大型转炉氧枪多孔喷头的设计与其射流特性

D0I:10.13374/j.issn1001-053x.1995.s1.016 第17卷增刊 北京科技大学学报 Vol.17 1995年12月 Journal of University of Science and Technology Beijing Dec.1995 大型转炉氧枪多孔喷头的设计 与其射流特性 蔡志鹏) 张春霞2” 1)中国科学院化工冶金研究所2)钢铁研究总院 摘要简要说明近年来关于氧枪研究和使用现状、喷头的合理设计与最佳操作参数。特别是对于 大型转炉的氧枪喷头射流流场特性的研究和最新进展并结合武钢50t转炉扩容为80t新设计的喷 头以及宝钢300：转炉氧枪改进的5孔喷头的三维流场研究进行报导. 关键词转炉，喷头，氧枪，射流 Design of Multijet for Large Scale Oxygen Lance of Converter and Its Feature of Supersonic Jet Cai Zhipeng Zhang Chunria 1)Institute of Chemical Metallurgy,Chinese Academy of Science 2)Central Iron &Stee!Institute ABSTRACT Introduced the research,utilization and design of multijet for large scale oxygen lance as well as its new research results. KEY WORDS converter,jet,oxygen lance 1喷头的合理设计 喷头的大小、各个部位的尺寸形状，是根据冶炼生铁的成分和转炉的生产能力来确定的， 现在大中型转炉一般都用3~6孔的喷头，然而在我国15t以下的小型转炉也都用3孔喷头， 甚至有的5t转炉也用3孔喷头，根据报导使用效果也不错. (I)Laval型超音速喷嘴在同样供氧压力和流量的条件下使用Laval型喷嘴和普通型喷 嘴，前者可以得到超音速射流，后者最多可以得到音速射流。在同样的冲击面积和穿透能力 要求下，前者由于获得了超音射流，射流能量衰减慢、穿透能力大与后者比较可以使喷头距 离液面远一些，因而可以减少来自火点区高温辐射的热负荷和喷溅的侵蚀. (2)马赫数的选择.喷嘴出口速度Ue与当地音速Ua之比Ue/Ua称之为超音速喷嘴的马 1995-06-15收稿

第 17 卷 增刊 1 9 9 5 年 1 2 月 北 京 科 技 大 学 学 报 J o u r n a l o f U n i v e r s i t y o f 玫 i e n e e a n d T e e h n o l o g y Be i ji n g V o l . 1 7 D e e . 1 9 9 5 大型 转炉 氧枪多孔喷头 的设计 与其射流特性 蔡志鹏 ` , 张 春 霞 2) l) 中国科学 院 化工 冶金研 究 所 2) 钢铁研究 总 院 摘要 简要说 明近年来关于 氧枪研究和 使用现状 、 喷头的 合理设计 与最佳 操作参数 . 特别 是对于 大型转炉的氧枪喷头射流流场特性的研究和最新 进展并结合武钢 5 0t 转炉 扩容为 8 0t 新设计 的喷 头 以及宝钢 3 o ot 转炉氧枪改进的 5 孔喷头的三维流 场研究进行报导 . 关镇词 转炉 , 喷头 , 氧枪 , 射 流 eD s ig n o f M u l t i j e t f o r L a r g e S e a l e O x y g e n L a n e e o f C o n v e r t e r a n d I t s F e a t u r e o f S u p e r s o n i e J e t aC i Z h etP n g ” Z ha n g hC u 肛澎 ) l ) I n s t i t u t e o f C h e im e a l M e t a ll u r g y , C h l n