提钒用旋流氧枪喷头的数值模拟.pdf

第36卷第1期北京科技大学学报 Vol.36 No.1 2014年1月 Journal of University of Science and Technology Beijing Jan.2014 提钒用旋流氧枪喷头的数值模拟王慧”四，朱荣”，吕明”，张兴利2，谷云岭” 1)北京科技大学治金与生态工程学院，北京1000832)河北钢铁股份有限公司承德分公司，承德067002 ☒通信作者，E-mail:athenaco@163.com 摘要利用unt软件模拟旋流氧枪的气体射流和提钒转炉内部的钢液流速，研究常规氧枪以及旋流角分别为5°、8°、10° 和13°的旋流氧枪对熔池的搅拌效果和冲击特性.研究发现旋流氧枪射流分布相对分散，流股之间干扰少.增加熔池冲击面积，熔池内部等速线所包围的面积变大.10°旋流氧枪喷头喷吹时，等速线所包围面积最大，其面积约为熔池纵切面面积的 75%,钢液的流动速度最大，有利于促进转炉提钒过程钒元素的扩散，从而提高提钒效率. 关键词转炉：钒：旋流氧枪：数值分析：计算机模拟分类号TF341.1 Numerical simulation of swirl-type lances in vanadium extraction process WANG Hui'》,ZHU Rong》,LU Ming》,ZHANG Xing--i2》,G0um4img》 1)School of Metallurgical and Ecological Engineering,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China 2)Chengde Branch Company,Hebei Iron and Steel Company,Chengde 067002,China Corresponding author,E-mail:athenaco@163.com ABSTRACT The gas jet of swirl-type oxygen lances and the liquid steel velocity in vanadium extraction converters were simulated using Fluent software.The stirring effects and impact characteristics of conventional oxygen lances and various swirl-type oxygen lances (swirl angles of 5,8,10 and 13)on the molten pool were studied on the basis of simulated results.It is found that the gas jet of swirl-type oxygen lances has a relative dispersed distribution and the flows have a less disturbance.When the injecting area of swirl- type oxygen lances increases,the area surrounded by isovelocity is larger in the molten pool.Injecting with the 10 swirl-type oxygen lance makes the area surrounded by isovelocity get the largest,about 75%of the longitudinal section of the molten pool,and the liquid steel velocity is the highest.This is helpful to promote vanadium dispersion in the vanadium extraction converter and improve the vana- dium extraction efficiency. KEY WORDS converters:vanadium:swirl-type lances:numerical analysis:computer simulation 转炉提钒是钒和碳在提钒转炉内选择性氧化的旋流氧枪除了产生轴向力和径向力外，还能形过程.