D0I:10.13374/1.issnl00103.2009.s1.035 第31卷增刊1 北京科技大学学报 Vol.31 Suppl.1 2009年12月 Journal of University of Science and Technology Beijing Dee.2009 转炉炼钢氧气射流技术 李存牢12)朱荣1,3)王慧霞3) 韩丽辉)石立光12) 1)北京科技大学治金与生态工程学院，北京1000832)河南安阳钢铁集团公司，安阳55004 3)北京科技大学生态与循环冶金教有部重点实验室，北京100083 摘要为了研究转炉炼钢氧气射流的应用情况，利用FLUENT软件模拟研究了集束氧气射流，并对比了集束射流和超音 速射流的射流特性·在某厂351转炉进行了集束射流的初步工业试验.试验结果表明：使用集束氧枪后的转炉炼钢脱磷效率 提高，钢铁料消耗及氧气消耗均有所下降 关键词转炉炼钢：集束氧枪；数值模拟 Oxygen jet technology in BOF LI Cun-lo.ZHU Rong3).WANG Hui-xia3).HAN Li-hui).SHI Li-guang2) 1)School of Metallurgical and Ecological Engineering University of Science and Technology Beijing Beijing 100083.China 2)Anyang Iron and Steel Co.Ltd..Anyang 455004.China 3)Key Laboratory of Ecological and Recycle Metallurgy of Education Ministry.University of Science and Technology Beijing.Beijing 100083.China ABSTRACT In order to study the oxygen jet in BOF steelmaking.the software FLUENT was used to simulate the characteristic of coherent jet oxygen lance and common oxygen lance.The advantage of coherent jet oxygen lance was proved by comparing the char- acteristic of the two lances.In a 35t converter,coherent jet oxygen lance carried out a preliminary industrial test.The results demon- strated that the coherent jet oxygen lance solved the behavior of high phosphorus successfully.and the consumptions of steel stuff and oxygen were declined. KEY WORDS BOF steelmaking:coherent jet oxygen lance:numerical simulation 鉴于转炉冶炼环境的高温等特殊条件]，无 孔超音速射流氧枪处于恶劣的工作环境， 法直接观察炉内钢液的流动，对超音速氧气射流特 目前，对转炉用集束射流氧枪研究的单位还比 性参数的计算通常采用经验或理论公式；或采用冷 较少，但是Cojt技术有望成为新一代转炉炼钢的 态实验的方法对转炉氧枪的射流流场进行研究，结 吹氧技术[].在国外，Praxair公司目前正在转炉上 果相对粗略。近年来数值模拟技术的迅速发展，使 进行应用试验[]，第一批测试转炉集束射流系统 得转炉氧枪的射流流场特性得到更深入的研究，突 的钢厂是伊斯帕特内陆公司的印地安纳钢厂和美国 破了实验模拟的局限性 钢铁公司加里厂，但是，试验结果至今未见报道.据 近年来，集束射流技术(Cojt技术)在电炉炼钢 称，初期效果良好，正进行进一步的工艺改进和 工艺中得到了良好的应用，如将它移植到转炉炼钢， 调整， 对于传统的转炉钢厂而言，每年有可能带来约1500 在国内，北京科技大学自2005年起，对转炉用 万美元的经济效益3.集束射流氧枪较好地解决 集束射流技术进行了系统的研究，采用数值模拟软 了超音速氧枪存在的缺陷。即氧气射流的穿透能力 件进行了模拟，发现在消耗同等氧气的条件下，集束 较弱，同样的供氧能力，超音速氧枪的操作枪位较 射流氧枪的效果明显优于超音速射流氧枪9101.并 低，使得在钢液脱碳的同时脱磷能力降低，也使得多 且于2008年6月在河南省安阳钢铁集团公司第二 收稿日期：2009-08-01 作者简介：李存牢(1960-)男，博士研究生，E mail:cici521369@yahoo-cm
