大型转炉所用五孔喷头射流特性的研究

D0I:10.13374/j.issn1001-053x.1983.01.00M 北京钢铁学院学报 1983年第1期 大型转炉所用五孔喷头 射流特性的研究· 冻钢教研室万天骥沈颐身 刘汉东 物理教研室陈允恭 摘 要 测定了五孔喷头射流速度的衰减速率。测定结果表明，由于中孔射流和边孔射流 的边界条件不同，因而它们的速度衰减速率不同。当中孔和边孔的直径相等时， 在正常的枪位下，射流速度中孔比边孔大一倍。为了充分地利用五孔喷头的射流 对熔池的有效和均匀的搅拌作用，要求作用于熔池面时，中孔射流的速度应等于 或略大于边孔射流的速度，为此设计五孔喷头时应使中孔面积(A中)小于每个边 孔面积(A边)。测定结果得出A中/A边应为0.6~0.8。 随着转炉的大型化，五孔喷头在国外已普遍被使用，取得了较之三孔喷头更好的吹炼 效果。宝钢从日本引进的多孔喷头就是五孔喷头1)。有关这方面的研究文献所见甚少。 国内蔽、木、攀钢等大型转炉现用的多是三孔喷头。为了掌握五孔喷头新技术，使之尽快 地在我国大型转炉上推广使用，进一步提高治炼工艺水平，我们对五孔喷头射流特性进行 了初步的测定。其内容包括喷孔出口马赫数，射流在截面上的动压径向分布，射流沿轴向 上的最大动压衰减，射流的冲击半径和刚性，射流的总压脉动等。 五孔喷头一般均采用卫星式布置，如图1所示。 1I85×2.5 中58 单位mm 中孔：收输段夹角10° 按门段长度5m 扩张段张角8° 边孔：收缩段夹角 ?口以长度5mm 扩张段张的。 28 图1No3试验喷头结构示意图 ·参加本实验测定工作的还有，仇水泉、陈建谊、洲辛超、刘多祥等同志。 43

北 京 钢 铁 学 院 学 报 年第 期 大型转炉所用五孔喷头 射流特性的研究 ’ 炼 钢教研 室 万 天骥 沈 颐 身 刘 汉 东 物理 教研 室 陈允 恭 摘 要 测定 了五孔喷 头射 流速度 的衰减速率 。 测定 结果 表 明 ， 由于 中孔射 流和 边孔射 流 的 边 界条件 不 同 ， 因而它们 的速度衰减 速率 不 同 。 当中孔 和边孔的直径相等时 ， 在正常 的枪位下 ， 射 流速度中孔 比边 孔大一 倍 。 为了 充 分地利用 五孔喷 头的 射流 对熔池 的有效和 均匀的搅 拌作用 ， 要求作用于熔池面 时 ， 中孔射流 的速度 应等于 或 略大于 边 孔射 流 的速度 ， 为此设 计五孔喷头时 应使 中孔面 积 中 小于 每 个边 孔面积 边 。 测定结果得 出 中 边 应 为 。 。 随 着转炉 的大型化 ， 五孔喷头在 国 外 已普遍被使 用 ， 取得了 较之三 孔喷头更 好 的吹炼 效果 。 宝钢从 日本 引进 的 多孔喷头就是五 孔喷头〔 〕 。 有关 这方面 的研究文 献所见甚 少 。 国 内鞍 、 木 、 攀钢 等大型转炉现用 的 多是三 孔喷 头 。 为了掌握五 孔喷 头新技 术 ， 使之尽快 地在我国大型转炉上推广使 用 ， 进一步 提高冶炼工 艺水平 ， 我们对 五 孔喷 头射 流特性进 行 了初步的 测定 。 其内容 包括喷 孔 出口 马 赫 数 ， 射 流在截面上 的动压 径向分 布 ， 射 流沿轴向 上的最大动压 衰减 ， 射 流的冲击半 径 和 刚性 ， 射 流 的总 压 脉动 等 。 五 孔喷头一般均采 用 卫 星式 布置 ， 如 图 所 示 。 月 、 乙 泵 小 单位 。 ‘ 中孔 ， 收缩段夹角 。 ” 喉 门 段长度 打 、 张段 张 。 边孔 收缩段夹角 “ 喉 口 艾长度 川 扩张段 张角。 。 图 试 验 喷 头 结 构 示 意 图 ， 参 加 本 实验侧 定工 作 的还 有 仇 水泉 、 陈建谊 、 祖 辛超 、 刘 多 祥 等同志 ， DOI ：10．13374／j ．issn1001－053x．1983．01．004

