冲击熔池的过程中，射流速度可人为的分解成独立的两种速度，即轴向速度和径向速度。旋流氧枪除了轴向和径向速度对熔池有作用效果外，还会有切向速度使熔池做水平方向的旋转运动，这意味着旋流氧枪会促进射流对熔池的搅拌效果，起到优化化渣效果以及增强冶金反应过程的作用8。但值得注意的是，通过图8 可以发现旋流角越大时，切向速度越大（图 a），倾斜角越大（图 b）时，切向速度反而越小。这也是与径向速度随旋流角和倾斜角任意一方的增大而增大的不同之处，对比图 7耀图 8 发现旋流角的增加对射流径向速度和切向速度的增加都会产生正向的影响，即旋流角越大，射流的径向速度和切向速度越大9。多孔氧枪射流在离开喷孔后会逐渐偏离喷孔轴线，在喷孔几何轴线和枪体几何轴线构成的平面内向枪体轴线方向发生偏移，这种现象是由于氧枪多股射流之间相互干涉，在扩散过程中相互吸引造成的，这种行为通常称之为射流聚并10。在转炉炼钢过程中，射流聚并现象对熔池穿透、搅拌、喷溅和射流冲击熔池表面的供氧效率起决定H/de504030201002030405060H/de2030405060H/de20100H/de2030405060203040506074图 1020 de 枪位下不同旋流角的湍动能云图Fig.10The turbulent kinetic energy cloud picture under 20 de oxygen lance position with the different rotational flow angle图 9氧枪射流流场中速度为 130 m/s 时的等值面Fig.9The isosurface when the speed of oxygen lance in flowfield is 130 m/s性作用。通常情况下，强烈的射流聚并会延缓射流冲击熔池时的动力衰减，使射流保持对熔池较强的穿透力和搅拌力，但另一方面，聚并现象会减小射流冲击区域的面积。图 9 为 12毅、13毅、14毅倾斜角与 0毅、8毅、13毅旋流角分别耦合组成 9 组不同氧枪射流速度为 130m/s 的等值面俯视图，各股射流从氧枪喷孔喷出后都表现为向中间汇聚的趋势，纵向对比，随着倾斜角的增加，各股射流之间对彼此的影响效果减弱，每股射流相对独立，出现射流聚并的可能性降低。同时随倾斜角增加，各股射流之间的距离增加，从而使其对熔池的冲击力减小，但由于每股射流相对独立，形成的冲击坑区域面积变大，横向对比旋流角变化各股射流之间规律与倾斜角基本相同，即旋流角和倾斜角的增大都会减小射流聚并效果，各股射流之间的距离更大，每股射流之间更分散。图 10 为旋流角分别为 0毅、5毅、8毅、10毅、13毅在 20 de 枪位下湍动能横截面云图，在该枪位下，13毅旋流角比 0毅湍动能云图等值面面积明显增大。这是因为更大的倾斜角和旋流角都会使射流径向扩张，从而使射流的湍流运动得到了充分发展，射流的湍动能变大11。为更直观显示旋流角和倾斜角对湍动能的影响情况，图 11 显示出不同旋流角（图 a）和倾斜角（图 b）下射流流动过程中的湍动能变化，可以发现旋流角和倾斜角的增加都会使射流的湍动能流率变大，随着枪位增加，射流的湍动能先增加后减小，出口处湍动能为 0，而后湍动能激增，并在枪位为 20 de 时达到峰值，之后缓慢减小。这是因为射流在喷孔处由于湍流发展受到限制，因此出口处湍动能流率较低，随着射流边界的径向扩张，射流湍动能得到了充分发展，使得射流的湍动能流率激增，而更大的旋流角和倾斜角都会给予射流更大的径向速度，使射流边界的径向扩张更明显，从而射流湍动能随旋流角和倾斜角的增大而增大，然而当射流流动一定距离后，随枪位增加，射流湍动能流率因为湍流耗散而开始下降，并最终保持平稳。马浩然，等：多角度耦合下 120 t 转炉用旋流氧枪的射流行为研究75Feb.2024Vol.53.No.1（Sum 304）2024 年 2 月第 53 卷第 1 期（总第 304 期）云南冶金YUNNAN METALLURGY图 11不同旋流角和倾斜角下的湍动能变化Fig.11The turbulent kinetic energy change under different rotational flow angles and inclination angles2.2冲击性能比较氧枪喷头将经过加压处理的高压氧气变为超声速射流吹入熔池中，在熔池中形成一定深度和面积的冲击坑，这些冲击坑可以确保转炉冶炼过程中射流对熔池的搅拌作用12-13。在合适冲击深度条件下，冲击面积越大，对射流流股与熔池的搅拌作用越有利。射流冲击性能可以用单位体积的动能大小（即射流的动压）来衡量14-15。射流对熔池的搅拌作用与射流流股的动压在其横截面上分布有关，为分析射流流股对熔池的冲击性能，引入动压公式求有效冲击面积所对应的动压值16。动压公式为：式中 P动是射流的动压，Pa；籽g为射流密度，kg/m3；vg为射流速度，m/s；籽s为炉渣密度，kg/m3；g为重力加速度，9.8 N/kg，h 为渣层厚度，m。渣的密度公式为：式中 Ms为炉渣质量，t；Vs为炉渣体积，m3；rs为炉膛半径，m。对于本研究 120 t 转炉的结构参数，转炉半径rs=2.58 m，炉渣质量 Ms=8.56 t，代入公式（7）中得出 籽sh=409.55，再代入公式（6）中得出 P动=4 013.57 Pa，即 P动取 4 kPa，所以定义有效冲击面积为以动压 4 kPa 等压线所包围的面积。