曲面二氧化碳氧枪喷管射流特性研究_郝建文.pdf

31曲面二氧化碳氧枪喷管射流特性研究郝建文（河钢集团宣钢公司技术中心，河北宣化075100）【摘要】钢铁行业作为能源密集型产业，具有流程长、产量高、能耗大的特点，已经成为我国节能减碳的重点对象。目前企业较多采取的减碳措施是能效优化与工艺改进，可在一定程度上缓解碳排压力。利用二氧化碳的高温氧化性可将其用作转炉氧化剂，既可为炼钢工序提供减碳新途径，又能促进脱磷脱氮，提高煤气产量，一举两得。本文通过维托辛斯基曲线和基于特征线法的索尔法设计了二氧化碳氧枪曲面喷头，使用 GAMBIT 软件绘制网格，并用 AnsysFluent 软件对曲面单孔喷头和常规单孔喷头射流进行模拟分析。研究发现曲面喷管相比于锥形喷管，喷管内部气流过度平滑稳定，无波系结构产生，出口总压与入口总压的比值增加 1.258%，能量利用效率提高，射流速度衰减减缓，核心区长度增加 0.04m，射流动压力也有所增高。本研究可为 CO2在转炉炼钢顶吹中的利用提供指导。【关键词】转炉炼钢；CO2顶吹；氧枪设计；射流特性Study on Jet Characteristics of Curved Carbon Dioxide Lance NozzleHao Jianwen（Hegang group Zhang Xuan Technology Co.,Ltd.,Xuanhua 075100,Hebei）【Abstract】As an energy-intensive industry,the iron and steel industry features a long process,high output and high energy consumption,and has become a key object of Chinas energy saving and carbon reduction.At present,most carbon reduction measures adopted by enterprises are energy efficiency optimization and process improvement,which can alleviate the carbon emission pressure to a certain extent.The high temperature oxidation of carbon dioxide can be used as oxidizer in converter,which can not only provide a new way to reduce carbon in steelmaking process,but also promote dephosphorization and nitrogen removal and increase gas production.In this paper,the surface nozzle of CO2 oxygen gun was designed by Witosinski curve and Soll method based on characteristic line method.GAMBIT software was used to draw the grid,and Ansys Fluent software was used to simulate and analyze the jet flow of curved single-hole nozzle and conventional single-hole nozzle.The study found that compared with the conical nozzle,the air flow inside the curved nozzle was excessively smooth and stable,and no wave structure was generated.The ratio of the total pressure at the outlet and the total pressure at the inlet increased by 1.258%,the energy utilization efficiency increased,the jet velocity attenuation slowed down,the length of the core area increased by 0.04m,and the jet flow pressure also increased.This study can provide guidance for the utilization of CO2 in the top blow of converter steelmaking.【Key words】converter steelmaking;CO2 top blowing;Oxygen lance design;fluidic characteristics作者简介：郝建文（1985 ），男，2008 年毕业于河北理工大学测控技术与仪器专业，工程师，主要从事炼钢、连铸工艺新产品开发及质量管理工作。