AOD 炉氧枪射流参数的优化

江 虹，朱小宁

(长春工业大学电气与电子工程学院，长春 130012)

AOD 炉氧枪射流参数的优化

江 虹，朱小宁

(长春工业大学电气与电子工程学院，长春 130012)

为提高侧顶复吹AOD(Argon Oxygen Decarburization Furnace)，即氩氧精炼法过程中的脱碳效率，提出对侧枪射流方式进行改进和参数优化，提高AOD炉寿命和降低耐火材料消耗。采用改进的N-S方程及湍流方程，对侧枪的射流参数建立模型，得到不同参数下，侧枪倾角和吹气速度对AOD精炼过程的影响。当枪个数为7、倾角为18°、射流速度为52.12 Nm3/h时是最佳工况。分析结果表明，通过对AOD炉冶炼时侧枪的射流建立并改进N-S模型，可以有效提高AOD炉炉龄。

AOD炉;N-S方程;侧吹;流体流动

0 引言

侧顶复吹AOD(Argon Oxygen Decarburization Furnace)炉精炼技术是目前世界上冶炼低碳钢最主要的技术。提高AOD炉的寿命已成为关键性课题，我国纯侧吹AOD炉寿命虽然已超过140炉，侧顶复吹炉也在150～180炉之间，但与国外较先进的技术相比还有很大差距，日本的AOD炉寿命已达到500炉以上［1］。

氩氧精炼过程中，加之侧枪的鼓吹气流使炉内流体的流制、传热、结构都非常复杂，影响AOD炉寿命的因素多种多样，为大幅度提高炉龄需要从根本问题着手研究。精炼技术中氧枪的喷射对炉内的脱碳保铬反应起决定性作用［2］，笔者通过对氧枪的喷射过程建立模型，得到在均衡利弊的关系下最优化的氧枪射流参数。

1 建立模型

1.1 标准N-S模型

AOD炉冶炼铁液时，流体符合黏性、不稳定流动、不可压缩流体和层流流动等条件。N-S方程建立的模型可反映粘性流体的基本力学规律［3］，虽然在早前是较难求解的非线性偏微分方程，但目前计算机技术高速发展已经可以解决这一难题。

N-S方程假设流体是连续的

1.2 改进模型

文献［4］中的水模型试验大体表现了侧枪喷出的气体在液体中上升的整个过程，当侧枪有一定角度喷出的气体进入液体时，在浮力、阻力、惯性的作用下，水平方向速度迅速减小向上浮动。气流上升时，流股周围液体填补，形成气液两相流，气流分裂成大量小气泡，气泡横截面逐渐变大直至溢出液面，液体的动能转化为势能。N-S方程要求假设流体内部没有空隙，所以需要对N-S方程进行改进。v-p形式的N-S方程中速度和压力的空间插值必须满足Zienkiewicz有限元法条件，否则会导致空域中节点压力场振荡。图1为AOD炉剖面结构。

图1 3D AOD炉剖面图Fig.1 Cutaway view of AOD converter in 3D

2 模型计算

2.1 建立计算域

对标准120 t的AOD炉计算，根据文献［6］的参考数据，其侧枪参数如表1所示(7个侧枪)。

表1 AOD炉冶炼的几种工况参数Tab.1 Several situations of AOD refining

2.2 边界条件

1 )入口条件采用压力入口，表压为1.2 MPa，温度为35℃;

2 )出口采用压力出口边界条件，设定表压为0.098 1 MPa，出口温度为1 602℃;

3 )壁面处采用无滑移边界条件，近壁面处采用标准壁面函数处理。

3 模拟结果及分析

计算采用VC++6.0编译程序，计算结果用Tecplot10.0可视化处理［7］。

3.1 喷枪倾角对冶炼过程的影响

较早的研究已经提出与单枪的鼓吹作用相比，多枪工况可使流场和湍动更加合理，射流对炉衬的反冲力会随侧枪个数的减少而增加，文献［8］分别对4～7个侧枪工况的模拟实验已经得出在考虑炉体成本的情况下，7枪工况为最佳。笔者不再对侧枪个数加以赘述。图2是在7个喷枪作用下，吹气速度为52.12 Nm3/h，喷枪角度分别为18°、22.5°、27°时鼓吹效果在钢液面的整体表现，鼓吹效果虽较均匀但分部状况体现吹氧效果各不相同。

结合图2、图3可以看出，喷枪倾角越小，射流延轴线方向的速度越大，越容易形成喷溅;喷枪倾角越大，射流延轴线方向速度越小，对钢液的搅拌效果达不到最佳的冶炼效果。其中图3中d为炉内直径。

图3 侧枪不同倾角的射流平面示意图Fig.3 Jets flowing on different angular separation

图2 7枪工况不同倾角射流溢出钢液表面位置Fig.2 Different angular separation with 7 tuyeres

同时倾角过大各相流体易形成对流，对AOD炉炉衬形成冲击，降低炉衬寿命。文献［9］中也提出顶枪的射流位置不可与侧枪射出流体在溢出钢液后的位置相同，否则，顶枪的射流动能会和侧枪剩下的射流动能抵消，不能发挥顶枪搅拌的最佳效果，导致钢液冶炼时间加长，冶炼终点控制复杂严重影响炉体寿命。

