超音速聚合射流氧槍射流行為的數(shù)學(xué)物理模擬研究.pdf

1、氧槍是現(xiàn)代氧氣煉鋼的關(guān)鍵設(shè)備，其性能直接影響到煉鋼生產(chǎn)的產(chǎn)量、質(zhì)量、原材料消耗、生產(chǎn)作業(yè)率和環(huán)境等重要指標(biāo)。氧槍性能的優(yōu)劣取決于由氧槍出口噴射出的氧氣射流特性。如將超音速聚合射流技術(shù)應(yīng)用于轉(zhuǎn)爐煉鋼生產(chǎn)，將大大提高煉鋼的生產(chǎn)效率和節(jié)能效率。本文分別采用實(shí)驗(yàn)室射流測試實(shí)驗(yàn)、水模型實(shí)驗(yàn)、熱態(tài)模擬實(shí)驗(yàn)及數(shù)值模擬等研究方法，系統(tǒng)地研究了聚合射流氧槍及傳統(tǒng)超音速射流氧槍氧氣射流行為特征及與煉鋼熔池相互作用規(guī)律，其目的是為此技術(shù)的應(yīng)用提供理論基礎(chǔ)。主

2、要的研究內(nèi)容和結(jié)果如下：
　　 氧槍射流特性的物理模擬研究。利用微機(jī)控制液壓伺服的多點(diǎn)壓力快速掃描的氧槍檢測系統(tǒng)，對常溫下以空氣模擬的射流進(jìn)行了較為系統(tǒng)的研究。重點(diǎn)考察了單股射流中心線速度在不同驅(qū)動壓力下的衰減規(guī)律；多股射流中心線相對于噴孔幾何軸線的偏移規(guī)律；多股射流軸線速度的衰減規(guī)律；操作槍位對射流沖擊面積的影響；以及由低密度氦氣伴隨的聚合射流流場的速度分布規(guī)律等。熱態(tài)聚合射流物理模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明聚合射流比傳統(tǒng)超音速射流具有減

3、緩其軸向衰減及徑向擴(kuò)散，更加具有剛性、聚合性和對熔池更大的沖擊性，使其在一定程度上保持中心氧氣射流相對聚合的特征。
　　 氧槍射流特性的數(shù)值模擬研究。首先根據(jù)射流物理模擬測試實(shí)驗(yàn)結(jié)果對標(biāo)準(zhǔn)的κ-ε雙方程模型進(jìn)行了修正；并運(yùn)用FLUENT軟件模擬了不同滯止壓力下Laval噴管內(nèi)的流動、傳統(tǒng)超音速射流在不同的滯止壓力和環(huán)境溫度時的流動特征以及帶有氦氣低密度伴隨流情況下，不同結(jié)構(gòu)參數(shù)與工藝參數(shù)下聚合射流流場的流動特征。數(shù)值模擬結(jié)果表明

4、超音速聚合射流氧槍在有低密度氦氣伴隨的情況下，能更大程度地減緩軸線上速度的衰減，核心區(qū)長度明顯增加，使中心射流在距噴嘴更長距離內(nèi)保持其初始速度及沖擊動量。
　　 氧槍射流與煉鋼熔池相互作用規(guī)律的物理模擬。水模型實(shí)驗(yàn)?zāi)M鞍鋼180t頂?shù)讖?fù)吹轉(zhuǎn)爐冶煉過程，實(shí)驗(yàn)的相似準(zhǔn)數(shù)為修正的Froude準(zhǔn)數(shù)，幾何相似比取為10:1?？疾炝瞬煌牡讟尣贾?，不同的頂、底吹流量、不同吹煉槍位下熔池的攪拌混合特征。確定了頂?shù)讖?fù)吹轉(zhuǎn)爐最佳攪拌效果所對應(yīng)的結(jié)

5、構(gòu)參數(shù)與工藝參數(shù)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明聚合射流氧槍可以達(dá)到頂?shù)讖?fù)吹的攪拌效果，如能在轉(zhuǎn)爐冶煉工藝中應(yīng)用，可取消底吹系統(tǒng)，簡化轉(zhuǎn)爐設(shè)備，提高轉(zhuǎn)爐爐齡，可引領(lǐng)轉(zhuǎn)爐煉鋼技術(shù)的變革。
　　 目前，聚合射流氧槍技術(shù)僅在國內(nèi)寶鋼等幾家電爐上得到初步應(yīng)用，其技術(shù)尚未公開。該項(xiàng)技術(shù)在轉(zhuǎn)爐煉鋼上的應(yīng)用，國外仍處于工業(yè)試驗(yàn)階段，而國內(nèi)尚屬空白。為此針對超音速聚合射流氧槍射流行為特征的數(shù)學(xué)物理模擬研究將為研制聚合射流氧槍和其在電爐及轉(zhuǎn)爐中的應(yīng)用起到一定的借鑒