要实现提钒保碳的目的，必须降低熔池温度成切向分力，改善氧气射流对熔池的搅拌作用. 以抑制碳氧反应的发生.熔池搅拌依赖于顶吹超音 Higuchi和Tago通过水模拟研究，发现合适的旋流速氧气射流及底吹气体产生的物理搅拌作用口，而氧枪可减少炼钢过程喷溅的发生.我国安钢和酒转炉碳氧反应产生的化学搅拌作用较弱，导致提钒钢6-曾在炼钢转炉上使用旋流氧枪并取得了良好反应动力学条件差，钒的氧化速率和程度均受到限的化渣和治炼效果.但是，对于旋流氧枪的几何结制.因此，改善提钒熔池反应的动力学条件有利于构和射流特性对转炉提钒的影响未有研究. 提高钒的氧化转化率回.国内研究人员己通过优化本文利用Fluent软件模拟气液两相流的流场特底吹喷嘴布置改善熔池的搅拌能力，促进提钒反应性，研究常规氧枪喷头以及旋流角分别为5°、8°、10° 的发生，提高钒的氧化率和钒渣质量B- 和13°的旋流氧枪喷头在不同顶吹流量下的射流对收稿日期：2012-11-22 基金项目：“十二五”国家科技支撑计划资助项目(2012BAC27B00) DOI:10.13374/j.issn1001-053x.2014.01.014:http://journals.ustb.edu.cn

第 36 卷第 1 期 2014 年 1 月北京科技大学学报 Journal of University of Science and Technology Beijing Vol． 36 No． 1 Jan． 2014 提钒用旋流氧枪喷头的数值模拟王慧1) ，朱荣1) ，吕明1) ，张兴利1，2) ，谷云岭1) 1) 北京科技大学冶金与生态工程学院，北京 100083 2) 河北钢铁股份有限公司承德分公司，承德 067002  通信作者，E-mail: athenaco@ 163． com 摘要利用 Fluent 软件模拟旋流氧枪的气体射流和提钒转炉内部的钢液流速，研究常规氧枪以及旋流角分别为 5°、8°、10° 和 13°的旋流氧枪对熔池的搅拌效果和冲击特性．研究发现旋流氧枪射流分布相对分散，流股之间干扰少．增加熔池冲击面积，熔池内部等速线所包围的面积变大． 10°旋流氧枪喷头喷吹时，等速线所包围面积最大，其面积约为熔池纵切面面积的 75% ，钢液的流动速度最大，有利于促进转炉提钒过程钒元素的扩散，从而提高提钒效率．关键词转炉; 钒; 旋流氧枪; 数值分析; 计算机模拟分类号 TF341. 1 Numerical simulation of swirl-type lances in vanadium extraction process WANG Hui 1)  ，ZHU Ｒong1) ，L Ming1) ，ZHANG Xing-li 1，2) ，GU Yun-ling1) 1) School of Metallurgical and Ecological Engineering，University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083，China 2) Chengde Branch Company，Hebei Iron and Steel Company，Chengde 067002，China  Corresponding author，E-mail: athenaco@ 163． com ABSTＲACT The gas jet of swirl-type oxygen lances and the liquid steel velocity in vanadium extraction converters were simulated using Fluent software． The stirring effects and impact characteristics of conventional oxygen lances and various swirl-type oxygen lances ( swirl angles of 5°，8°，10° and 