转炉炼钢氧气射流技术 李存牢12） 朱 荣13） 王慧霞13） 韩丽辉1） 石立光12） 1） 北京科技大学冶金与生态工程学院北京100083 2） 河南安阳钢铁集团公司安阳455004 3） 北京科技大学生态与循环冶金教育部重点实验室北京100083 摘 要 为了研究转炉炼钢氧气射流的应用情况利用 FLUENT 软件模拟研究了集束氧气射流并对比了集束射流和超音 速射流的射流特性．在某厂35t 转炉进行了集束射流的初步工业试验．试验结果表明：使用集束氧枪后的转炉炼钢脱磷效率 提高钢铁料消耗及氧气消耗均有所下降． 关键词 转炉炼钢；集束氧枪；数值模拟 Oxygen jet technology in BOF LI Cun-lao 12）ZHU Rong 13）W A NG Hu-i xia 13）HA N L-i hui 1）SHI L-i guang 12） 1） School of Metallurgical and Ecological EngineeringUniversity of Science and Technology BeijingBeijing100083China 2） Anyang Iron and Steel Co．Ltd．Anyang455004China 3） Key Laboratory of Ecological and Recycle Metallurgy of Education MinistryUniversity of Science and Technology BeijingBeijing100083China ABSTRACT In order to study the oxygen jet in BOF steelmakingthe software FLUENT was used to simulate the characteristic of coherent jet oxygen lance and common oxygen lance．T he advantage of coherent jet oxygen lance was proved by comparing the characteristic of the two lances．In a35t convertercoherent jet oxygen lance carried out a preliminary industrial test．T he results demonstrated that the coherent jet oxygen lance solved the behavior of high phosphorus successfullyand the consumptions of steel stuff and oxygen were declined． KEY WORDS BOF steelmaking；coherent jet oxygen lance；numerical simulation 收稿日期：2009-08-01 作者简介：李存牢（1960—）男博士研究生E-mail：cici521369＠yahoo．cn 鉴于转炉冶炼环境的高温等特殊条件［1—2］无 法直接观察炉内钢液的流动．对超音速氧气射流特 性参数的计算通常采用经验或理论公式；或采用冷 态实验的方法对转炉氧枪的射流流场进行研究结 果相对粗略．近年来数值模拟技术的迅速发展使 得转炉氧枪的射流流场特性得到更深入的研究突 破了实验模拟的局限性． 近年来集束射流技术（Cojet 技术）在电炉炼钢 工艺中得到了良好的应用如将它移植到转炉炼钢 对于传统的转炉钢厂而言每年有可能带来约1500 万美元的经济效益［3—4］．集束射流氧枪较好地解决 了超音速氧枪存在的缺陷．即氧气射流的穿透能力 较弱同样的供氧能力超音速氧枪的操作枪位较 低使得在钢液脱碳的同时脱磷能力降低也使得多 孔超音速射流氧枪处于恶劣的工作环境． 目前对转炉用集束射流氧枪研究的单位还比 较少但是 Cojet 技术有望成为新一代转炉炼钢的 吹氧技术［5］．在国外Praxair 公司目前正在转炉上 进行应用试验［6—8］第一批测试转炉集束射流系统 的钢厂是伊斯帕特内陆公司的印地安纳钢厂和美国 钢铁公司加里厂但是试验结果至今未见报道．据 称初期效果良好正进行进一步的工艺改进和 调整． 在国内北京科技大学自2005年起对转炉用 集束射流技术进行了系统的研究采用数值模拟软 件进行了模拟发现在消耗同等氧气的条件下集束 射流氧枪的效果明显优于超音速射流氧枪［9—10］．并 且于2008年6月在河南省安阳钢铁集团公司第二 第31卷 增刊1 2009年 12月 北 京 科 技 大 学 学 报 Journal of University of Science and Technology Beijing Vol．31Suppl．1 Dec．2009 DOI:10．13374／j．issn1001－053x．2009．s1．035
