冷却水导流板厚度对转炉氧枪喷头冷却水流动特性的影响※

李东轩，邓家庆，张新子，宁会峰

（1.天水岷山机械有限责任公司，甘肃 天水 741000；2.兰州理工大学机电工程学院，甘肃 兰州 730050）

1 引言

锻压组合式氧枪喷头是冶金转炉炼钢用氧枪的关键设备，其性能和寿命直接影响着转炉炼钢的生产效率和生产成本[1]。氧气顶吹转炉炼钢对氧枪喷头的要求可归结为以下几点:

（1）提供冶炼所需要的供氧强度。

（2）在足够高的枪位下，氧射流对铁水熔池的冲击能量大，能满足达到良好冶炼效果所要求的冲击深度，使得对熔池的搅拌均匀。

（3）在足够高的枪位下，氧射流对熔池的冲击作用区域大，使铁水化学反应均匀。

（4）不致引起大的喷溅，使金属收得率高。

（5）氧枪喷头寿命长。

冷却水导流板作为氧枪结构中隔离进水和出水的关键设备，其几何结构对于冷却水流在氧枪流道内的分布及流速具有较大的影响。东北大学李宝宽等人通过对传统氧枪喷头冷却水流挡板结构上增加若干导流筋来改变冷却水的流道状态，结果使改进后氧枪端面整体温度平均下降约10℃，大幅提升氧枪喷头寿命[2]；中钢集团鞍山热能研究院有限公司李山宏等人通过分析406 型氧枪喷头的三种水冷挡板结构，选择出了符合406型氧枪喷头的最佳水冷挡板结构[3]。

通过对国内外转炉冶金炼钢领域的调研发现，目前对于氧枪喷头冷却水挡板结构的研究大多数都以改变几何结构为主，而对于冷却水挡板厚度对氧枪喷头冷却水流动特性的影响相关研究较少[4,5]。本研究以天水岷山机械有限责任公司最新研发的YP356H（5+1 孔）型氧枪喷头为研究对象，采用数值模拟方法研究在不同厚度的冷却水导流板作用下的冷却水在氧枪流道内的流动特性，从而确定适合该型号氧枪的最佳冷却水流挡板厚度及冷却水导流板在氧枪中的位置。

2 数学模型及计算方法

2.1 氧枪喷头结构

YP356H（5+1 孔）型氧枪喷头结构主要由底部、上喉一体、冷却水导流板、氧管、中管、外管六大部件组成，如图1 所示。

图1 YP356H（5+1 孔）氧枪喷头及零部件示意图

其中，底部与上喉一体的材料为无氧铜（Cu>99.97%）,中管与外管的材料多为20# 钢，氧管的材料有20# 钢或304 不锈钢。本工作采用SOLIDWORKS 建立氧枪喷头模型，然后利用Flow Simulation 进行冷却水在氧枪流道内的模拟仿真。由于氧枪喷头与冷却水流道的结构比较复杂，因此假设冷却水在流道内的流动为理想流动，忽略流体在流动中的粘性损失。

2.2 数学模型

综合考虑本型号氧枪冷却水流道内水流的流动特性，采用工程中常用的高雷诺数紊流的K-ε 模型进行数值模拟，其控制方程包括时均连续性方程、时均动量方程、紊动能及其耗散率方程[6]。为了研究的方便，同时又能反映问题的本质，对氧枪冷却水流挡板上端处所在的对称面进行模拟计算，在二维圆柱坐标系下控制方程的统一形式可写为

式中：φ 为通用变量，当φ=1，vz，vr，K，ε 时，控制方程分别代表时均连续性方程、z 方向和r方向的时均动量方程、紊动能及其耗散率方程；Гφ为广义扩散系数；Sφ为广义源项。Гφ和Sφ的具体形式列于表1。

表1 控制方程中的广义扩散系数和广义源项[7]

表1 中：ρ 为流体密度；v 为流体的粘度系数；p 为压力；μ 为紊流粘度系数；μ=cμK2/ε；veff为有效粘度系数，veff=ν+μ；G 为紊动能的产生项

cμ，c1，c2，σK和σz均为K-ε 模型中的系数，其值列于表2。

表2 紊流K-ε 模型中的系数[7]

2.3 基本假设

（1） 假定冷却水的流动过程为理想流体，即满足伯努利方程。

（2） 氧枪喷头外壁面边界条件设定不变，压力设定条件以模型中管与外管的上表面所在的平面为边界，依据伯努利方程及流体在枪内的平均流速，进口设定为进口边界条件，设置为0.3 MPa，出口设定为压力出口边界条件[8]。各零件配合时根据实际工件情况，选择所建模的主要平面之间的距离来控制。

2.4 模型求解

将建好模的氧枪喷头各零部件依据实际工况进行组装。因本次模拟实际是以探究冷却水导流板为主，故实际组装时忽略部分配合结构，以实际产品的结构进行组装，从而模拟出更贴近实际工况的实验数据。

模型求解利用Flow Simulation，通过设置边界条件及流体的流动状态参数，计算中采用非均匀剖分网格，通过不同的迭代次数对模型进行网格划分，计算出氧枪喷头几何机构在相同工况参数条件下，枪内流体场的排布情况，同时得到等速度梯度线，进而得到喷头各位置速度参数，从侧面反映出换热速率的大小。

