擋水板結構對轉爐氧槍噴頭冷卻效果的研究

朱 琳 劉啟昌 劉廣強 李俊男 王振西

(1.遼寧科技大學土木工程學院，2.遼寧科技大學材料與冶金學院 )

在轉爐吹煉的過程中，多孔氧槍噴頭的使用壽命和吹煉爐次直接決定了煉鋼效率，明確氧槍噴頭的表面溫度以及氧槍噴頭內的水冷特性對于改進氧槍的水冷效果、提高氧槍噴頭的使用壽命至關重要[1-2]。然而氧槍吹煉過程中噴頭與熔池內的渣—金—氣直接接觸，惡劣的高溫環境及高昂的實驗成本，使得工作人員很難通過實驗測得所需的溫度、水流速度和換熱量等關鍵信息[3]。隨著計算機技術和傳熱流動計算軟件的發展，數值模擬成為研究氧槍噴頭水冷系統的主要方式。

氧槍噴頭的水流道內擋水板為氧槍噴頭重要部件，擋水板長度及傾斜角度是改善冷卻水導流效果、提高冷卻水冷卻能力的關鍵參數。孫玉霞等人[4]基于50 t轉爐氧槍噴頭的水道，分析了冷卻水的流動及傳熱，提出了一種改進冷卻系統結構，即在噴孔中間水流對沖位置加擋水板，以減弱冷卻水的對沖，增大冷卻水流速。鄭杰[5]將擋水板角度調整為與噴頭端面平行的布置方式，優化后的氧槍噴頭減少了噴頭中心位置流動的“死區”，冷卻水流速增大，進回水溫差由10.5 ℃增加到14.4 ℃，有效地提高了氧槍噴頭的使用壽命。李寶寬等人[6]通過數值模擬研究了傳統120 t轉爐用四孔氧槍噴頭的內部冷卻水流場。針對氧槍噴頭冷卻問題，在噴頭冷卻水進水口加若干條導流筋，使得冷卻水獲得了具有旋轉的流場，改進后的噴頭斷面整體溫度下降10 ℃。

目前對大型轉爐用氧槍噴頭的擋水板結構的研究相對較少，因此，分析擋水板的長度對冷卻水的速度場及噴頭冷卻效果的影響對于優化大型轉爐用氧槍噴頭，提高噴頭的使用壽命具有重要意義。

1 模型建立

文章數學模型所涉及的方程包括連續性方程、動量方程和能量方程：

(1)

(2)

(3)

湍流模擬采用標準k-ε方程。對于湍流動能k和湍流耗散率ε，建立兩個附加輸運方程。

(4)

(5)

(6)

方程(1)～(6)中,ui和uj是i和j方向上的速度分量;P為壓力;μ為分子粘度,Pa·s;μeff為有效黏度,Pa·s;T為溫度,K;λ為導熱系數,W/(m·K);Gk是由平均速度梯度產生的湍流動能;Gb是由于浮力產生的湍流動能;YM是可壓縮湍流中的脈動膨脹對總耗散率的影響;C1ε,C2ε,C3ε,Sk,Sε,Cμ,αk和αε分別為1.44、1.92、0.8、1.0、1.3、0.9、1.0和1.3[7]。

以某鋼廠260 t轉爐用6孔氧槍噴頭為對象，依據擋水板的長度設計三種方案，如圖1所示：方案I擋水板半包圍噴頭的噴孔；方案II擋水板包圍噴頭噴孔；方案III擋水板包圍噴頭噴孔且外延30 mm。三個模型均采用SolidWorks建立并采用ICEM進行網格劃分，模擬計算過程采用FLUENT16.0。

圖1 三種不同擋水板方案的結構

邊界條件設定為第三類邊界條件，設轉爐內的環境溫度為T1，輻射源溫度為T2，氧槍噴頭進水溫度為T3，輻射率為ε，氧槍噴頭進口流速為v，具體參數如表1所示。

表1 邊界條件參數

2 結果分析與討論

2.1 噴頭端面溫度

噴頭端面的溫度分布特征是水冷效果的最直接體現，三種方案噴頭端面溫度分布如圖2所示。方案I的高溫區面積最大(規定溫度大于650 K的區域為高溫區)，方案III的高溫區面積明顯小于方案I和方案II中高溫區面積。由此可見，擋水板的結構對于氧槍噴頭的冷卻至關重要，合理的氧槍噴頭擋水板長度能夠有效改善氧槍噴頭的冷卻效果。

圖2 三種不同擋水板方案的噴頭端面溫度分布

三種不同擋水板方案下，氧槍噴頭端面最高溫度及氧槍噴頭端面高溫區面積大小，如表2所示。在三種方案中，隨著擋水板長度的增加，氧槍噴頭端面最高溫度降低。方案III的氧槍噴頭的最高溫度較方案I的氧槍噴頭端面溫度降低了22.20%。方案III的氧槍噴頭的最高溫度較方案II的氧槍噴頭端面溫度降低了15.12%。說明擋水板末端位置長于噴孔位置30 mm能有效降低噴頭端面的最高溫度。

表2 不同擋水板方案下的高溫區面積與端面最高溫度

在三種方案中，隨著擋水板長度的增加，噴頭高溫區面積降低。方案III的高溫區面積明顯低于方案I和方案II。方案III噴頭端面高溫區面積較方案II降低了80.39%，方案II高溫區面積略低于方案I。由此可見，擋水板長度的改變對氧槍噴頭端面高溫區面積影響較大，合理的設計擋水板長度能夠有效減小噴頭高溫區面積，從而提高冷卻效果。