Vol.31 Suppl.I 李存牢等：转炉炼钢氧气射流技术 .33 炼钢厂的35t转炉上进行了试验，初期效果良好，明 1.2不同喷头角度下熔池钢液流动情况 显降低了钢中的P含量，但是氧枪的枪龄还较短， 图2是100t转炉喷头在不同喷吹夹角下，射流 有待于进一步改进工艺及调整氧枪操作制度 搅拌熔池的钢液流动情况.对比图(a)一(d)可以看 本文采用大型计算流体力学(CFD)分析软件 出：夹角为13°时炉衬附近钢液流动方向与炉衬所 FLUENT对转炉氧气射流流场、熔池的冲击等进行 成角度最大，对炉衬的冲击最大；夹角为10°和11° 了数值模拟，并应用集束氧枪进行了初步工业试验 时炉衬附近钢液流动方向与炉衬所成角度较小；夹 1转炉炼钢超音速氧气射流的模拟 角为12°时炉衬附近钢液流动方向与炉衬所成角度 介于前两者之间. 1.1不同氧压下氧气射流速度分布 转炉炉衬侵蚀原因是多方面的，钢液对炉衬的 图1是根据100t转炉的氧枪喷头射流参数进 高速高温冲刷是最重要的原因之一，采用溅渣护炉 行数值模拟的结果。从图可以直观地看出，随着压 技术可以减小钢液对炉衬的侵蚀，有效的延长炉 力的增大，氧气的射流长度增加，在Fluent中可以 龄一3].改进砌炉方式也可以一定程度上降低炉 准确地读出距喷头不同距离所对应的射流速度，同 衬侵蚀，但这些方法都是从单方面加强炉衬抗冲击 时根据不同喷吹压力及流量可以确定射流的速度衰 能力上着手，不能从根本上减小钢液的冲击，如果 减，从而准确地控制氧枪位置， 减小与炉衬接触处附近钢液的流动速度，或者减小 流动方向与炉壁的夹角，那么炉衬所受的侵蚀将得 到有效降低 1.3距喷头不同距离处的冲击面积 1.0 从图3可以看出距喷头不同距离各处的冲击面 15 积的变化，随着喷头出口距钢液面距离增大，冲击 2.0 面积增加，通过数值模拟可以准确测量该面积的 2.5L 变化 0.6 0.7 0.80.85 0.9 压力MPa 1.4转炉钢液液面状态的模拟分析 利用Fluent软件可以模拟气体射流与液体熔 图1不同压力下氧气射流速度的分布 池的冲击变化，从图4可以看出在化渣枪位下转炉 图2喷头夹角为(a)10°，(b)11°，(c)12°，(d)13时炉衬附近钢液流动
炼钢厂的35t 转炉上进行了试验初期效果良好明 显降低了钢中的 P 含量但是氧枪的枪龄还较短 有待于进一步改进工艺及调整氧枪操作制度． 本文采用大型计算流体力学（CFD）分析软件 FLUENT 对转炉氧气射流流场、熔池的冲击等进行 了数值模拟并应用集束氧枪进行了初步工业试验． 1 转炉炼钢超音速氧气射流的模拟 图2 喷头夹角为（a）10°（b）11°（c）12°（d）13°时炉衬附近钢液流动 1∙1 不同氧压下氧气射流速度分布 图1是根据100t 转炉的氧枪喷头射流参数进 行数值模拟的结果．从图可以直观地看出随着压 力的增大氧气的射流长度增加．在 Fluent 中可以 准确地读出距喷头不同距离所对应的射流速度同 时根据不同喷吹压力及流量可以确定射流的速度衰 减从而准确地控制氧枪位置． 图1 不同压力下氧气射流速度的分布 1∙2 不同喷头角度下熔池钢液流动情况 图2是100t 转炉喷头在不同喷吹夹角下射流 搅拌熔池的钢液流动情况．对比图（a）～（d）可以看 出：夹角为13°时炉衬附近钢液流动方向与炉衬所 成角度最大对炉衬的冲击最大；夹角为10°和11° 时炉衬附近钢液流动方向与炉衬所成角度较小；夹 角为12°时炉衬附近钢液流动方向与炉衬所成角度 介于前两者之间． 转炉炉衬侵蚀原因是多方面的钢液对炉衬的 高速高温冲刷是最重要的原因之一．采用溅渣护炉 技术可以减小钢液对炉衬的侵蚀有效的延长炉 龄［11—13］．改进砌炉方式也可以一定程度上降低炉 衬侵蚀．但这些方法都是从单方面加强炉衬抗冲击 能力上着手不能从根本上减小钢液的冲击．如果 减小与炉衬接触处附近钢液的流动速度或者减小 流动方向与炉壁的夹角那么炉衬所受的侵蚀将得 到有效降低． 1∙3 距喷头不同距离处的冲击面积 从图3可以看出距喷头不同距离各处的冲击面 积的变化．随着喷头出口距钢液面距离增大冲击 面积增加通过数值模拟可以准确测量该面积的 变化． 1∙4 转炉钢液液面状态的模拟分析 利用 Fluent 软件可以模拟气体射流与液体熔 池的冲击变化．从图4可以看出在化渣枪位下转炉 Vol．31Suppl．1 李存牢等： 转炉炼钢氧气射流技术 ·33·