木工作是在北京钢铁学院喷枪实验室进行的。考虑到实验室气出容最的限制和测试效 率，我们根据攀钢120吨转炉所用的435喷头（四孔喷头）的供氧强度，将实际喷头的流 量缩小到1/4，即喷孔喉口总面积缩小为实际喷头的1/4（称1/4模）。与三孔喷头不同的是，五 孔喷头设计的重要参数除喷孔出口马赫数、喷孔与喷头轴线的夹角外，还有中孔和边孔的 面积比，即A中/A边。文献C2)指出：喷头孔数为4时，流股之间夹角在12°至15°。五孔 喷头的夹角应大于四孔喷头，为保证五孔喷头射流流股不产生汇交，我们取五孔喷头的夹 角为15°。试验主要研究不同中孔和边孔面积比对射流特性的影响，选择合适的A中/A边之 值，以满足转炉冶炼工艺的要求。 表2给出No1一No6喷头的设计参数。 表1 五孔喷头 的设计参 。数 梦 头 喉口直径(mm) 出口直径(mm) 必 设 马 设计压力 A中/A边 中 孔 边孔 中孔 边 孔 中孔 边 孔 旁 kg/cm2(绝对) Nol 17.90 16.10 21,80 19.60 1,2 1,84 1,84 15 6.11 No2 16.40 16,40 20,10 2c.10 1.0 1.86 1.86 15° G.30 No3 15.00 16,90 18.30 20.50 G,8 1,84 1.83 15° 6,03 No4 14,25 17,00 17,40 20.70 0.7 1,85 1,84 15° G.16 Nos 13.20 17.00 16.20 20.9n 0.6 1,85 1.85 15 6.20 No6 10,00 17.60 12.50 21,50 0.3 1.90 1,86 16° 6.30 注 设计压力计算时采用喷头出口压力为1.03业g/cm?(绝对) 1.喷孔出口马韩数 喷孔出口马赫数(M)是超音速射流的最重要的设计参数，它决定了喷头在不同工作氧 压下射流的基本特性。考虑到工广使用氧压的限制，为保证喷头不在低于设计工况下工作， 术实验喷头设计逃用的马赫数偏低(M=1,85)。在有足够的工作压力的条件下，出口马赫 数除了次定于喷孔出口面积和喉口面积的比值外，还受喷头的结构设计是否合理以及加工 精度等因素的影响。 表2列出No1一No6喷头的实测出口马赫数与设计出口马赫数的比较。 表2 实测与设计马赫数 设计出口马糖数 实测出口马赫数 马赫数 的偏差 喷头序号 A中/A边 孔 边 孔 中 孔 边 孔 中 九 边 Nol 1.2 1.84 1.84 1.84 1.75 0 -0.09 No2 1.0 1,86 1.86 1.86 1.84 0 -0.02 No3 0,8 1.84 1.83 1,79 1,87 -0.05 +0.04 No4 0.7 1,85 1.84 1.76 1,79 =0.09 -0.05 No5 0,6 1,85 1,85 1.88 1,88 +0.03 +0.03 No6 0.3 1,90 1,86 1.90 1,83 0 -0.03 注：测量时压力为8kg/cm之（表压） 44

