转炉氧枪喷头参数的数值模拟研究

转炉氧枪喷头参数的数值模拟研究

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Vol127　No16

ENERGYFORMETALLURGICALINDUSTRYNov12008

冶　金　能　源

转炉氧枪喷头参数的数值模拟研究

卢帝维　朱　荣

(北京科技大学冶金与生态工程学院钢铁冶金系)

摘　要　为解决某厂转炉冶炼时出现操作氧压高、化渣困难、喷溅严重等问题,对其转炉氧枪喷头进行了结构优化改进,并建立起描述该喷头射流特性的数学模型,利用FLUENT软件对原喷头和改进后喷头的氧气射流进行了冷态数值模拟。结果表明:在距喷头相等距离上,改进后喷头的氧气射流速度明显降低,冲击面积增大。研究结果为下一步进行工业实验提供了坚实的理论基础。

关键词　氧枪喷头　数值模拟　转炉炼钢

NumericalsimulationresearchontheparametersofBOFlanceLuDieiofosrhighoxygenpressure,hardslagsmeltingandseriousofBOFlancenozzleisoptimizedandthemathematicalmodelthatdescribesjetcharacteristicissetup.TheoxygenjetbeforeandaftertheoptimizationissimulatedbyCFDsoftwareFLUENTinnormaltemperaturecondition.Theresultshowsthatjetvelocityisreducedandcross2sectionareaisenlargedafterthenozzleoptimization.Thisresearchprovidesstrongbasisforin2dustrialexperimentintheory.

Keywords　lancenozzle　numericalsimulation　BOF

转炉氧枪是转炉炼钢中的重要供氧设备,高

压氧气通过它喷入转炉熔池,完成脱碳脱磷等去杂质反应。喷头是氧枪的部件之一,喷头参数的改变直接影响氧枪的各项性能。某厂转炉冶炼中出现了操作氧压高(0195MPa)、化渣困难、喷溅严重等问题,经初步分析认为,喷头参数的不合理是导致上述问题的重要原因。文中使用FLUENT软件对改进前后的喷头进行了数值模拟计算和分析,所得结论对改进后喷头的工业实验具有重要参考价值。1　改进前后的参数

炉去除杂质的重要途径。氧气射流具有一定的冲

击面积可以保证氧枪的化渣能力,熔池冲击面积

[1]

越大,表明氧气射流的化渣能力越强,脱磷效果越好。为此,新喷头增大了喷孔间的夹角,从原来的10°增加为1015°。为降低转炉氧枪氧压,在保证其供氧量的情况下,适当增大了喉口尺寸,从原来的25mm增加为2612mm。

[2]

考虑到转炉喷溅的原因,初步认为现有氧枪冲击深度过大,反应区过度集中是目前该厂冶炼过程中喷溅严重的直接影响因素。因此,适当降低氧气射流速度,减小射流冲击深度将有利于减轻喷溅。

喷头的结构示意图如图1所示,改进前后的喷头参数如表1所示。

转炉冶炼中,渣钢之间的物理化学反应是转

收稿日期:2008-06-24

卢帝维(1983-　),硕士生;100083北京市海淀区。

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(1)进口边界:入口类型为压力入口,压

力值设定为018MPa,炉膛压力取01104～

0115MPa;

(2)出口边界:出口类型为压力出口,压力值设定为01104～0115MPa;

(3)温度条件:环境温度取290K;

(4)壁面边界:按照无滑移壁面来处理,采用壁面函数法;

(5)其他条件:重力取9181m/s2,根据实际

图1　氧枪喷头结构示意图表1　改进前后的氧枪参数

类别喉口直径

改进前25mm改进后2612mm

出口直径夹角马赫数氧压孔数3119mm10°2100195MPa33410mm1015°210018MPa3

条件调节松弛因子的取值以改善求解器性能。

213　网格划分及数值求解方法

为取得较好的模拟效果,在直角坐标系下采用分块网格划分的方法来建立起模型的混合网格系统,网格由Gambit软件生成。其中喷头部分采用三角形网格,。为,,657929个,包含1999174个面,683717个节点。

使用Fluent软件进行数值模拟,采用有限容积法和二阶迎风格式进行离散化处理,压力场和流场采用SIMPLE算法。3　数值模拟结果及其分析

[4]

2　喷头射流流场数学模型的建立

2m、[3]

211　控制方程

(1)控制方程通用形式5(ρ<)/5t+div(ρu<)=div(Γgrad<)+S

式中:<为通用变量,可以代表u、v、w、T等求解变量;Г为广义扩散系数;S为广义源项。对于连续方程:<=1;Г=0;S=0对于动量方程:<=ui;Г=μ;S=-5p/5xi对于能量方程:<=T;Г=k/cp;S=0