34 北京科技大学学报 2009年增刊1 1 (a) 63.33 0 04Fb)。-50ms 75m.s1 1× 0.5 03 +-100m.s1 16x 125m*s1 2.92× 68× +-150m-s1 43x 1.0 02 19x 95X .70x1 15 0.1 X 4.87xI0 2.0 0.2 0.6 1.01.4 18 L24 轴向距喷头出口距离m 速度(ms 距离m 图3。距喷孔不同距离上氧气射流的冲击面积.(：)冲击面积模拟示意图；(b)不同速度氧气流的冲击面积 1.00 态，为了达到保持射流集束状态的目的，在喷嘴外围 用一环氧气流包围主氧流来实现集束射流、其中环 氧气流起保护作用，使主氧流在相对较长的距离上 凝聚在一起，并保持原有的速率和直径 0 由于集束射流能量集中，具有极强的穿透金属 熔池的能力，增加了氧气对钢水的搅拌强度，因此在 0 促进钢渣反应、均匀成分与温度、减少喷溅、提高氧 气利用率、提高金属收得率方面，比超音速氧枪有更 大的优势)，同时随着穿透能力的增强，可适当提 025 88 高枪位或者减少氧气流量[16] 2.1集束氧气射流的数值模拟研究 0.10 005 根据安阳钢铁公司提供的氧枪工艺参数，集束 0 体积分数 射流氧枪喷头的参数参照原有氧枪的压力及流量设 计，分为主氧和环氧两部分，总的氧气流量等于原有 图4化渣枪位下转炉钢液液面状态 超音速氧枪的流量， 钢液液面状态，通过调整枪位可以分析枪位与脱磷 在分别模拟了全氧枪、1/4氧枪、1/8氧枪这三 脱碳的关系 种模型后，对比模拟的结果发现，三种模型的模拟结 果是相同的，本文的模拟中，采用1/8氧枪模型进 2转炉炼钢集束氧气射流的模拟 行模拟，见图5. 集束射流氧枪是应用气体力学的原理来设计 根据正交实验设计方法，模型针对安阳钢铁集 的4：喷嘴中心的主氧气流指向熔池：高的动能和 团第二炼钢厂35t转炉，使用超音速氧枪及集束氧 喷吹速度不足以使射流在较长的距离上保持集束状 枪在不同压力下进行了模拟研究，分别模拟了0.7、 (b) 图5超音速氧枪()和集束氧枪(b)的数值模拟网格划分
图3 距喷孔不同距离上氧气射流的冲击面积．（a） 冲击面积模拟示意图；（b） 不同速度氧气流的冲击面积 图4 化渣枪位下转炉钢液液面状态 图5 超音速氧枪（a）和集束氧枪（b）的数值模拟网格划分 钢液液面状态通过调整枪位可以分析枪位与脱磷 脱碳的关系． 2 转炉炼钢集束氧气射流的模拟 集束射流氧枪是应用气体力学的原理来设计 的［14］：喷嘴中心的主氧气流指向熔池；高的动能和 喷吹速度不足以使射流在较长的距离上保持集束状 态为了达到保持射流集束状态的目的在喷嘴外围 用一环氧气流包围主氧流来实现集束射流．其中环 氧气流起保护作用使主氧流在相对较长的距离上 凝聚在一起并保持原有的速率和直径． 由于集束射流能量集中具有极强的穿透金属 熔池的能力增加了氧气对钢水的搅拌强度因此在 促进钢渣反应、均匀成分与温度、减少喷溅、提高氧 气利用率、提高金属收得率方面比超音速氧枪有更 大的优势［15］．同时随着穿透能力的增强可适当提 高枪位或者减少氧气流量［16］． 2∙1 集束氧气射流的数值模拟研究 根据安阳钢铁公司提供的氧枪工艺参数集束 射流氧枪喷头的参数参照原有氧枪的压力及流量设 计分为主氧和环氧两部分总的氧气流量等于原有 超音速氧枪的流量． 在分别模拟了全氧枪、1／4氧枪、1／8氧枪这三 种模型后对比模拟的结果发现三种模型的模拟结 果是相同的．本文的模拟中采用1／8氧枪模型进 行模拟见图5． 根据正交实验设计方法模型针对安阳钢铁集 团第二炼钢厂35t 转炉使用超音速氧枪及集束氧 枪在不同压力下进行了模拟研究分别模拟了0∙7、 ·34· 北 京 科 技 大 学 学 报 2009年 增刊1
Vol.31 Suppl.I 李存牢等：转炉炼钢氧气射流技术 ,35 0.8,0.9及1.0MPa条件下的出口射流速度衰减情 束氧枪的冲击面积明显大于超音速氧枪 况与冲击面积，结果见表1. 0.152 →超音速氧枪 表1超音速氧枪与集束氧枪射流长度与冲击面积比较 0.148 ◆一集束氧枪 0.144 超音速氧 集束氧枪 超音速氧枪 集束氧枪 压力/ 枪的射流 射流长度/ 冲击面积/ 冲击面积/ 自0140 MPa 题0.136 长度/m m m2 2 50.132 0.7 0.25 0.45 0.119 0.134 号0.128 0.8 0.35 0.55 0.124 0.142 0.124 0.9 0.40 0.65 0.129 0.146 0.120 1.0 0.55 0.80 0.134 0.152 0.65 0.75 0.85 0.95 1.05 压力MPa 图6是利用FLUENT软件模拟了在O.8MPa 图8超音速射流与集束射流的冲击面积对比图 压力条件下，超音速氧气射流和集束氧气射流的速 度场图.从图可以看出集束氧枪可以保持更长的高 2.2集束氧枪的工业试验 速气流， 为了验证集束氧枪的冶炼性能及数值模拟方法 的可行性，在安阳钢铁公司第二炼钢厂35t转炉进 超音速氧枪 行了初步工业试验，其35t转炉冶炼的基本情况 如下： (1)供氧强度大，吹炼时间短，石灰质量差，转 300 250200150 100 炉前期来渣晚，渣钢反应时间短，影响转炉脱硫脱磷 速度ms月 能力，多次出现磷含量过高情况： 300 250200150 100 (2)炉龄10000炉以后，炉衬砖基本侵蚀完，炉 膛很大，溅渣护炉效果不佳，炉衬侵蚀快 其中厂方最为关心的是脱磷问题，而实现脱磷 集束氧枪 的工艺条件是提高枪位或是降低吹氧量，对于使用 超音速氧枪来说，无论是提高枪位还是降低吹氧量 图6超音速氧气射流与集束氧气射流的速度场 都无法使脱碳和脱磷同时进行，影响生产的节奏，但 是使用通过数值模拟优化设计的集束氧枪就能成功 图7是根据图6的模拟结果，在0.8MPa压力 解决生产中磷含量过高的问题，因为集束氧枪的特 条件下做出的轴向距出口距离的气体速度对比图. 