木 工作是在北 京钢铁学院喷枪实 验室进行的 。 考虑到实验室气伍容景的 限制和测试效 率 ， 我 们根据攀钢 吨转护所用的 奋喷头 四孔喷头 的供氧强 度 ， 将实际喷头 的 流 最缩 小到 ， 即喷孔喉 口 总面积 缩小 为实际喷头的 称 模 。 与 三孔喷头不同的是 ，五 · 孔喷头设计 的重要参数除喷孔 出口 马赫数 、 喷 孔与喷头轴线的夹角外 ， 还有 中孔和边孔的 面 积 比 ， 即 中 边 。 文 献〔幻 指出 喷 头孔 数 为 时 ， 流股之间 夹角在 “ 至 “ 。 五 孔 喷头的夹角 应大于 四孔喷头 ， ‘ 为保证五孔喷头射流流股不产生汇交 ， 我们取五孔喷头的夹 角为 。 。 试验主 要研究不同中孔和边孔面积比对射流特性的影响 ， 选择合适 的 中 边之 值 ， 以满足转炉冶炼工艺的 要求 。 表 给 出 一 喷头的设 计参数 。 衰 五 孔 喷 头 的 设 计 参 数 一犷飞喉 口 直 径 头 序 号 。 几 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 出 口 直 径 。 中 人 边 设 计 马 赫 致 夹 设 计 压 力 角 绝 对 中 孔 边 孔 中 孔 边 孔 。 一 。 。 。 。 。 。 心 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 一 。 。 。 注 设 计压 力计 算时采用 喷 头 出 口 压 力为 。 。 绝 对 喷孔出 口 马林擞 喷孔 出口 马赫数 是超 音速射 流的最重 要的设计参数 ， 它决定了喷头在不 同工 作氧 压 一 下射流的基木特性 。 考虑到工厂使用氧 压 的限制 ， 为保 证喷 头不在低于 设计工 况下工作 ， 木实验 资头设计选用 的马赫数 偏低 二 。 在有足够 的工 作压力的条件 下 ， 出 口 马赫 数除了 决定 于喷孔 出 口 面 积和喉 口 面积的比值外 ， 还受喷头的结构设计是否合理 以及加工 精度等因素的影响 。 表 列 出 一 喷头的实测 出口 马 赫数与设计 出门 马赫数的比较 。 表 实 测 与 设 计 马 赫 数 丁万同 设 计 出 口 马 赫 数 马 赫 数 马 赫 数 的 偏 差 中 “ 边 “ 中 州 边 “ 二 一几 生 二 付 。 。 。 。 一 。 一 。 一 一 。 。 。 。 。 。 一 。 一 一 。 。 。 。 一 。 。 一 一 ，，且 ，，︸二 丹‘‘ … 口且，孟︸ 。 。 。 。 。 。 一 。 一 。 注 侧 时压 力为 弓 。 表压 咬

从表2中可看出，实测出口马赫数与设计出口马赫数是很接近的，说明气流在喷管内 得到合理的腕胀加速，有效的将气流的压力能转变为射流的动能。也说明了喷头加工精度 是良好的。 2,射流在载面上的动压径向分布 图2是No1一No6喷头在8kg/cm2（表)的工作E力下，距离40d边截面上射流的动 压径向分布。 P动mmHg 300 ￥1：1.2Po=kg/cm2(表) 。11.0 。1:0.8 40d边 a10.7 1:0.6 200 日1：0.3 100 100 200 到靛面中心的距离 图2不同A中/小边喷头射流动压的径向分布 图2表明，在该截面上有五个明显的互不干扰的冲击区。可见喷孔夹角15°是能够保 证流股间不汇交，在实际转炉吹炼效果上将具有射流分散，能形成五个冲击凹坑和循环 区。 