13°) on the molten pool were studied on the basis of simulated results． It is found that the gas jet of swirl-type oxygen lances has a relative dispersed distribution and the flows have a less disturbance． When the injecting area of swirltype oxygen lances increases，the area surrounded by isovelocity is larger in the molten pool． Injecting with the 10° swirl-type oxygen lance makes the area surrounded by isovelocity get the largest，about 75% of the longitudinal section of the molten pool，and the liquid steel velocity is the highest． This is helpful to promote vanadium dispersion in the vanadium extraction converter and improve the vanadium extraction efficiency． KEY WOＲDS converters; vanadium; swirl-type lances; numerical analysis; computer simulation 收稿日期: 2012--11--22 基金项目: “十二五”国家科技支撑计划资助项目( 2012BAC27B00) DOI: 10． 13374 /j． issn1001--053x． 2014． 01． 014; http: / /journals． ustb． edu． cn 转炉提钒是钒和碳在提钒转炉内选择性氧化的过程．要实现提钒保碳的目的，必须降低熔池温度以抑制碳氧反应的发生．熔池搅拌依赖于顶吹超音速氧气射流及底吹气体产生的物理搅拌作用［1］，而转炉碳氧反应产生的化学搅拌作用较弱，导致提钒反应动力学条件差，钒的氧化速率和程度均受到限制．因此，改善提钒熔池反应的动力学条件有利于提高钒的氧化转化率［2］．国内研究人员已通过优化底吹喷嘴布置改善熔池的搅拌能力，促进提钒反应的发生，提高钒的氧化率和钒渣质量［3--4］．旋流氧枪除了产生轴向力和径向力外，还能形成切向分力，改善氧气射流对熔池的搅拌作用． Higuchi 和 Tago ［5］通过水模拟研究，发现合适的旋流氧枪可减少炼钢过程喷溅的发生．我国安钢和酒钢［6--7］曾在炼钢转炉上使用旋流氧枪并取得了良好的化渣和冶炼效果．但是，对于旋流氧枪的几何结构和射流特性对转炉提钒的影响未有研究．本文利用 Fluent 软件模拟气液两相流的流场特性，研究常规氧枪喷头以及旋流角分别为 5°、8°、10° 和 13°的旋流氧枪喷头在不同顶吹流量下的射流对

第1期王慧等：提钒用旋流氧枪喷头的数值模拟 91· (Q=18600m3,h-1)和相同枪位(h=1400mm)的两 T。为氧气滞止温度，K;C为喷孔流量系数(C的值相流分布. 根据不同情况，其取值范围为0.92~0.96). 1.3物理模型现用氧枪流量Q=18600m3·h-1=310m3· 初始状态时，氧气未进入转炉熔池.边界条件 min-1,根据氧枪流量选择设计马赫数Ma=1.98,查的设置如下气体等熵流函数表得P/P。=0.1318;取炉膛压力 (1)氧枪喷头入口为inlet,采用压力入口，压力 P=0.104MPa,则总压P。=0.789MPa. 值的设定需根据流量计算，并随流量的变化而变化， (2)氧枪喷头出口平面为outlet,.采用压力出入口氧气温度为环境温度298K 口，取其压力值为炉膛压力0.104MPa,温度为环境氧枪喷管计算公式图如下：温度300K A张Po Q=1.782Cn (3)氧枪喷头与转炉炉体表面设为wall,采用 √T 无滑移边界条件，近壁面流场采用标准壁面函数式中：Q为实际总氧流量（标准状态），m3·min;A喉计算. 