转炉炼钢氧气射流技术_李存牢
第31卷增刊12009年12月北京科技大学学报
Journal of University of Science and Technology Beijing Vol. 31Suppl. 1
Dec. 2009
转炉炼钢氧气射流技术
李存牢1, 2) 朱 荣1, 3) 王慧霞1, 3) 韩丽辉1) 石立光1, 2)
1) 北京科技大学冶金与生态工程学院, 北京100083 2) 河南安阳钢铁集团公司, 安阳4550043) 北京科技大学生态与循环冶金教育部重点实验室, 北京100083
摘 要 为了研究转炉炼钢氧气射流的应用情况, 利用FL U EN T 软件模拟研究了集束氧气射流, 并对比了集束射流和超音速射流的射流特性. 在某厂35t 转炉进行了集束射流的初步工业试验. 试验结果表明:使用集束氧枪后的转炉炼钢脱磷效率提高, 钢铁料消耗及氧气消耗均有所下降. 关键词 转炉炼钢; 集束氧枪; 数值模拟
Oxygen jet technology in BOF
L I Cun -lao 1, 2) , ZH U Rong 1, 3) , WA N G H ui -x ia 1, 3) , H A N L i -hui 1) , SH I Li -guang 1, 2)
1) School of M etallurgical and Ecological Engi neering, University of Science and T echnology Beijing, Beij ing 100083, China 2) Anyang Iron and Steel Co. Ltd. , Anyang 455004, China
3) Key Laboratory of Ecological and Recycle M etallurgy of Education M inistry, University of Science and Technol ogy Beijing, Beijing 100083, China
ABSTRAC T In order to study the ox ygen jet in BOF steelmaking, the so ftw are FL U ENT was used to simulate the char acteristic of coher ent jet ox ygen lance and common o xyg en lance. T he advantage of co herent jet oxy gen lance was prov ed by compar ing the char -acter istic of the two lances. In a 35t converter, co herent jet ox ygen lance carried out a preliminar y industr ial test. T he results demon -str ated that the coher ent jet ox ygen lance solved the behavior of hig h phosphorus successfully , and the consumptions of steel stuff and ox yg en were declined.
KEY WORDS BOF steelmaking; coherent jet ox ygen lance; numer ical simulation
鉴于转炉冶炼环境的高温等特殊条件[1-2], 无法直接观察炉内钢液的流动. 对超音速氧气射流特性参数的计算通常采用经验或理论公式; 或采用冷态实验的方法对转炉氧枪的射流流场进行研究, 结果相对粗略. 近年来数值模拟技术的迅速发展, 使得转炉氧枪的射流流场特性得到更深入的研究, 突破了实验模拟的局限性.
近年来, 集束射流技术(Cojet 技术) 在电炉炼钢工艺中得到了良好的应用, 如将它移植到转炉炼钢, 对于传统的转炉钢厂而言, 每年有可能带来约1500万美元的经济效益[3-4]. 集束射流氧枪较好地解决了超音速氧枪存在的缺陷. 即氧气射流的穿透能力较弱, 同样的供氧能力, 超音速氧枪的操作枪位较低, 使得在钢液脱碳的同时脱磷能力降低, 也使得多
收稿日期:2009-08-01
作者简介:李存牢(1960) ) , 男, 博士研究生, E -mail:cici521369@yahoo. cn
孔超音速射流氧枪处于恶劣的工作环境.
目前, 对转炉用集束射流氧枪研究的单位还比较少, 但是Cojet 技术有望成为新一代转炉炼钢的
吹氧技术[5]. 在国外, Praxair 公司目前正在转炉上进行应用试验[6-8], 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, 但是, 试验结果至今未见报道. 据称, 初期效果良好, 正进行进一步的工艺改进和调整.
