保护气对集束射流特性的影响范文

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《贵州医科大学学报》2016年第11期

摘要：

集束氧枪是现代电弧炉炼钢主要供氧手段。保护气的物理特性对集束射流的射流特征有着一定的影响。本研究利用Fluent软件对电弧炉炼钢过程中常用集束氧枪的射流特征进行了数值模拟。在模拟实验中，应用普通的保护气取代电弧炉炼钢过程中集束氧枪常用的燃气，分析保护气的种类、保护气的流量以及保护气的温度对集束射流特性的影响，并且将其与传统超音速氧枪和电弧炉的集束氧枪的射流特性进行对比。

关键词：

电弧炉；保护气；集束射流；数值模拟

氧枪是现代炼钢过程中的主要供氧设备。传统超音速氧枪存在着射流距离短，速度衰减快，冲击深度小等问题。集束射流氧枪是由美国的普莱克斯公司于20世纪90年明并应用于工业生产之中。集束氧枪凭借其射流能量集中、氧气的聚合度大、穿透能力强等优势，获得了在现代炼钢设备上的大规模应用，特别是在电弧炉炼钢中的应用。现代炼钢工业中，采用的集束氧枪通常都是通过天然气和环氧的燃烧产生的保护气对主氧流进行包围，从而减缓氧气衰减的速度，使得主氧流能够在较长的距离内保持氧气射流的初始直径和速度。虽然集束氧枪已经在冶金工业中应用了十几年了，国内外的生产企业已经有着丰富的工程经验。但是，集束氧枪在工业应用中依旧会出现问题，原因是研究人员对集束氧枪的射流特性及保护气的物理特性对集束氧枪射流特性的影响认知不足。本文应用Fluent软件对集束射流的流场进行数值模拟，研究保护气对集束氧枪射流特性的影响，为工业用集束氧枪的应用提供理论指导。

1实验方案

1.1喷孔设计

本文章采用的集束氧枪的结构为单层保护气喷孔加主氧喷孔的结构。其几何结构图如图1所示。普通超音速氧枪的拉瓦尔管几何尺寸和集束氧枪相同。其中拉瓦尔管的几何尺寸见表1。

1.2实验方案

本实验通过改变保护气的种类、温度以及其质量流量，分析这些因素的变化对集束射流射流特性产生的影响。实验方案见表2。

2控制方程及边界条件

2.1几何模型介绍

本文仅对氧枪的射流特性进行分析，所以在建立数学模型时把拉瓦尔管出口的计算区域设置成无限大的空间。其几何模型如图2所示，应用ICEM软件，按照1:1比例建立氧枪枪头的几何模型，并进行网格划分。在现代炼钢过程中，从氧枪喷头射出的氧气的流动区域为炼钢炉内部熔池上方的空间。本文的计算域是从氧气射流进入喷头开始到Φ500mm×2500mm的计算空间。整个计算域空间采用了六面体网格，网格质量良好，有利于提高模拟的精度。对于此数值计算有以下几种假设：(1)流体为无源有黏可压缩流体。(2)氧枪喷头管壁光滑，流体与壁面间的摩擦力可以忽略不计。(3)为了简化几何模型，集束氧枪的保护气喷头采用环缝式喷孔设计，取代多孔对称结构。

2.2控制方程建立

本文涉及的数值计算为可压缩流体的流场分布计算。考虑到保护气的作用，在模型应用中采用了组分输运模型，并且针对加入天然气和氧气混合喷吹的那组加入了EDC燃烧模型。本模拟计算满足质量守恒方程、动量守恒方程、能量守恒方程和组分质量守恒方程。质量守恒方程：坠ρ坠t+div(ρu)=0动量守恒方程：坠(ρu)坠t+div(ρuu)=div(μgradu)-坠p坠x+S能量方程：坠ρT坠t+div(ρuT)=div(kcpgradT)+ST对于组分输运模型，其基本方程为组分质量守恒方程：坠(ρcs)坠t+div(ρucs)=div(Dsgrad(ρcs))+Ss

2.3边界条件及求解方法

本文的数值计算均采用基于压力的求解器求解，入口条件采用质量流量条件；其中主氧流量为2000m3/h(标准)（0.7936kg/s）；保护气流量参数，则根据之前的实验方案进行调节；环境压力为1个标准大气压，环境温度为300K；在求解方法中选用PISO算法进行迭代计算，相比SIMPLE算法，它解决了每个迭代步获得的压强场与动量方程偏离过大的问题，并且在每个迭代步中增加了动量修正和网格畸变修正过程。

