260 t转炉用六孔氧枪射流偏转特性分析

李炎鑫 刘广强 刘 坤 贾宏斌

(1.辽宁科技大学，2.鞍钢集团钢铁研究所)

超音速多孔氧枪是影响转炉冶炼效率的关键设备。多孔氧枪喷头射流中心线在流场中的分布反映了多股射流边界相互掺混的情况。从喷嘴喷出的多股射流开始较为独立，随着射流向前推进，各股射流的速度不断衰减，流股不断扩展，多股射流边界逐渐相互干扰交叠，从而造成氧枪射流中心线发生偏转与融合现象[1-10]。

众多学者[11-17]研究了中小型转炉氧枪射流偏转、聚并行为与出口马赫数、氧枪倾角、入口压力等的关系。但对于喷孔数量较多的大型转炉氧枪(比如六孔或七孔氧枪)，氧枪射流偏转的具体原因仍需要进一步分析，并且喷嘴的结构特性以及流股数量，必然会对其射流偏转特性产生一定影响。文章通过数值模拟，分析了射流偏转的原因以及多因素耦合对射流偏转的影响，希望能为大型转炉炼钢实际冶炼过程中的氧枪操控提供参考。

1 数学模型

利用CFD软件对超音速氧气流动进行了数值模拟。建立的数学模型包括连续方程、动量方程和能量方程。采用的湍流模型为k-ε方程，表达式如下：

(1)

(2)

式中：Gk为平均速度的梯度引起的湍动能k的产生项；Gb为浮力引起的湍动能k的产生项；YM为脉动扩张增益；σk为湍动能k所对应的Prandtl 数；σε为耗散率ε所对应的Prandtl数；C1ε、C2ε、C3ε为经验常数；Sk和Sε分别为用户自定义的湍动能源相和耗散率源相。

2 网格与边界条件

从理论分析及数值模拟两方面对某钢厂260 t转炉六孔氧枪射流特性进行研究，根据氧枪设计理论和现场实际情况，设计了不同结构的氧枪喷头，分析马赫数、氧枪倾角和枪位等因素对射流特性的影响。主要设计参数见表1。

表1 主要设计参数

使用SolidWorks软件进行建模，考虑到氧枪结构的对称性，该研究建立了氧枪整体的1/3模型，模型的主要结构为拉瓦尔喷管和半径2 m、高度3.5 m的1/3圆柱体的无限大空间。考虑网格对于数值计算结果的准确性及精度的影响，采用结构化网格，并对射流核心区进行局部加密，如图1所示。

图1 几何模型与网格划分及边界条件

采用压力入口和压力出口的边界条件，图1中所示的对称平面被设置为周期性边界条件，壁面为非滑移壁面。计算利用基于压力的求解器，压力速度耦合使用SIMPLE格式，湍动能和湍流耗散率的离散格式使用二阶迎风格式。能量残差的收敛准则设定为10-6，其他因变量的收敛准则设定为10-3。利用商业CFD软件ANSYS fluent 19.0对数学模型进行求解。具体边界条件见表2。

表2 边界条件

3 结果与讨论

3.1 多孔射流动力学特征

多孔氧枪的各股射流速度分布反映了多股射流相互掺混的情况。当多孔氧枪射流离开喷嘴后，形成了交变压力分布。射流交替压缩和膨胀，使射流中心线上动力学参数在射流核心区上下波动。直到射流离开核心区域，射流的静压逐渐接近环境压力，射流的压缩和膨胀消失。

各股射流刚流出喷头时并不相交，随着射流向前推进，射流速度逐渐衰减而流股不断扩展，射流边界迅速相交。来自多喷嘴的射流，每个喷嘴的射流中心线逐渐偏离其喷嘴轴，由于多股射流相互作用和吸引最终发生聚并行为。在转炉炼钢过程中，聚并行为决定了供氧效率和射流对熔池表面的冲击宽度及深度。

随着射流的进行，射流卷吸周围气体造成射流与几何中心轴线产生压力差，在几何中心轴线附近形成负压区，使得射流偏离喷孔轴线方向，趋于聚合。负压区的位置与氧枪倾角密不可分。

Ma=2.15时，几何中心轴线上静压与氧枪倾角的关系如图2所示。几何中心轴线前端存在负压，氧枪倾角增大，最小压力增大，氧枪射流独立性更好。随着喷孔出口轴向距离的增加，压力差逐渐消失，射流内外侧压力相等并与环境压力一致。

图2 静压与氧枪倾角的关系

Ma=2.15时，几何中心轴线上速度与氧枪倾角的关系如图3所示。随着喷孔出口轴向距离的增加，几何中心轴线上速度增幅减小。在同枪位下，随着氧枪倾角增大，几何中心轴线上速度减小。

图3 速度与氧枪倾角的关系

3.2 氧枪倾角对射流特性的影响

Lee[9]研究表明，可以用临界角θe作为多孔氧枪射流发生交汇与不交汇的临界值。

(3)

