基于氧枪喷头磨损的熔池搅拌特性

研究氧枪喷孔出口磨损程度对射流动力学参数及熔池搅拌效果的影响可以为氧枪喷头设计和冶炼工艺优化提供理论支持。建立了0°、10°和20°磨损角度氧枪自由射流几何模型,分析了喷孔出口磨损程度对射流轴向和径向动力学参数分布的影响,发现入口压力相同时,喷孔出口磨损程度增大,射流速度、动压和马赫数衰减加快,射流聚合程度增强。在喷孔出口0.18 m范围内,磨损后氧枪的湍动能大于未磨损氧枪,且磨损程度越大,射流湍动能越大。超过此范围后,未磨损氧枪湍动能大于磨损后氧枪。在喷孔出口1 000 mm处,射流径向最大速度、动压、马赫数和湍动能均随着喷孔出口磨损程度的增大而减小。建立了120 t转炉和5孔氧枪1∶4水力学试验模型,研究了枪位和气体流量变化对不同磨损程度氧枪冲击效果和混匀时间的影响,分析了枪位和气体流量相同时氧枪喷孔出口磨损对熔池流场的影响。发现气体流量相同时,随着枪位升高,熔池冲击深度减小,冲击直径增大,混匀时间增大。枪位相同时,随着气体流量增大,熔池冲击深度和冲击直径增大,混匀时间减少。枪位和气体流量相同时,喷孔出口磨损程度增大,冲击深度和冲击直径减小,混匀时间增大,高锰酸钾溶液完全扩散时间增...     

180 t转炉超音速射流和聚合射流与炼钢熔池作用的水模型实验研究

以鞍钢180 t顶底复吹转炉为原型,设计超音速氧枪喷头进行了复吹转炉传统射流与聚合射流对熔池相互作用的水力学模型实验。超音速射流水模实验确定最佳的均混时间为12.6 s;在保持最佳顶吹气体流量的条件下,以降低枪位模拟聚合射流对熔池的相互作用。结果表明:当氧枪枪位下降到40 mm时,均混时间为11.8 s,这说明聚合射流完全可以达到传统射流对熔池的搅拌效果,可取消底吹系统,简化转炉设备和提高转炉炉龄。     

120 t转炉旋流氧枪的射流搅拌特性

 熔池流动状态及反应速度是实现转炉高效冶炼的关键,主要取决于氧气射流与熔池的相互作用及底吹搅拌强度。建立了120 t转炉旋流氧枪的三维全尺寸几何模型,利用数值模拟研究了不同旋流角旋流氧枪的射流特性,并对比分析了其对转炉熔池的冲击搅拌效果。结果表明,随着旋流角的增大,氧气流股的射流核心区长度不断减小,射流中心距氧枪轴线距离增大,氧枪射流交汇点距喷孔出口距离不断增大,射流聚合现象被抑制;当旋流角由0°增加至15°时,氧气射流的冲击深度减小了40%,冲击半径增加了13%;熔池纵截面上的高速区域分布在冲击凹坑附近,横截面上的高速区域分布在冲击凹坑及相邻凹坑连接处延长线外部区域。     

基于环境温度的转炉旋流氧枪射流分析

为探究旋流氧枪自由射流特性,建立了0°、6°、12°和18°旋流氧枪自由射流几何模型,分析了不同旋流氧枪炼钢温度下的旋流特性、射流速度和动压分布。发现与0°旋流氧枪相比,6°、12°和18°旋流氧枪射流速度和动压衰减较快,且旋流角越大,射流衰减越快。而6°旋流氧枪与12°和18°旋流氧枪相比,射流速度和动压衰减较慢,在保证合适冲击深度和冲击面积的同时,使熔池产生一定的旋转运动。基于此,建立了6°旋流氧枪和转炉气-渣-金多相流几何模型,分析了环境温度变化对6°旋流氧枪冲击特性和熔池速度分布的影响,发现环境温度从300 K升高到1 873 K,冲击半径从1.25 m增至1.78 m,而冲击深度仅从0.119 m增至0.132 m。环境温度升高,钢液面处高速区面积增大,死区和低速区面积减小;在熔池较浅处,环境温度升高,熔池死区面积减小,高速区面积增大,以熔池深度0.3 m为例,环境温度从300 K升高到1 873 K,死区面积由0.41 m²减小至0.17 m²,高速区面积由9.35 m²增至9.76 m²     