e se A e a d e m y o f 段 l e cn e Z ) ( 二e n t r a l I r o n 乙 S t e e l I n s t l t u t e A B S T R A C T I n t r 闭 u e e d t h e r e s e a r e h , u t i li z a t i o n a n d d e s ig n o f m u l t i j e t f o r l a r g e s e a l e o x y g e n l a n e e a s w e ll a s i t s n e w r e s e a r e h r e s u l t s . K E Y WO R D S e o n v e r r e r , J e t , o x y 罗 n l a n e e 1 喷头 的 合理设计 喷头 的大 小 、 各个部 位 的尺 寸形 状 , 是根 据 冶炼 生铁 的 成分 和转 炉 的生 产 能力 来确 定 的 . 现在 大中型 转炉 一般都用 3一 6 孔 的 喷头 , 然而 在我 国 1 5t 以 下 的 小型 转炉 也 都 用 3 孔 喷头 , 甚 至有 的 5t 转 炉也 用 3 孔 喷头 , 根 据报 导 使用 效果 也 不错 . ( 1) L va al 型超 音 速 喷嘴 在 同样 供 氧 压 力和 流 量 的 条件下 使 用 L va al 型 喷 嘴 和 普通 型 喷 嘴 , 前 者可 以 得到 超音速 射 流 , 后者 最 多可 以 得 到音 速射 流 . 在 同样 的 冲击 面积 和 穿透能 力 要求 下 , 前者 由于 获得 了超 音射 流 , 射 流 能量 衰 减慢 、 穿透 能力 大 与后 者 比较 可 以 使喷 头距 离液 面远 一些 , 因而 可 以 减 少来 自火点 区 高温 辐 射 的热 负荷 和喷溅 的侵蚀 . ( 2) 马 赫数 的选择 . 喷 嘴 出 口 速 度 U e 与 当地 音速 U a 之 比 U e / U a 称之 为超 音 速 喷 嘴的 马 1 9 9 5 一 0 6 一 1 5 收稿 DOI: 10. 13374 /j . issn1001 -053x. 1995. s1. 016

·76· 北京科技大学学报 赫数Ma.据调查，目前各国使用的氧枪喷头超音速喷嘴的马赫数多在l.8~2.3之间，其中 80%以上的喷嘴马赫数为上.9一2.0，而使用喷头Ma=1.8一1.9的不到15%，使用喷头Ma =2.0~2.3的不到5%. (3)喷孔与喷枪中心线的倾角.Smith S和l,eeCK2等人较早的由实验研究讨论了三孔 喷头在不同喷嘴倾角下各股射流之间的相互作用。研究结果表明，每股射流各自对喷枪中心 线的倾角下α>10°时各股射流在到达熔池液面之前是不会相交的，而当α=5时则在到达液面 之前就已经相交了.根据大量实验研究表明，合理的倾角α与喷孔的数目n有关，且随着喷孔 数目的增加而增大·倾角过小，射流的穿透能力增大，而冲击熔池面积减少；倾角过大，则 射流的穿透能力减小，而冲击面积增加并且易于冲刷炉壁.各种不同吨位转炉的氧枪枪位，必 然有其最佳枪位. LeCK3)对喷孔倾角与多孔喷枪行为的研究表明，多孔喷枪射流各个流股发生汇交和不 汇交的临界效应角Q。为界，大于日.各个射流就很少汇交甚至不汇交，小于8。则必定产生汇交. 效应角日。与喷孔倾角α及孔数n的相关方程为： Sin8。=Sina·Sin(180°/n) 如表1所示，因此在设计多孔喷头时可参考表1，再根据结构设计确定最佳喷孔倾角“， 表」推荐的多孔喷头孔数与喷孔倾角的关系 喷头的喷孔数n 3 15 6 喷f孔倾角a的范围/()8.7~14.010.6~12.612.8~15.015.1~18.2 Keilman L M等人提出，合适的倾角a与各个射流相互之间的夹角0（认为是单股射流的扩 张角18°左右，他们认为各个相邻射流之间夹角取17是比较合适的)有关，对于3一6孔均匀 分布的多孔喷头各个射流之间的夹角日与射流和喷枪中心线倾角α的关系如图1所示.