转炉炼钢聚合射流氧枪射流特性基础研究

With method of numercial simulation, experiment test and cold simulation test, oxygen lance of ultrasonic coherent jet used in LD converter is wanted to be developed. Through physical and mathematical simulation, ultrasonic coherent jet flow formation conditions and attenuation law will be studied. In this subject, associated flow is planed to use high-temperature flue gas generated from the burning of CO inside the converter and O2 flows from the annular duct of oxygen lance, which is an innovative idea that has not reported in present papers of this study field. Coherent jet is that make general ultrasonic jet flow be coherent jet, which has greater depth of penetration and less jet impingement and less absence if dimple, this technology can offer enough energy of motion for bubbles moving in steel liquid. Without extra investment and energy consumption, bottom blowing elements, coherent jet technology used in LD steel making can reach to the effect of the bottom compound blowing technology. Coherent jet technology can resolve the question of oxygen lance life not meeting with the converter life when splashing protection technology used in LD steel making, improve the metallurgical effect, decrease the energy usage and increase the life span of oxygen lance. Coherent jet oxygen lance technology is bound to change the way of oxygen used in the converter, promised to be a new generation blowing oxygen technology in steel making process.

采用数值模拟， 实验测试，冷态模拟试验等方法，研制应用于转炉的聚合射流氧枪。通过数学和物理模拟研究转炉内CO同氧枪环氧通道氧流燃烧产生高温伴随流以形成超音速聚合射流的条件以及炉内聚合射流的衰减规律，为聚合射流应用于转炉炼钢生产奠定理论基础。聚合射流将原来的普通超音速氧气射流转变为聚合射流，具有更大的熔池穿透深度，不形成明显的射流冲击，减少了喷溅的发生，为钢水内气泡的迁移提供了足够的动能。这使转炉在不增加额外设备投资及能源消耗前提下，不安装底部供气元件的情况下达到顶底复吹效果，使企业既不增加成本也无需在底吹系统上花费精力和财力。解决转炉溅渣护炉工艺炉龄提高而底枪寿命不能与其同步的问题。改善冶炼效果，降低能耗，提高氧枪寿命。转炉聚合吹氧技术必然会改变转炉用氧的方式，该技术有望成为新一代转炉炼钢的吹氧技术。

传统氧枪不足之处在于氧射流喷吹距离短且分散，使得射流对炼钢熔池的冲击力小，钢水中容易形成空洞和喷溅，氧气利用率及枪龄低，极大地影响了炼钢产量、质量及成本。因此，为实现对炼钢熔池更强的搅拌能力和更高的反应速率，开发设计具有射流衰减速度慢喷吹距离长的聚合氧枪喷头，成为炼钢吹氧技术的研究热点。本课题以氧枪喷头为研究对象，基于流体力学、传热学、燃烧学基本理论，研究聚合射流氧枪技术在转炉上应用的相关基础理论。在传统氧枪喷头的基础上增设燃料和副氧伴随孔，产生火焰保护主氧形成聚合射流，采取模拟和实验的方法分析聚合射流流场特点，模拟分析伴随孔结构参数、工艺参数等对聚合射流流场的影响；分析以一氧化碳为燃料的聚合射流氧枪射流特性，探讨利用转炉气与副氧燃烧形成聚合射流的基本条件；建立气液两相流模型，模拟分析氧枪顶吹转炉，氧气射流同炼钢熔池相互作用情况，为聚合射流氧枪应用于转炉奠定理论基础。主要结论为：.1）低密度氦气伴随可明显减缓主氧射流的衰减速度，且随着伴随压力升高，主射流开始衰减位置后移，但伴随压力应低于0.2MPa；高温火焰伴随产生的聚合效果要优于低密度气体的伴随效果，且随着燃料流的压力增加，射流核心区长度增加，主氧射流刚性增强，燃料压力应低于0.2MPa。.2）高温火焰能够使主氧射流形成明显的聚合状态，其核心区长度是相同条件传统氧枪核心区长度的4倍左右。伴随孔结构参数对聚合效果影响较小，但燃料热值升高，聚合效果增强。转炉煤气火焰较短，提高压力和温度可以有效提高燃烧温度和聚合效果，炼钢温度越高，伴随效果越好。燃气伴随孔与副氧孔间的射流夹角及孔径等对伴随效果影响不显著，转炉煤气可配其它高热值煤气或提高初始温度来提高其理论燃烧温度和伴随效果。.3）在多孔氧枪的每个喷孔四周增加低密度氦气伴随孔，可以明显提高射流核心区长度，随伴随温度和环境温度的升高伴随效果增强；伴随孔孔径和位置对核心区长度影响较小，但孔径小，伴随孔离中心孔较近可使多股射流的融合位置后移。.4）多孔射流冲击炼钢熔池，低枪位易喷溅，凹坑深度深，冲击面积和死区面积较小，对炉壁的冲刷应力较大；高枪位，喷溅弱，冲击面积较大，死区面积小，炉壁以冲刷应力为主。在同等枪位下，聚合射流氧枪要比传统氧枪有较大的冲击强度和搅拌能力，因此聚合射流氧枪可以采取高枪位操作，可减少喷溅以及对炉壁的冲刷应力，有利于提高氧枪和炉衬的寿命。