集束射流氧枪的设计与应用

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

·82 北京科技大学学报 2007年增刊1 变量的近似值 a(pv) Ot dx; -(pvivj-Py)=P8i (4) 1集束射流和普通射流的数值模拟 能量方程： 1.1原理 (pE)8 PvjE-Pyvi-uB- =Pmj8)(5) 氧枪2只有采用拉乌尔管即先收缩后扩张这 种喷头，射出的气流速度才能大于声速，喷头出口 其中，x,x,xk为x在i,j,k方向的分量：y,v 速度大约在500ms1左右，因而流股较为稳定：气 为速度在i,j方向的分量：4er为有效粘性系数： 流的能量利用率高，便于较高的枪位操作，从而提 1 高喷头的寿命，若吹炼工艺过程合理，可以获得优 a=3ply+pC 。:E=-叼+I为单位质量的 2 质高产的效果.普通氧枪和集束氧枪均采用1：1的 能量，1为单位质量的内能：B为一个系数，它把能 比例.对于集束射流氧枪，从主氧管喷入氧气，环 量方程中扩散时的推动力温度T转换为内能上：g和 氧是通过喷孔流出的，为方便计算，将喷孔设计成 8是分别是i和j方向的重力体积力： 环缝，认为气体是从环缝中流出，环缝中的气体可 P)=-p6,+)ieu⊙，+e,这里p为压力，一般情 以是不与氧气反应的气体，如氧气或者气体二氧化 2 况下它是p和I的函数，即p=f(p,I)，δg是狄拉 碳，本研究采用氧气. 克算符，1与4分别为第一、第二粘性系数. 1.2控制方程及边界条件 本文仅分析氧枪的射流特性，即分析其轴线衰 k方程和ε方程的源项分别为： 减和对周围气体的卷吸状况，所以在建立数学模型 OuLe-Copk Gk= 时，把射流出口后的计算区域处理成无限大的空间 (相对于拉瓦尔喷管是足够大). G=Cie e O-C2pe2 1k 本文在物理模型上可以看作是稳态的、轴对称、 其中，4,4，为粘性系数在i,j方向的分量；1为 完全可压缩的湍流射流 分子平均自由程，m:山，为湍流扩散系数： 有以下几点假设： a24. (1)拉瓦尔管内靠近壁面的流体是粘性的，拉 e1=驰+驰；e= 8xj axi :Co为喷管流量系数， 瓦尔管外的整个流场中的气体均属于理想气体，它 表示实际流量和理论流量的偏差，本文取值为0.92， 满足气体状态方程. 其中的系数常取朗道-斯玻尔丁推荐的值： (2)模型采用全热模型、湍流k-ε模型，在湍 C4=0.09,ok=1.0,oE=1.3,C1=145, 流混合区内，流动满足薄湍流剪切层理论的基本假 C2=1.92. 设. 初始及边界条件： (3)氧枪管所有的连接处都很光滑，管内摩擦 ①入口的总压力值为0.808MPa,相对总压力 可以忽略 为0.704MPa(环境压力取炉膛压力0.104MPa): 湍流模型采用k-￡双方程5-6，表达式如下： ②模型周围环境温度为298K: k方程： ③在三个方向上的速度分别为15,15和300 (pk)s Puik-Len ok (1) m.s-; ④时间步长为0.0001s,最大迭代次数为 e方程： 2000,计算误差为10-5. am Puye-Hen De 1.3计算及结果分析 G (2) Gs dxj 模型针对100t电炉使用的超音速及集束氧枪 在不同压力及流量下进行了研究.模拟了当喷吹压 在可压缩气体模型中，控制方程为： 力为0.7、0.8及0.9MPa时，主氧管喷吹流量依次 连续性方程： ap a(pv)=0 十 (3) 为1200、1800和2400m3.h-1及环氧量分别为主氧 量1/6,1/5,1/4时的轴向射流速度衰减情况. 动量方程： 图1是主氧量为1200m3h1不同环氧量的氧

• 82 • 北 京 科 技 大 学 学 报 2007 年 增刊 1 变量的近似值． 1 集束射流和普通射流的数值模拟 1.1 原理 氧枪[2-4]只有采用拉乌尔管即先收缩后扩张这 种喷头，射出的气流速度才能大于声速，喷头出口 速度大约在 500 m⋅s −1 左右，因而流股较为稳定；气 流的能量利用率高，便于较高的枪位操作，从而提 高喷头的寿命．若吹炼工艺过程合理，可以获得优 质高产的效果．普通氧枪和集束氧枪均采用 1:1 的 比例．对于集束射流氧枪，从主氧管喷入氧气，环 氧是通过喷孔流出的，为方便计算，将喷孔设计成 环缝，认为气体是从环缝中流出，环缝中的气体可 以是不与氧气反应的气体，如氧气或者气体二氧化 碳，本研究采用氧气． 1.2 控制方程及边界条件 本文仅分析氧枪的射流特性，即分析其轴线衰 减和对周围气体的卷吸状况，所以在建立数学模型 时，把射流出口后的计算区域处理成无限大的空间 (相对于拉瓦尔喷管是足够大)． 