在国内, 北京科技大学自2005年起, 对转炉用集束射流技术进行了系统的研究, 采用数值模拟软件进行了模拟, 发现在消耗同等氧气的条件下, 集束射流氧枪的效果明显优于超音速射流氧枪. 并且于2008年6月在河南省安阳钢铁集团公司第二
[9-10]
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炼钢厂的35t 转炉上进行了试验, 初期效果良好, 明显降低了钢中的P 含量, 但是氧枪的枪龄还较短, 有待于进一步改进工艺及调整氧枪操作制度.
本文采用大型计算流体力学(CFD) 分析软件FLU ENT 对转炉氧气射流流场、熔池的冲击等进行了数值模拟, 并应用集束氧枪进行了初步工业试验.
112 不同喷头角度下熔池钢液流动情况
图2是100t 转炉喷头在不同喷吹夹角下, 射流搅拌熔池的钢液流动情况. 对比图(a) ~(d) 可以看出:夹角为13b 时炉衬附近钢液流动方向与炉衬所成角度最大, 对炉衬的冲击最大; 夹角为10b 和11b 时炉衬附近钢液流动方向与炉衬所成角度较小; 夹角为12b 时炉衬附近钢液流动方向与炉衬所成角度介于前两者之间.
转炉炉衬侵蚀原因是多方面的, 钢液对炉衬的高速高温冲刷是最重要的原因之一. 采用溅渣护炉技术可以减小钢液对炉衬的侵蚀, 有效的延长炉龄[11-13]. 改进砌炉方式也可以一定程度上降低炉衬侵蚀. 但这些方法都是从单方面加强炉衬抗冲击能力上着手, 不能从根本上减小钢液的冲击. 如果减小与炉衬接触处附近钢液的流动速度, 或者减小流动方向与炉壁的夹角, 那么炉衬所受的侵蚀将得到有效降低.
113 距喷头不同距离处的冲击面积
从图3可以看出距喷头不同距离各处的冲击面积的变化. 随着喷头出口距钢液面距离增大, 冲击面积增加, 通过数值模拟可以准确测量该面积的变化.
114 转炉钢液液面状态的模拟分析
利用Fluent 软件可以模拟气体射流与液体熔池的冲击变化. 从图4可以看出在化渣枪位下转炉
1 转炉炼钢超音速氧气射流的模拟
111 不同氧压下氧气射流速度分布
图1是根据100t 转炉的氧枪喷头射流参数进行数值模拟的结果. 从图可以直观地看出, 随着压力的增大, 氧气的射流长度增加. 在Fluent 中可以准确地读出距喷头不同距离所对应的射流速度, 同时根据不同喷吹压力及流量可以确定射流的速度衰减, 从而准确地控制氧枪位置.
图1 不同压力下氧气射流速度的分布
图2 喷头夹角为(a) 10b , (b) 11b , (c) 12b , (d) 13b 时炉衬附近钢液流动
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图3 距喷孔不同距离上氧气射流的冲击面积. (a) 冲击面积模拟示意图; (b) 不同速度氧气流的冲击面积
态, 为了达到保持射流集束状态的目的, 在喷嘴外围用一环氧气流包围主氧流来实现集束射流. 其中环氧气流起保护作用, 使主氧流在相对较长的距离上凝聚在一起, 并保持原有的速率和直径.
由于集束射流能量集中, 具有极强的穿透金属熔池的能力, 增加了氧气对钢水的搅拌强度, 因此在促进钢渣反应、均匀成分与温度、减少喷溅、提高氧气利用率、提高金属收得率方面, 比超音速氧枪有更大的优势[15]. 同时随着穿透能力的增强, 可适当提高枪位或者减少氧气流量[16]. 211 集束氧气射流的数值模拟研究
根据安阳钢铁公司提供的氧枪工艺参数, 集束射流氧枪喷头的参数参照原有氧枪的压力及流量设
图4 化渣枪位下转炉钢液液面状态
计, 分为主氧和环氧两部分, 总的氧气流量等于原有超音速氧枪的流量.