收稿日期：2022 年 11 月前言钢铁行业是国民经济支柱产业，在社会基建、民用工具、军备竞争等方面都起着举足轻重的作用1。我国钢铁产量早已高居世界第一，与此伴生的是高能耗、高污染等一系列问题2。钢铁行业有着相对明显的高碳排特征，成为了我国碳排放量仅次于火力发电的主要行业，其二氧化碳排放量占我国碳排放总量的 15%左右 2 0 2 3 年第 3 期 福 建 冶 金DOI:10.19574/ki.issn1672-7665.2023.03.009323。在“双碳”政策影响下，钢铁企业节能降碳成为了社会热点话题4-6。将 CO2应用于转炉过程中作为炼钢氧化剂可起到减少粉尘排放、强化熔池脱磷脱氮等一系列冶金效果7-8，氧化产物为 CO，提高转炉煤气热值，完成了 CO2质能转化，降低转炉工序碳排，且在工业实验上获得了验证9-11。目前，CO2一般应用于转炉顶底复吹工艺，即氧枪顶吹 O2射流中掺混一定比例 CO2气体，底吹变流量 CO2-Ar 切换模式12；然而，氧枪顶吹气体掺混 CO2过程中，由于 CO2自身物理性质与 O2有所差异，会造成射流出口速度降低，影响射流特性13。应用于火箭发射的曲面拉瓦尔喷管虽然设计方法相对复杂，但可以更好的维持喷管内超音速射流特性14，本研究利用二维平面模拟手段，对曲面单孔拉瓦尔喷管喷吹 CO2气体进行了射流特性分析，并与传统喷头进行对比，研究曲面二氧化碳氧枪喷管的射流优化作用。1 曲面氧枪设计和模型的建立1.1 枪头参数计算 本研究中常规氧枪喷头按简化设计方法计算，曲面氧枪喷头设计主要分为收缩段、喉口和扩张段，本研究的喉口采用与锥形枪头一致。超音速喷管的收缩段起到均匀加速气流的作用，使气流在到达喉口时被加速到声速，并要求气流在喉口均匀稳定。收缩段的型面和加工质量会直接影响到出口气流的均匀度、流场紊流度等，本文对收缩段的设计方法采用的是经验公式维托辛斯基曲线15见式（1）。（1）式(1)中：Xi收缩段入口截面半径，mm；X0喉口截面半径，mm；x自收缩段入口开始的长度，mm；Y距收缩段入口截面 x 处截面半径，mm；Z收缩段长度，mm。给定设计马赫数（Ma）为 2.06，喉口直径47.7 mm，根据收缩比范围，选取收缩段入口直径 82.4 mm，收缩段长度 80 mm，将参数代入维托辛斯基曲线公式计算，得到收缩段分布点数列。氧枪扩张段是将氧气射流从声速加速到设计马赫数的重要部分。扩张段设计方法较多，本文采用的是工业上使用较多且计算相对简单的索尔法，设计过程包括以下几个计算步骤：（1）确定起始线；（2）计算起始线决定区域流动参数；（3）计算初始膨胀区流动参数；（4）确定理想无粘流边界；（5）边界层修正。最终得到收缩段与扩张段的设计计算散点结果，用平滑曲线连接，得到入口直径82.4mm、出口直径 63.5mm、喉口直径 47.7mm的曲面设计结果，如图 1。图 1 曲面氧枪设计参数1.2 模型建立将单孔曲面喷管和锥形喷管在炼钢温度1773K 情况下进行数值模拟计算，单孔模拟采用平面模型如图 2 所示。锥形和曲面喷管采用1:1 尺寸建立模型，计算域均为长 3749mm、宽954mm 的矩形区域。使用 GAMBIT 软件绘制二维模型网格，其中，传统锥形氧枪网格数量283320 个，新型曲面氧枪网格数量 358456 个。壁面条件入口设置为质量流量入口，出口设置为压力出口，喷头管壁设置为墙，生成网格文件使用 Fluent2020 软件进行模拟。射流均采取57000Nm3/h流量O2+5000Nm3/h流量CO2混合气，设计马赫数 2.06。1.3 控制方程建立在 fluent2020 软件中有三种常用的多相流 模 型，分 别 是 VOF 模 型、Mixture 模 型 和Eulerian 模型。本模拟中采用 Mixture 模型，混合相数量选用 2 相，基本相设置为 O2，第二相设置为 CO2。Mixture 模型所包含的连续性方程、动量方曲面二氧化碳氧枪喷管射流特性研究33程和能量方程如下所示。连续性方程：（2）式（2）中：m为混合相的密度，kg/m3；为质量平均速度，m/s。、m定义式见式（3）、式（4）：（3）（4）式（3）、式（4）中：ak是第k相体积分数，%；是第 k 相密度，kg/m3；是第 k 相速度，m/s。混合物的动量方程可以通过各相的动量方程相加而得到：（5）式（5）中：n 为混合物相数；为合力，N；m为混合物的粘度，Pa/s；为第二相的漂移速度，m/s。（6）（7）能量方程见式（8）。（8）式（8）中：为密度，kg/m3；T 为温度，K；hj,k为焓变，kJ/mol；对可压缩流体，Ek=hk，kJ/mol；为扩散通量，kg/（m2s）；为有效传导率，W/(mK)；表示有效粘度，Pa/s；为速度，m/s；Sn为热源包含的热量，J。图 2 二维模型网格示意图（9）式（9）中：Kt是根据湍流模型定义的湍流热导率，W/(mk)。2 模拟结果分析2.1 喷管内部马赫数图 3 为设计曲面喷管和原锥形喷管在相同入口条件下的喷管内部马赫数分布情况。从图中可以明显看出，锥形喷管气流到达喉口后，马赫数分布开始紊乱，其原因为气体在到达喉口时，收缩段和喉口过度不符合气流本身曲线，气流开始膨胀加速，形成普朗特-迈耶膨胀波，此后，气流虽然逐渐加速到设计马赫数，但内部能量耗散较大。可以明显看出，所设计的曲面喷管并未出现这种情况，气流过度平滑稳定，无波系结构产生。