点就是穿透能力比超音速氧枪强，同时冲击面积也 由图可以看出在距出口距离相同处集束氧枪的射流 比超音速氧枪大，能使脱碳、脱磷同时进行，所以可 速度明显大于超音速氧枪 以在原吹氧量不变的情况下适当提高氧枪枪位，或 550 者在保持原有枪位的基础上降低氧气的喷吹量， ◆一超音速氧枪 450 ◆一集束氧枪 由表1可以看出，使用根据安阳钢铁公司第二 炼钢厂35t转炉的工艺参数设计的集束氧枪的枪位 350 可以比原有的超音速氧枪枪位高200mm左右， 250 根据模拟结果，综合集束氧枪的特点及现场工 人的操作习惯，初步制订了适合集束氧枪的操作制 150 度，即：在冶炼的各个阶段，保持原有的操作压力及 50 00.51.0152.02.53.0 氧气流量，将操作的枪位提高200mm 轴向距喷头出口距离m 将使用集束氧枪试验后的数据与超音速氧枪的 治炼数据整理比较，见表2. 图7超音速射流与集束射流的速度对比图 由表2可以看出：集束氧枪脱磷能力大大提高， 图8是根据图6的模拟结果而做出的不同压力 钢中平均P含量与超音速氧枪相比降低了38.5%， 下冲击面积的对比图，由图可以看出相同压力下集 同时终点C含量与超音速氧枪基本相同，这说明集
0∙8、0∙9及1∙0MPa 条件下的出口射流速度衰减情 况与冲击面积结果见表1． 表1 超音速氧枪与集束氧枪射流长度与冲击面积比较 压力／ MPa 超音速氧 枪的射流 长度／m 集束氧枪 射流长度／ m 超音速氧枪 冲击面积／ m 2 集束氧枪 冲击面积／ m 2 0∙7 0∙25 0∙45 0∙119 0∙134 0∙8 0∙35 0∙55 0∙124 0∙142 0∙9 0∙40 0∙65 0∙129 0∙146 1∙0 0∙55 0∙80 0∙134 0∙152 图6是利用 FLUENT 软件模拟了在0∙8MPa 压力条件下超音速氧气射流和集束氧气射流的速 度场图．从图可以看出集束氧枪可以保持更长的高 速气流． 图6 超音速氧气射流与集束氧气射流的速度场 图7是根据图6的模拟结果在0∙8MPa 压力 条件下做出的轴向距出口距离的气体速度对比图． 由图可以看出在距出口距离相同处集束氧枪的射流 速度明显大于超音速氧枪． 图7 超音速射流与集束射流的速度对比图 图8是根据图6的模拟结果而做出的不同压力 下冲击面积的对比图由图可以看出相同压力下集 束氧枪的冲击面积明显大于超音速氧枪． 图8 超音速射流与集束射流的冲击面积对比图 2∙2 集束氧枪的工业试验 为了验证集束氧枪的冶炼性能及数值模拟方法 的可行性在安阳钢铁公司第二炼钢厂35t 转炉进 行了初步工业试验其35t 转炉冶炼的基本情况 如下： （1） 供氧强度大吹炼时间短石灰质量差转 炉前期来渣晚渣钢反应时间短影响转炉脱硫脱磷 能力多次出现磷含量过高情况； （2） 炉龄10000炉以后炉衬砖基本侵蚀完炉 膛很大溅渣护炉效果不佳炉衬侵蚀快． 其中厂方最为关心的是脱磷问题而实现脱磷 的工艺条件是提高枪位或是降低吹氧量．对于使用 超音速氧枪来说无论是提高枪位还是降低吹氧量 都无法使脱碳和脱磷同时进行影响生产的节奏但 是使用通过数值模拟优化设计的集束氧枪就能成功 解决生产中磷含量过高的问题．因为集束氧枪的特 点就是穿透能力比超音速氧枪强同时冲击面积也 比超音速氧枪大能使脱碳、脱磷同时进行所以可 以在原吹氧量不变的情况下适当提高氧枪枪位或 者在保持原有枪位的基础上降低氧气的喷吹量． 由表1可以看出使用根据安阳钢铁公司第二 炼钢厂35t 转炉的工艺参数设计的集束氧枪的枪位 可以比原有的超音速氧枪枪位高200mm 左右． 根据模拟结果综合集束氧枪的特点及现场工 人的操作习惯初步制订了适合集束氧枪的操作制 度即：在冶炼的各个阶段保持原有的操作压力及 氧气流量将操作的枪位提高200mm． 将使用集束氧枪试验后的数据与超音速氧枪的 冶炼数据整理比较见表2． 由表2可以看出：集束氧枪脱磷能力大大提高 钢中平均 P 含量与超音速氧枪相比降低了38∙5％ 同时终点 C 含量与超音速氧枪基本相同这说明集 Vol．31Suppl．1 李存牢等： 转炉炼钢氧气射流技术 ·35·
