李東軒，鄧家慶，張新子，寧會(huì)峰

（1.天水岷山機(jī)械有限責(zé)任公司，甘肅 天水 741000；2.蘭州理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730050）

1 引言

鍛壓組合式氧槍噴頭是冶金轉(zhuǎn)爐煉鋼用氧槍的關(guān)鍵設(shè)備，其性能和壽命直接影響著轉(zhuǎn)爐煉鋼的生產(chǎn)效率和生產(chǎn)成本[1]。氧氣頂吹轉(zhuǎn)爐煉鋼對(duì)氧槍噴頭的要求可歸結(jié)為以下幾點(diǎn):

（1）提供冶煉所需要的供氧強(qiáng)度。

（2）在足夠高的槍位下，氧射流對(duì)鐵水熔池的沖擊能量大，能滿足達(dá)到良好冶煉效果所要求的沖擊深度，使得對(duì)熔池的攪拌均勻。

（3）在足夠高的槍位下，氧射流對(duì)熔池的沖擊作用區(qū)域大，使鐵水化學(xué)反應(yīng)均勻。

（4）不致引起大的噴濺，使金屬收得率高。

（5）氧槍噴頭壽命長(zhǎng)。

冷卻水導(dǎo)流板作為氧槍結(jié)構(gòu)中隔離進(jìn)水和出水的關(guān)鍵設(shè)備，其幾何結(jié)構(gòu)對(duì)于冷卻水流在氧槍流道內(nèi)的分布及流速具有較大的影響。東北大學(xué)李寶寬等人通過(guò)對(duì)傳統(tǒng)氧槍噴頭冷卻水流擋板結(jié)構(gòu)上增加若干導(dǎo)流筋來(lái)改變冷卻水的流道狀態(tài)，結(jié)果使改進(jìn)后氧槍端面整體溫度平均下降約10℃，大幅提升氧槍噴頭壽命[2]；中鋼集團(tuán)鞍山熱能研究院有限公司李山宏等人通過(guò)分析406 型氧槍噴頭的三種水冷擋板結(jié)構(gòu)，選擇出了符合406型氧槍噴頭的最佳水冷擋板結(jié)構(gòu)[3]。

通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外轉(zhuǎn)爐冶金煉鋼領(lǐng)域的調(diào)研發(fā)現(xiàn)，目前對(duì)于氧槍噴頭冷卻水擋板結(jié)構(gòu)的研究大多數(shù)都以改變幾何結(jié)構(gòu)為主，而對(duì)于冷卻水擋板厚度對(duì)氧槍噴頭冷卻水流動(dòng)特性的影響相關(guān)研究較少[4,5]。本研究以天水岷山機(jī)械有限責(zé)任公司最新研發(fā)的YP356H（5+1 孔）型氧槍噴頭為研究對(duì)象，采用數(shù)值模擬方法研究在不同厚度的冷卻水導(dǎo)流板作用下的冷卻水在氧槍流道內(nèi)的流動(dòng)特性，從而確定適合該型號(hào)氧槍的最佳冷卻水流擋板厚度及冷卻水導(dǎo)流板在氧槍中的位置。

2 數(shù)學(xué)模型及計(jì)算方法

2.1 氧槍噴頭結(jié)構(gòu)

YP356H（5+1 孔）型氧槍噴頭結(jié)構(gòu)主要由底部、上喉一體、冷卻水導(dǎo)流板、氧管、中管、外管六大部件組成，如圖1 所示。

圖1 YP356H（5+1 孔）氧槍噴頭及零部件示意圖

其中，底部與上喉一體的材料為無(wú)氧銅（Cu>99.97%）,中管與外管的材料多為20# 鋼，氧管的材料有20# 鋼或304 不銹鋼。本工作采用SOLIDWORKS 建立氧槍噴頭模型，然后利用Flow Simulation 進(jìn)行冷卻水在氧槍流道內(nèi)的模擬仿真。由于氧槍噴頭與冷卻水流道的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，因此假設(shè)冷卻水在流道內(nèi)的流動(dòng)為理想流動(dòng)，忽略流體在流動(dòng)中的粘性損失。

2.2 數(shù)學(xué)模型

綜合考慮本型號(hào)氧槍冷卻水流道內(nèi)水流的流動(dòng)特性，采用工程中常用的高雷諾數(shù)紊流的K-ε 模型進(jìn)行數(shù)值模擬，其控制方程包括時(shí)均連續(xù)性方程、時(shí)均動(dòng)量方程、紊動(dòng)能及其耗散率方程[6]。為了研究的方便，同時(shí)又能反映問(wèn)題的本質(zhì)，對(duì)氧槍冷卻水流擋板上端處所在的對(duì)稱(chēng)面進(jìn)行模擬計(jì)算，在二維圓柱坐標(biāo)系下控制方程的統(tǒng)一形式可寫(xiě)為