本文在物理模型上可以看作是稳态的、轴对称、 完全可压缩的湍流射流． 有以下几点假设： (1) 拉瓦尔管内靠近壁面的流体是粘性的，拉 瓦尔管外的整个流场中的气体均属于理想气体，它 满足气体状态方程． (2) 模型采用全热模型、湍流 k −ε 模型，在湍 流混合区内，流动满足薄湍流剪切层理论的基本假 设． (3) 氧枪管所有的连接处都很光滑，管内摩擦 可以忽略． 湍流模型采用 k −ε 双方程[5-6]，表达式如下： k 方程： ( ) eff j k j kj k kk G tx x µ ρ ρµ σ ∂∂ ∂ ⎛ ⎞ + −= ⎜ ⎟ ∂∂ ∂ ⎝ ⎠ (1) ε 方程： ( ) eff j j j G tx x ε ε µ ε ρε ρµ ε σ ∂∂ ∂ ⎛ ⎞ + −= ⎜ ⎟ ∂∂ ∂ ⎝ ⎠ (2) 在可压缩气体模型中，控制方程[5]为： 连续性方程： ( ) 0 j j v t x ∂ρ ∂ ρ + = ∂ ∂ (3) 动量方程： ( ) ( ) j i j ij i j v vv g t x ρ ρ ρ ρ ∂ ∂ + −= ∂ ∂ (4) 能量方程： ( ) j ij i j j j j E I vE pv B vg tx x ρ ρ µρ ∂∂ ∂ ⎛ ⎞ + −− = ⎜ ⎟ ∂∂ ∂ ⎝ ⎠ (5) 其中，xi ，x j ，xk 为 x 在 i ，j ，k 方向的分量；vi , v j 为速度在 i，j 方向的分量； µeff 为有效粘性系数； 2 eff 1 3 k µ ρρ Lv Cµ ε = + ； 2 1 2 E vI =− +j 为单位质量的 能量，I 为单位质量的内能；B 为一个系数，它把能 量方程中扩散时的推动力温度 T 转换为内能 I；gi和 gj 是分别是 i 和 j 方向的重力体积力； 1 2 pp e e ij ij kk ij ij =− + + δ λδ µ ，这里 p 为压力，一般情 况下它是ρ和 I 的函数，即 pf I = ( ) ρ, ， δ ij 是狄拉 克算符， λ 与 µ 分别为第一、第二粘性系数． k 方程和 ε 方程的源项分别为： 3 2 / i k t ij D j G eCk l x µ µ ρ ∂ = − ∂ ； 1 2 2 / i t ij j C G e Ck k x ε ε µ µ ρε ∂ = − ∂ 其中， µi , µ j 为粘性系数在 i，j 方向的分量；l 为 分子平均自由程， m ； µt 为湍流扩散系数； i j ij j i e x x ∂µ ∂µ = + ∂ ∂ ； 2 2 kk k e x ∂ µ = ∂ ； CD 为喷管流量系数， 表示实际流量和理论流量的偏差，本文取值为 0.92． 其中的系数常取朗道−斯玻尔丁推荐的值： Cµ = 0.09 ， σ k = 1.0 ， σ ε = 1.3 ， C1 = 1.45 ， C2 = 1.92 ． 初始及边界条件： ① 入口的总压力值为 0.808 MPa，相对总压力 为 0.704 MPa(环境压力取炉膛压力 0.104 MPa)； ② 模型周围环境温度为 298 K； ③ 在三个方向上的速度分别为 15，15 和 300 m⋅s −1 ； ④ 时间步长为 0.0001 s，最大迭代次数为 2000，计算误差为 10−5 ． 1.3 计算及结果分析 模型针对 100 t 电炉使用的超音速及集束氧枪 在不同压力及流量下进行了研究．模拟了当喷吹压 力为 0.7、0.8 及 0.9 MPa 时，主氧管喷吹流量依次 为 1200、1800 和 2400 m3 ⋅h−1 及环氧量分别为主氧 量 1/6，1/5，1/4 时的轴向射流速度衰减情况． 图 1 是主氧量为 1200 m3 ⋅h−1 不同环氧量的氧

Vol.29 Suppl.1 杨竹芳等：集束射流氧枪的设计与应用 ·83 枪轴向射流速度图，从左到右环氧量依次为主氧量 在不加铁水的情况下，电弧炉治炼电耗较高， 的0,16,1/5,1/4.下图中最内层为核心段长度， 吨钢电耗为400kWh左右.但随着铁水加入量的增 核心段长度也即射流速度达到330ms1(约等于音 加，铁水带入了大量物理热，同时C-O反应产生大 速)时的长度：第二层速度为100ms':第三层速度 量化学热，这样可以迅速提高熔池温度，缩短废钢 为80ms1:最外围速度为30ms.可以看出当环 熔化时间，从而达到降低电耗目的 氧量增加时，包括核心段长度在内的每层速度均依 2.2热装铁水比与冶炼周期的关系 次增大：当环氧量为主氧量的1/5时，轴向速度衰 由图3可知，安阳100t竖式电炉在使用USTB 减最慢.