为氧枪喷头喉口总断面积，m:P。为绝对氧压，MPa: 氧气与钢液的物理特性画如表2所示表2氧气与钢液的物理特性参数 Table 2 Physical property parameters of oxygen gas and liquid steel 物质密度1(kgm3) 温度/K 热导率/(Wm1,K1) 定压热容/(J小kg1K)动力黏性系数/(Pa·s) 氧气可压缩 298 0.0246 919.31 1.9×10-5 钢液 7200 1873 15.0000 670.00 6.5×10-3 如图例所示.常规喷头的环孔未旋转，流场相对于 2 射流特性的数值模拟所选切面无偏离.旋流喷头的四个环孔旋转了一定 2.1不同喷头的射流特性分析的角度，射流的分布发生了偏移.旋流角越大，环孔对常规喷头以及旋流角分别为5°、8°、10°和射流距所选纵切面的偏移越多，在该切面上的分布 13°的旋流喷头在氧气流量Q=18600m3h-1时的5 越少.5旋流喷头的环孔射流距该切面已有一定的种射流状态分别进行了模拟.图3是五个喷头在过偏离，当旋流角增至13°时，该纵切面上己看不到其氧枪轴线纵切面上的射流速度分布图.该切面选取环孔射流的分布的是过中心孔轴线与两个环孔入口中心的切面，如图4是相同流量时五个喷头在喷孔出口(x= 图中所示过Z轴的纵切面.图中不同的颜色代表不 0)、距出口分别为0.5、1.0、1.5和2.0m处的五个同大小的速度，其中红色最大，蓝色最小，具体数值横截面上的射流速度分布图.图中黑色环线为等速 U t/(m-s-) 15 090909 图3五个喷头同一纵切面上的射流速度分布 Fig.3 Velocity distribution on the longitudinal section of five nozzles

第 1 期王慧等: 提钒用旋流氧枪喷头的数值模拟 ( Q = 18600 m3 ·h － 1 ) 和相同枪位( h = 1400 mm) 的两相流分布． 1. 3 物理模型初始状态时，氧气未进入转炉熔池．边界条件的设置如下． ( 1) 氧枪喷头入口为 inlet，采用压力入口，压力值的设定需根据流量计算，并随流量的变化而变化，入口氧气温度为环境温度 298 K．氧枪喷管计算公式［8］如下: Q = 1. 782CD A喉 P0 槡T0 ．式中: Q 为实际总氧流量( 标准状态) ，m3 ·min － 1 ; A喉为氧枪喷头喉口总断面积，m2 ; P0为绝对氧压，MPa; T0为氧气滞止温度，K; CD为喷孔流量系数( CD的值根据不同情况，其取值范围为 0. 92 ～ 0. 96) ．现用氧枪流量 Q = 18600 m3 ·h － 1 = 310 m3 · min － 1 ，根据氧枪流量选择设计马赫数 Ma = 1. 98，查气体等熵流函数表得 P /P0 = 0. 1318; 取炉膛压力 P = 0. 104 MPa，则总压 P0 = 0. 789 MPa． ( 2) 氧枪喷头出口平面为 outlet，采用压力出口，取其压力值为炉膛压力 0. 104 MPa，温度为环境温度 300 K． ( 3) 氧枪喷头与转炉炉体表面设为 wall，采用无滑移边界条件，近壁面流场采用标准壁面函数计算．氧气与钢液的物理特性［9］如表 2 所示．表 2 氧气与钢液的物理特性参数 Table 2 Physical property parameters of oxygen gas and liquid steel 物质密度/( kg·m － 3 ) 温度/K 热导率/( W·m － 1 ·K － 1 ) 定压热容/( J·kg － 1 ·K － 1 ) 动力黏性系数/( Pa·s) 氧气可压缩 298 0. 0246 919. 31 1. 9 × 10 － 5 钢液 7200 1873 15. 0000 670. 00 6. 5 × 10 － 3 2 射流特性的数值模拟图 3 五个喷头同一纵切面上的射流速度分布 Fig． 3 Velocity distribution on the longitudinal section of five nozzles 2. 1 不同喷头的射流特性分析对常规喷头以及旋流角分别为 5°、8°、10° 和 13°的旋流喷头在氧气流量 Q = 18600 m3 ·h － 1 时的 5 种射流状态分别进行了模拟．