图 3 喷管内部马赫数分布情况2.2 喷管总压降为进一步研究单孔喷管能量利用效率，分别对曲面喷管和锥形喷管的入口总压和出口总压进行统计，从 fluent 中导出两种喷管的质量平均总压，统计结果如表 1 所示。表 1 总压力变化对比项目入口/Pa出口/Pa（出口/入口）/%锥形喷管987104.35947595.4595.997曲面喷管954492.21924492.2197.255从表中可以看出，曲面喷管相比于锥形喷管，其出口总压与入口总压的比值增加 1.258%，侧面显示了射流在曲面喷管的加速过程中，能量损失更小。曲面喷管能量利用效率更好。2.3 射流速度和马赫数单孔曲面喷管和单孔锥形喷管的速度和马赫数云图如图 4 所示，分析图片可以看出，以射流到达 1m 处作为对比，曲面喷管速度更大且依然能达到 400m/s 以上，锥形喷管速度衰减相对更快；单孔曲面喷管的射流核心区更长，核曲面二氧化碳氧枪喷管射流特性研究34心区约 1.14m，而单孔锥形喷管的核心区 1.10m，在同样的入口条件下，曲面喷管速度下降慢，射流维持更好。炼钢温度环境下，锥形喷管与曲面喷管轴线马赫数分布如图 5 所示。从图中可以看出，曲面喷管与锥形喷管相比较，在射流前段具有更高的马赫数。随着射流不断延长，射流流股会在切应力的影响下造成马赫数下降，从图中可以看出，曲面马赫数更高，但其受到切应力更强，衰减更快，两种喷头最终马赫数曲线趋向统一。图 5 马赫数轴向变化曲线2.4 射流动压力动压是单位体积流体的动能，其能够在很大程度上反映射流冲击搅拌能力的强弱。液滴喷溅、凹坑形成与熔池搅拌所耗费的能量与式（10）的无量纲准数 NB呈正相关关系。（10）式（10）中：g为气体密度，kg/m3；i为液体密度，kg/m3；为液体表面张力，N/m。将动压 Pd带入，得到式（11），通过该式可知，动压与液滴喷溅、凹坑形成与熔池搅拌所耗费的能量呈正相关关系。（11）炼钢温度环境下，锥形喷管与曲面喷管轴线动压力分布如图 6 所示，其轴线动压力数值变化曲线如图 7 所示。通过分析图片可以看出，曲面氧枪动压力整体高于锥形氧枪，因此，曲面氧枪拥有更好的熔池搅拌能力。随着轴向距离的增加，两种喷管动压力逐渐衰退，最终趋向统一，趋势结果与马赫数分析结果一致。图 6 动压力分布对比曲面二氧化碳氧枪喷管射流特性研究图 4 单孔喷管速度和马赫数分布35图 7 动压力轴向变化曲线3 结论本研究对 O2-CO2混合喷吹喷管型面对射流特性影响进行了研究，即设计能量转化率更高的专用混吹喷头，并通过数值模拟方法与原枪头进行了比较，具体如下：（1）设计喷头与原喷头喉口直径相同，均为 47.7mm，收缩段采用维托辛斯基曲线计算，获得更加均匀稳定的收缩气流；扩张段曲线采用索尔法，计算使用特征线法，最终得到入口直径 82.4mm，出口直径 63.5mm 的曲面喷管；（2）将设计曲面喷管与锥形喷管进行单孔射流模拟分析，发现锥形喷管内部会产生普朗特-迈耶膨胀波，造成射流能量损失，曲面管内部过渡平滑，且出口与入口的总压降降低了1.258%，能量损失更小；曲面喷管射流速度衰减较慢，在 1m 处射流速度依然能达到 400m/s以上；射流动压力也更高，但随着射流距离的增加，两种喷管的马赫数和动压力最终十分接近。参考文献：1郑国栋,陈其慎,邢佳韵,等.典型国家钢铁产业发展路径与启示 J.中国国土资源经济,2021,34(08):51-56+68.2张海军.冶金工程中环保工作的重要性与推进策略 J.冶金管理,2022(01):184-186.3程茉莉.钢铁企业二氧化碳减排路径分析及展望 J.冶金经济与管理,2022(04):18-22.4王新东,上官方钦,邢奕,等.“双碳”目标下钢铁企业低碳发展的技术路径 J.工程科学学报，2022(10):1733-1745.5 R E N M,L U P T,L I U X R,e tal.DecarbonizingChinasironandsteelindustryfromthesupplyanddemandsidesforcarbonneutralityJ.AppliedEnergy,2021,298.6姚同路,吴伟,杨勇,等.“双碳”目标下中国钢铁工业的低碳发展分析 J.钢铁研究学报,2022,34(06):505-513.7 易操,朱荣,尹振江,等基于 30t 转炉的 COMI 炼钢工艺实验研究 J过程工程学报，2009(SI)：222-225.8李智峥.CO2应用于炼钢的基础理论研究 D.北京科技大学,2017.9王雪亮.300 吨转炉喷吹 CO2炼钢工艺技术研究 D.北京科技大学,2018.10吕明,朱荣,毕秀荣,等.二氧化碳在转炉炼钢中的应用研究 J.北京科技大学学报，2011(SI)：126-13011朱荣,毕秀荣,吕明.二氧化碳在炼钢工艺的应用及发展：2013 年低成本炼钢技术交流论坛 R.中国江苏无锡,2013.12董建锋,魏光升,朱荣,等.CO2顶吹比例对转炉终点控制的影响 J.工程科学学报,2022,44(09):1476-1482.13 夏韬,朱荣,冯超,等.CO2掺混比例对于 O2+CO2混合喷吹氧枪射流特性的影响 J.工业加热,2022,51(07):1-7.14 王筱蓉,周长省,鞠玉涛,等.固体火箭发动机特型喷管的型面设计 J.弹道学报,2008,20(04):77-80.15吴凤林.蔡扶时顶吹转炉氧枪设计 M.北京:冶金工业出版社,1982:155.曲面二氧化碳氧枪喷管射流特性研究