图 12 为倾斜角为 12毅、13毅、14毅，对应旋流角为 13毅的三种氧枪以 4 kPa 等压线所包围的面积为有效冲击面积，截取枪位分别为 30 de，35 de，40de 三种枪位绘制动压云图，其中曲线所包围的区域为动压 4 kPa 等压线所包围的面积，可以明显看出当喷头的倾斜角为 12毅吋，射流会聚并在一起；而当倾斜角进一步增加时，各股射流流动将相对独立，聚并现象更不易发生17-19。同时可以看出三种氧枪喷头都是在 35 de 情况下以动压为 4 kPa 等压线所包围的面积范围最大，40 de 次之，30 de最小。为得到适用于倾斜角和旋流角耦合作用下的普遍规律，图 13 将不同枪位下选取 9 组氧枪有效冲击面积绘制成条形图，前三组对应倾斜角为12毅，中间三组为 13毅，后三组为 14毅，旋流角均取0毅，8毅，13毅，可以发现，枪位为 35 de 所对应各组氧枪的有效冲击面积最大，40 de 次之，30 de 最低，与图 12 结论相一致，即针对 120 t 转炉，冲击强度最大枪位为 35 de。图 14 为枪位 35 de 下各组氧枪有效冲击面积，可以发现，旋流角一定时，有效冲击面积随着倾斜角的增大而增大，并在倾斜角为 14毅时取得最大值。以旋流角为 10毅的动压云图为例，可以更明显看出倾斜角越大，各股射流之间的影响越小，各股射流相对更独立且动压等值面呈向外扩张趋势，即以动压为 4 kPa 等压线所包围的有效冲击面积变（6）（7）14012010080604020001020304050600102030405060H/deH/de76图 12动压为 4 kPa 下不同氧枪的冲击性能等值线图Fig.12The impact performance isoline chart of different oxygen lance under dynamic pressure of 4 kPa图 13枪位对有效冲击面积的影响Fig.13Effect of oxygen lance position on effective impact area图 14枪位为 35 de 以动压为 4 kPa 的有效冲击面积Fig.14The effective impact area with oxygen lance positionis 35 de and the dynamic pressure is 4 kPa大；而在倾斜角不变的情况下，随着旋流角的增大，有效冲击面积呈现先增后减的趋势，在旋流角为 10毅时达到峰值。通过前文 35 de 枪位下以动压为 4 kPa 等压线所包围的有效冲击面积条形图可以看出有效冲击面积最大值对应的倾斜角为 14毅，旋流角为 10毅，为马浩然，等：多角度耦合下 120 t 转炉用旋流氧枪的射流行为研究77Feb.2024Vol.53.No.1（Sum 304）2024 年 2 月第 53 卷第 1 期（总第 304 期）云南冶金YUNNAN METALLURGY图 15非线性曲面拟合Fig.15Nonlinear surface fitting进一步探究 120 t 转炉氧枪旋流角、倾斜角和有效冲击面积之间的关系，定义有效冲击面积为 S，熔池表面积为 Sr，本研究中 Sr=20.90 m2。倾斜角为琢，旋流角为 茁，有效冲击面积最大值对应的倾斜角为 琢max，有效冲击面积最大值对应的旋流角为茁max，本文中琢max=14毅，茁max=10毅。则对 S/Sr，琢/琢max以及 茁/茁max三个无量纲量进行拟合，拟合公式如式（8）所示为：S/Sr=A（茁/茁max）2+B（茁/茁max）+C（琢/琢max）+D（8）拟合曲线如图 15 所示，通过非线性曲面拟合得出A=-0.029，B=0.115，C=0.874，D=0.497，则关于有效冲击面积与倾斜角和旋流角的关联式整理得：S/Sr=-0.029（茁/茁max）2+0.115（茁/茁max）+0.874（琢/琢max）+0.497（9）3结 语1）旋流角的变化对射流超音速区长度的影响大于倾斜角。倾斜角越大，氧气流股射流速度衰减越快，对熔池的冲击能力越弱，形成的冲击坑越小；2）切向速度随旋流角的增大而增大，但随倾斜角的增大而减小。旋流角和倾斜角的增加都会使射流湍动能流率变大，随着枪位增加，射流湍动能先增加后减小，并在枪位为 20 de 时达到峰值；3）有效冲击面积随倾斜角的增大而增大，并在倾斜角为 14毅，旋流角为 10毅时取得最大值。当喷头的倾斜角为 12毅时，射流会聚并在一起；4）120 t 转炉用旋流氧枪有效冲击面积与倾斜角和旋流角的耦合关系式可表述为：S/Sr=-0.029（茁/茁max）2+0.115（茁/茁max）+0.874（琢/琢max）+0.497参考文献：1 薛志.新型旋流氧枪喷头在 120 t 转炉中的应用与实践J.炼钢，2019，35（6）：6-11.2 王慧，朱荣，吕明，等.提钒用旋流氧枪喷头的数值模拟J.北京科技大学学报，2014，36（1）：89-96.3 Higuchi Y，Tago Y.Effect of nozzle twisted lance on jetbehavior and spitting rate in top blown process J.ISIJInternational，2003，43（9）：1410-1414.4 Li M，Li Q，Kuang S.Computational investigation of thesplashingphenomenoninducedbytheimpingementofmultiple supersonic 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