图 3 是五个喷头在过氧枪轴线纵切面上的射流速度分布图．该切面选取的是过中心孔轴线与两个环孔入口中心的切面，如图中所示过 Z 轴的纵切面．图中不同的颜色代表不同大小的速度，其中红色最大，蓝色最小，具体数值如图例所示．常规喷头的环孔未旋转，流场相对于所选切面无偏离．旋流喷头的四个环孔旋转了一定的角度，射流的分布发生了偏移．旋流角越大，环孔射流距所选纵切面的偏移越多，在该切面上的分布越少． 5°旋流喷头的环孔射流距该切面已有一定的偏离，当旋流角增至 13°时，该纵切面上已看不到其环孔射流的分布．图 4 是相同流量时五个喷头在喷孔出口( x = 0) 、距出口分别为 0. 5、1. 0、1. 5 和 2. 0 m 处的五个横截面上的射流速度分布图．图中黑色环线为等速 ·91·

·92 北京科技大学学报第36卷 w(m.s) 50150250350450 常规喷 50 旋流喷头 8 旋流喷头 G旋流喷头 13 流喷头 (ax-0 b）x=0.5m (c)x=1.0m (d)x=15m (e)x=2.0m 图4五个喷头不同横截面上的射流速度分布 Fig.4 Velocity distribution on different cross sections of five nozzles 度线，每两条相邻等值线之间的速度差为50m·s1, 偏转程度越大最外面环线的速度值为50ms1,由外向内递增，具旋流喷头的射流在绕轴线发生旋转的同时，还体值如图例所示有沿径向远离轴线方向扩散的趋势.从图4(c)x= 横向比较五组图可以看出，射流在喷头出口处 1.0m和图4(d)x=1.5m的两组图可以明显看出：速度最大，此后发生衰减，速度逐渐减小，同时流股 5°旋流喷头的速度分布与常规喷头基本相同，但己直径变大.从喷头出来的高速气流在向前扩散的过有沿径向远离轴心方向扩散的趋势：随着旋流角的程中带动周围静止的质点向前移动，将自身部分动增大，环孔流股径向扩散趋势增强；8°旋流喷头的五能转化为其他质点的动能，因此速度逐渐减小.由股射流之间相互聚合己较少，环孔射流沿径向外散于环孔与氧枪轴线存在夹角（即喷孔夹角），射流在的趋势已显现出来；10°旋流喷头的五股射流之间已向前运动的同时，不断向外扩张，流股直径增大.同基本分离，沿各自方向向前扩散：当旋流角增至13° 时由于周围气体质点的加入，流股逐渐变宽. 时，环孔射流与中心流股几乎无影响，相距较远不同喷头的射流在喷头出口处(x=0)速度大 2.2冲击性能比较小和分布位置基本相同.离开喷头后，流场显示出高压氧气经氧枪喷头变为超声速射流吹入熔不同的分布特性.旋流喷头的射流沿顺时针方向发池，在流股的冲击下，熔池形成一定的冲击深度和冲生偏转，且旋流角越大，射流的偏转越多.这是因为击面积，保证转炉提钒过程的进行.在保证合适冲旋流角的存在导致旋流喷头的环孔轴线发生了旋击深度条件下，冲击面积越大，氧气射流与熔池的接转，因而环孔射流的流场会发生旋转。旋流角越大，触面积越大，越有利于钒的氧化与提取.射流冲击

北京科技大学学报第 36 卷图 4 五个喷头不同横截面上的射流速度分布 Fig． 4 Velocity distribution on different cross sections of five nozzles 度线，每两条相邻等值线之间的速度差为 50 m·s － 1 ，最外面环线的速度值为 50 m·s － 1 ，由外向内递增，具体值如图例所示．横向比较五组图可以看出，射流在喷头出口处速度最大，此后发生衰减，速度逐渐减小，同时流股直径变大．从喷头出来的高速气流在向前扩散的过程中带动周围静止的质点向前移动，将自身部分动能转化为其他质点的动能，因此速度逐渐减小．由于环孔与氧枪轴线存在夹角( 即喷孔夹角) ，射流在向前运动的同时，不断向外扩张，流股直径增大．同时由于周围气体质点的加入，流股逐渐变宽．不同喷头的射流在喷头出口处( x = 0) 速度大小和分布位置基本相同．离开喷头后，流场显示出不同的分布特性．旋流喷头的射流沿顺时针方向发生偏转，且旋流角越大，射流的偏转越多．这是因为旋流角的存在导致旋流喷头的环孔轴线发生了旋转，因而环孔射流的流场会发生旋转．旋流角越大，偏转程度越大．