3.2 射流速度对冶炼过程的影响

射流速度为45.49 Nm3/h时，达不到理想的搅拌效果，冶炼时间过长影响锅炉寿命。射流速度为73.05 Nm3/h时，各相射流相互作用力增强，作用炉体反冲力并易形成喷溅，对钢液的损失较大。图4为各相射流在钢液中流动趋势，与先前估计的效果相符。

图4 3种侧枪射流速度Fig.4 Three situations of side-blowing rates

4 结 语

通过对AOD炉冶炼时侧枪的射流建模并改进N-S模型，计算分析得到：1)侧枪倾角越小、射流强度越大，气体延轴线方向速度越大，越容易形成喷溅，同时对炉衬反冲力越大，对炉衬损蚀也越严重;2)侧枪倾角越大、射流速度越小，气体延轴线方向速度越大，鼓吹对钢液的搅拌效果越不明显;3)7枪冶炼工况时结合射流对钢液的搅拌效果、喷溅效果及对炉衬的损蚀确定喷枪倾角18°，射流速度52.12 Nm3/h为最佳的喷枪参数。

具体射流作用对炉衬的反冲力也十分重要［10］，是影响炉龄的重要因素之一，将在今后着重研究。

［1］刘坤，朱苗勇.轴对称湍流射流流畅的数值模拟［J］.炼钢，2008，24(1)：47-59.LIU Kun，ZHU Miaoyong.Numerical Simulation of Axial Symmetry Turbulent Jets［J］.Steelmaking，2008，24(1)：47-59.

［2］YUAN Zhangfu，YANG Xiao.Jet Behavior and Metallurgical Performance of Innovated Double-Parameter Oxygen LanceInfo［J］.Journal of Iron and Steel Research International，2007，14(3)：3-4.

［3］WANGWenjing，YUAN Zhangfu.Three-Dimensional Compressible Flow Simulation of Top-Blown Multiple Jets in Converter［J］.ISIJ International，2010，50(4)：491-500.

［4］魏季和，朱宏利，池和冰.侧顶复吹条件下AOD转炉熔池内流体的混合特性［J］.过程工程学报，2009，9(S1)：364-368.

WEIJihe，ZHU Hongli，CHIHebing.Preliminary Investigation of Fluid Mixing Characteristics During Side of Top Combined Blowing AOD Refining Process of Stainless Steel［J］.The Chinese Journal of Process Engineering，2009，9(S1)：364-368.

［5］ANDERSSON N，TILLIANDER A，JONSSON L，et al.Investigating the Effect of Slag on Decarburization in an AOD Converter Using a Fundamental Model［J］.Steel Research International，2013，84(2)：169-177.

［6］ANDERSSON N，TILLIANDER A，JONSSON L，et al.An In-Depth Model-Based Analysis of Decarburization in the AOD Process［J］.Steel Research International，2012，83(11)：1039-1052.

［7］王新超，朱宏利.不锈钢侧顶复吹AOD精炼过程物理模拟研究［J］.上海金属，2004，20(3)：47-51.

WANG Xinchao，ZHU Hongli.The Development of Physical Simulation of the Side and Top Combined Blowing AOD Refining Process［J］.ShanghaiMetals，2004，20(3)：47-51.

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［9］VIROLAINEN S，SALMIMIESR，HASAN M，et al.Recovery of Valuable Metals from Argon Oxygen Decarburization(AOD)Dusts by Leaching，Filtration and Solvent Extraction［J］.Hydrometallurgy，2013，140：181-189.

［10］萧泽强，詹树华.金属熔池中侵入式侧射流行为［J］.过程工程学报，2006，6(1)：43-46.

XIAO Zeqiang，ZHAN Shuhua.The Physical Behavior of a Gas Jet Injected Horizontally into Liquid Metal［J］.The Chinese Journal of Process Engineering，2006，6(1)：43-46.

Parameter Optimization of Side Blowing Jets for AOD Converter

JIANG Hong，ZHU Xiaoning

(College of Electrical and Electronic Engineering，Changchun University of Technology，Changchun 130012，China)

To improve the efficiency of decarburization during the top and side combined AOD(Argon Oxygen Decarburization Furnace)process，we suggest optimizing the parameter of the side blowing jets.In thisway the AOD converter's life length will be extended and the consumptions of refractorymaterialwill be lower.We use a better N-S equation to simulate the process.After analyzing the solutions of the equations，we find out how the jets and fluid flow in different parameters，and obtain an arrangement of 7 tuyeres with an angular separation of 18°and a blowing rate of52.12 Nm3/h is a perfectmode.As a result，by optimizing the N-Smodel of the sideblowing，we can extend the AOD converter's life length.

argon oxygen decarburization furnace(AOD)converter;N-S equation;Side-blowing;fluid flow

TH 6;TF701.2

A

1671-5896(2014)03-0258-04

2013-09-27

吉林省教育厅“十二五”科学技术研究基金资助项目(吉教科合字［2013］第140号)

江虹(1970— )，女，长春人，长春工业大学副教授，主要从事智能仪器、图像处理和测试计量技术及仪器研究，(Tel)86-13514307926(E-mail)jianghong@mail.ccut.edu.cn。

刘东亮)