刘纲等：首钢高VT铁水转炉冶炼82B供氧制度优化 75 渣时酸性物质少，且钒等元素被氧化为氧化物后黏度 空间.网格由Gambit软件生成.为了提高模拟的精确 大，造成炉渣流动性差，影响了治炼过程造渣脱磷等问 性，喷头部分采用四面体网格，圆柱空间采用六面体网 题.同时由于炉渣黏度大，钢渣反应界面较小，导 格，对射流空间的网格沿半径方向先密后疏.划分后 致终点渣中FO含量高，渣铁不分，造成大量金属损 物理模型包含104582个网格，包含267549个面， 失，直接影响转炉溅渣护炉，使转炉炉衬侵蚀严重，大 62580个节点. 大降低了转炉炉龄，增加了钢液中夹杂物的含量. 2.2 Fluent数值计算物理模型设定 Fluent数值计算物理模型设定钢液为可压缩流 1首钢转炉供氧制度改进思路 体，非稳态湍流模型，用非耦合、隐式求解法计算，整个 首钢82B转炉供氧制度优化改进在两方面开展： 计算域采用k一ε模型计算.氧枪参数严格按照实际尺 (1)氧枪喷头的改造.(2)82B供氧工艺操作的改进. 寸进行计算 高压氧气经氧枪喷入熔池，对熔池形成一定的冲击深 度和冲击面积.冲击深度和冲击面积是保证转炉治炼 3 数值模拟结果分析 82B的重要治金工艺条件.原氧枪冲击面积小，氧气 3.1氧气射流场模拟结果 利用率低，导致供氧时间长.为增加氧枪单位时间供 图1是在氧压为0.80MPa时，新氧枪的射流速度 氧量，在保证原操作氧压的情况下，适当增大了氧枪喉 场分布.图1表明，新设计的氧枪在氧压为0.80MPa 口尺寸，经设计计算，氧枪喉口增加0.6mm,由原来的 条件下，各喷管出口处速度达到450m/s,且持续到 36.0mm增加为36.6mm.冲击面积的大小会影响氧 0.22m左右.此后速度发生衰减，衰减速度大于原氧 枪的化渣能力和脱碳速度.在保证合适冲击深度条件 枪喷头，但衰减幅度小于原氧枪喷头.在1.0m时速度 下，冲击面积越大，氧气射流与熔池的接触面积越大， 约为186m/s,在1.5m时速度约为130m/s,最大射流 有利于脱磷、脱碳。为此，氧枪喷头的改造倾向于喷孔 宽度0.44m.新设计氧枪喷头提高了转炉供氧能力， 间的夹角增大，从原来的12.5°增加为13.0°.改进前 供氧强度的增加，有利于治炼周期的缩短，增大了反应 后的氧枪喷头参数如表1所示. 区面积，可以提高氧气利用率，降低氧气消耗，增强了 表1改进前后的氧枪参数 熔池搅拌能力，有利于喷头使用寿命的提高。 Table 1 Oxygen lance parameters before and after the improvement 1.0 马赫喷孔喷孔夹喉口直出口直 氧流量/ 类别 数数角/(o)径/mm径/mm(Nm3.hl) 速度/m-g50100150200250300350400450 0.5 原氧枪2.0 4 12.5 36.0 46.5 15000~18000 优化后2.0413.036.6 47.6 20000 2氧枪射流场的Fluent数值模拟 0.5 0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 2.1三维氧枪喷头几何模型建立 射流长度/m 根据表1中数据按1：1比例建立三维氧枪喷头几 图1转炉氧枪氧气射流的速度场分布 何模型，并进行网格划分.模型的计算空间域是从氧 Fig.1 Distribution of oxygen jet velocity of converter oxygen lance 气射流进入喷头开始到中500mm×3000mm的射流 为进一步明确新氧枪射流场的优化，本文分别 原氧枪 优化后 氧枪 0.80 MPa 0.85 MPa 0.90 MPa 图2不同氧压下射流流场速度分布 Fig.2 Distribution of jet velocity under different oxygen pressures刘 纲等: 首钢高 VTi 铁水转炉冶炼 82B 供氧制度优化 渣时酸性物质少，且钒等元素被氧化为氧化物后黏度 大，造成炉渣流动性差，影响了冶炼过程造渣脱磷等问 题［1--2］． 