由此 图所求得的倾角a对于一个4孔喷头来说，至少α=12.5°，而对于一个5孔喷头来说，至少《 =15°，与表1中求出的倾角α极为相近.宝钢300t转炉目前所使用的氧枪喷头是周边均布4 个主孔，当中有一个比较小的喷孔.它实际上相当于这里所讨论的4孔喷头，目前所使用的 倾角为12°，基本上是合用的，但是与所介绍的相比显得小了一点，建议有机会应该把它改为 >12.2°或13°更好. 30 Lance jet Separaton 4-Hole 26 3-Hole 。 22 5-Hoie 6-Hole 18 17° g 10 5 1114 1720 (。） 图！各射流与喷枪中心线倾角：和相邻射流之间夹角的日关系 2最佳操作压力

· 67 · 北 京 科 技 大 学 学 报 赫数 M a . 据 调 查 , 目前各 国使 用的氧 枪喷 头 超音速 喷 嘴的 马赫 数 多在 1 . 8 一 2 . 3 之 间 , 其 中 80 % 以 上的 喷嘴 马赫 数 为 1 . 9 一 2 . 0 , 而 使用 喷头 M a 一 1 . 8 一 1 . 9 的 不到 15 % , 使 用 喷头 M d 一 2 . 0 一 2 . 3 的 不到 5 % . ( 3) 喷孔与 喷枪 中心线 的倾 角 . S m i t h S 川和 L e e C K 圈等 人较 早 的 由实验 研究讨论了三孔 喷头在 不同喷 嘴倾 角下各 股射 流 之 间的相 互 作用 . 研 究结果 表 明 , 每股射流各 自对 喷枪 中心 线的倾 角下 。 > 1 0 时各 股 射流 在到 达熔 池 液面 之前 是不 会相 交的 , 而 当 a ~ 5 “ 时 则在 到达 液 面 之前就 已经相 交 了 . 根据 大量 实 验研 究表 明 , 合理 的倾角 a 与 喷孔 的数 目 n 有 关 , 且 随着 喷孔 数 目的增 加而 增大 . 倾 角过 小 , 射 流 的 穿透 能力增 大 , 而 冲击熔 池面 积减 少 ; 倾 角过 大 , 则 射流的穿透 能 力减 小 , 而冲 击面 积增 加 并且 易 于冲刷 炉壁 . 各种 不 同吨位 转炉 的氧 枪枪位 , 必 然有其最佳 枪 位 . L e C K 川对 喷孔 倾 角与 多孔 喷 枪 行 为的研 究表 明 , 多孔 喷枪射流各 个 流股 发 生汇交 和 不 汇交 的临界 效应 角 民 为 界 , 大 于 0 。 各 个射 流就 很 少汇交 甚至 不汇交 , 小于 民 则 必定 产生 汇 交 . 效应 角 民 与喷 孔倾 角 a 及孔 数 n 的相 关方 程 为 : S i n 民 = S i n a · S i n ( 1 8 0 0 / n ) 如表 1 所示 . 因此在 设计 多孔喷 头 时可 参考 表 l , 再根 据结构 设计 确定 最佳喷 孔倾 角 价 表 1 推荐的多孔喷头孔数 与喷孔 倾角的关系 喷头的喷孔数 n 喷孔倾角 。 的范围 / ( 。 ) 8 . 7 一 1 4 . 0 1 0 . 6 ~ 1 2 . 6 1 2 . 8 ~ 1 5 . 0 1 5 . 1 ~ 1 8 . 2 K iel m an L M 川 等 人提 出 , 合适 的倾 角 。 与各 个射流 相互 之间 的夹 角 夕 ( 认为是单 股射 流 的 扩 张角 1 80 左右 , 他们 认 为各 个相 邻射 流之 间夹 角取 1 70 是 比较 合适 的 ) 有关 , 对 于 3 一 6 孔 均 匀 分布的多孔 喷头 各 个射 流之 间 的夹 角 0 与 射流 和 喷枪 中心线 倾 角 a 的 关 系如 图 1 所示 . 由此 图所求得 的 倾 角 a 对 于一 个 4 孔喷 头 来说 , 至 少 a 一 1 2 . 5 “ , 而对 于一 个 5 孔喷 头 来说 , 至 少 a 一 1 50 , 与表 l 中 求 出的倾 角 a 极 为相近 . 宝钢 3 0 0t 转 炉 目前所 使用 的氧 枪喷头 是周 边 均 布 4 个主孔 , 当 中有 一 个 比较 小的 喷孔 . 它 实际 上相 当 于这里 所讨 论 的 4 孔 喷头 , 目前所 使 用 的 倾角为 1 20 , 基本 上是 合用的 , 但是 与所 介绍 的相 比显 得 小 了一 点 , 建议有机 会 应该 把 它 改 为 > 1 2 · 2 0 或 1 3 0 更好 . 4 一 H O l e 5 一 H O ! e 6 一 H O } e 17 0 图 1 各射流与喷枪 中心线倾 角 u 和相邻射 流之间夹角的 夕 关系 2 最佳操作压力

