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转炉集束氧枪的设计、模拟研究OxygenLancingCoherentJet(left)vsSupersonicJet(right)指导老师：朱荣学生姓名：李三三学号：S20080481转炉氧枪介绍转炉氧枪全长及行程一、氧枪是炼钢的关键设备，氧枪使氧气射流在喷口处具有一定的速度和动能。二、转炉氧枪由喷头、枪身和尾部三部分组成。三、转炉氧枪设计由喷头设计、枪身设计和尾部设计组成，其中喷头设计是难点，也是重点。转炉氧枪的发展单孔直筒型单孔拉瓦尔多孔孔拉瓦尔螺旋型氧枪双流道氧枪集束氧枪双流道氧枪集束射流技术介绍根据气力力学的原理，高的动能和喷吹速度是不足以使氧气射流在较长的距上保持集束状态的，为了为了达到保持射流集束状态的目的，必须用另一种介质来引导氧气，即外加燃气流，使燃气流对主氧气流起着封套的作用，这样主氧气流就能够在较长的距离内保持出口时的直径和速率。ConherentJet集束射流技术的特点（1）在超过喷嘴直径70倍的喷吹距离内都可以保持其原有的速率、直径及气体的浓度及喷吹冲击力；（2）超音速氧枪0.254处的冲击力与集束射流1.37处的冲击力相当；对熔池的冲击深度要高两倍以上，气流的扩展和衰减要小，减少熔池喷溅及喷头粘钢；（3）比超音速喷吹带入的环境空气量要少10％以上，NO排放减少；（4）射流扩散和衰减的速度也显著降低。（5）冲击液体熔池的深度比普通射流冲击深度深约80％。（6）集束射流核心区长度、射流扩散和衰减及其压力可以控制。（7）熔池均混时间与底吹混合时间相近。（8）喷溅大大减少。集束射流技术首先在电炉上应用成功•目前在世界范围内，已经有40个电弧炉上成功使用集束射流技术，并取得显著的经济效益。•典型案例如，德国BSW厂、美国伯明翰钢铁公司西雅图工厂125吨电炉、意大利LSP钢厂在76吨电炉等。•主要效果是把原来分散布置的碳枪、油氧燃枪等集中于集束氧枪，且氧枪固定在炉壁上，没有必要移动氧枪出入炉，提高了炉内氧气使用的效率，减少了喷溅的发生等有点。SupersonicJetConherentJet转炉集束氧枪的开发•由于集束射流系统突出特征和较深的熔池穿透量，Praxair公司目前正在转炉上进行应用实验，第一批测试转炉集束射流系统的钢厂是伊斯帕特内陆公司的印地安纳钢厂和美国钢铁公司加里厂，初期数据良好，正进行进一步的工艺改进和调整。实验结果表明可实现吨钢降低成本3～5美元的良好效果。•但是由于转炉氧枪喷头结构复杂，吹氧强度大，不仅枪头需要改变，枪身、枪尾和氧枪小车也要随之改变，还需要增加副氧控制PLC平台。因而转炉集束氧枪的研究较电炉集束氧枪难度更大。SiemensVAIlancetips集束射流氧枪的喷头设计•由于将转炉集束射流氧枪工业化的条件限制以及实验室条件限制，本研究主要几种在集束氧枪喷头的设计和数值模拟上。•在模拟的基础上加工出喷头并进行冷态测试。转炉集束射流喷头设计图氧枪喷头设计的要求和主要参数1.在一定的操作氧压和枪位条件下，为吹炼提供所需的供氧强度，使氧气射流获得较大的动能，以达到合适的穿透深度，对熔池搅拌均匀的同时又不致引起较大的喷溅。为此，要求正确设计工况氧压和喷孔的形状、尺寸，并要求氧气射流沿轴线的衰减应尽可能慢。2.在合适的枪位下，氧气射流在熔池面上要形成合理的反应区，保证熔池反应均匀，对炉衬侵蚀小且均匀。尤其对多孔喷枪，要求各股氧气射流到达熔池面上时不汇合，能形成多个反应区。3.氧枪喷头寿命要长，为此要求喷头的结构合理、简单，氧气射流沿着氧枪轴线不出现负压区和过强的湍流运动。