式中：φ 為通用變量，當(dāng)φ=1，vz，vr，K，ε 時(shí)，控制方程分別代表時(shí)均連續(xù)性方程、z 方向和r方向的時(shí)均動(dòng)量方程、紊動(dòng)能及其耗散率方程；Гφ為廣義擴(kuò)散系數(shù)；Sφ為廣義源項(xiàng)。Гφ和Sφ的具體形式列于表1。

表1 控制方程中的廣義擴(kuò)散系數(shù)和廣義源項(xiàng)[7]

表1 中：ρ 為流體密度；v 為流體的粘度系數(shù)；p 為壓力；μ 為紊流粘度系數(shù)；μ=cμK2/ε；veff為有效粘度系數(shù)，veff=ν+μ；G 為紊動(dòng)能的產(chǎn)生項(xiàng)

cμ，c1，c2，σK和σz均為K-ε 模型中的系數(shù)，其值列于表2。

表2 紊流K-ε 模型中的系數(shù)[7]

2.3 基本假設(shè)

（1） 假定冷卻水的流動(dòng)過(guò)程為理想流體，即滿足伯努利方程。

（2） 氧槍噴頭外壁面邊界條件設(shè)定不變，壓力設(shè)定條件以模型中管與外管的上表面所在的平面為邊界，依據(jù)伯努利方程及流體在槍內(nèi)的平均流速，進(jìn)口設(shè)定為進(jìn)口邊界條件，設(shè)置為0.3 MPa，出口設(shè)定為壓力出口邊界條件[8]。各零件配合時(shí)根據(jù)實(shí)際工件情況，選擇所建模的主要平面之間的距離來(lái)控制。

2.4 模型求解

將建好模的氧槍噴頭各零部件依據(jù)實(shí)際工況進(jìn)行組裝。因本次模擬實(shí)際是以探究冷卻水導(dǎo)流板為主，故實(shí)際組裝時(shí)忽略部分配合結(jié)構(gòu)，以實(shí)際產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)進(jìn)行組裝，從而模擬出更貼近實(shí)際工況的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

模型求解利用Flow Simulation，通過(guò)設(shè)置邊界條件及流體的流動(dòng)狀態(tài)參數(shù)，計(jì)算中采用非均勻剖分網(wǎng)格，通過(guò)不同的迭代次數(shù)對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，計(jì)算出氧槍噴頭幾何機(jī)構(gòu)在相同工況參數(shù)條件下，槍內(nèi)流體場(chǎng)的排布情況，同時(shí)得到等速度梯度線，進(jìn)而得到噴頭各位置速度參數(shù)，從側(cè)面反映出換熱速率的大小。

2.5 參數(shù)設(shè)定

本研究中所用氧槍噴頭為某鋼鐵公司210 t轉(zhuǎn)爐使用。氧槍設(shè)計(jì)特性參數(shù)：平均出鋼量：230-235 t；噴孔數(shù)：5+1 孔；中心傾角：15°；馬赫數(shù)：中心2.04，圓周2.06；喉口直徑?36.5，出口直徑?48.2；圓周喉口直徑?44.1，出口直徑?58.8；氧流量：50 000 Nm3/h；氧氣工作壓力：0.92 MPa

3 結(jié)果與分析

本次工作中，以冷卻水流擋板上孔結(jié)構(gòu)處軸心線厚度δ 為變量，冷卻水流擋板底端距噴頭底端所在的平面的距離h 為配合尺寸，為不變量，如圖2 所示。

圖2 氧槍冷卻水流擋板局部裝配結(jié)構(gòu)示意圖

圖3 所示為氧槍冷卻水流擋板局部結(jié)構(gòu)參數(shù)圖，保證冷卻水導(dǎo)流板相應(yīng)參數(shù)不變，在原厚度δ=17 mm 的基礎(chǔ)上，額外增加了δ=5 mm、δ=8 mm、δ=11 mm、δ=14 mm 的等梯度厚度冷卻水流擋板。借助Flow Simulation 進(jìn)行冷卻水在氧槍流道內(nèi)的模擬仿真，計(jì)算了五種厚度的冷卻水導(dǎo)流板下氧槍內(nèi)部冷卻水流的流道及流速的影響規(guī)律。