為進一步探究氧槍噴頭端面溫度分布，在氧槍噴頭兩噴孔中間位置取了9個測溫點，具體位置如圖3所示。三種方案下氧槍噴頭測溫點1～9處的溫度匯總，見表3。隨著擋水板長度的增大，測溫點溫度逐漸降低，且方案I在各個測溫點的溫度遠高于方案II和方案III。

表3 氧槍噴頭端面不同測溫點溫度匯總

圖3 氧槍噴頭端面測溫點位置

方案III在測溫點1～4處的溫度較方案I和方案II均有不同程度的降低。三種方案在測溫點5處溫度相差較小，究其原因，方案I與方案II擋水板在噴孔附近，冷卻水流過擋水板末端到達噴頭端面處應為最大流速，測溫點5位置在擋水板末端下方附近，因此測溫點5處三種方案溫度相差較小，該點處最高溫度較最低溫度僅高出1.30%。

從測溫點6處起，三種方案的溫差逐漸增大，到測溫點9處三種方案溫差最大，方案III較方案I溫度降低了24.08%；較方案II降低了13.93%。其原因為方案I、方案II擋水板末端較短，冷卻水在噴頭中心“鼻子”處流速較低，冷卻不充分導致該測溫點處溫度過高，而方案III擋水板末段長于噴孔位置，更接近噴頭中心，使冷卻水在噴頭“鼻子”附近流速較高，更有利于噴頭的冷卻?；趯σ陨?個測溫點的對比，說明方案III更能夠合理的組織冷卻水流動，加快熱量交換，從而提高氧槍噴頭的冷卻效果。

2.2 噴頭內部流場

端面附近的冷卻水流速大小直接影響著噴頭端面的冷卻效果，因此有必要進一步研究冷卻水流動速度場。三種方案下噴頭噴孔截面和兩噴孔中間截面速度分布如圖4所示。三種方案中，當冷卻水掠過擋水板末端流向噴頭內端面時速度逐漸變大，說明擋水板的設置能夠加速冷卻水流動，起到了很好的導流作用。方案I中冷卻水流動低速區面積最大，整體流速偏低(規定流速小于3 m/s的區域為低速區)，渦流耗散損失嚴重；方案II中冷卻水流速較方案I有所提高，但方案II中在噴頭“鼻子”處冷卻水流動速度較小，因此“鼻子”處高溫區的冷卻效果不佳；方案III中，當冷卻水流過噴頭“鼻子”處時，其流速較大，并且兩噴孔中間截面噴頭內端面附近冷卻水流速大于15 m/s，流速更大，因此方案III的擋水板設置起到了較好的冷卻作用。

圖4 不同擋水板長度氧槍噴頭兩噴孔中間截面速度分布

2.3 水冷系統的換熱量計算

為了進一步探究冷卻水流動速度對噴頭冷卻效果的影響，取分水錐上方5 mm處橫截面，研究冷卻水流動速度分布，如圖5所示。三種方案的噴頭中心“鼻子”處上方的冷卻水流速小于3 m/s，流速較低；在冷卻水掠過噴孔的孔后位置，冷卻水流速較低。冷卻水流速較高的位置集中在噴頭側面附近，即出水管位置。對比三種方案的速度分布可以發現，方案I的冷卻水整體流速偏低，方案III的整體流速較高。方案III中兩噴孔中間位置即噴孔與“鼻子”中間位置存在冷卻水低速流動區，因為擋水板末端長度超過氧槍噴孔位置的布置方式有利于在擋水板與噴頭端面的流道內形成高速流動區(圖4)，從而加快了噴頭端面處的換熱能力，尤其是“鼻子”處的熱量交換。

圖5 不同擋水板長度的氧槍噴頭分水錐上方5 mm處速度分布

氧槍噴頭的換熱量為該噴頭冷卻效果評價的重要指標，換熱量與出水溫度有關，因此，文章分析了三種方案下的氧槍噴頭平均出水溫度和換熱量。根據進回水溫差計算出噴頭冷卻系統的換熱量，計算方法為[8]：

M=ρ×υ×A

(7)

式中：M為氧槍噴頭進口質量流量，kg/h；ρ為冷卻水密度，取ρ=998.2 kg/m3；v為氧槍噴頭進口流速，取v=3 m/s；A為氧槍噴頭進水環面截面積，取A=0.036 9 m2。M=6 630 kg/h。

Q=c×M×Δt

(8)

式中：Q為氧槍噴頭換熱量，kW；c為水的比熱容，取c=4.2×103J/(kg·℃)；Δt為冷卻水進回水溫差。

三種方案下的氧槍噴頭平均出水溫度與換熱量如表4所示。隨著擋水板長度的增加，噴頭平均出水溫度逐漸增加，方案III的平均出水溫度明顯高于方案I和方案II。方案III的換熱量較方案I提高了25 040 kW，較方案II提高了7 060 kW。值得注意的是，在實際生產過程中，噴頭內冷卻水的進回水溫差也不應過大，當進回水溫差過大時，噴頭局部位置冷卻水易產生沸騰現象，影響噴頭冷卻。

表4 不同擋水板長度的氧槍噴頭平均出水溫度與換熱量

3 結論

(1)擋水板包圍噴孔且末端長度長于噴孔30 mm能夠有效降低噴頭端面的最高溫度，減小端面高溫區面積。

(2)研究中方案III布置方式有利于在擋水板與噴頭端面的流道內形成高速流動區，從而加強噴頭端面的換熱能力，尤其是“鼻子”處的熱量交換。

(3)方案III設計擋水板的換熱量較方案I提高25 040 kW，較方案II提高了7 060 kW。