挡水板结构对转炉氧枪喷头冷却效果的研究.pdf
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1、收稿日期:基金项目:国家重点研发计划项目()大学生创新创业项目(国家级)()作者简介:朱 琳()本科.通讯作者:刘广强 博士/副教授 .挡水板结构对转炉氧枪喷头冷却效果的研究朱 琳 刘启昌 刘广强 李俊男 王振西(辽宁科技大学土木工程学院 辽宁科技大学材料与冶金学院)摘 要 明确氧枪喷头的表面温度以及氧枪喷头内的水冷特性对于改进氧枪的水冷效果至关重要 然而炉内的高温恶劣环境导致常规实验测定水冷效果困难 研究采用数值模拟对三种不同结构的挡水板建立模型 重点分析挡水板结构对喷头端面温度、水冷道内流场和冷却水换热量等影响 结果发现:挡水板包围喷孔且末端长度长于喷孔 能够有效降低喷头端面的最高温度 减
2、小端面高温区面积 采用文中方案 设计挡水板的换热量较方案 和方案 分别提高了 和 关键词 氧枪水冷 挡水板 换热量 数值模拟文献标识码:文章编号:()().在转炉吹炼的过程中 多孔氧枪喷头的使用寿命和吹炼炉次直接决定了炼钢效率 明确氧枪喷头的表面温度以及氧枪喷头内的水冷特性对于改进氧枪的水冷效果、提高氧枪喷头的使用寿命至关重要 然而氧枪吹炼过程中喷头与熔池内的渣金气直接接触 恶劣的高温环境及高昂的实验成本 使得工作人员很难通过实验测得所需的温度、水流速度和换热量等关键信息随着计算机技术和传热流动计算软件的发展 数值模拟成为研究氧枪喷头水冷系统的主要方式氧枪喷头的水流道内挡水板为氧枪喷头重要 冶
3、 金 能 源 部件 挡水板长度及倾斜角度是改善冷却水导流效果、提高冷却水冷却能力的关键参数 孙玉霞等人基于 转炉氧枪喷头的水道 分析了冷却水的流动及传热 提出了一种改进冷却系统结构 即在喷孔中间水流对冲位置加挡水板 以减弱冷却水的对冲 增大冷却水流速 郑杰将挡水板角度调整为与喷头端面平行的布置方式 优化后的氧枪喷头减少了喷头中心位置流动的“死区”冷却水流速增大 进回水温差由 增加到 有效地提高了氧枪喷头的使用寿命 李宝宽等人通过数值模拟研究了传统 转炉用四孔氧枪喷头的内部冷却水流场 针对氧枪喷头冷却问题 在喷头冷却水进水口加若干条导流筋 使得冷却水获得了具有旋转的流场 改进后的喷头断面整体温度
4、下降 目前对大型转炉用氧枪喷头的挡水板结构的研究相对较少 因此 分析挡水板的长度对冷却水的速度场及喷头冷却效果的影响对于优化大型转炉用氧枪喷头 提高喷头的使用寿命具有重要意义 模型建立文章数学模型所涉及的方程包括连续性方程、动量方程和能量方程:()()()()()()()()()湍流模拟采用标准 方程 对于湍流动能 和湍流耗散率 建立两个附加输运方程()()()()()()()()方程()()中和 是 和 方向上的速度分量 为压力 为分子粘度为有效黏度 为温度 为导热系数/()是由平均速度梯度产生的湍流动能是由于浮力产生的湍流动能是可压缩湍流中的脉动膨胀对总耗散率的影响和 分别为 、和 以某钢
5、厂 转炉用 孔氧枪喷头为对象依据挡水板的长度设计三种方案 如图 所示:方案 挡水板半包围喷头的喷孔 方案 挡水板包围喷头喷孔 方案 挡水板包围喷头喷孔且外延 三个模型均采用 建立并采用 进行网格划分 模拟计算过程采用 图 三种不同挡水板方案的结构边界条件设定为第三类边界条件 设转炉内的环境温度为 辐射源温度为 氧枪喷头进水温度为 辐射率为 氧枪喷头进口流速为 具体参数如表 所示表 边界条件参数/()结果分析与讨论 喷头端面温度喷头端面的温度分布特征是水冷效果的最直接体现 三种方案喷头端面温度分布如图 所示 方案 的高温区面积最大(规定温度大于 的区域为高温区)方案 的高温区面积明显小于方案 和
6、方案 中高温区面积 由此可见 挡水板的结构对于氧枪喷头的冷却至关重要 合理的氧枪喷头挡水板长度能够有效改善氧枪喷头的冷却效果冶 金 能 源 图 三种不同挡水板方案的喷头端面温度分布 三种不同挡水板方案下 氧枪喷头端面最高温度及氧枪喷头端面高温区面积大小 如表 所示 在三种方案中 随着挡水板长度的增加 氧枪喷头端面最高温度降低 方案 的氧枪喷头的最高温度较方案 的氧枪喷头端面温度降低了 方案 的氧枪喷头的最高温度较方案 的氧枪喷头端面温度降低了 说明挡水板末端位置长于喷孔位置 能有效降低喷头端面的最高温度在三种方案中 随着挡水板长度的增加 喷头高温区面积降低 方案 的高温区面积明显低于方案 和方
7、案 方案 喷头端面高温区面积较方案 降低了 方案 高温区面积略低于方案 由此可见 挡水板长度的改变对氧枪喷头端面高温区面积影响较大 合理的设计挡水板长度能够有效减小喷头高温区面积 从而提高冷却效果表 不同挡水板方案下的高温区面积与端面最高温度方案高温区面积/端面最高温度/为进一步探究氧枪喷头端面温度分布 在氧枪喷头两喷孔中间位置取了 个测温点 具体位置如图 所示 三种方案下氧枪喷头测温点 处的温度汇总见表随着挡水板长度的增大 测温点温度逐渐降低 且方案 在各个测温点的温度远高于方案 和方案 方案 在测温点 处的温度较方案 和方案 均有不同程度的降低 三种方案在测温点 处温度相差较小 究其原因
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