式中:u、v、w分别代表坐标轴三个方向的速度;ρ为密度;T为温度;μ为粘性系数;p为压力;k为流体的传热系数;cp为比热容。

(2)标准k-ε模型:

ii

ε=

5xk5xk

2

μi=ρεCμk/

式中:Cμ是经验常数,根据Launder等的推荐值及后来的实验验证,取值0109。212　边界条件

模拟采用隐式求解器、非耦合算法进行,在湍流模型的选择上采用比较常用的k-ε模型。具体设置如下:

改进后的氧枪喷头相比改进前在各不同距离上的截面半径都有所增加,表2的统计数据显示,截面有效半径最大增加幅度达6%。这说明改进后的氧枪喷头冲击面积增大,有利于化渣。对比模拟结果并结合表3可以看出,改进后喷头射流速度较改进前有所降低,在距离喷口1m处射流速度降低了15m/s,在距离喷口115m处射流速度降低了10m/s。速度的降低必然减小氧气射流的冲击深度,从而反应区过度集中的现象有所缓解,转炉喷溅会得以改善。

表2　不同距离射流截面半径

距喷头/m改进前改进后增加幅度

015241825121%

110341835152%

3941156%mm115

(下转第18页)

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>70mm、合金钢>30～40mm)需采用摆动运行

冶　金　能　源

看出钢板在炉内匀速运动,到达炉头后做反向运

动至某一位置,再次正向运动到炉头出炉。曲线在时间轴上是递增的,位置轴上存在折叠的部分,这体现了摆动的特点。

图5为钢板的中心温度-位置曲线。钢板摆动时已处于保温阶段,从温度曲线上的重叠部分表明,摆动操作以相对短的炉长延长了保温时间

。

制度。摆动制度下的稳态是具有“特色”的稳态,钢板的位置-时间曲线存在明显的折线,体现了摆动的特点;而温度曲线表明,摆动操作以相对短的炉长延长了保温时间。

(4)研究表明连续制度下炉内钢板位置仅是初始位置、时间和辊速的函数,即L=f(L0,τ,v);而在摆动制度下,它还是几个标志位的函数,即L=f(L0,τ,v,flags)。

参

考

文

献

[1]编写组1钢铁厂工业炉设计参考资料1北京:冶金

工业出版社,1979

[2]邵正伟1中厚板热处理工艺与设备发展趋势1轧

钢,2006,23(4):37-39

图5　钢板温度位置曲线

4　结论

(1),

[3]韩小良,　戟1,):353-357

4]etal.

1990,

:-,陶文铨1传热学(第三版)1北京:高等

,实现了炉膛热交换的求解。

(2)提出改进型1/n全炉摆动运行制度。改善了炉辊的使用条件,加大了炉底利用率,综合效果显著提高。

(3)模拟表明对于较厚的钢板(优质碳素钢

教育出版社,1998

[6]刘　伟1辊底式热处理炉模化及控制研究:

[学位

论文]1沈阳:东北大学,2008

[7]牛　珏,温　治,王俊升等1中厚板辊底式热处理

炉摆动加热模型的灰色多目标决策1材料热处理学报,2007,28(1):140-143

万　雪　编辑

(上接第11页)

(3)改进后的氧枪喷头射流速度有一定程

m/s

表3　改进前后射流速度对比

类别

改进前改进后

最大速度

506486

160145

10090

距出口1m处距出口115m处

度的降低,冲击深度减小,转炉气液反应区面积较改进前分散,不易造成局部反应过快而导致喷溅。

参

考

文

献

4　结论

(1)改进后的氧枪喷头射流冲击面积增大,

[1]吴　伟,吴志宏,邹宗树等1150t顶底复吹转炉脱

磷工艺参数的研究1炼钢,2005,21(2):30-33

[2]陈　良,吴　锋,焦玉莉等1转炉喷溅问题的研究

最大增幅达6%。氧气与钢渣接触面积增大,有利于化渣和脱磷。

(2)改进后的氧枪操作压力从原来的0195MPa降低至正常值018MPa,减轻了氧气传输过程中的阻力损失。

与解决1莱钢科技,2006,(1):33-34

[3]王福军1计算流体动力学分析1北京:清华大学出

版社,2004

[4]韩占忠,王　敬,兰小平1Fluent-流体工程仿真计

算实例与应用1北京:北京理工大学出版社,2004

赵　艳　编辑

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