夏 韜，朱 榮，馮 超，黃標(biāo)彩，董 凱，魏光升，丁國(guó)慧

(1.北京科技大學(xué) 冶金與生態(tài)工程學(xué)院，北京 100083；2.福建三鋼閩光股份有限公司，福建 三明 365000；3.首鋼京唐鋼鐵聯(lián)合有限責(zé)任公司，河北 唐山 063200)

我國(guó)是世界產(chǎn)鋼大國(guó)，鋼鐵是國(guó)家建設(shè)不可或缺的關(guān)鍵一環(huán)，在經(jīng)濟(jì)發(fā)展中也有著舉足輕重的地位。然而鋼鐵產(chǎn)業(yè)卻是典型的高能耗、高排放、高污染產(chǎn)業(yè)，高效化、綠色化、智能化的鋼鐵生產(chǎn)模式的研究已成為熱議話題，降低鋼鐵行業(yè)的能源消耗和污染排放成了社會(huì)廣泛關(guān)注的話題[1-4]。

鋼鐵生產(chǎn)主要有轉(zhuǎn)爐煉鋼和電爐煉鋼兩種流程，其中轉(zhuǎn)爐煉鋼是當(dāng)今最主要的煉鋼流程。氧槍是轉(zhuǎn)爐煉鋼系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備，氧氣在氧槍噴頭中通過(guò)喉口形成超音速射流，在轉(zhuǎn)爐冶煉過(guò)程中，氧氣射流通過(guò)直接沖擊高溫熔池，與熔池元素發(fā)生一系列復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)，同時(shí)射流沖擊可攪拌熔池成分，也使熔池溫度更加均勻[5]。

CO2是一種弱氧化性氣體，高溫下可與鋼液元素發(fā)生化學(xué)反應(yīng)[6]，在鋼鐵冶金流程中可以起到攪拌作用、覆蓋保護(hù)作用和稀釋作用，在轉(zhuǎn)爐冶煉過(guò)程中，可與熔池中的碳反應(yīng)起到控溫作用，有利于轉(zhuǎn)爐脫磷，同時(shí)反應(yīng)吸熱，可降低火點(diǎn)區(qū)溫度，從而減少煉鋼煙塵的產(chǎn)生[7-9]。將CO2作為資源應(yīng)用于鋼鐵冶金流程，在實(shí)現(xiàn)CO2減排的同時(shí)，可實(shí)現(xiàn)節(jié)能降本及提高鋼鐵產(chǎn)品質(zhì)量。然而，由于二氧化碳與氧氣分子量不同，其通過(guò)氧槍噴頭形成的射流特性必然會(huì)產(chǎn)生變化。近年來(lái)隨著計(jì)算流體力學(xué)的發(fā)展，國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者采用CFD研究手段對(duì)氧槍超音速射流特性進(jìn)行模擬研究[10]，本研究基于數(shù)值模擬手段，對(duì)不同比例CO2摻混到氧槍射流產(chǎn)生的影響進(jìn)行了相關(guān)研究。

1 模型與控制方程的建立

1.1 控制方程

本研究中涉及的連續(xù)性方程、能量守恒方程、動(dòng)量守恒方程如式(1)～式(3)所示：

(1)

(2)

(3)

1.2 計(jì)算域和邊界條件

本研究針對(duì)某鋼廠300 t轉(zhuǎn)爐，設(shè)計(jì)專門6孔氧槍噴頭進(jìn)行模擬研究。其噴頭尺寸及相關(guān)參數(shù)如表1所示。

表1 噴頭尺寸及相關(guān)工藝參數(shù)

圖1為模擬用六孔氧槍噴頭結(jié)構(gòu)示意圖，其中喉口直徑為Dt，出口直徑為De，中心傾角為α。

圖1 氧槍噴頭結(jié)構(gòu)

為研究不同CO2摻混比例對(duì)氧槍射流特性的影響，針對(duì)上述參數(shù)噴頭，設(shè)置了不同CO2摻混比例，如表2所示。

表2 氧槍射流氣體介質(zhì)

