52 工程科学学报.第42卷，增刊1 枪安装角度的增大，熔池内射流水平冲击深度明 体射流在水平方向上冲击深度较小，所以在现场 显减少.由图6可知，气体喷吹流量由200m3h1 生产过程中需选择合理的喷枪埋人深度及安装 增加至600m3h,当喷枪安装角度为0时，水平 角度 冲击深度增加约219mm,当喷枪安装角度为 3.3粉剂颗粒对埋入式气体喷吹射流的影响 15时，水平冲击深度增加约68mm,增大幅度逐渐 图7为喷枪安装角度为10时气体与气-固喷 减少.另一方面，喷枪安装角度由0增加至15°，当 吹冲击深度对比情况.由图可知，随着粉剂的加 喷吹流量为200m3h时，水平冲击深度减少约 入，气-固射流的冲击深度比纯气体射流无论在水 44mm,当喷吹流量为600m3h时，水平冲击深度 平方向和竖直方向均有较为明显的提升，且随着 减少约195mm,减小幅度明显增大.虽然随喷 气体流量的增加冲击深度增加幅度较大.在本实 枪安装角度增大，气体射流在熔池内运动距离更 验中，随着气体流量增加，气-固喷吹粉气比减小， 长，更有利于对熔池内钢液进行搅拌，但会导致气 气-固喷吹射流冲击动能较气体喷吹变化明显 500 250 (a) Gas injection (b) Gas injection Gas-solid injection (10 kg min-) Gas-solid injection(10 kgmin-) 400 200 338.52 301.68% 150.84 300 267.84 150 133.68 241.682 200 181.44194.76 100 83.6491.68 60.0062.52 100 200 400 600 200 400 600 Gas flow rate/(m3h) Gas flow rate/(m3.h) 图7()埋人式气-固喷吹与气体喷吹水平冲击深度数值模拟结果对比：(b)埋人式气-固喷吹与气体喷吹竖直冲击深度数值模拟结果对比 Fig.7 Comparison of the numerical simulation results of(a)horizontal impact depth between submerged gas-solid injection and gas injection and (b)vertical impact depth between submerged gas-solid injection and gas injection 图8为气体喷吹流量为12m3h1时，粉剂喷 竖直冲击深度增加 吹速率对熔池内气体喷吹射流冲击深度的影响 4结论 可以发现，相较于纯气体喷吹，气-固喷吹无论是 水平还是竖直冲击深度都要更远，且喷吹少量粉 本文基于数值模拟和水模型实验研究分析了金 剂就可使冲击深度发生较为明显的变化，且在一 属熔池埋入式气体喷吹和气-固喷吹的冲击特征规 定范围内随着粉剂喷吹量的增加，射流的水平及 律，分析了粉剂颗粒对气体射流冲击特性的影响 520(a) ☐0° 45 ▣ b)0° ---0 --0 ○10° O10° 0 480 35 Q 440 30 ◇ 25 400 20 360 10 G 320 20 40 60 20 40 60 Powder injection rate/(g-min) Powder injection rate/(g-min) 图8()水平冲击深度随喷粉速率的变化：(b)竖直冲击深度随喷粉速率的变化 Fig.8 Relation impact depth and powder injection rate:(a)horizontal impact depth;(b)vertical impact depth枪安装角度的增大，熔池内射流水平冲击深度明 显减少. 由图 6 可知，气体喷吹流量由 200 m3 ·h−1 增加至 600 m3 ·h−1，当喷枪安装角度为 0°时，水平 冲 击 深 度 增 加 约 219  mm， 当 喷 枪 安 装 角 度 为 15°时，水平冲击深度增加约 68 mm，增大幅度逐渐 减少. 另一方面，喷枪安装角度由 0°增加至 15°，当 喷吹流量为 200 m3 ·h−1 时，水平冲击深度减少约 44 mm，当喷吹流量为 600 m3 ·h−1 时，水平冲击深度 减少约 195 mm，减小幅度明显增大. 虽然随喷 枪安装角度增大，气体射流在熔池内运动距离更 长，更有利于对熔池内钢液进行搅拌，但会导致气 体射流在水平方向上冲击深度较小，所以在现场 生产过程中需选择合理的喷枪埋入深度及安装 角度. 3.3    粉剂颗粒对埋入式气体喷吹射流的影响 图 7 为喷枪安装角度为 10°时气体与气–固喷 吹冲击深度对比情况. 由图可知，随着粉剂的加 入，气–固射流的冲击深度比纯气体射流无论在水 平方向和竖直方向均有较为明显的提升，且随着 气体流量的增加冲击深度增加幅度较大. 在本实 验中，随着气体流量增加，气–固喷吹粉气比减小， 气–固喷吹射流冲击动能较气体喷吹变化明显. 181.44 241.68 301.68 194.76 267.84 338.52 200 400 600 0 100 200 300 400 500 (a) Horizontal impact depth/mm Gas flow rate/(m3 ·h−1 ) Gas injection Gas-solid injection (10 kg·min−1 ) Gas flow rate/(m3 ·h−1 ) 60.00 83.64 133.68 62.52 91.68 150.84 200 400 600 0 50 100 150 200 250 (b) Vertical impact depth/mm Gas injection Gas-solid injection (10 kg·min−1 ) 图 7    （a）埋入式气−固喷吹与气体喷吹水平冲击深度数值模拟结果对比；（b）埋入式气−固喷吹与气体喷吹竖直冲击深度数值模拟结果对比 Fig.7     Comparison  of  the  numerical  simulation  results  of  (a)  horizontal  impact  depth  between  submerged  gas –solid  injection  and  gas  injection  and (b) vertical impact depth between submerged gas–solid injection and gas injection 图 8 为气体喷吹流量为 12 m3 ·h−1 时，粉剂喷 吹速率对熔池内气体喷吹射流冲击深度的影响. 可以发现，相较于纯气体喷吹，气–固喷吹无论是 水平还是竖直冲击深度都要更远，且喷吹少量粉 剂就可使冲击深度发生较为明显的变化，且在一 定范围内随着粉剂喷吹量的增加，射流的水平及 竖直冲击深度增加. 4    结论 本文基于数值模拟和水模型实验研究分析了金 属熔池埋入式气体喷吹和气–固喷吹的冲击特征规 律，分析了粉剂颗粒对气体射流冲击特性的影响. 0 20 40 60 320 360 400 440 480 520 (a) 0° 10° Horizontal impact depth/mm Powder injection rate/(g·min−1 ) Powder injection rate/(g·min−1 ) 0 20 40 60 5 10 15 20 25 30 35 40 45 (b) 0° 10° Vertical impact depth/mm 图 8    （a）水平冲击深度随喷粉速率的变化；（b）竖直冲击深度随喷粉速率的变化 Fig.8    Relation impact depth and powder injection rate: (a) horizontal impact depth; (b) vertical impact depth · 52 · 工程科学学报，第 42 卷，增刊 1