蔡志鹏等：大型转炉氧枪多孔喷头的设计与其射流特性 ·77 根据超音速喷嘴的流体动力学知识可知，喷嘴最佳操作压力即喷嘴上游滞止压力P。应该 等于或大于设计压力，绝对不能在低于设计压力下操作.如图2所示，在P。=设计压力下操 作时，喷嘴出口处压力等于环境压力P。=P。,可以获得稳定的射流，没有激波产生 如果操作压力高于设计压力，则气流在达喷嘴出口时，尚未完成膨胀（如图2b所示）仍 然具有一定的压力能，这时出口压力大于环境压力P>P,待气流离开喷嘴出口之一继续进 行膨胀，这叫做膨胀不足的喷嘴(Underexpanded Nozzle).这时会产生许多激波，射流的能量 损失比较大 如果操作压力低于设计压力，则气流未到出口之前，在喷嘴内部提前完成膨胀，一直到 达出口时继续膨胀，而且气流在喷嘴内部提前离开喷嘴管壁，这时出口压力P。<P。(如图2c 所示)，射流能量在喷嘴内部由于激波的产生而损失比较大。这种情况叫做过流膨胀喷嘴 (Overexpanded Nozzle). (a) (c) M>1 2 M<1 P M>1 M<1 M>I P<P P=P. P'<P, (b) 图？不同操作压力下超音 速喷嘴工作状况，a,P。=P。; M<I b,P.>psi c.pe<ps M>I P>P. Expansion 3最佳操作枪位 Waves 文献[5]提出了对于多孔喷枪的最佳操作枪位，认为应该稍微低于临界枪位来选择最佳 枪位的新概念，喷枪轴线上的速度与喷头的设计参数n、d、中，、a和Ma有关，其表达式如下： (C+r)sina ('CC)cosa Cexp-C)cos C) (2) 多孔喷头几何轴线上的速度特性如图3所示.它反应了多股射流边界互相摻混的迟早和 程度的大小.多股射流在刚刚离开喷头之后一段距离之内不会相交汇合的.随着各股射流向 前推进，各股射流的速度不断衰减和扩展，在一定的距离上各股射流边界迅速相交，开始引 起能量的损失。如果喷头设计不良，这种相交位置提前，则射流能量损失过大，除喷头出口 附近出现负压区之外，由于各股射流过早的相交又使喷头轴线出现局部的负压区，这就更容 易造成黏枪、烧结等使喷头寿命大为缩短 该研究提出了多孔喷头轴线上速度临界位置主要与喷头的几何参数/d。和倾角α以及 各个单股射流的断面分布系数入，有关，根据多股射流湍流射流理论和极值定理可得：

蔡志鹏等 : 大 型转炉氧枪 多孔喷 头 的设计与其射 流特性 根 据 超音 速 喷嘴 的流体 动 力学 知识可 知 , 喷 嘴最佳操 作 压力 即 喷嘴 上游 滞止 压 力 oP 应该 等于 或 大于 设计 压 力 , 绝 对 不能在 低 于设计 压 力下 操作 , 如 图 a2 所示 , 在 尸 。 一 设 计 压力 下操 作时 , 喷嘴 出 口 处 压力等于 环境 压力 尸 e 一 P 。 , 可 以 获得 稳 定 的射流 , 没有 激波 产 生 . 如果操作 压 力高 于设 计 压力 , 则气 流在 达喷 嘴 出 口 时 , 尚未 完成 膨胀 ( 如 图 b2 所示 ) 仍 然具有 一 定的 压力 能 , 这时 出 口 压力 大 于环境 压 力 只> 尸 。 , 待 气 流离 开 喷嘴 出 口 之 一继 续进 行 膨胀 , 这叫做 膨胀 不 足的 喷嘴 ( U n d er e x p an d ed N oz z l e ) . 这 时 会产 生 许多 激波 , 射 流的 能量 损失 比 较大 . 如 果操 作 压力 低于设 计 压力 , 则气 流 未到 出 口 之前 , 在 喷嘴 内部 提 前完 成膨 胀 , 一 直到 达 出 口 时继续 膨 胀 , 而 且气流在 喷 嘴 内部 提前 离 开 喷嘴管 壁 , 这时 出 口 压 力 eP < 尸 。 ( 如 图 c2 所 示 ) , 射 流 能量 在 喷 嘴 内部 由于激 波 的产 生而 损 失 比 较 大 . 这 种 情 况 叫做过 流 膨 胀 喷 嘴 ( O v e r e x P a n d e d N o z z l e ) . c() M > l M < l M < 尺 < .P 凡 ` < 凡 山) M ( 1 卜一一 一 M > I 件: 、 图 2 不同操作压 力下超音 速喷 嘴工作状况 , a , P 。 一 尸 。 ; b , P 。 > p 。 ; e · p 。 长 P a 最佳操作枪位 eP > aP 夕二从 公p a ns j o 。 \ \ . wa 毗 文 献 [ 5 」提 出了对 于 多孔 喷枪 的 最佳 操 作枪 位 , 认为应 该稍 微低于 临 界枪位来选择最 佳 枪 位 的 新概 念 . 喷枪轴线 上的速 度 与喷 头 的设 计参 数 n 、 d e 、 争 , 、 a 和 M a 有关 , 其 表达式 如 下 : l _ _ ( C , + x ) is n a 一 。 、 气L l 十 别 c O S a 一 t Z 一 ’ 一 七 1 十 x , c o s a 一 ` 2 一 多孔 喷头几 何 轴线上 的速 度特 性如 图 3 所示 . 它 反 应 了多股射 流边 界互相 掺混 的 迟早 和 程 度 的大 小 . 多 股射 流在 刚 刚离 开喷 头 之后 一段 距离 之 内不 会相 交 汇合 的 . 随 着各股射流 向 前推进 , 各 股射 流 的速度 不 断衰 减和 扩 展 , 在一 定 的距 离上 各股 射 流边 界迅 速相交 , 开始 引 起 能量 的损 失 . 如果 喷头 设计 不 良 , 这种 相 交位 置提 前 , 则射流 能 量损 失过 大 , 除 喷 头 出 口 附近 出现 负压 区 之外 , 由于 各股 射流 过早 的 相交 又使 喷 头轴线 出现 局部 的 负压 区 , 这就 更容 易造 成 私枪 、 烧结等 使 喷头 寿命 大 为缩 短 . 该研 究提 出 了多 孔喷 头轴 线 上速 度 临 界位 置 主要 与 喷头 的几 何 参数 笋 1 / d 。 和倾 角 Q 以 及 各 个单 股 射 流的 断面 分布 系 数 又 ; 有关 , 根 据 多股 射 流湍流射流理 论和极 值 定理 可得 :

·78· 北京科技大学学报 会-4ga 1.00r (3) +V(1+入·tg2a2-1] 0.80 由此可知，a的变化比中/d。变化对于 轴线上速度临界位置影响更大，所以产生 0.60 这种分布特征的原因，一是各股射流与外 边界相卷吸使混合范围逐渐增大；二是与 b8.6×103-6.5×10Pa 0.40 7.1×103-6.5×103Pa 此同时各股射流中心线上的速度随枪位的 增加而迅速减小，使得该截面上各点速度 0.20 10 30 50 10 90 也减小.当达到某一临界枪位时，上述两 x对D。 方面因素作用效果的总合使轴线上速度， 开始由小向大的方向增加一直达到最大 围3氯枪多孔喷头轴线上速度分布 值，超过此临界枪位时，虽然混合范围仍然在增加，但是由于各单股射流中心线上速度衰减 太快，而总的效果使轴线上速度减小，轴线上的流体质点不但不能由各射流的摻混获得动能， 反而使动能降低，因而本研究认为，在选择多孔喷头最佳操作枪位时，不仅要求考虑到射流 中心线上速度衰减和使冲击面积最大这两个因素，还要考虑其喷头轴线上的速度分布特征.在 此临界枪位上操作既可以获得最大的冲击动能，又可以获得最大的冲击面积.对6个厂家使 用的大型多孔喷头用(3)式计算的临界位置和在本实验室实测结果的比较如表2所示.