為通過(guò)數(shù)值模擬的方法研究CO2對(duì)射流特性的影響，本研究使用ICEM CFD軟件進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格采用六面體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，如圖2所示，計(jì)算域?yàn)橐粋€(gè)直徑40倍出口直徑，長(zhǎng)75倍出口直徑的圓柱形區(qū)域。用Fluent 17.0進(jìn)行模擬計(jì)算。湍流模型采用標(biāo)準(zhǔn)的k-ε模型，壓力、密度、動(dòng)量、能量采用二階迎風(fēng)差分模式，使用coupled耦合求解法計(jì)算。入口邊界選擇質(zhì)量流量入口，出口邊界選擇壓力出口，其余設(shè)置為墻。

圖2 氧槍噴頭的計(jì)算域和邊界條件

2 模擬結(jié)果討論分析

2.1 噴孔軸線射流特性

圖3顯示了六孔噴頭在環(huán)境溫度分別為273、1 773 K，CO2摻混比例分別為0、30%、50%、100%條件下，沿噴孔軸向射流的速度，動(dòng)壓力，馬赫數(shù)以及湍動(dòng)能的分布變化情況。從圖3(a)顯示結(jié)果可以看出，伴隨溫度的升高，噴孔軸線速度增大；伴隨CO2比例的提高，射流出口速度逐漸下降，但沿軸向射流衰減速度下降。圖3(b)顯示了射流動(dòng)壓力分布情況，隨著CO2比例的提高，射流出口動(dòng)壓力逐漸升高。定義馬赫數(shù)大于1.0的氣體射流長(zhǎng)度為核心段長(zhǎng)度，圖3(c)結(jié)果顯示，隨著CO2比例的提高，射流核心段長(zhǎng)度逐漸增加。噴孔軸線射流的分布可以解釋為：由于CO2分子量44，其氣體密度大于氧氣，摻混CO2后，射流平均密度增大，因此在相同設(shè)計(jì)壓力條件下，隨著CO2摻混比例的提高，射流出口速度有所下降；同時(shí)，周圍空氣介質(zhì)對(duì)射流的阻礙作用也相對(duì)減弱，導(dǎo)致射流速度下降減緩。雖然出口速度下降，但動(dòng)壓力受射流速度和密度兩方面因素影響，由于密度增大，導(dǎo)致出口動(dòng)壓反而上升。圖3(d)顯示，CO2比例提高會(huì)降低射流的湍動(dòng)能，不同溫度下均有此規(guī)律。

圖3 噴孔軸線射流特性

2.2 噴孔中心線射流特性

圖4顯示了不同溫度，不同CO2摻混比例條件下，多孔噴頭中心線射流特性的分布情況。從圖4(a)顯示結(jié)果可以看出，伴隨距離的增大，中心線速度逐漸上升，且隨著摻混CO2比例的提高，射流出口處中心線速度更大，但射流速度增大趨勢(shì)減緩，說(shuō)明射流摻混CO2后，流股之間摻混程度下降。圖4(b)結(jié)果顯示，隨著距離的增大，射流中心線動(dòng)壓力逐漸增大，且CO2摻混越多，提高效果越明顯，此規(guī)律在低溫下更明顯。圖4(c)顯示了射流中心線馬赫數(shù)的分布情況，從圖4結(jié)果可以看出，隨著CO2摻混比例提高，射流馬赫數(shù)逐漸升高。圖4(d)顯示，CO2比例提高會(huì)降低射流的湍動(dòng)能，不同溫度下均有此規(guī)律，這與圖3規(guī)律相吻合。

圖4 噴頭中心線射流特性

圖5顯示了不同溫度、不同CO2比例條件下的中心面速度場(chǎng)分布。從圖5中可以看出，射流速度伴隨溫度升高而升高。在相同溫度條件下，伴隨CO2比例的升高，射流高速區(qū)面積減小，平均速度下降，低溫和高溫下此規(guī)律一致；此外，射流靠近中心線區(qū)域速度上升減緩，說(shuō)明摻混CO2后射流流股摻混程度下降。這與圖4分析結(jié)果一致。