图2表明，当A中/A边≥1.0时，中孔的动压值为边孔动压值的2倍左右；当A中/A边 =0.3时，中孔的动压值仅为边孔动压值的}一}，当A中/A效为06、07、).8时，中孔 和边孔的动压值基本相等或稍高。鉴于转炉熔池的实际情况（炉型主要是筒球型、锥球型 和截锥型)，为了有效地发挥五孔喷头射流对熔池的均匀搅拌作用，中孔动压值应等于或略 高于边孔动压值。如果中孔的动压值过大，必然对炉底侵蚀严重（相当于单孔喷头的情 况)，相反，过小则中孔射流不起作用（相当于四孔喷头的情况）。因此，选择A中/A边之 值为0.6一0,8是较为适宜的。 图3给出在不同工作压力和不同距离条件下，P中/P边与A中/A边的关系。用回归分 析可求出在6一10kg/cm2（表)，30一50d边的条件下，其方程为： P中/P边=-0.308+2.232A中/边 (1) 式中P中是中孔射流的动压值，P边是边孔射流的动压值。 3,射流沿轴向上最大动压（速度）的表减 研究射流沿轴向上的最大动E衰减的规律，为转炉吹炼工艺在不同的工作氧压下确定 45

从 表 中可看出 ， 实 测 出 口 马 赫 数与设计 出口 马 赫数是很接近 的 ， 说明气 流在喷管 内 得到合理 的膨胀加速 ， 有效 的 将气 流的压力能转变为射流 的动能 。 也说明了喷头加工 精度 是 良好的 。 射 流在截面上 的动压径 向 分 布 图 是 一 喷头在 。 “ 表 的工 作压力下 ， 距离 边 ’ 截面上射 流 的 动 压径 向分布 。 、 ， ‘ 飞 。 二 盯 。 爪 农 孤 测惫点 到 截面 中心 的距 离 图 不 同 中 边 喷 头 射流 动 压 的径一向分 布 图 表 明 ， 在 该截面 上有五 个明 显 的互 不干扰 的冲 击区 。 ’ 可 见喷孔夹角 “ 是能 够 保 证 流股 间 不 汇交 ， 在 实际转炉吹 炼效果 上将具有射流分 散 ， 能 形成五 个冲 击凹 坑 和 循 环 区 。 图 表明 ， 当 中 边 时 ， 中孔 的动压值 为边孔动压 值 的 倍左 右， 当 中 边 时 ， 中孔 的动压 值仅 为边孔动压值 的 了一 丁 ’ 当 中 边 为 、 、 。 时 ， 中孔 和边 孔 的动压 值基 木相 等或稍高 。 鉴于转炉熔池 的实 际情况 护型主 要是筒球 型 、 锥球型 和截锥型 ， 为了有效她 发 挥五孔喷头射 流对熔 池 的均匀搅拌作用 ， 中孔动压 值应等于或略 高于边 孔动压 值 。 如果 中孔 的动压值过大 ， 必 然 对 炉底侵蚀 严重 相 当于单孔 喷 头 的 情 况 ， 相反 ， 过小则 中孔 射 流不起 作用 相 当于 四孔喷头的情况 。 因此 ， 选 择 中 边之 值为 是较 为适宜的 。 图 给 出在不 同工作 压 力和 不 同 距离 条件下 ， 中 边 与 中 边 的关 系 。 用 回 归 分 析 可求 出在 一 。 “ 表 ， 一 边 的 条件 下 ， 其方程 为 中 边 一 中 边 式 中 中是 中孔 射流的 动压值 ， 边 是边 孔 射流的 动压值 。 射流沿轴向 上 最大动压 速度 的衰减 研究 射流沿轴向上的最大 动压 衰减的规律 ， 为转炉吹炼工 艺在 不同的 工作氧庄下确定