由表 可知两者基本符合， 表2临界枪位的计算值与实测值的比较 编号孔数马赫数出口直径喷孔倾角 计算值 实测值 1/D. No. Ma D./mm a/() (X/D.)o (X/D.)oo 1 3 2.0 26.0 11 1.95 40.7 ≈40 2 3 1.9 33.5 11 1.97 38.8 35~42 3 3 1.98 27.0 9 1.80 36.5 25-40 1.93 26.5 10 2.04 42.1 4148 个 2 1.95 30.0 11 2.00 45.1 -45 6 3 1.98 41.5 10 1.92 42.3 4045 4 1.92 44.0 11 2.13 46.7 45 *No.7取自文献[5]，是4个主孔+8个副孔的二次燃烧氧枪喷头 4 多孔喷头射流流场的数学模型 超、亚音速多股射流流场速度分布数学模型研究，为多孔喷头设计和使用提供了理论依 据。多孔喷头射流流场，特别是具有二次燃烧的氧枪喷头，其流场特性极其复杂，目前有关 报导不多，文献[6]主要研究成果是应用微机控制的快速扫描采样大型喷头流场测试系统所 作试验研究，证实了所提出的“超、亚音速多股射流考虑有抽引效应的动量叠加模型”.计算 结果与实测结果相当吻合， 本研究在此基础上进一步改进了该模型，在单股射流一阶动量叠加的基础上，以射流中 心线偏转所引起的流场各点速度的偏移和在多股射流互相作用影响区域，考虑各点不同抽引 效应的两步修正法建立起多股射流流场速度分布模型，较好的预测了多股射流流场，初步实 现了应用计算机预测多股射流场目的.该研究并结合宝钢300t转炉氧枪喷头国产化的研究

· 78 · 北 京 科 技 大 学 学 报 轰 )一黯 : 、 · t g Z· , . 。。 ( 又 ) + 丫 ( 1 + 又, · t g Z护 一 1 〕 由此可 知 , a 的变 化 比 小 1 / d 。 变 化对 于 轴线上速 度 临 界位 置影 响更 大 . 所 以 产生 组 这 种分 布特 征 的原因 , 一是 各 股射 流与 外 匀 边 界相卷 吸 使混 合 范 围逐渐 增 大 ; 二是 与 此 同时各股射 流 中心线 上 的速 度随枪位 的 增 加而迅 速减 小 , 使 得 该截面 上各 点速 度 也减 小 . 当达 到 某一 临 界枪位 时 , 上述 两 方 面 因素作 用效 果 的 总 合 使轴 线上 速 度 , 开 始 由小 向大 的 方 向增 加 一 直 达 到 最 大 0 . 8 0 0 . 6 0 0 . 4 0 0 . 20安1金{ ” ` “ ’ “抚’ 一 ` ’ “ 。 J ” ` P a 1 7 . 1 x l o , 一 6 . 5 x l 0 5 P a … 图 3 级枪 多孔喷头轴线上速 度分布 值 , 超 过此 临 界枪位时 , 虽 然混 合范 围仍然 在增 加 , 但是 由于 各 单股射流 中心线上速度 衰减 太 快 , 而 总 的效 果使轴线上 速度 减 小 , 轴线上 的流 体质 点 不但不能 由各射 流的 掺 混获得动 能 , 反 而使动 能降低 . 因 而本研究认为 , 在选择 多孔 喷头 最佳操作枪位 时 , 不仅要 求考虑 到射流 中心线 上速 度衰减 和使冲击面积最 大 这两 个因素 , 还要 考虑 其 喷头轴线上 的速度 分布特征 . 在 此 临界枪位 上操 作 既可 以 获得 最大 的 冲击动能 , 又 可 以获得 最大 的 冲击面积 . 对 6 个厂 家使 用 的大 型多 孔 喷头 用 ( 3) 式 计 算的临 界位置 和 在本 实验室实 测结 果的 比较如表 2 所示 . 由表 可知 两者 基 本符 合 . 表 2 临界枪位的计算值 与实测值的比较 编号 N o . 孔 数 马赫数 M a 出 口 直 径 及 / m m 喷孔倾角 a / ( o ) 争 1 / D e 计算值 ( X /D 。 ) , . 实测值 (X /众 ) 。 p , , 1 1 1 . 9 5 4 0 . 7 1 1 1 . 9 7 3 8 . 8 9 1 . 8 0 3 6 . 5 1 0 2 . 0 4 4 2 . 1 1 1 2 . 0 0 4 5 . 1 1 0 1 . 9 2 4 2 . 3 1 1 2 . 1 3 4 6 . 