挡水板结构对转炉氧枪喷头冷却效果的研究

朱 琳 刘启昌 刘广强 李俊男 王振西

(1.辽宁科技大学土木工程学院，2.辽宁科技大学材料与冶金学院 )

在转炉吹炼的过程中，多孔氧枪喷头的使用寿命和吹炼炉次直接决定了炼钢效率，明确氧枪喷头的表面温度以及氧枪喷头内的水冷特性对于改进氧枪的水冷效果、提高氧枪喷头的使用寿命至关重要[1-2]。然而氧枪吹炼过程中喷头与熔池内的渣—金—气直接接触，恶劣的高温环境及高昂的实验成本，使得工作人员很难通过实验测得所需的温度、水流速度和换热量等关键信息[3]。随着计算机技术和传热流动计算软件的发展，数值模拟成为研究氧枪喷头水冷系统的主要方式。

氧枪喷头的水流道内挡水板为氧枪喷头重要部件，挡水板长度及倾斜角度是改善冷却水导流效果、提高冷却水冷却能力的关键参数。孙玉霞等人[4]基于50 t转炉氧枪喷头的水道，分析了冷却水的流动及传热，提出了一种改进冷却系统结构，即在喷孔中间水流对冲位置加挡水板，以减弱冷却水的对冲，增大冷却水流速。郑杰[5]将挡水板角度调整为与喷头端面平行的布置方式，优化后的氧枪喷头减少了喷头中心位置流动的“死区”，冷却水流速增大，进回水温差由10.5 ℃增加到14.4 ℃，有效地提高了氧枪喷头的使用寿命。李宝宽等人[6]通过数值模拟研究了传统120 t转炉用四孔氧枪喷头的内部冷却水流场。针对氧枪喷头冷却问题，在喷头冷却水进水口加若干条导流筋，使得冷却水获得了具有旋转的流场，改进后的喷头断面整体温度下降10 ℃。

目前对大型转炉用氧枪喷头的挡水板结构的研究相对较少，因此，分析挡水板的长度对冷却水的速度场及喷头冷却效果的影响对于优化大型转炉用氧枪喷头，提高喷头的使用寿命具有重要意义。

1 模型建立

文章数学模型所涉及的方程包括连续性方程、动量方程和能量方程：

(1)

(2)

(3)

湍流模拟采用标准k-ε方程。对于湍流动能k和湍流耗散率ε，建立两个附加输运方程。

(4)

(5)

(6)

方程(1)～(6)中,ui和uj是i和j方向上的速度分量;P为压力;μ为分子粘度,Pa·s;μeff为有效黏度,Pa·s;T为温度,K;λ为导热系数,W/(m·K);Gk是由平均速度梯度产生的湍流动能;Gb是由于浮力产生的湍流动能;YM是可压缩湍流中的脉动膨胀对总耗散率的影响;C1ε,C2ε,C3ε,Sk,Sε,Cμ,αk和αε分别为1.44、1.92、0.8、1.0、1.3、0.9、1.0和1.3[7]。

以某钢厂260 t转炉用6孔氧枪喷头为对象，依据挡水板的长度设计三种方案，如图1所示：方案I挡水板半包围喷头的喷孔；方案II挡水板包围喷头喷孔；方案III挡水板包围喷头喷孔且外延30 mm。三个模型均采用SolidWorks建立并采用ICEM进行网格划分，模拟计算过程采用FLUENT16.0。

图1 三种不同挡水板方案的结构

边界条件设定为第三类边界条件，设转炉内的环境温度为T1，辐射源温度为T2，氧枪喷头进水温度为T3，辐射率为ε，氧枪喷头进口流速为v，具体参数如表1所示。

表1 边界条件参数

2 结果分析与讨论

2.1 喷头端面温度

喷头端面的温度分布特征是水冷效果的最直接体现，三种方案喷头端面温度分布如图2所示。方案I的高温区面积最大(规定温度大于650 K的区域为高温区)，方案III的高温区面积明显小于方案I和方案II中高温区面积。由此可见，挡水板的结构对于氧枪喷头的冷却至关重要，合理的氧枪喷头挡水板长度能够有效改善氧枪喷头的冷却效果。

图2 三种不同挡水板方案的喷头端面温度分布

三种不同挡水板方案下，氧枪喷头端面最高温度及氧枪喷头端面高温区面积大小，如表2所示。在三种方案中，随着挡水板长度的增加，氧枪喷头端面最高温度降低。方案III的氧枪喷头的最高温度较方案I的氧枪喷头端面温度降低了22.20%。方案III的氧枪喷头的最高温度较方案II的氧枪喷头端面温度降低了15.12%。说明挡水板末端位置长于喷孔位置30 mm能有效降低喷头端面的最高温度。

表2 不同挡水板方案下的高温区面积与端面最高温度

在三种方案中，随着挡水板长度的增加，喷头高温区面积降低。方案III的高温区面积明显低于方案I和方案II。方案III喷头端面高温区面积较方案II降低了80.39%，方案II高温区面积略低于方案I。由此可见，挡水板长度的改变对氧枪喷头端面高温区面积影响较大，合理的设计挡水板长度能够有效减小喷头高温区面积，从而提高冷却效果。

