D0:10.13374/5.issn1001-053x.2007.s1.024 第29卷增刊1 北京科技大学学报 Vol.29 Suppl.1 2007年6月 Journal of University of Science and Technology Beijing Jun 2007 集束射流氧枪的设计与应用 杨竹芳) 王振宙) 朱荣) 韩丽辉)牛重军2) 胡振邦2) 1)北京科技大学治金与生态工程学院，北京1000832)安阳钢铁集团公司，安阳455004 摘要利用软件C℉X10.0对电炉炼钢氧枪在集束射流和普通射流两种状态下的特征进行了数值模拟.通过结果对比， 论证了集束射流氧枪的优越性，并且在安阳一炼轧厂100t竖式电炉使用并对其使用效果进行了分析.结果表明，安 阳一炼轧厂电炉使用集束氧枪后，吨钢电耗平均降低了30kW,吨钢氧耗和生产成本等方面都有明显的优势.治炼 周期略有增加，主要在于采用的原料中铁水比例增加，导致周期增加.当热装铁水比处于50%左右时，吨钢氧耗、吨 钢电耗、治炼周期和生产成本均变化不大，所以建议铁水比保持在50%. 关键词电弧炉炼钢：集束氧枪：数值模拟 分类号TF721:TB115 符号表 Gk,G k方程，￡方程的源项 压强，Pa p 密度，kgm3 t 时间，s 6 边界层厚度，m T 温度，K k 湍流脉动动能，」 湍流脉动动能的耗散率，% L 分子运动的平均自由程，m 分子运动的平均速度，ms C1,C2 系数常量 系数常量 电炉炼钢工序要降低成本，提高劳动生产率， 流起引导作用，因为它的燃烧，周围的气流就起了 可采用先进的用氧工艺，以期用廉价的化学能代替 封套作用，使主氧流在相对较长的距离上凝聚在一 高昂的电能。多功能的集束射流氧枪能满足这种要 起，并保持原有的速率和直径. 求，并且已经成功地应用于电弧炉，沿电弧炉炉壁 由于集束射流能量集中，具有极强的穿透金属 四周可以安装多个集束射流系统喷嘴，标准情况下 熔池的能力，增加了氧气对钢水的搅拌强度，因此 安装1~4个，每个电炉安装喷嘴的数目取决于电炉 可以促进钢渣反应、均匀成分与温度、减少喷溅、 要求的喷吹速率、燃烧速率与二次燃烧率. 提高氧气利用率、提高金属收得率.同时随着穿透 普通超音速氧枪不足之处是喷吹距离短且相对 能力的增强，枪位可适当提高，使氧枪寿命提高. 分散，使得氧气射流对熔池的冲击力小，钢水中容 本文采用大型计算流体动力学(C℉D)分析软件 易形成孔洞和喷溅，氧气利用率低， CFX10.0对传统普通超音速和集束射流氧枪的射流 集束射流氧枪是应用气体力学的原理来设计 情况进行模拟，并在安阳钢铁公司一炼轧厂100t 的.其要点是：喷嘴中心的主氧气流指向熔池，高 电炉炼钢热装铁水工艺条件下，采用USTB氧枪后 的动能和喷吹速度是不足以使射流在较长的距离上 对冶炼指标的影响进行了研究. 保持集束状态的，为了达到保持射流集束状态的目 CFD是通过计算机数值计算和图像显示，对包 的，必须用另一种介质来引导氧气，即外加燃气流， 含有流体流动和热传导等相关物理现象的系统所做 使燃气流对主氧气流起着封套的作用，这样主氧气 的分析.CFD的思想为：把原来在时间域及空间域 流就能够在较长的距离内保持出口时的直径和速 上连续的物理量的场，如速度场和压力场，用一系 率 列有限个离散点上的变量值的集合来代替，通过一 集束射流氧枪是在喷嘴外围用一燃气流包围主 定的原则和方式建立起关于这些离散点上场变量之 氧流并使用二次氧流来实现集束射流的，其中燃气 间关系的代数方程组，然后求解代数方程组获得场 收膏日期：2007-02-08 修回日期：2007-04-05 作者简介：杨竹芳(1981一)，女，硕士研究生第 29 卷 增刊 1 北 京 科 技 大 学 学 报 Vol.29 Suppl.1 2007 