7 乒七 4 0 3 5 ~ 4 2 2 5 ~ 4 0 4 1~ 4 8 ~ 4 5 4 0 ~ 4 5 ~ 4 5 0 ì1d勺1ó o ō b ōd门l内 b0 曰,ég9 OOJ 1月L孟 A 月工任 0998352 .1L21 乃0 O八dj gC勺l J J 曰八口连1 19 任 尸工办ē h了t ! N o . 7 取 自文献 [ 5〕 , 是 4 个主孔 十 8 个副孔的二 次燃烧 氧枪喷头 4 多 孔喷头射流流场 的数学 模型 超 、 亚 音速多 股射流 流场 速度 分布数学 模 型研 究 , 为多 孔 喷头设 计 和使 用提供 了理论依 据 . 多 孔 喷头射 流 流场 , 特别 是具 有二 次燃烧的氧枪喷 头 , 其 流场特 性极其 复 杂 , 目前有 关 报导 不 多 . 文献 [ 6 j 主 要研 究成 果是 应 用微 机控 制 的快速 扫 描采 样大 型 喷头 流场 测 试系统所 作试 验研究 , 证实 了所提 出的 “ 超 、 亚 音速 多股 射 流考虑 有 抽 引效应 的 动量 叠 加模型 ” . 计算 结 果与 实 测结 果相 当 吻 合 . 本研 究 7j[ 在此 基础 上 进 一步 改进 了该 模 型 , 在单股 射流 一 阶动 量叠 加 的基础 上 , 以 射 流 中 心 线偏转 所引起 的 流 场各 点速 度 的偏 移和 在 多股 射流 互相 作 用影 响 区 域 , 考 虑 各点不 同抽 引 效应的 两步 修正 法建立 起 多股 射 流流 场速 度分 布 模型 , 较 好 的预 测 了多 股射流 流场 , 初 步 实 现 了应用 计算机预 测多 股射流 场 目的 . 该研 究并 结 合宝 钢 3 o ot 转 炉 氧枪 喷头 国 产化 的研 究

蔡志鹏等：大型转炉氧枪多孔喷头的设计与其射流特性 ·79· 作出了较好的成果。模型结构可表达为 [一阶动量叠加+偏转]+[抽引门=[计算结果] 数学模型为： 设氧枪喷头有n个孔，有m个副孔，在流场中任取一点A,其质点微元体积为d,密度 为PA,速度为U,则A点的动量由n个独立主孔和m个独立的副孔射流分别作用在A点的 动量叠加。其一阶动量登加表达式为（参考图4）： PAUadv= SpDdv+Sov,do (4) j■1 考虑垂直分量为： pU4dw=f∑pU,·dm·cosd1+f∑p,y,·dvcosa: (5) 抽引系数∫实际上是非常复杂的因子，是一个包括多元变量的函数.本研究对于大量多孔喷 头计算结果与实验值进行比较研究可知，对于a:为8°~11°，X/D.=23~55之内的f1系数形 成一个四维数组表示的抽引系数数据库，在计算中可以直接调用数据库中的数值.图4为本 模型计算的结果和相同条件下的实验值及文献[6]的结果比较.由比较可知本模型计算精度 大为提高，并且和实验值非常接近 D,=2mm P=0.6 MPa P2=0.5 MPa (3+6)孔 a=01 +实验 一文献值 …计算值 0 9 -50-40-30-20-1001020 304050 R/D 图4横截面上沿径向的速度分布 文献[7、8]介绍了本研究所开发的大型氧枪测试系统所测试的多孔喷头射流流场速度 图和三维速度分布图形，并在武钢50t转炉扩容为80t转炉新设计的多孔喷头流场预测中的 应用实例，以及在宝钢300t转炉与孔喷头经过改进的大流场喷头流场预测中应用实例. 卷考文献 1 Smith GC.J Metals,1966,18:846 2 Lee C K,Neilson J H.Ironmaking &Steelmaking,1977,4 (6):329 3 Lee C K.Iron and Steel International Conference,1977,50 (3):175 4 Keilman L M,Galloway S M.Presented at the 76th Steelmaking Conference,ISS-AMIE,March,1993, 28 5张春霞，蔡志鹏等.化工冶金，1994,15(3)：196 6 Tsai chihpeng,Tu Hong,et al.The 6th International Iron and Steel Congress.1990 (1):402 7蔡志鹏。反应工程学和有色金属冶金，学术会议论文集，1993,23 8蔡志鹏.全国转炉氧枪技术交流会议，氧枪文集，1991,58