比较普通超音速氧枪（即环氧量0）和集束氧 集束供氧系统后，治炼周期比未采用此系统前增 枪（环氧量不为0）可以得到：集束氧枪能够保持更长 大，原因在于：原料中铁水比例增加废钢相对减少， 的高速气流，速度衰减最慢. 导致碳、磷含量稍有增加，所以周期增加.而两种 Velocity 环红量： 15 氧枪当热装铁水比在50%左右时，治炼周期变化趋 (Contour1） -5.714e+002 于平缓，所以建议热装铁水比保持在50%左右的范 围内 5.300e+002 80 -4.000e+0o2 60 -3.206et002 40 -2.030e+002 一多项式（集束氧枪）◆普通氧枪 0 一多项式（普通氧枪）·集束氧枪 1.000e+002 0 10 20304050 60 热装铁水比/% 6.000e4001 图3两种氧枪热装铁水比和冶炼周期的关系 -3.000c+001 2.3热装铁水比与吨钢氧耗的关系 -0.001e4000 由图4可知，使用USTB集束供氧系统后，吨 [m.s] 钢氧耗略有提高.主要是因为采用USTB集束供氧 图】4种集束射流的速度场 系统后，供氧能力大幅度提高，化学能代替了一部 分电能，在降低成本上来说适当用化学能代替部分 2工艺结果分析 电能还是可取的.而对于两种氧枪来说，热装铁水 比在50%左右时，吨钢氧耗变化趋于平缓 安阳一炼轧厂100t竖式电炉使用通过数值模 60.000 拟优化设计的集束射流氧枪，即采用USTB集束供 氧系统前后的数据进行分析，得到了不同热装铁水 40.000 出 比情况与吨钢电耗，冶炼周期，吨钢氧耗等的关系 20.000 多项式（普通氧枪）◆集束氧枪 2.1热装铁水比与冶炼电耗的关系 一多项式（集束氧枪）·普通氧枪 由图2可知，在使用USTB集束供氧后，吨钢 0.000 0.00 20.00 40.00 60.00 电耗随着铁水热装比下降的趋势比改造以前效果明 热装铁水比/% 显，吨钢电耗比改造前平均低了30kWh 图4两种氧枪热装铁水比和吨钢氧耗的关系 600.000 一多项式（警通氧抢）■普通氧枪 另外，安阳一炼轧厂100t竖式电炉采用USTB 专4000 一多项式（集束氧枪）·集束氧抢 集束供氧系统后，生产成本也有明显的降低. 200.000 3结论 0.000 10 2030405060 (1)通过数值模拟的方法对普通超音速氧枪和 热装铁水比/% 集束射流氧枪的射流特性进行了研究，得出集束射 图2两种氧枪热装铁水比和吨钢电耗的关系 流氧枪比普通超音速氧枪有更好的射流长度，而且

Vol.29 Suppl.1 杨竹芳等：集束射流氧枪的设计与应用 • 83 • 枪轴向射流速度图，从左到右环氧量依次为主氧量 的 0，1/6，1/5，1/4．下图中最内层为核心段长度， 核心段长度也即射流速度达到 330 m⋅s −1 (约等于音 速)时的长度；第二层速度为 100 m⋅s −1 ；第三层速度 为 80 m⋅s −1 ；最外围速度为 30 m⋅s −1 ．可以看出当环 氧量增加时，包括核心段长度在内的每层速度均依 次增大；当环氧量为主氧量的 1/5 时，轴向速度衰 减最慢．比较普通超音速氧枪(即环氧量 0)和集束氧 枪(环氧量不为 0)可以得到：集束氧枪能够保持更长 的高速气流，速度衰减最慢． 图 1 4 种集束射流的速度场 2 工艺结果分析 安阳一炼轧厂 100 t 竖式电炉使用通过数值模 拟优化设计的集束射流氧枪，即采用 USTB 集束供 氧系统前后的数据进行分析，得到了不同热装铁水 比情况与吨钢电耗,冶炼周期,吨钢氧耗等的关系． 2.1 热装铁水比与冶炼电耗的关系 由图 2 可知，在使用 USTB 集束供氧后，吨钢 电耗随着铁水热装比下降的趋势比改造以前效果明 显，吨钢电耗比改造前平均低了 30 kW⋅h． 图 2 两种氧枪热装铁水比和吨钢电耗的关系 在不加铁水的情况下，电弧炉冶炼电耗较高， 吨钢电耗为 400 kW⋅h 左右．但随着铁水加入量的增 加，铁水带入了大量物理热，同时 C−O 反应产生大 量化学热，这样可以迅速提高熔池温度，缩短废钢 熔化时间，从而达到降低电耗目的． 2.2 热装铁水比与冶炼周期的关系 由图 3 可知，安阳 100 t 竖式电炉在使用 USTB 集束供氧系统后，冶炼周期比未采用此系统前增 大．原因在于：原料中铁水比例增加废钢相对减少， 导致碳、磷含量稍有增加，所以周期增加．而两种 氧枪当热装铁水比在 50%左右时，冶炼周期变化趋 于平缓，所以建议热装铁水比保持在 50%左右的范 围内． 图 3 两种氧枪热装铁水比和冶炼周期的关系 2.3 热装铁水比与吨钢氧耗的关系 由图 4 可知，使用 USTB 集束供氧系统后，吨 钢氧耗略有提高．主要是因为采用 USTB 集束供氧 系统后，供氧能力大幅度提高，化学能代替了一部 分电能．在降低成本上来说适当用化学能代替部分 电能还是可取的．而对于两种氧枪来说，热装铁水 比在 50%左右时，吨钢氧耗变化趋于平缓． 图 4 两种氧枪热装铁水比和吨钢氧耗的关系 另外，安阳一炼轧厂 100 t 竖式电炉采用 USTB 集束供氧系统后,生产成本也有明显的降低． 3 结论 (1) 通过数值模拟的方法对普通超音速氧枪和 集束射流氧枪的射流特性进行了研究，得出集束射 流氧枪比普通超音速氧枪有更好的射流长度，而且