圖3 原氧槍冷卻水流擋板局部結(jié)構(gòu)參數(shù)圖

3.1 冷卻水流動(dòng)特性

當(dāng)冷卻水流擋板的厚度為5 mm 時(shí)，氧槍流道內(nèi)的“靜水區(qū)”較多，水流在該區(qū)域不能很好地流動(dòng)，流道內(nèi)水流最大流速僅為8 m/s，且所占區(qū)域極小，直接導(dǎo)致氧槍冷卻效果不佳，如圖4 所示；當(dāng)冷卻水流擋板厚度增加到8 mm 時(shí)，氧槍水流道內(nèi)的“靜水區(qū)”較厚度為5 mm 時(shí)有所減少，最大流速介于10-12 m/s 之間，但所占區(qū)域仍比較小，如圖5 所示；當(dāng)冷卻水流擋板厚度增加到11 mm 時(shí)，氧槍水流道內(nèi)的“靜水區(qū)”明顯減少，從俯視圖來(lái)看，流道內(nèi)水流速率明顯上升，最大速率達(dá)到12 m/s，且高流速區(qū)域明顯增多，如圖6所示；當(dāng)冷卻水導(dǎo)流板厚度進(jìn)一步增加到14 mm時(shí)，氧槍流道內(nèi)“靜水區(qū)”較厚度為11 mm 時(shí)略有增加，最大速度差別不大，如圖7 所示；當(dāng)冷卻水流擋板厚度為17 mm 時(shí)，由俯視圖可以看出，最大速率僅為10 m/s，且所占區(qū)域面積較小，如圖8所示。

圖4 冷卻水流擋板厚度為5 mm 時(shí)流道及流速仿真圖

圖5 冷卻水流擋板厚度為8 mm 時(shí)流道及流速仿真圖

圖6 冷卻水流擋板厚度為11 mm 時(shí)流道及流速仿真圖

圖7 冷卻水流擋板厚度為14 mm 時(shí)流道及流速仿真圖

綜合考慮冷卻水流擋板在厚度δ 為5、8、11、14、17mm 時(shí)，發(fā)現(xiàn)冷卻水流擋板結(jié)構(gòu)對(duì)于轉(zhuǎn)爐氧槍噴頭內(nèi)冷卻水流道有著重要的影響。在相同條件下，冷卻水流道中的流動(dòng)“靜水區(qū)”數(shù)量以及換熱效果隨著冷卻水流擋板的厚度呈現(xiàn)一種類(lèi)似正態(tài)分布的規(guī)律。在設(shè)置的5 個(gè)梯度厚度冷卻水流擋板中，11 mm 厚度的冷卻水流擋板局部最大水流速率較原來(lái)工藝中的局部最大水流速度提升近20%，從而可大幅提高氧槍噴頭的使用壽命[9]。其主要原因是，冷卻水流擋板厚度變化時(shí)，其對(duì)于冷卻水的流道產(chǎn)生了不同的阻礙作用，導(dǎo)致水流的局部湍動(dòng)程度改變，從而引起水流的劇烈變化。

3.2 冷卻水內(nèi)流場(chǎng)速度對(duì)比

為進(jìn)一步探索出冷卻水流擋板厚度δ 對(duì)于冷卻水流速的影響規(guī)律，如圖9 所示，在不同冷卻水流擋板時(shí)的氧槍相同位置取a、b、c、d、e、f、g七個(gè)節(jié)點(diǎn)處水流速率，得到如圖10 所示的不同厚度下冷卻水流速率在氧槍內(nèi)不同節(jié)點(diǎn)處的速率變化曲線，1、2、3、4 代表的折線分別表示冷卻水流擋板厚度δ=5、8、14、17 mm 時(shí)的狀況，虛線表示δ=11 mm 時(shí)的狀況。

圖10 冷卻水在不同厚度冷卻水流擋板不同位置處的流速變化曲線

如圖10 所示，在不同厚度的冷卻水流擋板條件下，氧槍流道內(nèi)所取的七個(gè)節(jié)點(diǎn)位置處的速率有較大差異。同時(shí)，依據(jù)氧槍設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)分析，氧槍流道內(nèi)的水流速率應(yīng)大于6 m/s。在此條件下，在現(xiàn)有的5 個(gè)厚度冷卻水流擋板中，δ=11 mm時(shí)，表現(xiàn)出最佳的水冷狀態(tài)，最大速率相較δ=17mm 時(shí)提升近20%。

4 結(jié)論

（1）通過(guò)對(duì)噴頭銅體、無(wú)縫鋼管及內(nèi)部流場(chǎng)的模擬，得到噴頭內(nèi)冷卻水流動(dòng)特性及速率分布曲線，發(fā)現(xiàn)冷卻水流道中存在一定量的流動(dòng)“靜水區(qū)”，這嚴(yán)重影響了噴頭的冷卻效果。

（2）冷卻水流擋板的厚度對(duì)于水流在氧槍噴頭內(nèi)部的流動(dòng)有較大的影響。

（3）在所試驗(yàn)的厚度為5、8、11、14、17 mm 的五個(gè)冷卻水流擋板中，11 mm 厚度的冷卻水流擋板相較原來(lái)17 mm 的冷卻水流擋板，能有效地增大流體的速度（局部速率提升20%），增強(qiáng)氧槍的換熱效果，同時(shí)反映出該型號(hào)的氧槍最佳分水盤(pán)厚度為11～14 mm。

（4）冷卻水流擋板的厚度對(duì)水流特性的影響規(guī)律不呈單一的正比或反比，而是類(lèi)似于一種正態(tài)分布，這對(duì)鍛壓組合式氧槍噴頭結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和壽命提升提供了一種參考。