圖5 中心面速度場(chǎng)分布

2.3 噴孔徑向射流特性

圖6顯示了不同溫度、不同CO2摻混比例條件下射流徑向速度分布情況。結(jié)果顯示，伴隨噴吹距離的增大，射流徑向速度的最大值減小；相同噴吹距離的情況下，摻混CO2比例越高，射流徑向速度最大值越小。伴隨噴吹距離的增大，射流卷吸環(huán)境氣體量逐漸增加，根據(jù)能量守恒定律，射流速度呈現(xiàn)逐漸降低趨勢(shì)。進(jìn)一步觀察發(fā)現(xiàn)，伴隨CO2比例的提高，射流最大速度點(diǎn)逐漸遠(yuǎn)離中心線，說(shuō)明摻混CO2后，射流對(duì)中心線方向的環(huán)境氣體卷吸量減少，流股之間摻混程度下降，這與圖4、圖5分析結(jié)果一致。

圖6 不同溫度、不同CO2摻混比例條件下射流徑向速度分布

圖7顯示了不同溫度、不同CO2比例、不同距離橫截面速度均值比較情況。結(jié)果表明，溫度升高會(huì)提升射流平均速度，隨著噴吹距離的增加，橫截面速度均值逐漸下降；摻混CO2會(huì)降低橫截面平均速度，且摻混比例越高，速度均值下降越明顯，從數(shù)值上驗(yàn)證了圖6的曲線變化規(guī)律。

圖7 不同溫度、不同CO2比例、不同距離的橫截面速度均值比較

圖8顯示了不同溫度、不同CO2摻混比例條件下射流徑向動(dòng)壓力分布情況。伴隨溫度的升高，動(dòng)壓力最大值升高，最大值出現(xiàn)位置更加遠(yuǎn)離中心線。伴隨噴吹距離的增加，動(dòng)壓力最大值逐漸減??；且由于混入CO2后射流氣體密度增加，在相同溫度和噴吹距離的條件下，CO2比例的提高會(huì)增加動(dòng)壓力的最大值，此規(guī)律與圖3、圖4分析一致。

圖8 不同溫度、不同CO2摻混比例條件下射流徑向動(dòng)壓力分布

圖9顯示了不同溫度、不同CO2摻混比例條件下射流徑向溫度分布情況。結(jié)果表明，伴隨軸向距離的增大，射流的徑向溫度逐漸升高，射流中心點(diǎn)與徑向的溫度差逐漸減小，射流徑向溫度曲線趨于平緩。結(jié)果還發(fā)現(xiàn)，射流徑向最低溫度值伴隨CO2摻混比例的提高而下降，說(shuō)明環(huán)境氣體對(duì)射流的影響減弱。

圖9 不同溫度、不同CO2摻混比例條件下射流徑向溫度分布

圖10顯示了不同溫度、不同CO2摻混比例條件下，不同噴吹距離處射流速度場(chǎng)分布情況。結(jié)果表明，在相同距離處的射流速度伴隨環(huán)境溫度的增大而增大，在相同溫度條件下，伴隨噴吹距離的增大，射流速度減小，并且在相同的距離和溫度條件下，隨著CO2比例提高，射流速度減小，沖擊面積也略微減小，這與圖6、圖7的分析規(guī)律一致。由于射流沿程卷吸環(huán)境氣體使射流的速度逐漸減小，而摻混CO2后，射流密度增大，其出口速度下降，對(duì)周圍氣體介質(zhì)的卷吸作用也減弱，流股摻混減弱，射流能更好地維持特性，但沖擊面積變小。

圖10 射流速度場(chǎng)分布

3 結(jié) 論

本研究采用數(shù)值模擬方法，研究了不同溫度、不同CO2比例對(duì)設(shè)定流量為65 000 m3/h(標(biāo)準(zhǔn))的6孔氧槍噴頭射流特性的影響，結(jié)論總結(jié)如下：

(1)伴隨環(huán)境溫度的增大，射流平均速度明顯上升，核心段長(zhǎng)度延長(zhǎng)，射流沖擊能力增強(qiáng)，沖擊面積增大。

(2)伴隨CO2摻混比例的提高，混合射流密度增大，射流出口速度下降，軸向速度衰減減緩，流股摻混程度下降，能更好地維持射流特性；由于密度增大，射流軸向動(dòng)壓力上升，射流具有更強(qiáng)的沖擊能力。

(3)伴隨CO2摻混比例的提高，射流徑向平均速度下降，最大速度也下降，最大速度點(diǎn)遠(yuǎn)離中心線，說(shuō)明射流摻混程度下降；射流徑向動(dòng)壓力上升，徑向溫度最小值下降。