84· 北京科技大学学报 2007年增刊1 集束射流氧枪环氧中的供氧量为主氧量的1/5时， 吨钢氧耗的变化不大，所以建议热装铁水比保持在 集束射流的效果最佳 50%左右. (2)集束射流氧枪具有超音速，化渣速度快， 参考文献 化渣效果好，脱磷、脱碳率高等优点，安阳100t [1】刘晓，杨宝权.当代电弧炉炼钢技术的现状与发展.世界钢 竖式电炉在使用了USTB集束供氧系统后，吨钢电 铁，2001,5：10 耗平均降低了30kWh:吨钢氧耗略有增大，但相 [2】李桂海，朱荣，仇永全，等.电弧炉炼钢集束射流氧枪的射流 对于电价，氧气价格更加便宜，从成本方面考虑用， 特征.特殊钢，2002,231)：11 用氧气替代电能是可取的：另外，总的生产成本降 [3]Ortega J,Vasquez J.Implementation and operation results with 低，取得良好的经济效益. coJetTM gas injection system at SIDOR with DRI charging//2001 (3)安阳100t竖式电炉在使用了USTB集束供 Electric Furnace Conference Proceedings.ISS publication:703 [4】赵荣玖.国外氧枪设计剖析.钢铁，1992,27(2)：22 氧系统后，治炼周期略有增加，原因在于：原料中 5)】沈颐身，李保卫，吴懋林.治金传输原理基础.北京：治金工 铁水比例增加废钢相对减少，导致碳、磷含量稍有 业出版社，2000：91 增加，所以周期增加， [6]王福军.计算流体动力学分析.北京：清华大学出版社，2004： (4)当热装铁水比在50%左右时，治炼周期和 7 Design and application of coherent jet oxygen lance YANG Zhufang,WANG Zhenzhou,ZHU Rong,HAN Lihui,NIU Chongjun2,HU Zhenbang?) 1)Metallurgical and Ecological Engineering School,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China 2)Anyang Iron and Steel Co.,Ltd.,Anyang 455004,China ABSTRACT Software CFX 10.0 was used to simulate the characteristic of coherent jet oxygen lance and common oxygen lance.The advantage of coherent jet oxygen lance was proved by comparing the characteristic of the two lances.The coherent jet oxygen lance was used in the 100 t shaft EAF in Anyang Iron and Steel Co. Ltd.and the effect was analyzed.The results show that the electric consumption decreases by 30 kW.h and the advantage in oxygen consumption and production cost is obvious.Combustion cycle increases with the increase of hot metals proportion.The suggested hot metal ratio keeps about 50%because electric consumption,oxygen consumption,combustion cycle and production cost keep the similar level as hot metal ratio around 50%. KEY WORDS EAF steelmaking;coherent oxygen lance;numerical simulation

