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电炉用集束氧枪流动特性的数值模拟
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刘颖杰1，马庆元2，苏晓军3，吕子强2 (1．辽宁科技大学材料与冶金学院，辽宁 鞍山114051；2．辽宁科技大学资源与土木工程学院，辽宁 鞍山114051；3．中钢集团鞍山热能研究院，辽宁 鞍山11…
刘颖杰1，马庆元2，苏晓军3，吕子强2
(1．辽宁科技大学材料与冶金学院，辽宁 鞍山114051；2．辽宁科技大学资源与土木工程学院，辽宁 鞍山114051；3．中钢集团鞍山热能研究院，辽宁 鞍山114051)
摘要：应用数值模拟方法对用于生产的集束射流氧枪的射流流场进行了计算分析。比较了集束射流与传统超音速射流的特性，讨论了结构参数变化对氧枪射流特性的影响，从实际运行角度指出由于磨损造成的结构破坏对氧枪射流的影响。
关键词：集束射流；氧枪；数值模拟
氧枪是炼钢的供氧设备，集束射流氧枪是应用气体力学原理，在传统氧枪上增加了伴随流系统，使氧气射流衰减速度大大放慢，形成类似于激光束的氧气射流的一种技术[1]。这种射流能量集中，具有极强的穿透能力，对促进钢渣反应、减少喷溅、提高氧气利用率、提高金属收得率等都有十分明显的效果。由于穿透能力的增强，吹炼时氧枪枪位可适当提高[2-3]。国内电炉用氧以炉门插入钢管吹氧为主，供氧强度低，工人劳动强度大。宝山钢铁股份公司(以下简称宝钢)电炉炼钢厂从美国Praxair公司引进的集束氧枪系统具有较好的冶金性能，但在使用过程中，经常会出现伴随燃气喷孔被堵的现象，无奈经常要“抠枪”，即把堵塞了的孔通开，此时会对喷孔出口造成损伤，有时在不“抠枪”时喷孔也会被熔蚀，为了探讨喷孔损坏后的氧枪的冶金性能，解决堵孔等问题，辽宁科技大学与宝钢合作开展了氧枪系统改进的研究工作，本文为部分工作总结。
1控制方程的建立
氧枪的工作过程不仅包含高速流动和传热现象，还涉及到燃烧反应，故采用的控制方程分别为连续方程、动量守恒方程、能量守恒方程、组分守恒方程。为了便于应用同一程序对各控制方程进行求解，现建立各基本控制方程的通用形式为：
式(1)中，φ为通用变量，可以代表u，v，w，T等求解变量；Γ为广义扩散系数；S为广义源项。对于特定的方程，φ、T和S具有特定的形式，表1给出了3个符号与各特定方程的对应关系。
本文应用EDM模型[5]对氧枪的伴随流中的燃烧反应进行描述，该模型比其它燃烧模型计算的反应速率更能与实验数据相符合，已得到广泛的应用。
2边界条件及网格的划分
针对工业应用条件，模拟过程将射流出口后的计算区域选择为无限大(相对喷头尺寸)，采用速度入口、压力出口(1个大气压)和开放壁面条件。速度入口分为主氧气入口，成分为纯氧，流速680 m／s；伴随燃气入口，成分为焦炉煤气，由φ(CH4)=30％，φ(H2)=60％，φ(CO) =10％3种气体混合而成，流速202 m／s；助燃氧气入口，成分为纯氧，流速300 m／s。采用非结构化网格，氧枪入口和射流轴线区域进行局部加密。
对于上述条件下的求解过程使用全隐式多网格耦合求解技术。由于求解过程中涉及变量很多，所设定的收敛标准为最后一次迭代的残值与第二次迭代的残值比小于1()～。
3数值模拟结果分析
3．1集束射流与传统超音速射流比较
由图1可见，与传统射流比较，集束射流的轴向速度衰减很慢，其射流核心段长度(射流超音速的部分[5])达到氧枪出口直径的50倍，而传统射流核心段长度只有其10倍。射流径向速度分布表明了射流的集中程度，由图2可见，集束射流在距喷口0．9 m处射流还十分集中，在1．2 m处射流也比较集中，而传统射流在距喷口0．6 m处已经发散。从射流速度和射流集中度两方面看，集束射流的优势非常明显。
为优化集束射流氧枪的设计，本文对a、b两种不同结构的氧枪射流进行了模拟，两种结构唯一区别是伴随燃气和助燃氧气喷嘴的相对位置不同，见图3。
由两种不同氧枪射流模拟结果(图4、图5)可见，在操作参数相同条件下，两种结构氧枪在轴向和径向上的速度分布基本一致。说明伴随氧气孔和助燃气体孔相对位置的变化对正常状态的氧枪射流特性影响甚微。
由于高温工作环境和高流速带来的摩擦，氧枪在工作一段时间后，喷嘴会出现一定程度损坏，一般表现为金属材料磨损后，出口部分出现了一定的扩张角。本文根据氧枪在实际使用一段时间后的破坏情况，对喷嘴破坏深度为0．002 m扩张角为45°时的氧枪射流流场进行了模拟。
由模拟后的轴向速度分布(图6)可以看出，同等损坏程度下a结构比b结构表现稍好，射流速度大，聚合度高；但是无论何种结构，在一定磨损后，轴向速度衰减都大大加快，射流的聚合效果已不明显。在生产实践中，提高氧枪喷嘴材料强度或采取一定保护措施可以改善氧枪在使用周期内的射流效果。
经过技术攻关，文中所提到的a结构集束射流氧枪已成功应用于宝钢的工业生产中，厂家的反馈数据表明，该结构氧枪射流聚合度高、穿透力强，完全可以满足电炉使用要求；其完好射流状态可保持9个月，而从国外引进的同类型产品的完好射流记录只有4个月。氧枪性能和寿命的提高，无疑对改善产品质量和降低企业生产成本起到巨大作用。
5结论
模拟结果和实际应用效果表明，集束射流氧枪的射流核心段长度达到传统氧枪5倍，射流聚合度好，可以满足电炉使用要求。
改变伴随燃气孔与助燃氧气孔之间的相对位置，对正常工作状态氧枪的集束射流效果无明显影响，但是氧枪喷嘴孔磨损后，a结构的表现要好于b结构。
氧枪喷嘴孔磨损一定程度后，射流核心段长度大大减小，已无聚合效果。减轻使用中的磨损，是提高氧枪使用寿命的有效途径。
[参考文献]
[1] Andreasmetzen，Gerhare Bunemann，Johannes Greinacher，et al.Oxygen technology for highly efficient electric arc steelmaking[J]．MPT International，2000，24(4)：84—92．
[2] Mathur P C．CoJet TMtechnology—principles and actual results form recent installations[J].AISE Steel Techonlogy，2001，78(5)：21—25．
[3] LYONSM，BERMELC．Operational result of coherent jet sat birmingham．steel—seattle steel division[C]／／Electric Furnace Conference Proceedings．1999：237—243．
[4] 张涵信．差分计算中激波上、下游出现波动的探讨[J]．空气动力学学报，1984，2：12—19．
[5] 苏晓军．凝聚射流氧枪及其在炼钢生产中的应用[J]．冶金能源，2001(11)：6—8．
4集束射流氧枪在电炉中的应用
3．3不同结构集束射流氧枪破损前后流动特性对比
3．2不同结构集束射流氧枪比较
湍流流动的数值模拟过程必须选择合适的湍流模型[4]，针对本文研究的轴对称湍流射流问题，大量模拟结果对比表明，标准的k—ε双方程模型比较适用。