设计要求设计要求1.氧气流量2.喷头孔数3.喷头出口处马赫数与设计工况氧压4.炉膛压力5.喷孔夹角和喷孔间距6.喷孔端面形状7.喷孔的形状利用数值模拟研究转炉集束射流氧枪•由于计算机的发展和数值计算技术的不断成熟，利用计算机对实际过程进行数值模拟的计算流体力学方法迅速发展起来。•这种研究方法可以广泛的设置条件对各种情况进行模拟。如危险的、超越正常条件的、待开发的过程进行模拟。•数值模拟可以对现有过程进行诊断、优化装置设计及改善操作，特别是该方法迅速、廉价、灵活、直观并易于理解，这些都是物理实验所无法实现的。奥钢联公司利用CFD((Computationalfluiddynamics)进行电炉除尘的流场优化流场数值模拟软件——Fluent介绍•FLUENT软件采用基于完全非结构化网格的有限体积法，而且具有基于网格节点和网格单元的梯度算法；采用定常/非定常流动模拟，而且新增快速非定常模拟功能。•FLUENT软件包含丰富而先进的物理模型，使得用户能够精确地模拟无粘流、层流、湍流。•Fluent应用领域涉及航空航天、旋转机械、航海、石油化工、汽车、能源、计算机/电子、材料、冶金、生物、医药等。美国宇航局（NASA）、美国国防部（DOD）、美国能源部（DOE）以及ABB公司、西屋公司、波音公司、福特公司、三菱公司、IBM公司、杜邦公司等都是FLUENT软件的代表性用户。Fluent数值模拟的步骤1.确定几何形状生成计算网格（用Fluent软件自带的GAMBIT,也可以读取其他指定程序生成的网格）。2.输入并检查网格3.选择求解器（2D或3D）4.选择求解的方程（层流或是湍流、化学组分或化学反应、传热模型等），确定其他需要的模型5.确定流体的材料的物性6.确定边界的类型及其边界条件（前者在GAMBIT中确定，但在FLUENT中可以修改，后者在FLUENT中实现）7.条件计算的控制参数8.流场的初始化9.求解计算10.判断收敛11.保存结果并进行后处理数值模拟过程使用Gambit建模并划分网格模拟结果后处理导入Fluent迭代计算研究内容和研究方法•对转炉氧枪喷头具体参数进行设计和计算；•在不同情况下，采用Fluent软件模拟氧枪的射流情况，并对结果进行分析、统计以选取最优结果，得到合适的参数；•根据所得模拟结果分析得出结论。研究内容研究方法•根据氧枪设计步骤计算出100t氧枪喷头、枪体的具体尺寸数值。•使用Gambit软件根据实际尺寸画出相应的网格图。•使用Fluent软件导入网格图进行模拟计算。•设置多组不同尺寸和条件，得到多组模拟结果。•对比多组模拟结果，选取最佳参数。研究步骤•根据实际生产要求和转炉氧枪设计规则初步确定氧枪的各项参数；•根据计算所得的尺寸使用Gambit软件画出相应的网格图，确定网格的边界类型，导出网格文件。•将网格文件导入Fluent软件，设置边界条件进行模拟计算，得到模拟结果图。•调节网格尺寸，做出多组模拟结果，通过对比选取最优设计参数。•根据上述模拟结果分析得出结论。Blowinglanceisdesignedformaximumavailability工作进度和安排、工作中可能遇到的难点•2009.07～2009.10查阅相关文献及参考资料，做开题报告；•2009.10～2010.11设计计算氧枪尺寸，进行数值模拟分析，得出结论；•2010.12完成论文及答辩工作进度和安排工作中可能遇到的难点•Fluent软件的正确和灵活使用•喷头设计并模拟完成后，加工制造并进行冷态测试受实验条件限制。谢谢各位老师！2009年10月LD(BOF)pulpitatTaiyuanISCO,China