式中：θe为临界角；θc为临界倾斜角，由模拟仿真或实验确定；n为氧枪孔数。

氧枪倾角对射流中心线偏转影响如图4所示。

图4 氧枪倾角对射流中心线偏转的影响

Ma=2.05时，不同氧枪倾角对射流中心线偏转影响如图4(b)所示。当θ=14°～15°时，射流流股较短且过早发生聚并行为，大量交汇，射流偏转明显；当θ=16°～17°时，独立的射流流股明显变长且聚并行为一般，此时少量交汇或者几乎不发生交汇，射流偏转程度减小。由式(3)对临界角θe的定义可知，Ma=2.05、θc=16°的六孔氧枪，计算得临界角θe=7.92°。

当Ma=2.00、θ=14°～16°，Ma=2.05～2.15、θ=14°～15°，Ma=2.20、θ=14°时，氧枪射流各流股在距喷头较近处发生交汇(约20de)，净偏移量Δy较大，射流偏转较明显。当Ma=2.00、θ=17°，Ma=2.05～2.15、θ=16°～17°，Ma=2.20、θ=15°～17°时，氧枪射流各流股在距喷头较近的位置比较独立，在较远处发生交汇(约30de～35de)，净偏移量Δy较小，射流偏转不太明显。

3.3 马赫数对射流特性的影响

氧枪倾角和氧枪出口马赫数等共同影响射流偏转，通过数值模拟由式(3)计算得到了临界角，与前人[14]的研究成果相差不大，具体如表3所示。

表3 临界角汇总表

当θ=16°时，出口马赫数对射流中心线偏转的影响如图5所示。随着出口马赫数的增大，射流偏转程度减小。这是由于马赫数增大，射流中心线上速度变大，产生抵抗射流偏转的反作用增大，射流独立性增强。

图5 出口马赫数对射流中心线偏转的影响

前人给出了描述射流中心线的公式(4)、(5)[18]，可用偏转系数a3对射流偏转程度进行量化。

(4)

(5)

纵向坐标Y为氧枪倾角与净偏移量Δy的函数，而氧枪倾角在选定氧枪结构参数时为确定参数。净偏移量Δy仅与偏转系数a3有关。偏转系数越大，则射流中心线偏转越明显。

通过式(4)、(5)与数值模拟结果进行计算可得出各情况下a3值，如表4所示。氧枪倾角小于临界倾斜角时，a3均值为6.72，射流中心线偏转程度较明显；氧枪倾角大于临界倾斜角时，a3均值为4.29，射流中心线偏转程度较小。

表4 不同氧枪倾角对应的a3值

当氧枪倾角一定时，随着马赫数的增加，偏转系数减小。氧枪倾角为14°时，各马赫数条件下的偏转系数均大于临界角对应的偏转系数；氧枪倾角为17°时，各马赫数条件下的偏转系数均小于临界角对应的偏转系数。可知在氧枪倾角确定，且无临界倾斜角突变时，偏转系数均随着马赫数的增加而减小。

3.4 入口压力对射流特性的影响

不同入口压力下几何中心轴线上的静压如图6所示。当入口压力为0.8P0、0.9P0时，氧枪几何中心轴线前端不存在负压区，而当入口压力为1.0P0、1.1P0、1.2P0时，氧枪几何中心轴线前端出现负压区，导致射流中心线偏移。入口压力为0.8P0、0.9P0时，射流出口压力小于环境压力，同样小于几何中心轴线处压力，故对几何中心轴线处的抽引作用大大降低。在入口压力为1.0P0时，射流出口压力等于环境压力，气流发生完全膨胀，射流对几何中心轴线处存在抽引作用，产生负压。在入口压力为1.1P0、1.2P0时，未完全膨胀射流出口压力大于环境压力，同样大于几何中心轴线处压力，对几何中心轴线处的抽引作用大大增加，产生更大的负压。

图6 不同入口压力下几何中心轴线上的静压

入口压力对射流中心线偏转的影响如图7所示。当入口压力为0.9P0时，射流中心线偏转程度最小；当入口压力为0.8P0时，射流中心线偏转程度次之；当入口压力为1.0P0～1.2P0时，射流中心线偏转程度基本相同且最明显。

图7 入口压力对射流中心线偏转的影响

多孔氧枪射流为未完全膨胀射流，出口射流存在膨胀波，会加快射流速度。同时，随着入口压力增加，几何中心轴线上负压减小。两者对于射流中心线偏转的影响相互抵消，使得在入口压力为1.0P0～1.2P0时氧枪射流中心线偏转程度基本一样。

在0.8P0、0.9P0时，几何中心轴线处不存在负压区，故对氧枪射流中心线的偏转无影响。随着入口压力的提高，射流速度增加，射流中心线的偏转程度减小。

4 结论

(1)氧枪倾角越小，几何中心轴线上负压越小，射流偏转越明显，聚并作用增大；氧枪倾角越大，射流偏转程度越小。马赫数增大，射流中心线速度变大，射流独立性增强。

(2)不同出口马赫数对应不同临界角，并且出口马赫数越大，临界角越小。六孔氧枪的临界角θe=7.43°～8.40°，氧枪倾角θ=15°～17°。

(3)氧枪倾角小于临界倾斜角时，偏转系数a3均值为6.72；氧枪倾角大于临界倾斜角时，偏转系数a3均值为4.29。

(4)在几何中心轴线负压与射流中心线速度的协同影响下，工作压力大于设计压力时，氧枪射流中心线不发生偏转。