为进一步探究氧枪喷头端面温度分布，在氧枪喷头两喷孔中间位置取了9个测温点，具体位置如图3所示。三种方案下氧枪喷头测温点1～9处的温度汇总，见表3。随着挡水板长度的增大，测温点温度逐渐降低，且方案I在各个测温点的温度远高于方案II和方案III。

表3 氧枪喷头端面不同测温点温度汇总

图3 氧枪喷头端面测温点位置

方案III在测温点1～4处的温度较方案I和方案II均有不同程度的降低。三种方案在测温点5处温度相差较小，究其原因，方案I与方案II挡水板在喷孔附近，冷却水流过挡水板末端到达喷头端面处应为最大流速，测温点5位置在挡水板末端下方附近，因此测温点5处三种方案温度相差较小，该点处最高温度较最低温度仅高出1.30%。

从测温点6处起，三种方案的温差逐渐增大，到测温点9处三种方案温差最大，方案III较方案I温度降低了24.08%；较方案II降低了13.93%。其原因为方案I、方案II挡水板末端较短，冷却水在喷头中心“鼻子”处流速较低，冷却不充分导致该测温点处温度过高，而方案III挡水板末段长于喷孔位置，更接近喷头中心，使冷却水在喷头“鼻子”附近流速较高，更有利于喷头的冷却。基于对以上9个测温点的对比，说明方案III更能够合理的组织冷却水流动，加快热量交换，从而提高氧枪喷头的冷却效果。

2.2 喷头内部流场

端面附近的冷却水流速大小直接影响着喷头端面的冷却效果，因此有必要进一步研究冷却水流动速度场。三种方案下喷头喷孔截面和两喷孔中间截面速度分布如图4所示。三种方案中，当冷却水掠过挡水板末端流向喷头内端面时速度逐渐变大，说明挡水板的设置能够加速冷却水流动，起到了很好的导流作用。方案I中冷却水流动低速区面积最大，整体流速偏低(规定流速小于3 m/s的区域为低速区)，涡流耗散损失严重；方案II中冷却水流速较方案I有所提高，但方案II中在喷头“鼻子”处冷却水流动速度较小，因此“鼻子”处高温区的冷却效果不佳；方案III中，当冷却水流过喷头“鼻子”处时，其流速较大，并且两喷孔中间截面喷头内端面附近冷却水流速大于15 m/s，流速更大，因此方案III的挡水板设置起到了较好的冷却作用。

图4 不同挡水板长度氧枪喷头两喷孔中间截面速度分布

2.3 水冷系统的换热量计算

为了进一步探究冷却水流动速度对喷头冷却效果的影响，取分水锥上方5 mm处横截面，研究冷却水流动速度分布，如图5所示。三种方案的喷头中心“鼻子”处上方的冷却水流速小于3 m/s，流速较低；在冷却水掠过喷孔的孔后位置，冷却水流速较低。冷却水流速较高的位置集中在喷头侧面附近，即出水管位置。对比三种方案的速度分布可以发现，方案I的冷却水整体流速偏低，方案III的整体流速较高。方案III中两喷孔中间位置即喷孔与“鼻子”中间位置存在冷却水低速流动区，因为挡水板末端长度超过氧枪喷孔位置的布置方式有利于在挡水板与喷头端面的流道内形成高速流动区(图4)，从而加快了喷头端面处的换热能力，尤其是“鼻子”处的热量交换。

图5 不同挡水板长度的氧枪喷头分水锥上方5 mm处速度分布

氧枪喷头的换热量为该喷头冷却效果评价的重要指标，换热量与出水温度有关，因此，文章分析了三种方案下的氧枪喷头平均出水温度和换热量。根据进回水温差计算出喷头冷却系统的换热量，计算方法为[8]：

M=ρ×υ×A

(7)

式中：M为氧枪喷头进口质量流量，kg/h；ρ为冷却水密度，取ρ=998.2 kg/m3；v为氧枪喷头进口流速，取v=3 m/s；A为氧枪喷头进水环面截面积，取A=0.036 9 m2。M=6 630 kg/h。

Q=c×M×Δt

(8)

式中：Q为氧枪喷头换热量，kW；c为水的比热容，取c=4.2×103J/(kg·℃)；Δt为冷却水进回水温差。

三种方案下的氧枪喷头平均出水温度与换热量如表4所示。随着挡水板长度的增加，喷头平均出水温度逐渐增加，方案III的平均出水温度明显高于方案I和方案II。方案III的换热量较方案I提高了25 040 kW，较方案II提高了7 060 kW。值得注意的是，在实际生产过程中，喷头内冷却水的进回水温差也不应过大，当进回水温差过大时，喷头局部位置冷却水易产生沸腾现象，影响喷头冷却。

表4 不同挡水板长度的氧枪喷头平均出水温度与换热量

3 结论

(1)挡水板包围喷孔且末端长度长于喷孔30 mm能够有效降低喷头端面的最高温度，减小端面高温区面积。

(2)研究中方案III布置方式有利于在挡水板与喷头端面的流道内形成高速流动区，从而加强喷头端面的换热能力，尤其是“鼻子”处的热量交换。

(3)方案III设计挡水板的换热量较方案I提高25 040 kW，较方案II提高了7 060 kW。