三钢三钢 100100 吨转炉氧枪的数值模拟优化设吨转炉氧枪的数值模拟优化设计计

北京科技大学北京科技大学易 操易 操

2008.112008.11

报告内容报告内容

1.1. 研究背景、内容研究背景、内容

2.2. 研究目的、意义研究目的、意义

3.3. 氧枪设计与数值模拟及工业试验氧枪设计与数值模拟及工业试验

4.4. 本课题相关研究本课题相关研究

11 、研究背景、内容、研究背景、内容 本课题是以福建三明钢铁集团公司本课题是以福建三明钢铁集团公司 100100吨复吹转炉为背景而展开的相关研究。吨复吹转炉为背景而展开的相关研究。随着福建三钢新品种的开发，对钢水质随着福建三钢新品种的开发，对钢水质量提出了更高的要求，特别是在降低钢量提出了更高的要求，特别是在降低钢中磷含量方面。中磷含量方面。

本课题主要进行了三方面研究：氧枪优本课题主要进行了三方面研究：氧枪优化设计、氧枪射流的数值模拟研究及氧化设计、氧枪射流的数值模拟研究及氧枪工业试验。枪工业试验。

22 、研究目的、意义、研究目的、意义

本研究基于三钢现阶段本研究基于三钢现阶段 100t100t 转炉冶炼时出现转炉冶炼时出现操作氧压高、化渣困难、喷溅严重等问题，对操作氧压高、化渣困难、喷溅严重等问题，对其转炉氧枪喷头进行了结构改进优化。其转炉氧枪喷头进行了结构改进优化。

将改进后的喷头用于工业试验，以验证数值模将改进后的喷头用于工业试验，以验证数值模拟取代冷态模拟的可行性。拟取代冷态模拟的可行性。

氧枪由喷头、枪身和尾部三部分组成，喷头常用氧枪由喷头、枪身和尾部三部分组成，喷头常用紫铜材质，枪身由无缝钢管做成的三层套管组成。尾紫铜材质，枪身由无缝钢管做成的三层套管组成。尾部结构应该方便输氧管、进水和出水软管同氧枪的连部结构应该方便输氧管、进水和出水软管同氧枪的连接，保证三层套管之间密封及水流的畅通，以及便于接，保证三层套管之间密封及水流的畅通，以及便于吊装氧枪。吊装氧枪。

氧枪设计的内容包括：喷头设计，水冷氧枪设计的内容包括：喷头设计，水冷系统设计，枪身和尾部结构系统设计。其中喷头是氧系统设计，枪身和尾部结构系统设计。其中喷头是氧枪的核心部分，所以喷头的设计是关键，也是难点。枪的核心部分，所以喷头的设计是关键，也是难点。

33 、转炉炼钢氧枪设计、转炉炼钢氧枪设计

转炉炼钢氧枪设计转炉炼钢氧枪设计（ 1 ）氧枪喷头设计 喷头是氧枪的核心部分，所以喷头的设计是关键，也是难点 喷头是氧枪的核心部分，所以喷头的设计是关键，也是难点

。主要的参数包括：氧气流量 、喷头的孔数、喷头出口处马赫。主要的参数包括：氧气流量 、喷头的孔数、喷头出口处马赫数数 (Ma) (Ma) 与设计工况氧压、炉膛压力、喷孔夹角和喷孔间距、喷与设计工况氧压、炉膛压力、喷孔夹角和喷孔间距、喷孔端面形状、喷孔的形状。孔端面形状、喷孔的形状。

（ 2 ） 氧枪枪体部分的设计 氧枪的枪体由三层套管组成。氧枪枪体部分的设计主要是确层套管组成。氧枪枪体部分的设计主要是确

定中心氧气管、中外层套管的直径以及氧枪全长和行程的确定。定中心氧气管、中外层套管的直径以及氧枪全长和行程的确定。（ 3 ） 供氧操作 所谓供氧制度，通常是指炼钢过程，采用恒压变枪、恒枪变所谓供氧制度，通常是指炼钢过程，采用恒压变枪、恒枪变

压还是变枪变压、恒压恒枪的操作制度。压还是变枪变压、恒压恒枪的操作制度。

改进前后的氧枪参数

类别 喉口直径 出口直径 夹角 马赫数 氧压 孔数改进前 37.1mm 47.2mm 12° 2.0 0.95Mpa 4

改进后 39.4mm 51.2mm 12.5° 2.0 0.8Mpa 4

为降低转炉氧枪氧压，在保证其供氧量的情况下，适当增大了喉口尺寸，从原来的 37.1mm 增加为 39.4mm 。 氧气射流具有一定的冲击面积可以保证氧枪的化渣能力，熔池冲击面积越大，表明氧气射流的化渣能力越强，脱磷效果越好。为此，新喷头增大了喷孔间的夹角，从原来的 12° 增加为 12.5° 。 考虑到转炉喷溅的原因，初步认为现有氧枪冲击深度过大，反应区过度集中是目前该厂冶炼过程中喷溅严重的直接影响因素。因此，适当降低氧气射流速度，减小射流冲击深度将有利于减轻喷溅。