年 6 月 Journal of University of Science and Technology Beijing Jun 2007 收稿日期：2007−02−08 修回日期：2007−04−05 作者简介：杨竹芳（1981—），女，硕士研究生 集束射流氧枪的设计与应用 杨竹芳 1) 王振宙 1) 朱 荣 1) 韩丽辉 1) 牛重军 2) 胡振邦 2) 1) 北京科技大学冶金与生态工程学院，北京 100083 2) 安阳钢铁集团公司，安阳 455004 摘 要 利用软件 CFX10.0 对电炉炼钢氧枪在集束射流和普通射流两种状态下的特征进行了数值模拟．通过结果对比， 论证了集束射流氧枪的优越性，并且在安阳一炼轧厂 100 t 竖式电炉使用并对其使用效果进行了分析．结果表明，安 阳一炼轧厂电炉使用集束氧枪后，吨钢电耗平均降低了 30 kW⋅h，吨钢氧耗和生产成本等方面都有明显的优势．冶炼 周期略有增加，主要在于采用的原料中铁水比例增加，导致周期增加．当热装铁水比处于 50%左右时，吨钢氧耗、吨 钢电耗、冶炼周期和生产成本均变化不大，所以建议铁水比保持在 50%． 关键词 电弧炉炼钢；集束氧枪；数值模拟 分类号 TF721；TB115 符 号 表 , G Gk ε k 方程， ε 方程的源项 p 压强，Pa ρ 密度，kg⋅m−3 t 时间，s δ 边界层厚度，m T 温度，K k 湍流脉动动能，J ε 湍流脉动动能的耗散率，% L 分子运动的平均自由程，m v 分子运动的平均速度，m⋅s -1 C1 ， C2 系数常量 σ k ， σ ε 系数常量 电炉炼钢[1]工序要降低成本，提高劳动生产率， 可采用先进的用氧工艺，以期用廉价的化学能代替 高昂的电能．多功能的集束射流氧枪能满足这种要 求，并且已经成功地应用于电弧炉．沿电弧炉炉壁 四周可以安装多个集束射流系统喷嘴，标准情况下 安装 1～4 个．每个电炉安装喷嘴的数目取决于电炉 要求的喷吹速率、燃烧速率与二次燃烧率． 普通超音速氧枪不足之处是喷吹距离短且相对 分散，使得氧气射流对熔池的冲击力小，钢水中容 易形成孔洞和喷溅，氧气利用率低． 集束射流氧枪是应用气体力学的原理来设计 的．其要点是：喷嘴中心的主氧气流指向熔池．高 的动能和喷吹速度是不足以使射流在较长的距离上 保持集束状态的，为了达到保持射流集束状态的目 的，必须用另一种介质来引导氧气，即外加燃气流， 使燃气流对主氧气流起着封套的作用，这样主氧气 流就能够在较长的距离内保持出口时的直径和速 率． 集束射流氧枪是在喷嘴外围用一燃气流包围主 氧流并使用二次氧流来实现集束射流的．其中燃气 流起引导作用，因为它的燃烧，周围的气流就起了 封套作用，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 可以促进钢渣反应、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．同时随着穿透 能力的增强，枪位可适当提高，使氧枪寿命提高． 本文采用大型计算流体动力学(CFD)分析软件 CFX10.0 对传统普通超音速和集束射流氧枪的射流 情况进行模拟，并在安阳钢铁公司一炼轧厂 100 t 电炉炼钢热装铁水工艺条件下，采用 USTB 氧枪后 对冶炼指标的影响进行了研究． CFD 是通过计算机数值计算和图像显示，对包 含有流体流动和热传导等相关物理现象的系统所做 的分析．CFD 的思想为：把原来在时间域及空间域 上连续的物理量的场，如速度场和压力场，用一系 列有限个离散点上的变量值的集合来代替，通过一 定的原则和方式建立起关于这些离散点上场变量之 间关系的代数方程组，然后求解代数方程组获得场 DOI:10.13374/j.issn1001-053x.2007.s1.024