蔡志鹏等 : 大型转炉 氧枪多 孔喷头 的设 计与其射流特性 作 出 了较好 的 成果 . 模型结 构可 表达 为 [一 阶动 量叠 加 + 偏转 」十 〔抽 引 」一 [计算结 果」 数 学模 型 为 : 设 氧枪喷 头有 n 个孔 , 有 m 个副 孔 , 在流 场 中任取 一 点 A , 其质点 微元体积 为 d y , 密度 为 爪 , 速度 为 U A , 则 A 点 的 动量 由 n 个 独立 主孔 和 m 个 独立 的副 孔射流 分别作 用 在 A 点 的 动量 叠 加 . 其 一 阶动量叠 加表 达式 为 ( 参考 图 4) : 凡万川。 一 艺 iP 瓦vd + 乙 jP 丽 , vd ( 4 ) 考虑 垂直分 量 为 : 、 U 川二 一 f , 习iP酥 d y · e o s 己 , + 九 艺八V , · d y · e o s 己 : ( 5 ) 抽 引系数 f 实 际上 是非 常复 杂 的因子 , 是 一个包 括 多元 变量 的 函数 . 本 研 究对于大量 多孔 喷 头计 算结果 与实验值进行 比较研究可 知 , 对 于 Q , 为 o8 一 1 1 “ , X / D e 一 23 一 5 之 内的 f1 系数 形 成一个 四维数 组表 示 的抽 引系数 数据 库 , 在计算中可 以 直 接调用 数据 库 中 的数 值 . 图 4 为 本 模型 计算的结 果和 相 同条件 下的 实验值 及 文献 [ 6 ] 的结 果 比较 . 由比 较 可知 本模型 计算 精 度 大 为提 高 , 并 且和 实验值 非 常接近 . 笃 匀 沙 { 一 5 0 一 4渊0 一 尸 3 黔0 一 20 一 1 0 0 10 2 0 30 4 0 50 R户 1 图 生 横截面 上沿径向的速度分 布 文献 [ 7 , 8 〕 介 绍 了本研 究 所开 发 的大 型氧 枪 测试系统所 测试的 多孔 喷头 射 流流 场速 度 图和三 维 速 度分 布 图形 , 并在 武 钢 50 t 转 炉 扩容为 8 0t 转 炉 新设 计的 多孔喷头流 场 预测 中的 应 用 实例 , 以 及在 宝钢 3 o ot 转炉 与孔 喷头 经过 改进 的 大流 场 喷头 流场 预 测 中应用 实 例 . 参考文献 S m i t h G C . J M e t a l s , 1 9 6 6 , 1 8 : 8 4 6 L e e C K , N e il s o n J H · I r o n m a k i n g 衣 S t e e lm a k i n g , 1 9 7 7 , 4 ( 6 ) : 3 2 9 L e e C K . I r o n a n d S t e e l I n t e r n a t i o n a l C o n f e r e n e e , 1 9 7 7 , 5 0 ( 3 ) : 1 7 5 K e ilm a n L M , G a l l o w a y 5 M . P r e s e n t e d a t r h e 7 6 t h S t e e l m a k i n g oC n f e r e n e e , 15 5 一 A M IE , M a r e h , 2 9 9 5 , 2 8 张春霞 , 蔡志鹏等 . 化工 冶金 , 1 9 9 4 , 1 5 ( 3 ) : 1 9 6 T s a i e h i h p e n g , T u H o n g , e t a l . T h e 6 t h I n r e r n a r i o n a l I r o n a n d S t e e l C o n g r e s s , 1 9 9 0 ( z ) : 4 0 2 蔡志鹏 . 反应工程学和有色金 属冶金 , 学术会议论文 集 , 1 9 93 , 23 蔡 志鹏 . 全国转 炉氧枪技术交流会议 , 氧枪文集 , 1 9 91 , 58