.36 北京科技大学学报 2009年增刊1 束氧枪脱碳、脱磷同时进行，冶炼效果良好，同时， 分析可知：集束氧枪与超音速氧枪相比，主氧气 吨钢耗氧量平约下降0.45m3t1,钢铁消耗量平均 流接触到的气流不再是无动能的气体，而是具有一 下降3.4kg,可见利用集束氧枪不仅能收到良好的 部分动能的气体，这样主氧与保护气体再进行动量 冶炼效果，还能降低生产成本 交换时，其动能大部分保留下来，保护气流不但减缓 表2超音速氧枪与集束射流氧枪冶炼参数比较 了主氧气流与外界接触的时间，更使得主氧气流的 动能得到最大程度的保留[3]；环高温气体的集束射 吨钢耗氧 平均钢铁终点C质量平均P质量 氧枪 量/m3 消耗量/kg分数/% 分数/% 流与环常温氧气的集束射流相比，前者引导介质温 度高，由气体状态方程可知，在相同压力下，气体温 超音速氧枪 57.65 1072.61 0.05817 0.026 度升高，密度降低，所以前者引导介质密度低于后 集束氧枪 57.20 1069.21 0.05879 0.016 者.当主氧射流吸卷低密度且具有同向速度的气体 向前运动时，所受阻力小，密度减小慢，射流聚合度 3 集束射流技术的研究 高，射流速度衰减慢，因此能保持较长的高速射 3.1转炉炼钢集束射流技术的研究 流区， 集束氧枪的保护气体（引导介质）可以是常温氧 3.2集束射流技术的延伸应用 气，也可以是高温燃烧产物1一8]，但哪种气体的保 集束射流技术的应用可以进一步拓宽到其他领 护效果更好，模型针对三孔氧枪利用二维的数值模 域，根据理论计算，高音速射流的喷吹速度达到 拟，对几种氧枪进行研究， 1360ms时，喷吹压力将达到15MPa以上，目前 本文模拟了当主氧管喷吹压力为0.8MPa,总 的管道输送及气体增压成本难以承受，采用集束射 的流量相同的情况下，超音速氧枪、采用常温氧气作 流技术，可在较低压力下实现超高音速. 为保护气的纯氧集束氧枪及采用高温燃烧气体作为 4结论 保护气的燃气集束氧枪的射流速度衰减情况，模拟 计算结果表明：首先集束氧枪的射流比超音速氧枪 利用FLUENT软件进行不同伴随压力下射流 射流长，射流衰减慢，射流也更加集中；而燃气集束 流场的速度衰减情况及两相流的模拟，通过模拟结 氧枪比纯氧集束氧枪，在总流量相同的情况下，能够 果可以分析出氧枪喷头的不同角度对于钢液的流动 得到更长的高速射流， 及炉壁的冲刷情况的影响，也可以准确读出距喷头 图9为三种氧枪射流速度衰减情况，由上到下 不同距离处的冲击面积， 依次为超音速氧枪、纯氧集束氧枪及燃气集束氧枪， 集束射流技术作为一种已经在电炉炼钢工艺中 纯氧温度为298℃，燃烧气体温度为1500℃.模拟 成功应用的技术，在转炉中也得到了初步应用，试验 效果良好，与超音速氧枪相比，脱磷能力大大提高， 结果表明：三者射流衰减速度由上到下依次减弱，燃 气集束氧枪的射流最长，其核心段长度比纯氧集束 氧气的消耗量与钢铁消耗量也有所下降，证明转炉 用集束氧枪的优势，势必成为今后转炉氧枪发展的 氧枪的核心段长0.6m,比超音速氧枪的核心段长 0.8m左右： 一个重要方向 射流速度/(ms 参考文献 52104156208260312364416458520 [1]Chen JX.Iron and Steel Metallurgy.Beijing:Metallurgical In- dustry Press,1990:140 (陈家祥.钢铁冶金学.北京：冶金工业出版社，1990：140) [2]Tan M T.BOF Steelmaking Equipment.Beijing:China Ma chine Press,1983:20 b (谭牧田.氧气转炉炼钢设备.北京：机械工业出版社，1983：20) [3]Joann C.Praxair's BOF CoJet technology attracts attention.Iron Steel Soc,2001(3):29 c) [4]Lin WW,Zhou J P.Sun Y,et al.Results of Cojet technology on hot metal operation at Baosteel,China//AISTech 2005-Iron and Steel Technology Conference Proceedings.Association for 图9三种氧枪射流速度衰减图·(a)超音速氧枪；(b)纯氧集束 Iron and Steel Technology,2005(1):563 氧枪：(c)燃气集束氧枪 [5]Cheng C J.Shen M G.SuZ J.Feature of qxygen lance of coher-
束氧枪脱碳、脱磷同时进行冶炼效果良好．同时 吨钢耗氧量平约下降0∙45m 3·t —1钢铁消耗量平均 下降3∙4kg可见利用集束氧枪不仅能收到良好的 冶炼效果还能降低生产成本． 表2 超音速氧枪与集束射流氧枪冶炼参数比较 氧枪 吨钢耗氧 量／m 3 平均钢铁 消耗量／kg 终点 C 质量 分数／％ 平均 P 质量 分数／％ 超音速氧枪 57∙65 1072∙61 0∙05817 0∙026 集束氧枪 57∙20 1069∙21 0∙05879 0∙016 3 集束射流技术的研究 3∙1 转炉炼钢集束射流技术的研究 集束氧枪的保护气体（引导介质）可以是常温氧 气也可以是高温燃烧产物［17—18］但哪种气体的保 护效果更好模型针对三孔氧枪利用二维的数值模 拟对几种氧枪进行研究． 