转炉单孔和多孔喷嘴射流行为模型解析研究
时间：2015-11-09 17:06 来源：未知 作者：admin 点击：次
转炉顶吹喷枪射流具有氧气供给和铁水搅拌动力源的作用。与顶吹喷枪射流有关的主要转炉现象有，与铁水的物理相互作用形成的气流冲击区、搅拌、喷溅和粉尘的发生、脱碳产生的CO气体与氧反应产生的二次燃烧等。以往在实现转炉操作的最优化中，为抑制上述现象，改善顶吹喷枪的形状和操作。例如，在顶吹喷枪中，一般采用为促进铁水的搅拌可以将压力能转换成高效射流动能的拉瓦尔喷嘴，以及能使顶吹喷枪射流分散、抑制喷溅及粉尘的发生、可高速供氧的多孔喷枪。
20世纪80年代以后，由于顶底复合吹炼转炉的引入，顶吹喷枪射流作为搅拌动力源的作用减少，大幅度提高了其设计和操作的自由度。90年代后半期以后，新日铁扩大应用以MURC（Multi-Refining Converter）为代表的转炉型铁水预处理法。例如，在MURC工艺中，用一种喷枪兼顾脱磷吹炼和脱碳吹炼。此外，为了解决随着中间排渣和固态渣等工序的增加而降低生产率的问题，需要进一步优化顶吹喷枪射流。另一方面，在钢铁领域也普及了计算流体力学（CFD：Computational Fluid Dynamics）技术，可以模拟原来不易模拟的压缩性流体、多相现象及反应等复杂现象。本文介绍了新日铁为研究顶吹射流现象，对单孔和多孔喷嘴进行的冷态试验和CFD模型解析。
1 单孔喷嘴射流行为
1.1 概要
如上所述，转炉顶吹喷枪一般采用可将压力能转换成高效率动能的拉瓦尔喷嘴。由拉瓦尔喷嘴的尺寸决定适当的马赫数，适当的压力和流量，通常在其适当条件下操作。另一方面，由于冲击波和膨胀波的发生，能量的损失变大，将此称为不适当膨胀。以下将介绍包括不适当膨胀时的单孔喷嘴的射流行为。
1.2 试验及解析方法
在冷态下，使用同一喉口径、五种不同出口径的单孔喷嘴，变更喷嘴入口压（流量），用皮托管检测了射流的流速分布。此外，对射流扩散的评价，测量仪器的测量下限值是5.7m/s，所以采用了该下限值以上的流速范围。使用CFD商用软件的二维轴对称模型，入口及出口的边界条件使用质量流入条件、压力流出条件。气相侧使用空气的物性值，考虑了压缩性。
1.3 结果及分析
1.3.1 不适当膨胀时的行为
比较了直线喷嘴和拉瓦尔喷嘴在入口操作压P0时的射流中心轴向流速（马赫数）的变化。结果发现，在两种喷嘴中，均发现了随着操作压的增加流速也增加，但在适当压力下当流速达到峰值后存在一个流速基本不变的区域，其后流速再次增加。认为在操作压增加、但流速不增加的区域，不适当膨胀导致的能量损失与压力能的增加相抵消。
因此，将喷嘴入口的操作压与适当压之比P0/P0P定义为不适当度，整理各喷嘴的中心轴向流速。结果发现，射流中心轴向流速与距喷嘴的距离成反比衰减。所以，将流速与音速相等（马赫数=1）的位置设为射流中心长度Hc，任意中心轴位置的流速（马赫数M）用公式（1）表示。因此，纵坐标取射流中心长度与适当膨胀时的射流中心长之比Hc/Hcp，代表中心轴向流速。此外，适当膨胀时的射流中心长度用公式（2）表示。应用该结果，可以进行积极利用不适当膨胀的射流的软吹。
M=Hc/x (1)
Hcp=M0p×(5.88+1.54M20p)×dt (2)
式中，Hcp是适当膨胀时的射流中心长度，M0p是适当膨胀时的喷嘴出口的马赫数。
1.3.2 CFD解析结果
关于中心轴向流速，比较了各种紊流模型的CFD计算值和测量值，从计算精度和计算成本的观点出发，决定采用标准k-ε模型。中心轴向流速的CFD计算值和测量值的比较示于图1。流速与距喷嘴出口的距离基本成反比衰减，计算值和测量值的倾向大体一致。但是，流量增加时的流速增加的程度有差异。在此，适当膨胀时的适当流量使用52Nm3/h的喷嘴，流量在50Nm3/h时基本适当膨胀，在25.0Nm3/h和37.5Nm3/h时为过度膨胀。但与测量值相比，计算值在适当膨胀时低，在过度膨胀时则过高。即在CFD解析中目前还无法重现不适当膨胀时的行为。
2 多孔喷嘴射流行为
如上所述，转炉顶吹喷枪使射流分散，抑制喷溅和粉尘的发生，一般采用可以用高速供氧的多孔喷嘴。但是，如果多孔喷嘴的射流发生相互交汇，就不能获得上述的软吹效果。以下将介绍对多孔喷嘴的射流行为进行的试验及CFD解析。
2.1 试验及解析方法
试验方法与上述相同。表1是多孔喷嘴的规格。各喷嘴喉口部的总断面面积，喉口径与出口径之比相等。如图2所示对多孔喷头喷流进行评价。使用商业软件的三维模型，对孔数为n孔的喷嘴，在喷嘴圆周方向分割为1/2n的区域制作网格，将分割面作为对称边界条件进行解析。
2.2 结果及分析
图3是多孔喷嘴射流的流速测量结果的实例。横坐标是垂直于喷嘴中心轴的径向距离，纵坐标是轴向流速，比较了4孔14度和8孔14度喷嘴的流速分布。单孔喷嘴时，喷嘴直径越小，射流越容易衰减，流速降低。多孔喷嘴时，孔数增加，即使各个喷嘴的直径小，多个射流相互交汇，也会抑制射流衰减，流速自然变高。图3中还示出了CFD计算值，但还是无法基本再现上述的射流的交汇现象。此外，图4和图5分别是对中心轴向流速和喷流径的测量值和CFD计算值的比较，结果发现无论喷嘴的种类，两者结果基本一致，可见CFD解析方法是可靠的。
3 结语
通过试验和CFD解析，研究了不适当膨胀、射流交汇和汇合的现象，得出以下结论。
1） 单孔喷嘴射流在不适当膨胀时的中心轴向流速可根据不适当度大致可以一元化整理，可以预测不适当膨胀时的流速。积极利用不适当膨胀，可以实现射流软吹。
2） 多孔喷嘴射流流速分布的CFD计算值也可模拟上述行为，其结果与测量值基本一致，确立了适当的CFD解析模型。
(来源：炼钢)
