工程科学学报.第42卷.增刊1：76-82.2020年12月 Chinese Journal of Engineering,Vol.42,Suppl.1:76-82,December 2020 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2020.03.20.s17;http://cje.ustb.edu.cn 集束氧枪结构参数对射流流场分布特征的影响 魏光升)，朱荣12)，陈书江)，刘福海2,4)区，董凯，姚柳洁) 1)北京科技大学治金与生态工程学院，北京1000832)北京科技大学流体与材料相互作用教有部重点实验室，北京1000833)扬州高立 达科技产业有限公司.扬州2258004)北京科技大学国家材料服役安全科学中心.北京100083 ☒通信作者，E-mail:liufuhaisteel@126.com 摘要采用数值模拟及热态燃烧实验方法，分析了3种不同集束氧枪末端几何结构在常温及高温条件下的射流速度场及 温度场分布特性，并重点研究了常用枪位条件下射流动压对熔池的冲击形貌特点的影响.研究结果表明，采用收束式约束集 束氧枪可有效抑制射流能量向径向的扩散，从而延长伴随流高温区长度，达到提高超音速射流核心段长度及熔池搅拌效果的 目的. 关键词集束射流；流场：燃烧试验；数值模拟 分类号TG142.71 Flow field characteristics of a coherent jet using various lance tip structures WEI Guang-sheng,ZHU Rong2),CHENG Shu-jiang,LIU Fu-ha,DONG Kai,YAO Liu-jie 1)School of Metallurgical and Ecological Engineering,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China 2)Key Laboratory of Fluid Interaction with Material (Ministry of Education),University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China 3)Yanzhou Gaolida Co.Ltd.,Yanzhou 225800.China 4)National Center for Materials Service Safety.University of Science and Technology Beijing.Beijing 00083,China Corresponding author,E-mail:liufuhaisteel@126.com ABSTRACT Coherent lances have been playing an extremely important role in the process of supplying oxygen to an electrical arc furnace,which has been widely used in metallurgy,and its metallurgical and operational benefits have been well reported.When compared with the conventional supersonic oxygen lance,the coherent lance could increase the oxygen utilization rate,strengthen penetration ability,and achieve a good stirring effect.However,there was limited research about the flow field characteristics of a coherent jet using different restriction structures for a coherent lance tip.This paper analyzed velocity and temperature profiles at various parameters and conditions.Both numerical simulation and combustion experiment have been carried out to investigate the velocity and temperature profiles using three kinds of restriction structures at room and high ambient temperature conditions.Further,the impact diameter and depth of the molten bath have also been analyzed at a certain lance height.The result shows that the restriction structure could delay energy transmission in a radial direction,which enlarges a high-temperature zone in an axial direction,resulting in the increase of the velocity potential core length and the improvement of the mixing ability of the main oxygen jet. KEY WORDS coherent lance;flow field;numerical simulation;combustion experiment 氧枪作为转炉及电弧炉炼钢的关键供氧设备 氧气射流可有效穿透渣层，使熔池内部钢液得到 广泛应用于国内外冶金行业，其所形成的超音速 充分搅拌-刘在超音速氧气射流由瓦拉尔喷管到 收稿日期：2020-03-20 基金项目：国家自然科学基金资助项目(51804028)：中央高校基本科研业务资助项目(FRF-TP.17-007A1)集束氧枪结构参数对射流流场分布特征的影响 魏光升1)，朱    荣1,2)，陈书江3)，刘福海2,4) 苣，董    凯1)，姚柳洁1) 1) 北京科技大学冶金与生态工程学院，北京 100083    2) 北京科技大学流体与材料相互作用教育部重点实验室，北京 100083    3) 扬州高立 达科技产业有限公司，扬州 225800    4) 北京科技大学国家材料服役安全科学中心，北京 100083 苣通信作者，E-mail：liufuhaisteel@126.com 摘    要    采用数值模拟及热态燃烧实验方法，分析了 3 种不同集束氧枪末端几何结构在常温及高温条件下的射流速度场及 温度场分布特性，并重点研究了常用枪位条件下射流动压对熔池的冲击形貌特点的影响. 研究结果表明，采用收束式约束集 束氧枪可有效抑制射流能量向径向的扩散，从而延长伴随流高温区长度，达到提高超音速射流核心段长度及熔池搅拌效果的 目的. 关键词    集束射流；流场；燃烧试验；数值模拟 分类号    TG142.71 Flow field characteristics of a coherent jet using various lance tip structures WEI Guang-sheng1) ，ZHU Rong1,2) ，CHENG Shu-jiang3) ，LIU Fu-hai2,4) 苣 ，DONG Kai1) ，YAO Liu-jie1) 1) School of Metallurgical and Ecological Engineering, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China 2) Key Laboratory of Fluid Interaction with Material (Ministry of Education), University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China 3) Yanzhou Gaolida Co. Ltd., Yanzhou 225800, China 4) National Center for Materials Service Safety, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China 苣 Corresponding author, E-mail: liufuhaisteel@126.com ABSTRACT    Coherent lances have been playing an extremely important role in the process of supplying oxygen to an electrical arc furnace,  which  has  been  widely  used  in  metallurgy,  and  its  metallurgical  and  operational  benefits  have  been  well  reported.  When compared  with  the  conventional  supersonic  oxygen  lance,  the  coherent  lance  could  increase  the  oxygen  utilization  rate,  strengthen penetration  ability,  and  achieve  a  good  stirring  effect.  However,  there  was  limited  research  about  the  flow  field  characteristics  of  a coherent jet using different restriction structures for a coherent lance tip. This paper analyzed velocity and temperature profiles at various parameters and conditions. Both numerical simulation and combustion experiment have been carried out to investigate the velocity and temperature  profiles  using  three  kinds  of  restriction  structures  at  room  and  high  ambient  temperature  conditions.  Further,  the  impact diameter and depth of the molten bath have also been analyzed at a certain lance height. The result shows that the restriction structure could  delay  energy  transmission  in  a  radial  direction,  which  enlarges  a  high-temperature  zone  in  an  axial  direction,  resulting  in  the increase of the velocity potential core length and the improvement of the mixing ability of the main oxygen jet. KEY WORDS    coherent lance；flow field；numerical simulation；combustion experiment 氧枪作为转炉及电弧炉炼钢的关键供氧设备 广泛应用于国内外冶金行业，其所形成的超音速 氧气射流可有效穿透渣层，使熔池内部钢液得到 充分搅拌[1−2] . 在超音速氧气射流由瓦拉尔喷管到 收稿日期: 2020−03−20 基金项目: 国家自然科学基金资助项目（51804028）；中央高校基本科研业务资助项目（FRF-TP-17-007A1） 工程科学学报，第 42 卷，增刊 1：76−82，2020 年 12 月 Chinese Journal of Engineering, Vol. 42, Suppl. 1: 76−82, December 2020 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2020.03.20.s17; http://cje.ustb.edu.cn