210t转炉双马赫数氧枪超音速射流特性模拟与应用

针对某厂210 t转炉吹炼过程存在的氧枪喷头寿命低、喷溅严重、吹炼时间长、终点过氧化等问题，提出一种具备双马赫数的5孔拉瓦尔氧枪喷头优化设计方案，并通过建立计算流体动力学模型(CFD)对不同设计参数的氧枪喷头的超音速射流特性进行研究。基于氧枪喷头超音速射流速度、动压以及湍动能分布规律数值模拟结果，综合考虑转炉熔池搅拌控制要求，最终确定采用“中心拉瓦尔管Ma=2.0外围拉瓦尔管Ma=1.8、偏转角12°”设计方案。优选的双马赫数氧枪喷头在210 t转炉应用后，喷头寿命较传统单马赫数喷头提高10.42%,纯吹炼时间缩短10.87%,终点钢水O质量分数降低9.56%,终点炉渣TFe质量分数降低20.21%。     

355型氧枪喷头射流的数值模拟

通过计算流体力学软件Fluent的数值模拟,研究了参数优化前后氧枪喷头射流速度的分布情况.结果 表明,优化后喷头射流轴向速度更大,射流速度衰减更慢,且射流的湍动能更大,射流的聚并程度增加,冲击面积更小.优化后的喷头对熔池具有更大的搅拌能,有利于熔池的升温、脱碳和缩短供氧时间等.     

高马赫数氧枪枪位对100 t转炉自动炼钢熔池流速的影响

通过采用数值模拟与冷态水模拟相互印证的手段,以北方某钢厂100 t炼钢转炉为原型,建立了四孔拉瓦尔氧枪喷头与转炉炉体的三维模型,模拟研究了高马赫数氧枪枪位变化对熔池内钢液流速的变化状况以及射流的冲击效果的影响。结果表明:随着氧枪枪位从1.7 m提高到2.5 m,对熔池钢液的冲击能力不断减弱,导致冲击深度不断减小。但是,随着枪位的提高,氧气射流对钢液的作用面积却不断增大。高马赫数氧枪位在1.6～2.2 m冲击深度适中,熔池混匀效果最好,此时钢液流速在熔池径向方向上的分布更加均匀,且高速区域占比更大,混匀时间较短,对熔池底部钢液的搅拌效果最好。     

出口间距对氧枪作用下熔池冲击面积的影响

以某厂50 t转炉及其四孔氧枪的结构和工艺参数为基础,采用fluent数值模拟方法,重点研究喷孔间距、枪位以及流股融合距离对变角和非变角氧枪射流作用下熔池有效冲击面积的影响规律。研究结果表明:随着枪位的提升,射流对熔池的有效冲击面积将呈现先增加后降低的趋势,从有效冲击面积的角度考虑,应将枪位控制在最大有效冲击面积对应的枪位以内;流股融合距离对于熔池的冲击面积影响显著,融合距离越长,流股中心线与氧枪轴线的偏移越大,射流对熔池冲击形成的凹坑面积越大;随着喷孔间距的减小,射流对熔池的有效冲击面积逐渐减小;喷孔间距越大,射流速度的波动性越大,减小喷头的喷孔间距可以使速度更快趋于稳定;变角氧枪的有效冲击面积值明显大于非变角氧枪。     