同时由于炉渣黏度大，钢渣反应界面较小，导 致终点渣中 FeO 含量高，渣铁不分，造成大量金属损 失，直接影响转炉溅渣护炉，使转炉炉衬侵蚀严重，大 大降低了转炉炉龄，增加了钢液中夹杂物的含量［3--4］． 1 首钢转炉供氧制度改进思路 首钢 82B 转炉供氧制度优化改进在两方面开展: ( 1) 氧枪喷头的改造． ( 2) 82B 供氧工艺操作的改进． 高压氧气经氧枪喷入熔池，对熔池形成一定的冲击深 度和冲击面积． 冲击深度和冲击面积是保证转炉冶炼 82B 的重要冶金工艺条件． 原氧枪冲击面积小，氧气 利用率低，导致供氧时间长． 为增加氧枪单位时间供 氧量，在保证原操作氧压的情况下，适当增大了氧枪喉 口尺寸，经设计计算，氧枪喉口增加 0. 6 mm，由原来的 36. 0 mm 增加为 36. 6 mm． 冲击面积的大小会影响氧 枪的化渣能力和脱碳速度． 在保证合适冲击深度条件 下，冲击面积越大，氧气射流与熔池的接触面积越大， 有利于脱磷、脱碳． 为此，氧枪喷头的改造倾向于喷孔 间的夹角增大，从原来的 12. 5°增加为 13. 0°． 改进前 后的氧枪喷头参数如表 1 所示． 表 1 改进前后的氧枪参数 Table 1 Oxygen lance parameters before and after the improvement 类别 马赫 数 喷孔 数 喷孔夹 角/( °) 喉口直 径/mm 出口直 径/mm 氧流量/ ( Nm3 ·h － 1 ) 原氧枪 2. 0 4 12. 5 36. 0 46. 5 15000 ～ 18000 优化后 2. 0 4 13. 0 36. 6 47. 6 20000 2 氧枪射流场的 Fluent 数值模拟 图 2 不同氧压下射流流场速度分布 Fig． 2 Distribution of jet velocity under different oxygen pressures 2. 1 三维氧枪喷头几何模型建立 根据表 1 中数据按 1∶ 1比例建立三维氧枪喷头几 何模型，并进行网格划分． 模型的计算空间域是从氧 气射流进入喷头开始到 500 mm × 3000 mm 的射流 空间． 网格由 Gambit 软件生成． 为了提高模拟的精确 性，喷头部分采用四面体网格，圆柱空间采用六面体网 格，对射流空间的网格沿半径方向先密后疏． 划分后 物理 模 型 包 含 104582 个 网 格，包 含 267549 个 面， 62580 个节点． 2. 2 Fluent 数值计算物理模型设定 Fluent 数值计算物理模型设定钢液为可压缩流 体，非稳态湍流模型，用非耦合、隐式求解法计算，整个 计算域采用 k--ε 模型计算． 氧枪参数严格按照实际尺 寸进行计算． 3 数值模拟结果分析 3. 1 氧气射流场模拟结果 图 1 是在氧压为 0. 80 MPa 时，新氧枪的射流速度 场分布． 图 1 表明，新设计的氧枪在氧压为 0. 80 MPa 条件下，各喷 管 出 口 处 速 度 达 到 450 m / s，且 持 续 到 0. 22 m 左右． 此后速度发生衰减，衰减速度大于原氧 枪喷头，但衰减幅度小于原氧枪喷头． 在 1. 0 m 时速度 约为 186 m / s，在 1. 5 m 时速度约为 130 m / s，最大射流 宽度 0. 44 m． 新设计氧枪喷头提高了转炉供氧能力， 供氧强度的增加，有利于冶炼周期的缩短，增大了反应 区面积，可以提高氧气利用率，降低氧气消耗，增强了 熔池搅拌能力，有利于喷头使用寿命的提高． 图 1 转炉氧枪氧气射流的速度场分布 Fig． 1 Distribution of oxygen jet velocity of converter oxygen lance 为进一步明确新氧枪射流场的优化，本 文 分 别 · 57 ·