P边) ·Gkg/cm*(表) 2.5 黑8u ·35边。-kgkm*阑 440 a10" %45 2.0 40边 50 1.5 1.0 0.5 0.3 060.70.81.0129W5h 0.3 0.60.7081.01.2钟6w 图3P中P边一小中八边的关系 合理的枪位提供了重要依据。诚然，冷态测定结果不能完全代表实际转炉内射流的衰减情 况，这是因为炉气与射流气体的密度比、泡沫渣、射流对周围喷藏的渣粒、金属滴的引射 都将对射流的衰减速度产生影响，但作为指导转炉操作的“相对判断数据”仍是有意义 的3)。对于五孔喷头，不同的A中/A边比值对射流最大动压衰减会有什么影响呢？ 图4绘出了No1一No6喷头中孔和边孔射流的最大动压衰减曲线。可以看出，各喷头 中孔和边孔射流沿轴向上的最大动压值都是随着无量钢距离的增加而减小，随着工作压力 的提高而增大，这是符合自由射流沿轴向上的最大速度衰减规律的。在相同的工作压力 下，我们对同一喷头中孔和边孔射流最大动压值进行比较即可发现：当A中/A边=0.6时， 中孔和边孔射流最大动压值十分接近，反映在衰减曲线上几乎重合，当A中/A边>0.6时， 中孔射流最大动压值均高于边孔射流最大动压值，当A中/A边<0,6时，中孔射流最大动压 值低于边孔射流最大动压值。根据文章〔4)，这一现象可作如下解释：由于五孔喷头呈卫 星式布置，中孔射流为四周边孔射流所包围，处于同源同向伴随流流场中。中孔射流与边 孔射流之间径向的速度梯度比边孔射流与环境静止气体之间的速度梯度要小，故中孔射流 的动最交换不如边孔射流激烈，其衰减必然比边孔射流要慢。因此，在同一截面上，中孔 射流最大动压值比边孔射流动压值要高。至于A中/A边<0.6时，出现中孔射流最大动压 值明显低于边孔射流最大动压值的情况，则是由于我们是以x/'边为横座标，对于同一截 面，中孔的x/d中比边孔的x/d边·要大得多（例如，A中/A边=0.3时，在x=706毫米的截 面上，x/边°=40，而x/d中·=70.6)，射流的衰减是和无量钢距离有关的，中孔射流在 x/中·=70.6的最大动压值比边孔射流在x/d边°=40的最大动压值低这完全是可能的。为 便于比较，我们把各喷头在相同的工作压力下，中孔和边孔射流的最大动压衰减分别绘于 一张图中，如图5所示。可以看出，在一定工作压力下，A中/A边值越大，相应的x/· 中越小，中孔射流的最大动压值则越大，而边孔射流的最大动压值不随A中/A边而变化。 从治炼工艺角度考虑，中孔射流最大动压值过大或过小都是不足取的。为了既保证中孔射 流对熔池有足够冲力，又能使边孔射流对熔池的作用不减弱，实现熔池均匀而又激烈地运 动，显然选择A中/A边为0,6一0.8是合适的。这对炼钢过程的动量传递、热量传递和质量 传递是十分有利的。 46

乙甲 挑 轰一 了 · ， ， 表 共 一 ， 吞 口 ‘ ” 。’ 几边 、 ，“ ， 、 。 · ， · ‘ · · · · 邹 边 图 中 边一 中 人 边 的关 系 合 理 的枪位 提供了 重要依据 。 诚然 ， 冷态 测定结果不能 完全代表实 际转炉 内射流的衰减情 况 ， 这是因 为炉气 与射流气体的 密度 比 、 泡沫渣 、 射 流对 周围喷溅 的渣粒 、 金属 滴的 引射 都将对射流的衰减 速度产生影响 ， 但 作 为指导转炉操 作 的 ” 相对判断数据 ” 仍 是 有 意 义 的〔 〕 。 对于五孔喷 头 ， 不 同 的 中 边 比值对 射流最大动压衰减 会有什么影响呢 图 绘 出了 一 喷头中孔和边 孔射 流的最大动压衰减 曲线 。 可 以看出 ， 各 喷 头 中孔和 边 孔 射流沿 轴向上 的最大动压 值都是随着无 量钢距离 的增加而减小 ， 随 着工作压力 的提 高而增 大 ， 这是符合 自由射 流沿轴 向上 的最大 速度衰减 规律 的 。 