本文模拟了当主氧管喷吹压力为0∙8MPa总 的流量相同的情况下超音速氧枪、采用常温氧气作 为保护气的纯氧集束氧枪及采用高温燃烧气体作为 保护气的燃气集束氧枪的射流速度衰减情况．模拟 计算结果表明：首先集束氧枪的射流比超音速氧枪 射流长射流衰减慢射流也更加集中；而燃气集束 氧枪比纯氧集束氧枪在总流量相同的情况下能够 得到更长的高速射流． 图9 三种氧枪射流速度衰减图．（a） 超音速氧枪；（b） 纯氧集束 氧枪；（c） 燃气集束氧枪 图9为三种氧枪射流速度衰减情况由上到下 依次为超音速氧枪、纯氧集束氧枪及燃气集束氧枪． 纯氧温度为298℃燃烧气体温度为1500℃．模拟 结果表明：三者射流衰减速度由上到下依次减弱燃 气集束氧枪的射流最长其核心段长度比纯氧集束 氧枪的核心段长0∙6m比超音速氧枪的核心段长 0∙8m 左右． 分析可知：集束氧枪与超音速氧枪相比主氧气 流接触到的气流不再是无动能的气体而是具有一 部分动能的气体这样主氧与保护气体再进行动量 交换时其动能大部分保留下来保护气流不但减缓 了主氧气流与外界接触的时间更使得主氧气流的 动能得到最大程度的保留［23］；环高温气体的集束射 流与环常温氧气的集束射流相比前者引导介质温 度高由气体状态方程可知在相同压力下气体温 度升高密度降低所以前者引导介质密度低于后 者．当主氧射流吸卷低密度且具有同向速度的气体 向前运动时所受阻力小密度减小慢射流聚合度 高射流速度衰减慢因此能保持较长的高速射 流区． 3∙2 集束射流技术的延伸应用 集束射流技术的应用可以进一步拓宽到其他领 域．根据理论计算高音速射流的喷吹速度达到 1360m·s —1时喷吹压力将达到15MPa 以上目前 的管道输送及气体增压成本难以承受．采用集束射 流技术可在较低压力下实现超高音速． 4 结论 利用 FLUENT 软件进行不同伴随压力下射流 流场的速度衰减情况及两相流的模拟通过模拟结 果可以分析出氧枪喷头的不同角度对于钢液的流动 及炉壁的冲刷情况的影响也可以准确读出距喷头 不同距离处的冲击面积． 集束射流技术作为一种已经在电炉炼钢工艺中 成功应用的技术在转炉中也得到了初步应用试验 效果良好．与超音速氧枪相比脱磷能力大大提高 氧气的消耗量与钢铁消耗量也有所下降证明转炉 用集束氧枪的优势势必成为今后转炉氧枪发展的 一个重要方向． 参 考 文 献 ［1］ Chen J X．Iron and Steel Metallurgy．Beijing：Metallurgical Industry Press1990：140 （陈家祥．钢铁冶金学．北京：冶金工业出版社1990：140） ［2］ Tan M T．BOF Steelmaking Equipment．Beijing：China Machine Press1983：20 （谭牧田．氧气转炉炼钢设备．北京：机械工业出版社1983：20） ［3］ Joann C．Praxair’s BOF CoJet technology attracts attention．Iron Steel Soc2001（3）：29 ［4］ Lin W WZhou J PSun Yet al．Results of Cojet technology on hot metal operation at BaosteelChina∥ AISTech 2005-Iron and Steel Technology Conference Proceedings．Association for Iron and Steel Technology2005（1）：563 ［5］ Cheng C JShen M GSu Z J．Feature of qxygen lance of coher- ·36· 北 京 科 技 大 学 学 报 2009年 增刊1
Vol.31 Suppl.1 李存牢等：转炉炼钢氧气射流技术 .37. ent jet and its application.Steelmaking.2002.18(5):47 splashing protection technology for 150t BOF.Iron Steel Res, (程长建，沈明钢，苏在静聚合射流氧枪技术的特点及其应用， 2007(5):9 炼钢，2002,18(5)：47) (王书恒，张响，梁娟，等。1501氧气顶吹转炉溅渣护炉试验研 [6]Antonio S I.Flavio V J.New era of productivity in BOF installa- 究.