3数值模拟结果及数据分析

图3为CO2做保护气时，主氧轴线的速度衰减示意图，并且和普通超音速氧枪以及集束氧枪的主氧轴线的速度衰减曲线进行了对比。从图3中可以看出，随着保护气温度的升高，主氧射流的核心段长度相应的增加，其速度衰减的趋势变缓。当保护气温度为300K时，其主氧轴线速度的变化曲线和普通超音速氧枪的轴线速度变化曲线几乎重合。而当保护气温度为3500K时，其主氧轴线速度变化相较保护气温度为300K时，已经有了很大的变化，其射流核心区长度变长，衰减趋势变缓。但是，与集束氧枪相比，其核心区长度依旧相对较短。图4为CO2做保护气时，主氧轴线的温度变化示意图，并且将其和普通超音速氧枪和集束氧枪的主氧轴线温度变化进行了对比。从图4中可以看出，随着保护气温度的上升，主氧轴线温度的最高值逐渐上升。在保护气温度相同的条件下，主氧气流的温度开始逐渐上升，当到达一定的射流距离之后，其轴线的温度达到最大值，随后，主氧的轴线温度开始下降。保护气温度为300K时，其主氧的轴线温度的变化规律与普通超音速氧枪的主氧轴线温度变化规律几乎相同。而保护气温度为3500K时，其主氧轴线温度的最高值要比集束氧枪主氧轴线温度的最高值要低许多。图5～图8分别为N2和O2做保护气时，其主氧轴线的速度变化规律和温度变化规律的示意图。它们的变化趋势和CO2是相似的，在这里就不再过多的重复说明。下面主要分析，不同种保护气氛对主氧射流核心段长度的影响。由图9可知，当保护气氛的种类一定时，其主氧射流的核心段长度随着保护的温度的上升而增加，并且，在保护气的低温段，随着保护气温度的上升，其射流核心段上升的趋势明显一些，即斜率大。当保护气的温度上升到2000K之后，其主氧射流的核心段长度上升的趋势变缓，即斜率变小。对于相同的保护气温度而言。当N2、O2以及CO2依次做保护气时，主氧射流的核心区长度依次减小。其中N2做保护气时，主氧射流的核心段最长，而CO2做保护气时，主氧射流的核心段最短。在同一保护气温度下，二者主氧射流的的核心段相差0.04m左右。而O2则在这两者之间与N2和CO2都相差0.02m左右。对于N2来讲，当其温度为300K时，其主氧射流核心段长度为0.297m；当其温度为3500K时，其主氧射流核心段长度为0.535m。对O2而言，当其温度为300K时，其主氧射流核心段长度为0.272m，当其温度为3500K时，其主氧射流核心段长度为0.518m。而CO2做保护气时，其温度为300K，主氧射流核心段长度为0.256m，这和普通超音速射流的核心区长度几乎一样，当其温度为3500K时，其主氧射流的核心区长度为0.504m。总体而言，保护气氛对主氧射流的核心区长度影响比较小，但是保护气温度对主氧射流的核心区长度影响比较大。急速射流的核心区长度可以达到0.7m以上。这比用3500K温度下的N2做保护气的主氧射流核心段长度要长0.2m。不同N2质量流量对主氧射流核心区长度的影响见图10。图10表示的是N2流量分别为0.07、0.10和0.13kg/s三种情况下对主氧射流的核心段长度的影响。从图10中可知，在保护气温度相同的条件下，随着N2质量流量的上升，主氧核心段的长度是增加的。当质量流量为0.07kg/s、保护气温度为300K时，主氧射流的核心区长度为0.256m，保护气温度为3500K时，其主氧核心区长度为0.445m；当N2质量流量为0.13kg/s、保护气温度为3500K时，主氧射流的核心区长度为0.30m，保护气温度为3500K时，主氧射流的核心区长度为0.544m。当N2的质量流量由0.07kg/s上升到0.10kg/s时，主氧射流的核心区长度上升的十分显著；而当N2的质量流量由0.10kg/s上升到0.13kg/s时，主氧的核心区长度变化不大。这说明保护气的质量流量对主氧核心区长度的影响有一个临界值，当N2流量在临界值以下时，增加N2的质量流量可以显著的增加主氧射流的核心区长度；当N2流量在临界值以上时，增加N2对主氧射流核心区的长度影响不大。

4结论

(1)当保护气种类一定时，随保护气温度升高主氧射流核心段长度增加，当保护气的温度上升到2000K之后，其主氧射流的核心段长度上升的趋势变缓。

(2)对于相同的保护气温度而言，当N2、O2以及CO2依次做保护气时，主氧射流的核心区长度依次减小。其中N2做保护气时，主氧射流的核心段最长；而CO2做保护气时，主氧射流的核心段最短。

(3)保护气的质量流量对主氧核心区长度的影响有一个临界值，当N2流量在临界值以下时，增加N2的质量流量可以显著的增加主氧射流的核心区长度；当N2流量在临界值以上时，增加N2对主氧射流核心区的长度影响不大。

参考文献：

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作者:刘伟 刘润藻 单位:贵州省黔西南民族职业技术学院 北京科技大学冶金与生态工程学院