新型双结构氧枪与转炉熔池交互行为的水模实验

以钢厂260t顶吹炼钢转炉为研究对象,建立了1:7的物理模型,分析了新型双结构氧枪喷头与熔池作用的交互作用,讨论了不同工况下的冲击坑深度和宽度以及射流对转炉熔池的搅拌强度,并将结果与传统结构氧枪喷头进行比较。结果表明,新型喷头与熔池作用形成的冲击坑深度与传统氧枪喷头的差别不大,设计流量下,枪高为H=35de时,新型喷头形成的冲击坑深度最大为147mm;不同枪位下,新型氧枪射流冲击坑直径比传统氧枪射流冲击坑直径平均增加22%;新型喷头的射流对熔池的搅拌效果好于传统喷头,设计流量下的最佳操作枪位为35～40de。     

提钒用旋流氧枪喷头的数值模拟

利用Fluent软件模拟旋流氧枪的气体射流和提钒转炉内部的钢液流速,研究常规氧枪以及旋流角分别为5°、8°、10°和13°的旋流氧枪对熔池的搅拌效果和冲击特性.研究发现旋流氧枪射流分布相对分散,流股之间干扰少.增加熔池冲击面积,熔池内部等速线所包围的面积变大.10°旋流氧枪喷头喷吹时,等速线所包围面积最大,其面积约为熔池纵切面面积的75%,钢液的流动速度最大,有利于促进转炉提钒过程钒元素的扩散,从而提高提钒效率.      

300 t复吹转炉底吹系统优化模拟

顶底复合吹炼转炉炼钢法是当下主流的炼钢方法,底部供气元件的种类、支数、排布方式和底吹供气强度直接影响着转炉熔池的混匀效果,合理的流场不仅可以降低生产成本,更能缩短冶炼周期,增加企业效益.基于冷态水模拟以及CFD数值模拟手段各自的研究特点,以某钢厂300 t转炉为原型,将不同底吹条件下熔池的混匀时间、死区以及弱流区体积作...     

Simulation of Flow Fluid in the BOF Steelmaking Process

The basic oxygen furnace (BOF) smelting process consists of different chemical reactions among oxygen, slag, and molten steel, which engenders a vigorous stirring process to promote slagging, dephosphorization, decarbonization, heating of molten steel, and homogenization of steel composition and temperature. Therefore, the oxygen flow rate, lance height, and slag thickness vary during the smelting process. This simulation demonstrated a three-dimensional mathematical model for a 100 t converter applying four-hole supersonic oxygen lance and simulated the effect of oxygen flow rate, lance height, and slag thickness on the flow of molten bath. It is found that as the oxygen flow rate increases, the impact area and depth increases, which increases the flow speed in the molten bath and decreases the area of dead zone. Low oxygen lance height benefits the increase of impact depth and accelerates the flow speed of liquid steel on the surface of the bath, while high oxygen lance height benefits the increase of impact area, thereafter enhances the uniform distribution of radial velocity in the molten steel and increases the flow velocity of molten steel at the bottom of furnace hearth. As the slag thickness increases, the diameter of impinging cavity on the slag and steel surface decreases. The radial velocity of liquid steel in the molten bath is well distributed when the jet flow impact on the slag layer increases.     

180 t转炉聚合射流流场的水力学模型的实验研究

采用几何相似比1∶10水模型对180 t顶底复吹转炉内射流与熔池相互作用进行模拟试验,研究了在最佳枪位(150 mm)时氧气流量(38~42 m³/h)对均混时间的影响以及最佳顶枪流量(39 m³/h)下聚合射流氧枪枪位(40~150 mm)对均混时间的影响。结果表明,聚合射流氧枪对熔池的搅拌效果完全能达到顶底复吹的搅拌效果,如能在转炉冶炼工艺中应用,可取消底吹系统,简化转炉设备,提高转炉炉龄。     

