炼钢集束氧枪高温射流特性的数值模拟及应用

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1、第9卷增刊1过程工程学报Vol.9Suppl.No.12009年6月TheChineseJournalofProcessEngineeringJune2009炼钢集束氧枪高温射流特性的数值模拟及应用112韩丽辉，朱荣，焦玉亮(1.北京科技大学冶金与生态工程学院，北京100083；2.山东泰山钢铁公司，山东莱芜271100)摘要：建立了燃气集束氧枪射流流场的数学模型，对集束氧枪在不同条件下的高温射流特性进行了分析.数值模拟及现场应用表明，在同等条件下纯氧集束氧枪射流长度优于普通超音速氧枪，而燃气集束氧枪射流长度明显

2、优于纯氧集束氧枪，并且燃烧温度越高、氧燃比越大，射流速度衰减越慢；在泰山特钢70t电炉应用中获得良好的喷吹效果，达到节约冶炼时间5~6min，吨钢电耗下降40~50kW⋅h.关键词：炼钢；集束氧枪；数值模拟中图分类号：TF741.5文献标识码：A文章编号：1009−606X(2009)S1−0321−04了不同氧燃比、不同燃烧温度对射流流场的影响，根据1前言模拟结果设计的燃气集束氧枪在实际应用中起到了良普通超音速氧枪存在喷吹距离短，冲击强度小等缺好的助熔、脱磷、脱碳、升温等效果.点，集束射流氧枪是近几年发展起来的

3、新型氧气喷吹技[1−4]2超音速射流数学模型的建立术，能够较好的克服普通超音速氧枪的缺陷.其特点是在超音速主氧外层加保护气，保护气体在中心超音速2.1几何模型气流的带动下形成高速气流保护套，封套住中心气流，超音速射流由拉乌尔喷嘴产生超音速气流形成.从而减少外部对中心氧气射流的干扰，近而达到延缓中以莱芜泰山特钢70t电炉用液化天然气集束氧枪为研究心射流速度衰减的目的.由于集束射流能量集中，具有对象，其拉乌尔喷嘴出口马赫数为2.采用1:1比例进行极强的穿透金属熔池的能力，增加了氧气对钢水的搅拌集束氧枪射流特性的数值研

4、究，包括超音速气流的产强度，因此能够促进钢渣反应、均匀钢液成分与温度、生、射流轴线上衰减及对周围气体卷吸情况，模型的计减少喷溅、提高氧气利用率和金属收得率.与普通超音算空间域包括氧气进入拉乌尔之前直到射流后的无限速氧枪相比，集束射流氧枪具有喷射距离长，冲击力大，大空间，考虑到计算成本和边界条件的合理性，取射流氧气利用率高等优点.空间为400mm×2500mm.对于集束射流氧枪，保护气集束氧枪采用高温燃烧反应气体作为保护气，但在通过拉乌尔喷嘴外周的喷孔流出，为了方便地建立几何数值模拟时，通常采用常温气体作为保护气进

5、行模拟，模型和划分网格，将喷孔等效成环缝，见图1.整个流[5−7]模拟效果与实际射流衰减情况有一定的偏差.本工体计算域采用二维轴对称几何模型，网格为四边形网作利用Fleunt软件，针对燃气集束氧枪直接用高温气体格，沿射流速度衰减方向网格先密后疏，喷嘴出口处网作为集束氧枪主氧保护气，模拟集束射流流场，并分析格最密，最小网格尺寸为1mm.φ48Gasφ26200mmOxygen12φ42500mm图1集束射流氧枪模型示意图Fig.1Sketchofcoherentjetoxygenlancemodel2.2控制方程建

6、立数学模型时采取以下几点假设：(1)氧枪内部所有[11]物理模型采用可压缩流体、稳态的、湍流射流形式，连接处都很光滑，忽略管内摩擦；(2)拉瓦尔管内靠收稿日期：2008−10−15，修回日期：2009−03−16作者简介：韩丽辉(1972−)，女，辽宁省喀左市人，硕士，工程师，主要研究方向为冶金过程数值模拟，E-mail:hanlihui@metall.ustb.edu.cn.322过程工程学报第9卷近壁面的流体是粘性的，拉瓦尔管外的整个流场中的气图2为3种超音速氧枪射流速度衰减情况，由上到体均为理想气体；(3)

7、射流计算空间为400mm×2500下依次为普通超音速氧枪(即环气量0)、纯氧集束氧枪mm，边界压力等于环境压力；(4)采用总能量模型，氧及燃气集束氧枪.主氧管喷吹压力为0.8MPa、喷吹总33枪壁面是绝热面.(5)将燃烧产物简化为100%高温CO2流量为1500m/h；保护气流量为400m/h、纯氧温度气体.为298℃、CO2为1500℃.模拟结果表明，三者射流衰[8,9]整个计算域采用标准k−ε湍流模型，与不可压缩减速度由上到下依次减弱，燃气集束氧枪的射流最长.流体湍流运动相比，湍流方程中考虑了可压缩流体在较V

8、elocity(m/s)高马赫数下由于扩张耗散引起的湍动能损失；能量方程中考虑了粘性耗散热，这是因为可压缩流体分子平均自由程较大，湍流粘性耗散热很容易转化成流体内能；另外在能量方程中使用了有效导热系数，其值等于流体本身的导热系数与湍流导热系数之和，其中湍流能量普朗特数取0.85.2.3定解条件边界条件直接影响计算结果的正确性，根据实际工况和可压缩流体的特性给出如下边界条件