在相同 的 工 作 压 力 下 ， 我们对 同一喷头 中孔和边孔 射流最大动压值 进行比较 即 可发现 当 中 边 。 时 ， 中孔和 边孔射流最大动压值十分接 近 ， 反映在衰减 曲线上 几乎重合 ， 当 中 边 。 时 ， 中孔射流最大动压值均高于边 孔射流最大动压值， 当 中 边 时 ， 中孔 射流最 大动压 值低于边孔 射流最大动压值 。 根 据文章〔 〕 ， 这一现象可 作如下解释 由于五孔喷头 呈 卫 星式布置 ， 中孔射流 为四周边 孔射流所 包围 ， 处于 同源 同向伴随 流流场 中 。 中孔射 流与边 孔射 流之 间 径 向的速度梯度比边 孔 射 流与环境静止气体之 间 的速度梯度要小 ， 故 中孔射 流 的动量交换不 如 边 孔射 流激烈 ， 其衰减必然 比边 孔 射 流要慢 。 因此 ， 在 同一截面 上 ， 中孔 射 流最大动 压值 比 边 孔射流动压值要高 。 至于 中 边 。 时 ， 出现中孔射 流 最 大 动 压 值明显低于边孔射流最大 动压值的情况 ， 则是 由于我们是 以 ’ 边 为横座标 ， 对于 同一 截 面 ， 中孔的 中 比边孔 的 边 要大得 多 例 如 ， 中 边 时 ， 在 毫 米的截 面上 ， 边 ， 而 中一 ， 射 流的衰减是和无量钢距离有关 的 ， 中 孔 射 流 在 中 的最大动压值 比边 孔射 流在 边 二 的最大动压值低这 完全 是可能的 。 为 便于比较 ， 我们把各喷头在相 同的工作压力下 ， 中孔和边孔射 流的最大动 压衰减分别绘于 一张图 中 ， 如图 所示 。 可 以看 出 ， 在一定工 作压力 下 ， 中 边 值越大 ， 相应 的 中越小 ， 中孔射流的最大 动压值 则越大， 而边孔 射 流的最大动压 值不随 中 边而变化 。 从 冶炼工艺角度考虑 ， 中孔射 流最大动压值过大或过 小都是不 足取的 。 为了 既保证 中孔射 流对熔池有足够冲力 ， 又能使边孔射流对熔池的作用不减弱 ， 实现熔池均匀而又激烈地 运 动 ， 显然选 择 中 边 为。 一 是合适 的 。 这对炼钢过程的动量传递 、 热量传递和质量 ’ 传递是十分有利 的 么

P动mnt赋 11.2 P办mmHg 11.0 1000 aI0kgcm(表)1000 △10kg/cm(表) 。8kg/cm(表) ◆8kg/cm(表) 800 xGkg/cm(表) 800 x6kg/cm2(表) 中孔 二 孔 600 一一边孔 600 400 400 200 200 0 30 35 0 40 4550 必 40 50 600 110.8 1:0.7 500 400 400 300 300 200 00 100 100 0 0 30 35 404550 35 40 45 10.6 500 500 1*0.3 40 30 300 200 200 1004 100 0 30 35 404550 55 x/d五 30 3540 45 50 55 x/d 图4五孔喷头射流的最大动压衰减 47

卜 溯与 姗幼勃 一 ‘ 爪 表 忍 表 表 鑫 一 位 ， 表 表 ‘ 上 表 中孔 边孔 叹八甘邵土甘八“ ︸ 护八曰口月卜 ﹄‘ ，二 ‘ ，乃︸ 勺咔︸叮月 丹甘 ﹄氏‘ 心七自︺”一民 几 几电甘 “一﹃翻 八甘九 的 ，占翻，八︺︹八 翻咋，止 ， 。 勒 九八甘甘 功 」亡，比 八甘︸ ”几﹃︶ ‘孟， 亏 二 轰 轰 图 五 孔喷头 时流的最 大动压 衰减 了