旋流喷头的射流在绕轴线发生旋转的同时，还有沿径向远离轴线方向扩散的趋势．从图 4( c) x = 1. 0 m 和图 4( d) x = 1. 5 m 的两组图可以明显看出: 5°旋流喷头的速度分布与常规喷头基本相同，但已有沿径向远离轴心方向扩散的趋势; 随着旋流角的增大，环孔流股径向扩散趋势增强; 8°旋流喷头的五股射流之间相互聚合已较少，环孔射流沿径向外散的趋势已显现出来; 10°旋流喷头的五股射流之间已基本分离，沿各自方向向前扩散; 当旋流角增至 13° 时，环孔射流与中心流股几乎无影响，相距较远． 2. 2 冲击性能比较高压氧气经氧枪喷头变为超声速射流吹入熔池，在流股的冲击下，熔池形成一定的冲击深度和冲击面积，保证转炉提钒过程的进行．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，越有利于钒的氧化与提取．射流冲击 ·92·

第1期王慧等：提钒用旋流氧枪喷头的数值模拟 ·93· 能力可以用单位体积的动能大小（即射流的动压）分布有关.图5是气体流量为18600m3·h-时五个 pr(单位Pa).其中，P动是射流 1 喷头在距喷头出口1.5m处横截面上的动压分布. 来衡量，即P动= 图中黑色环线为等压线，每两条相邻等值线之间的的动压，p为射流密度，v是射流速度.射流对熔池差值为1kPa,最外面一条环线的动压值为1kPa,由的机械搅拌作用与射流流股的动压在其横截面上的外向内递增，具体如图中图例所示动压Pa 100020003000400050006000700080009000 (@)常规喷头 b)5旋流喷头 (c)8旋流喷头 (d10°旋流喷头 (e)13旋流喷头图5不同喷头的射流在距出口1.5m横截面上的动压分布 Fig.5 Dynamic pressure distribution on the cross section of 1.5m depth of five nozzles 在相同喷吹流量下，五个喷头的射流在相同横速度线包围的面积比常规喷头大；旋流角越大，等速截面上的动压分布各不相同.常规喷头的等压线十线包围的面积越大.在相同操作条件下，旋流喷头分密集，存在大范围的红色高能区（动压大于9 的射流与熔池的接触面积比常规喷头大，且旋流角 kP).与常规喷头相比，旋流喷头的动压明显较低. 越大，接触面积越大，为熔池反应提供良好的动力学 5°旋流喷头的等压线数目有所减小，各流股中心为条件，有利于熔池反应快速高效地进行动压较小的橙色区（其动压范围为7~8kP),且橙常规氧枪喷头喷吹时熔池钢液面除中心凹坑处色区面积小于图5(a)中红色区面积.当旋流角增的其他部位波动较小.旋流氧枪喷头喷吹时，熔池至8°时，等压线继续减少，且环孔的等压线比中心钢液面波动幅度和波动范围较大，几乎整个钢液面孔少.此变化规律在图5(d)和(e)中也可以看到. 都发生了抖动.熔池内流体流动越剧烈，钢液面波由此可知：相同射流横截面上，旋流喷头射流动压比动幅度越大，波动范围也越大.因而可以看出，旋流常规喷头低，尤其是各流股中心处动压远低于常规氧枪喷头可以更好地促进熔池内部流体流动，使熔喷头；旋流角越大，流股中心处动压越小池快速趋于均匀此外，五个喷头的动压分布位置各不相同.常旋流氧枪喷头喷吹时熔池内部的流体流动速度规喷头的射流分布比较集中，五股射流之间聚合程比常规氧枪喷头喷吹时大.从熔池中0.05m·s1等度较大，五股射流在4~5kPa动压区域基本相连；5° 速线所包围的面积可以看出：与常规氧枪喷头相比，旋流喷头的五股射流之间距离略有增大，环孔流股旋流氧枪喷头喷吹时熔池内部等速线所包围的面积与中心流股仍有部分聚合，但环孔流股之间相互作较大：且在旋流角小于10°时，旋流角越大，等速线用较小；10°旋流喷头的五股射流之间已几乎无相互所包围的面积越大，低速区面积越小.常规氧枪喷影响，流股之间刚性较好；13°旋流喷头的五股射流头喷吹时，等速线所包围面积约为熔池纵切面面积之间不仅无相互影响，且流股之间距离较大.由此的45%；10°旋流氧枪喷头喷吹时，等速线所包围面可知，与常规喷头相比，旋流喷头流股之间相互影响积最大，其面积约为熔池纵切面面积的75%，钢液小，动压分布比较分散的流动速度也最大；尽管13°旋流氧枪喷头旋流角 3 大于10°旋流氧枪喷头，但熔池内部钢液的流动速气液两相流模拟研究度并没有增大. 3.1转炉纵切面的速度分布 3.2转炉熔池内部横截面的速度分布图6是不同氧枪喷吹时气液两相流喷吹2.5s 图7是不同氧枪喷吹时转炉熔池内不同深度横后的转炉纵切面上的速度分布图.图中红色的粗线截面上的速度分布立体图.图中不同的颜色代表不为钢液面，其余曲线为等速度线同的速度值，其中红色最大，蓝色最小，具体值如图旋流喷头在钢液面上部25和50m·s-射流等例所示