• 84 • 北 京 科 技 大 学 学 报 2007 年 增刊 1 集束射流氧枪环氧中的供氧量为主氧量的 1/5 时， 集束射流的效果最佳． (2) 集束射流氧枪具有超音速，化渣速度快， 化渣效果好，脱磷、脱碳率高等优点，安阳 100 t 竖式电炉在使用了 USTB 集束供氧系统后，吨钢电 耗平均降低了 30 kW⋅h；吨钢氧耗略有增大，但相 对于电价，氧气价格更加便宜，从成本方面考虑用， 用氧气替代电能是可取的；另外，总的生产成本降 低，取得良好的经济效益． (3) 安阳 100 t 竖式电炉在使用了 USTB 集束供 氧系统后，冶炼周期略有增加，原因在于：原料中 铁水比例增加废钢相对减少，导致碳、磷含量稍有 增加，所以周期增加． (4) 当热装铁水比在 50%左右时，冶炼周期和 吨钢氧耗的变化不大，所以建议热装铁水比保持在 50%左右． 参 考 文 献 [1] 刘晓, 杨宝权. 当代电弧炉炼钢技术的现状与发展. 世界钢 铁，2001，5：10 [2] 李桂海，朱荣，仇永全，等. 电弧炉炼钢集束射流氧枪的射流 特征. 特殊钢，2002，23(1)：11 [3] Ortega J, Vasquez J. Implementation and operation results with coJetTM gas injection system at SIDOR with DRI charging//2001 Electric Furnace Conference Proceedings. ISS publication：703 [4] 赵荣玖. 国外氧枪设计剖析. 钢铁，1992，27(2)：22 [5] 沈颐身，李保卫，吴懋林. 冶金传输原理基础. 北京：冶金工 业出版社，2000：91 [6] 王福军. 计算流体动力学分析. 北京：清华大学出版社，2004： 7 Design and application of coherent jet oxygen lance YANG Zhufang1), WANG Zhenzhou1), ZHU Rong1), HAN Lihui1), NIU Chongjun2), HU Zhenbang2) 1) Metallurgical and Ecological Engineering School, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China 2) Anyang Iron and Steel Co., Ltd.，Anyang 455004，China ABSTRACT Software CFX 10.0 was used to simulate the characteristic of coherent jet oxygen lance and common oxygen lance. The advantage of coherent jet oxygen lance was proved by comparing the characteristic of the two lances. The coherent jet oxygen lance was used in the 100 t shaft EAF in Anyang Iron and Steel Co. Ltd. and the effect was analyzed. The results show that the electric consumption decreases by 30 kW⋅h and the advantage in oxygen consumption and production cost is obvious. Combustion cycle increases with the increase of hot metals proportion. The suggested hot metal ratio keeps about 50% because electric consumption, oxygen consumption, combustion cycle and production cost keep the similar level as hot metal ratio around 50%. KEY WORDS EAF steelmaking; coherent oxygen lance; numerical simulation