基于聚合射流氧枪数值模拟的研究

程怀吉，张芳萍，来 飞，许贯鹏(太原科技大学，太原 030024)

20世纪90年代末，美国的普莱克斯公司研制了一种新型吹氧技术，该项技术的基本结构是在原有的传统超音速氧枪喷头周围增加一圈烧嘴[1]，这样可以使拉瓦尔喷头喷出的氧气射流被高温低密度的环状介质包围，避免了周围介质和氧气射流的直接接触，大大缓解了周围介质对氧枪射流的衰减作用；同时使射流在较长的距离内保持氧气射流的初始直径和速度，形成类似于激光束的一种氧气射流，使氧枪形成高聚合射流的技术，即聚合射流技术。这种技术产生的射流能量高度集中，具有很强的穿透能力，对促进钢液中的复杂物理化学反应、均匀钢水成分及温度、提高氧气利用率、提高金属收得率等都有着明显的效果。

目前，聚合射流氧枪技术已经在美国的Mac-Steel、德国的BSE等国外厂家得到广泛应用并取得了很好的使用效果[2]。国内的部分厂家也已经在电炉上使用聚合射流氧枪，但仍需要结合炼钢的生产实践来加强聚合射流氧枪技术的开发。在国内北京科技大学等研究部门对聚合射流氧枪技术的研究水平比较高，但对转炉氧枪中应用聚合射流技术的研究比较少。

本文应用数值模拟方法，借助专业流体商业软件FLUENT[3]，分别对传统超音速射流和聚合氧枪射流两种氧枪射流进行模拟，通过对模拟结果的分析和对比，明确了聚合射流中伴随流的特性，获得了两种氧枪的射流特性及优劣差异。

1 数值模拟

1.1 模型假设与控制方程

为分析在同等压力下聚合射流氧枪和传统氧枪的射流特性，在建立模拟模型时，提出以下假设：(1)相对于氧枪喷头射流流出后的区域足够大；(2)忽略拉瓦尔喷管内的摩擦；(3)氧枪射流中所有气体均属于理想气体，均满足气体状态方程[4]；(4)射流的湍流模型采用湍流k-ε模型[5]；(5)主氧采用超音速射流，环氧采用高速低密度射流。

在可压缩连续模型中的控制方程为：

连续性方程：

(1)

其中，t是时间，ρ是密度，V是速度矢量[6]。

动量守恒方程：

(2)

其中，p是静压，g是重力，F是外部体积力，τ是粘性应力张量。

能量守恒方程：

(3)

气体状态方程：

p=p(ρ,T)

(4)

组分质量守恒方程：

(5)

其中Yi是组分i的质量分数，Ji是组分i的扩散通量，Ri是生成该组分的净生成率。

初始条件及边界条件：(1)氧枪喷头入口的总压力值为0.8 MPa，射流出口环境压力取炉膛压力103 352 Pa；(2)模型周围环境温度为300 K；(3)计算空间采用开放式；(4)计算误差为10-5.

1.2 计算结果及分析

图1是应用FLUENT流体分析商业软件，模拟传统超音速氧枪在0.8 MPa 压力条件下，氧枪射流的速度场图。

图2是利用FLUENT流体分析软件模拟在0.8 MPa压力条件下，聚合氧枪射流的速度场图。

图1 超音速氧枪射流的速度分布

图2 聚合氧枪射流的速度分布

图3是利用tecplot软件对两种模拟结果的后处理对比图。图中左图是传统超音速氧枪射流模拟结果的后处理，右图是聚合氧枪射流模拟结果的后处理。在传统超音速射流距入口0.8 m时速度降为50 m/s，聚合射流在距入口0.9 m时速度为100 m/s，传统超音速氧枪射流的出口速度大约为519 m/s，而聚合氧枪射流的出口速度大约为1 100 m/s，聚合氧枪比传统氧枪具有更高的初始速度。图中显示，在相同的滞止压力条件下，聚合射流氧枪可以获得聚合度更好并且衰减更慢的有效射流[7]。

图3传统氧枪和聚合氧枪的射流对比

Fig.3Jetcontrastoftraditionaloxygenlanceandcoherentoxygenlance

图4传统超音速氧枪射流中心轴线的速度变化曲线

Fig.4Speedchangecurveoftraditionalsupersonicoxygenlancejetalongcenteraxis

图5 聚合氧枪射流中心轴线的速度变化曲线

2 结论

(1)聚合射流氧枪的保护气体能够形成一个圆锥形的高温保护区域，使聚合氧枪可以得到比普通氧枪速度更高、聚合性更好、射流长度更长的射流。

(2)聚合射流氧枪的射流相比于普通超音速氧枪衰减更慢，在相同距离上的冲击力更大，聚合度更好[8]。

(3)聚合射流氧枪的射流核心区长度比传统射流氧枪延长了许多。从而使射流具有更好的穿透能力，并可增加氧气和钢液的接触面积，增加氧气对钢液的搅拌强度。在促进钢渣间复杂的物理化学反应、提高氧气利用率方面，比传统超音速氧枪具有更大优势。

参考文献：

[1] 袁章福，潘贻芳.炼钢氧枪技术[M].北京：冶金工业出版社，2007.

[2] 李三三，朱荣，李存牢.炼钢氧枪的集束射流数值模拟研究[J].冶金能源，2010，29(5)：12-14.

[3] 于勇.FLUENT入门与进阶教程[M].北京：北京理工大学出版社，2008.

[4] 黄卫星，陈文梅.工程流体力学[M].北京：化学工业出版社，2001.

[5] 刘坤，朱苗勇，王莹冰.聚合射流流场的仿真模拟[J].钢铁研究学报，2008，20(12)：14-17.

[6] 付振祥，潘贻芳，王宝明，等.聚合射流氧枪射流特性的数值模拟及应用[J].炼钢，2011，27(6)：1-4.

[7] 卢帝维，朱荣.转炉氧枪喷头参数的数值模拟研究[J].冶金能源，2008，27(6)：10-12.

[8] 杨竹芳.聚合射流氧枪的发展及应用[J].加热设备，2011，40(2)：7-9.