第 1 期王慧等: 提钒用旋流氧枪喷头的数值模拟能力可以用单位体积的动能大小( 即射流的动压) 来衡量，即 P动 = 1 2 ρv 2 ( 单位 Pa) ．其中，P动是射流的动压，ρ 为射流密度，v 是射流速度．射流对熔池的机械搅拌作用与射流流股的动压在其横截面上的分布有关．图 5 是气体流量为 18600 m3 ·h － 1 时五个喷头在距喷头出口 1. 5 m 处横截面上的动压分布．图中黑色环线为等压线，每两条相邻等值线之间的差值为 1 kPa，最外面一条环线的动压值为 1 kPa，由外向内递增，具体如图中图例所示．图 5 不同喷头的射流在距出口 1. 5 m 横截面上的动压分布 Fig． 5 Dynamic pressure distribution on the cross section of 1. 5 m depth of five nozzles 在相同喷吹流量下，五个喷头的射流在相同横截面上的动压分布各不相同．常规喷头的等压线十分密集，存在大范围的红色高能区 ( 动压大于 9 kPa) ．与常规喷头相比，旋流喷头的动压明显较低． 5°旋流喷头的等压线数目有所减小，各流股中心为动压较小的橙色区( 其动压范围为 7 ～ 8 kPa) ，且橙色区面积小于图 5( a) 中红色区面积．当旋流角增至 8°时，等压线继续减少，且环孔的等压线比中心孔少．此变化规律在图 5( d) 和( e) 中也可以看到．由此可知: 相同射流横截面上，旋流喷头射流动压比常规喷头低，尤其是各流股中心处动压远低于常规喷头; 旋流角越大，流股中心处动压越小．此外，五个喷头的动压分布位置各不相同．常规喷头的射流分布比较集中，五股射流之间聚合程度较大，五股射流在 4 ～ 5 kPa 动压区域基本相连; 5° 旋流喷头的五股射流之间距离略有增大，环孔流股与中心流股仍有部分聚合，但环孔流股之间相互作用较小; 10°旋流喷头的五股射流之间已几乎无相互影响，流股之间刚性较好; 13°旋流喷头的五股射流之间不仅无相互影响，且流股之间距离较大．由此可知，与常规喷头相比，旋流喷头流股之间相互影响小，动压分布比较分散． 3 气液两相流模拟研究 3. 1 转炉纵切面的速度分布图 6 是不同氧枪喷吹时气液两相流喷吹 2. 5 s 后的转炉纵切面上的速度分布图．图中红色的粗线为钢液面，其余曲线为等速度线．旋流喷头在钢液面上部 25 和 50 m·s － 1 射流等速度线包围的面积比常规喷头大; 旋流角越大，等速线包围的面积越大．在相同操作条件下，旋流喷头的射流与熔池的接触面积比常规喷头大，且旋流角越大，接触面积越大，为熔池反应提供良好的动力学条件，有利于熔池反应快速高效地进行．常规氧枪喷头喷吹时熔池钢液面除中心凹坑处的其他部位波动较小．旋流氧枪喷头喷吹时，熔池钢液面波动幅度和波动范围较大，几乎整个钢液面都发生了抖动．熔池内流体流动越剧烈，钢液面波动幅度越大，波动范围也越大．因而可以看出，旋流氧枪喷头可以更好地促进熔池内部流体流动，使熔池快速趋于均匀．旋流氧枪喷头喷吹时熔池内部的流体流动速度比常规氧枪喷头喷吹时大．从熔池中 0. 05 m·s － 1 等速线所包围的面积可以看出: 与常规氧枪喷头相比，旋流氧枪喷头喷吹时熔池内部等速线所包围的面积较大; 且在旋流角小于 10°时，旋流角越大，等速线所包围的面积越大，低速区面积越小．常规氧枪喷头喷吹时，等速线所包围面积约为熔池纵切面面积的 45% ; 10°旋流氧枪喷头喷吹时，等速线所包围面积最大，其面积约为熔池纵切面面积的 75% ，钢液的流动速度也最大; 尽管 13°旋流氧枪喷头旋流角大于 10°旋流氧枪喷头，但熔池内部钢液的流动速度并没有增大． 3. 2 转炉熔池内部横截面的速度分布图 7 是不同氧枪喷吹时转炉熔池内不同深度横截面上的速度分布立体图．图中不同的颜色代表不同的速度值，其中红色最大，蓝色最小，具体值如图例所示． ·93·