在分别模拟了全氧枪、1/4氧枪、1/8氧枪这三种模型后, 对比模拟的结果发现, 三种模型的模拟结果是相同的. 本文的模拟中, 采用1/8氧枪模型进行模拟, 见图5.
根据正交实验设计方法, 模型针对安阳钢铁集团第二炼钢厂35t 转炉, 使用超音速氧枪及集束氧枪在不同压力下进行了模拟研究, 分别模拟了017、
钢液液面状态, 通过调整枪位可以分析枪位与脱磷脱碳的关系.
2 转炉炼钢集束氧气射流的模拟
集束射流氧枪是应用气体力学的原理来设计的[14]:喷嘴中心的主氧气流指向熔池; 高的动能和喷吹速度不足以使射流在较长的距离上保持集束状
图5 超音速氧枪(a) 和集束氧枪(b) 的数值模拟网格划分
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018、019及110MPa 条件下的出口射流速度衰减情况与冲击面积, 结果见表1.
表1 超音速氧枪与集束氧枪射流长度与冲击面积比较压力/M Pa [1**********]0
超音速氧枪的射流长度/m [**************]5
集束氧枪射流长度/
m [**************]0
超音速氧枪冲击面积/
m [***********]134
集束氧枪冲击面积/
m [***********]152
束氧枪的冲击面积明显大于超音速氧枪.
图6是利用FLUENT 软件模拟了在018MPa 压力条件下, 超音速氧气射流和集束氧气射流的速度场图. 从图可以看出集束氧枪可以保持更长的高速气流
.
图8 超音速射流与集束射流的冲击面积对比图
212 集束氧枪的工业试验
为了验证集束氧枪的冶炼性能及数值模拟方法的可行性, 在安阳钢铁公司第二炼钢厂35t 转炉进行了初步工业试验, 其35t 转炉冶炼的基本情况如下:
(1) 供氧强度大, 吹炼时间短, 石灰质量差, 转炉前期来渣晚, 渣钢反应时间短, 影响转炉脱硫脱磷能力, 多次出现磷含量过高情况;
(2) 炉龄10000炉以后, 炉衬砖基本侵蚀完, 炉膛很大, 溅渣护炉效果不佳, 炉衬侵蚀快.
其中厂方最为关心的是脱磷问题, 而实现脱磷的工艺条件是提高枪位或是降低吹氧量. 对于使用超音速氧枪来说, 无论是提高枪位还是降低吹氧量
图6 超音速氧气射流与集束氧气射流的速度场
都无法使脱碳和脱磷同时进行, 影响生产的节奏, 但是使用通过数值模拟优化设计的集束氧枪就能成功解决生产中磷含量过高的问题. 因为集束氧枪的特点就是穿透能力比超音速氧枪强, 同时冲击面积也比超音速氧枪大, 能使脱碳、脱磷同时进行, 所以可以在原吹氧量不变的情况下适当提高氧枪枪位, 或者在保持原有枪位的基础上降低氧气的喷吹量.
由表1可以看出, 使用根据安阳钢铁公司第二炼钢厂35t 转炉的工艺参数设计的集束氧枪的枪位可以比原有的超音速氧枪枪位高200mm 左右.
根据模拟结果, 综合集束氧枪的特点及现场工人的操作习惯, 初步制订了适合集束氧枪的操作制度, 即:在冶炼的各个阶段, 保持原有的操作压力及氧气流量, 将操作的枪位提高200mm.
将使用集束氧枪试验后的数据与超音速氧枪的冶炼数据整理比较, 见表2.
由表2可以看出:集束氧枪脱磷能力大大提高, 钢中平均P 含量与超音速氧枪相比降低了3815%, , 图7是根据图6的模拟结果, 在018MPa 压力条件下做出的轴向距出口距离的气体速度对比图. 由图可以看出在距出口距离相同处集束氧枪的射流速度明显大于超音速氧枪
.