2.5 参数设定

本研究中所用氧枪喷头为某钢铁公司210 t转炉使用。氧枪设计特性参数：平均出钢量：230-235 t；喷孔数：5+1 孔；中心倾角：15°；马赫数：中心2.04，圆周2.06；喉口直径ϕ36.5，出口直径ϕ48.2；圆周喉口直径ϕ44.1，出口直径ϕ58.8；氧流量：50 000 Nm3/h；氧气工作压力：0.92 MPa

3 结果与分析

本次工作中，以冷却水流挡板上孔结构处轴心线厚度δ 为变量，冷却水流挡板底端距喷头底端所在的平面的距离h 为配合尺寸，为不变量，如图2 所示。

图2 氧枪冷却水流挡板局部装配结构示意图

图3 所示为氧枪冷却水流挡板局部结构参数图，保证冷却水导流板相应参数不变，在原厚度δ=17 mm 的基础上，额外增加了δ=5 mm、δ=8 mm、δ=11 mm、δ=14 mm 的等梯度厚度冷却水流挡板。借助Flow Simulation 进行冷却水在氧枪流道内的模拟仿真，计算了五种厚度的冷却水导流板下氧枪内部冷却水流的流道及流速的影响规律。

图3 原氧枪冷却水流挡板局部结构参数图

3.1 冷却水流动特性

当冷却水流挡板的厚度为5 mm 时，氧枪流道内的“静水区”较多，水流在该区域不能很好地流动，流道内水流最大流速仅为8 m/s，且所占区域极小，直接导致氧枪冷却效果不佳，如图4 所示；当冷却水流挡板厚度增加到8 mm 时，氧枪水流道内的“静水区”较厚度为5 mm 时有所减少，最大流速介于10-12 m/s 之间，但所占区域仍比较小，如图5 所示；当冷却水流挡板厚度增加到11 mm 时，氧枪水流道内的“静水区”明显减少，从俯视图来看，流道内水流速率明显上升，最大速率达到12 m/s，且高流速区域明显增多，如图6所示；当冷却水导流板厚度进一步增加到14 mm时，氧枪流道内“静水区”较厚度为11 mm 时略有增加，最大速度差别不大，如图7 所示；当冷却水流挡板厚度为17 mm 时，由俯视图可以看出，最大速率仅为10 m/s，且所占区域面积较小，如图8所示。

图4 冷却水流挡板厚度为5 mm 时流道及流速仿真图

图5 冷却水流挡板厚度为8 mm 时流道及流速仿真图

图6 冷却水流挡板厚度为11 mm 时流道及流速仿真图

图7 冷却水流挡板厚度为14 mm 时流道及流速仿真图

综合考虑冷却水流挡板在厚度δ 为5、8、11、14、17mm 时，发现冷却水流挡板结构对于转炉氧枪喷头内冷却水流道有着重要的影响。在相同条件下，冷却水流道中的流动“静水区”数量以及换热效果随着冷却水流挡板的厚度呈现一种类似正态分布的规律。在设置的5 个梯度厚度冷却水流挡板中，11 mm 厚度的冷却水流挡板局部最大水流速率较原来工艺中的局部最大水流速度提升近20%，从而可大幅提高氧枪喷头的使用寿命[9]。其主要原因是，冷却水流挡板厚度变化时，其对于冷却水的流道产生了不同的阻碍作用，导致水流的局部湍动程度改变，从而引起水流的剧烈变化。

3.2 冷却水内流场速度对比

为进一步探索出冷却水流挡板厚度δ 对于冷却水流速的影响规律，如图9 所示，在不同冷却水流挡板时的氧枪相同位置取a、b、c、d、e、f、g七个节点处水流速率，得到如图10 所示的不同厚度下冷却水流速率在氧枪内不同节点处的速率变化曲线，1、2、3、4 代表的折线分别表示冷却水流挡板厚度δ=5、8、14、17 mm 时的状况，虚线表示δ=11 mm 时的状况。

图10 冷却水在不同厚度冷却水流挡板不同位置处的流速变化曲线

如图10 所示，在不同厚度的冷却水流挡板条件下，氧枪流道内所取的七个节点位置处的速率有较大差异。同时，依据氧枪设计经验分析，氧枪流道内的水流速率应大于6 m/s。在此条件下，在现有的5 个厚度冷却水流挡板中，δ=11 mm时，表现出最佳的水冷状态，最大速率相较δ=17mm 时提升近20%。

4 结论

（1）通过对喷头铜体、无缝钢管及内部流场的模拟，得到喷头内冷却水流动特性及速率分布曲线，发现冷却水流道中存在一定量的流动“静水区”，这严重影响了喷头的冷却效果。

（2）冷却水流挡板的厚度对于水流在氧枪喷头内部的流动有较大的影响。

（3）在所试验的厚度为5、8、11、14、17 mm 的五个冷却水流挡板中，11 mm 厚度的冷却水流挡板相较原来17 mm 的冷却水流挡板，能有效地增大流体的速度（局部速率提升20%），增强氧枪的换热效果，同时反映出该型号的氧枪最佳分水盘厚度为11～14 mm。

（4）冷却水流挡板的厚度对水流特性的影响规律不呈单一的正比或反比，而是类似于一种正态分布，这对锻压组合式氧枪喷头结构的设计和寿命提升提供了一种参考。