3.13.1 、氧枪参数设计、氧枪参数设计

图 1 网格划分图 图 2 喷头部分局部网格放大图

3.23.2 、氧枪数值模拟、氧枪数值模拟

距喷头不同距离射流截面图

氧枪数值模拟氧枪数值模拟

类别 0.5m 1.0m 1.5m

改进前 34 46 42.5

改进后 34.5 47.5 52.5

增加幅度 1% 3.3% 23.5%

不同距离射流截面半径相对值

改进前后两种氧枪喷头在距喷口不同距离上的射流截改进前后两种氧枪喷头在距喷口不同距离上的射流截面形状。从图中可见，改进后的氧枪喷头相比改进前在各不同面形状。从图中可见，改进后的氧枪喷头相比改进前在各不同距离上的截面半径都有所增加，上表中统计数据显示，截面有距离上的截面半径都有所增加，上表中统计数据显示，截面有效半径最大增加幅度达效半径最大增加幅度达 23.5%23.5% 。这说明改进后的氧枪喷头冲击。这说明改进后的氧枪喷头冲击面积增大，有利于化渣。 面积增大，有利于化渣。

氧枪数值模拟氧枪数值模拟

改进前后氧气射流速度曲线图

类别 最大速度 距出口 1.0米处

距出口 1.5米处

改进前 506m/s 160m/s 100m/s

改进后 486m/s 145m/s 90m/s

氧枪数值模拟氧枪数值模拟 从改进前后氧气射流图并结合表可以看出，改进后喷头射流速度较改进前有所降低。 速度的降低必然减小氧

气射流的冲击深度，从而反应区过度集中的现象有所缓解，转炉喷溅将会得以改善。

3.3、转炉氧枪工业试验

通过对三钢通过对三钢 100t100t 转炉氧枪的优化改造，对改转炉氧枪的优化改造，对改进后的氧枪喷头进行了工业试验，抽取其中的进后的氧枪喷头进行了工业试验，抽取其中的 500500 炉数据炉数据，对所得数据进行统计分析发现，改进后供氧时间缩短了，对所得数据进行统计分析发现，改进后供氧时间缩短了4646秒，钢铁料耗降低了秒，钢铁料耗降低了 2.8kg/t2.8kg/t ，终渣碱度增加了，终渣碱度增加了 0.220.22 。。

类别 供氧时间 钢铁料耗 终渣碱度改进前 15′58″ 1097.4kg/t 2.32

改进后 15′12″ 1094.6kg/t 2.54

改进前后冶炼效果对比

对转炉一次倒炉后平均对转炉一次倒炉后平均 PP 含量进行统计分析，含量进行统计分析，结果表明使用改进后的氧枪喷头，不论是高碳钢还是低碳钢结果表明使用改进后的氧枪喷头，不论是高碳钢还是低碳钢，一倒平均，一倒平均 PP 含量都比改进前低，最大降低量达含量都比改进前低，最大降低量达 0.0055%0.0055% 。。

C 含量范围 0.06% ～ 0.08% 0.09% ～ 0.12%

改进前 [P] 0.0221% 0.0259%

改进后 [P] 0.0171% 0.0204%

一次倒炉钢液中 [P] 含量统计

转炉氧枪工业试验

总结

1.1. 改进后的氧枪操作压力从原来的改进后的氧枪操作压力从原来的 0.95Mpa0.95Mpa 降低至正降低至正常值常值 0.8Mpa0.8Mpa ，减轻了氧气传输过程中的阻力损失，减轻了氧气传输过程中的阻力损失。。

2.2. 改进后的氧枪喷头射流速度有一定程度的降低，冲改进后的氧枪喷头射流速度有一定程度的降低，冲击深度减小，转炉气液反应区面积较改进前分散，击深度减小，转炉气液反应区面积较改进前分散，不易造成局部反应过快而导致喷溅。不易造成局部反应过快而导致喷溅。

3.3. 改进后的氧枪脱磷效果更好，一倒平均改进后的氧枪脱磷效果更好，一倒平均 PP 含量较改含量较改进前有所降低。进前有所降低。

4 、本课题的相关研究

1 中国科学化工冶金研究所的蔡志鹏、许志宏：等速度剖面图

2 钢铁研究总院张春霞：三孔喷头速度分布立体图（上钢三厂）

本课题的相关研究

３ 国外相关专家做出了有关熔池内气体流动的速度分布图

本课题的相关研究

４ 北京科技大学朱荣教授：集束射流氧枪在电炉中的成功应用

集束射流氧枪是应用集束射流氧枪是应用气体力学的原理来设计的。其要点是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：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。的距离内保持出口时的直径和速率。

集束射流技术集束射流技术

超音速、集束射流的速度衰减

三种氧枪射流的速度衰减

速度m/s

CFX 数值模拟氧气射流（ 10－13° ）

采用 CFX 数值模拟射流与钢液的搅拌特点（ 10－ 13° ）