钢铁研究，2007(5)：9) tions running with a CoJet gas injection system-A technological [13]Metzen A.Bunemann G.Greinacher J.et al.Oxygen technolo- revolution//Iron and Steel Technology Conference Proceedings. gy for highly efficient electric are steelmaking.MPT Int.2000 Association for Iron and Steel Technology,2004:737 (4):85 [7]Messina C J.Kelly J.Riley M F.The results of four years of [14]Mathur P C.Cojet technology principles and actual results from commercial operations for Praxair's BOF CoJet gas injection sys recent installations.AISE Steel Technol,2001.78(5):21 temProceedings of the Iron and Steel Technology Conference. [15]Messina C J.Kelly J.Riley M F.The results of four years of Association for Iron and Steel Technology,AISTECH.Warren- dale.United States.2006:703 commercial operations for Praxair's BOF CoJet gas injection sys tem//Iron and Steel Technology Conference Proceedings.Asso [8]Warty S K.Mathur P.Praxair's CoJet gas injection system- Delivering benefits and gaining useful knowledge for future en- ciation for Iron and Steel Technology.2006,703 hancements.fron Steelmaker,2003,30(3):23 [16]Tan Z L.Guo Y K.The application of carbon oxygen lance to [9]Tu H.Hong X.Li C R.Effect of coherent jet characteristics on electric furnace.Henan Metall.2006.14 (Supplement):93 converter steelmaking.Spec Steel.2002.(6):7 (谈知良，郭元奎，炉壁集束碳氧枪在电炉中的应用河南治 (屠海，洪新，李长荣.集束氧枪射流特性对转炉炼钢过程的影 金，2006,14(Supplement):93) 响.特殊钢，2002(6)：7) [17]Zhang G,Zhu R.Han L H.Numerical simulation on oxygen [10]Chi G Y.Lu D W,Zhu R.Numerical simulation of oxygen stream field of coherent jet oxygen lance and application to a 70t lance of convertor for vanadium extraction//The National Con- are furnace.Spec Steel.2006.27(5):46 ference on Metallurgy Physical Chemistry.Guiyang 2008 (张贵，朱荣，韩丽辉。70：电弧炉炼钢集束射流氧枪流场的数 (迟桂友，卢帝维，朱荣，等.承钢提钒氧枪的数值模拟.2008 值模拟及应用.特殊钢，2006,27(5)：46) 年全国冶金物理化学学术会议论文集.贵阳，2008) [18]Tang C Y,Ma Q Y.The analysis of the flame envelope property [11]Luomala M J.Fabritius T M J,Virtanen E O,et al.Physical in coherent jet oxygen lance.Energy Metall Ind.2005.24(6): model study of selective slag splashing in the BOF.ISIJ Int. 14 2002,42,1219 (唐初阳，马庆元·燃气伴随射流在凝聚射流氧枪工作中的性 [12]Wang S H.Zhang X.Liang J.et al.Experimental study on slag 状分析.冶金能源，2005,24(6)：14)
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