大型转炉高供氧强度吹炼的水模实验

为使大型转炉的生产率达到国际先进水平,在300~350t大型氧气转炉上实现4.0~5.0m3/(t·min)的高供氧强度吹炼,设计了新的大流量氧枪喷头,并在1∶10的有机玻璃模型上进行氧射流与熔池作用的水模实验。水模实验大流量氧枪喷头的主要参数为:喷头孔数6~8个,采用双角度交错布置,喷孔倾角10°~17°,喷孔出口马赫数2.0~2.2。同时测定了枪位高度为1.8~2.6m时的熔池喷溅率、混匀时间和穿透深度。研究结果表明,大流量新喷头的喷溅量和射流对熔池的穿透深度都在转炉正常吹炼范围内,熔池混匀时间平均缩短6s,泡沫渣可将喷溅率降低50%。大流量新喷头良好的吹炼性能为大型转炉高供氧强度吹炼的氧枪喷头设计提供了可靠的数据。     

超音速射流冲击260 t转炉熔池界面行为研究

建立了260t转炉吹炼过程中的可压缩、非等温三维VOF 模型。研究了多孔超音速射流与转炉熔池作用过程特征,阐明了射流与熔融钢水界面接触的轮廓变化。揭示了钢液喷溅机制,定量分析了冲击坑形态大小。结果表明,吹炼过程具有瞬时性,随着吹炼进行,气液界面逐渐失稳并发生喷溅,喷溅会以大块金属带和液滴两种形式共存。在2.2 m枪位53000 m³/h的工况下,进行吹炼时形成的底部死区面积约为熔池底部面积的12%~15%,冲击坑直径占比熔池直径的55%左右,冲击坑深度占比熔池深度的30%左右。工业生产实践表明,过程枪位2.2 m,吹气量53000 m³/h,吹氧15.2 min,氧耗47.7 m3/t,脱磷率83.1%,钢铁料消耗降至1115 kg/t。     

260 t转炉用五孔旋流氧枪的数值模拟

为克服传统氧枪在转炉炼钢工艺技术中的局限性,利用数值模拟对不同结构的五孔旋流氧枪进行模拟研究,分析了旋流氧枪的倾斜角(13°～15°)、旋流角(0～15°)对射流的衰减、聚并形态和冲击面积的影响。结果表明:与普通氧枪相比,旋流氧枪的射流速度较低,但因存在切向力,对熔池的搅拌能力更强;倾斜角增大会导致射流径向的速度分量增大;旋流氧枪由于旋流角的作用,发生射流聚并的可能性降低;倾斜角对射流的聚并有重要影响,倾斜角减小,射流聚并更加严重并且射流冲击面积会减小;当倾斜角15°并且旋流角为10°时冲击面积最大。     

自旋转氧枪对熔池混匀时间影响的冷态模拟

摘要：针对传统氧枪对熔池搅拌能力有限,无法高效冶炼磷含量较高铁水的问题,设计一种新型自旋转氧枪,并建立了相应的冷态模拟系统,对比研究了自旋转氧枪与传统氧枪对熔池混匀时间的影响规律。结果表明,随着顶吹、底吹流量的提高以及枪位的下降,熔池混匀时间均缩短;自旋转氧枪对熔池的搅拌效果明显优于传统氧枪,熔池流场更加均匀;转速分别为0、3.14～5.23、7.33～9.42、11.51～13.61rad/s时,混匀时间分别降低12.0%、23.8%、24.4%、8.1%;能量密度的变化对混匀时间的影响小于传统氧枪。     

260t转炉用新型双结构氧枪水模实验与工业应用

摘要：为克服传统氧枪在转炉炼钢工艺技术中的局限性,利用水模型实验对不同结构的新型双结构氧枪与转炉熔池的作用过程进行研究,分析了新枪的大小孔倾角、大小孔流量比对冲击坑形态以及熔池搅拌强度的影响。结果表明：双结构氧枪与熔池作用形成的冲击坑独立较好;对比其他变量,小喷孔倾角对冲击坑直径的影响更大,大喷孔流量比对冲击坑深度以及熔池搅拌强度的影响更大。将双结构氧枪应用于260t转炉并统计110炉吹炼效果发现,双结构氧枪的平均吹氧时间比目前的5孔氧枪缩短了45s,平均供氧强度提高了0.16m3/(t·min),平均钢铁料消耗降低了15kg/t,终渣成分和渣量与原5孔氧枪的差别不大。