图7 超音速射流与集束射流的速度对比图
图8是根据图6的模拟结果而做出的不同压力
,
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束氧枪脱碳、脱磷同时进行, 冶炼效果良好. 同时, 吨钢耗氧量平约下降0145m #t 冶炼效果, 还能降低生产成本.
表2 超音速氧枪与集束射流氧枪冶炼参数比较氧枪超音速氧枪集束氧枪
吨钢耗氧量/m[1**********]
平均钢铁消耗量/kg [1**********]121
终点C 质量平均P 质量分数/%[1**********]879
分数/%0102601016
3
-1
, 钢铁消耗量平均
分析可知:集束氧枪与超音速氧枪相比, 主氧气
流接触到的气流不再是无动能的气体, 而是具有一部分动能的气体, 这样主氧与保护气体再进行动量交换时, 其动能大部分保留下来, 保护气流不但减缓了主氧气流与外界接触的时间, 更使得主氧气流的动能得到最大程度的保留[23]; 环高温气体的集束射流与环常温氧气的集束射流相比, 前者引导介质温度高, 由气体状态方程可知, 在相同压力下, 气体温度升高, 密度降低, 所以前者引导介质密度低于后者. 当主氧射流吸卷低密度且具有同向速度的气体向前运动时, 所受阻力小, 密度减小慢, 射流聚合度高, 射流速度衰减慢, 因此能保持较长的高速射流区.
312 集束射流技术的延伸应用
集束射流技术的应用可以进一步拓宽到其他领域. 根据理论计算, 高音速射流的喷吹速度达到1360m #s -1时, 喷吹压力将达到15M Pa 以上, 目前的管道输送及气体增压成本难以承受. 采用集束射流技术, 可在较低压力下实现超高音速.
下降314kg, 可见利用集束氧枪不仅能收到良好的
3 集束射流技术的研究
311 转炉炼钢集束射流技术的研究
集束氧枪的保护气体(引导介质) 可以是常温氧气, 也可以是高温燃烧产物[17-18], 但哪种气体的保护效果更好, 模型针对三孔氧枪利用二维的数值模拟, 对几种氧枪进行研究.
本文模拟了当主氧管喷吹压力为018MPa, 总的流量相同的情况下, 超音速氧枪、采用常温氧气作为保护气的纯氧集束氧枪及采用高温燃烧气体作为保护气的燃气集束氧枪的射流速度衰减情况. 模拟计算结果表明:首先集束氧枪的射流比超音速氧枪射流长, 射流衰减慢, 射流也更加集中; 而燃气集束氧枪比纯氧集束氧枪, 在总流量相同的情况下, 能够得到更长的高速射流.
图9为三种氧枪射流速度衰减情况, 由上到下依次为超音速氧枪、纯氧集束氧枪及燃气集束氧枪. 纯氧温度为298e , 燃烧气体温度为1500e . 模拟结果表明:三者射流衰减速度由上到下依次减弱, 燃气集束氧枪的射流最长, 其核心段长度比纯氧集束氧枪的核心段长016m, 比超音速氧枪的核心段长018m 左右.
4 结论
利用FLU ENT 软件进行不同伴随压力下射流
流场的速度衰减情况及两相流的模拟, 通过模拟结果可以分析出氧枪喷头的不同角度对于钢液的流动及炉壁的冲刷情况的影响, 也可以准确读出距喷头不同距离处的冲击面积.
集束射流技术作为一种已经在电炉炼钢工艺中成功应用的技术, 在转炉中也得到了初步应用, 试验效果良好. 与超音速氧枪相比, 脱磷能力大大提高, 氧气的消耗量与钢铁消耗量也有所下降, 证明转炉用集束氧枪的优势, 势必成为今后转炉氧枪发展的一个重要方向.
参 考 文 献
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图9 三种氧枪射流速度衰减图. (a) 超音速氧枪; (b) 纯氧集束氧枪; (c) 燃气集束氧枪
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