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RH真空精炼用顶枪枪头扩张角的浅析

宋凯

(湘潭钢铁集团有限公司，湘潭 411101)

摘 要：RH真空室是RH真空精炼冶金反应的熔池，RH真空精炼脱碳反应的反应速度与RH真空精炼用顶枪枪头参数的设定有密切关系。借助商业软件GRAFTOOL3．0对RH真空精炼用顶枪扩张角大小进行流场数值模拟，分析了不同扩张角角度下的射流状态，对RH吹氧脱碳提供了重要科学依据，验证了最佳扩张角角度。

关 键 词：RH真空精炼；顶枪；扩张角；射流

1 引言

在化工、冶金等领域内广泛应用高速气体射流喷射到液体或熔融金属中，以满足生产上的种种要求。RH真空精炼是高速射流技术的典型应用，是钢水炉外精炼的重要手段之一，在高质量钢的生产中发挥着越来越重要的作用。顶枪是RH真空精炼炉吹氧的专用设备，是RH精炼关键设备之一。顶枪吹氧对RH精炼脱碳影响很大，能显著加速初期脱碳，顶枪枪头拉瓦尔孔扩张段角度大小的选取直接影响脱碳速度和氧气利用率。而拉瓦尔孔扩张段角度大小的选取一直是争论的课题，现将顶枪枪头的射流场进行数值模拟，分析拉瓦尔扩张段不同角度下的射流场分布，并验证顶枪枪头扩张角角度的适应性。

2 射流分析模拟

2．1 超音速湍流自由特性表达式

超音速气体射流实质上是湍流流动。然而，目前有关湍流的理论尚不统一，故多采用时速流速表示，用经验的方法来处理，这样既方便又简单。

射流轴线上：

U_m／U_e=K₁·d_e／X

射流横截面积上：

U_m／U_e=exp[﹣λ₁(y／x)²]

式中：U——射流速度；

K——绝热指数，K=Cp／Cv；

d——喷孔直径；

X——沿射流轴线距离喷孔出口的距离；

λ——射流横断面上速度分布系数；

y——射流横断面上半径。

2．2 数学模型

(1)拉瓦尔孔模型如图1所示，L₁为扩张段的长度，扩张角a的大小反映了扩张程度，扩张角a分别选取13°，16°，19°。

(2)考虑到超音速射流所具有的自模拟特性，在实验中，把RH真空精炼用顶枪枪头制作成二分之一模型喷头，研究它的冷态射流特性，可以代替实物进行测试，测试条件见表1。

2．3 试验简介

图2为射流试验示意图。检测室的测量系统由气源机械系统、微机数据采集系统、多点压差测量系统和流量测量系统四部分组成。整个系统可精确的测量氧流总压和静压，不同角度的射流流动状态，微机将所有信号进行采集处理。

3 模拟结果及分析

3．1 拉瓦尔孔扩张角的大小对流体射流在横截面上轴向速度分布的影响

扩张角对流体射流在横截面上轴向速度分布的影响如图3、4、5所示。

3．2 拉瓦尔孔扩张角的大小对流体射流在等速剖面图的影响

扩张角对流体射流在等速剖面图的影响如图6、7、8所示。

从模拟的结果看出：扩张角a=13°时流速为140m／s；扩张角a=16°时流速为170m／s；扩张角a=19°时流速为150m／s；扩张角a=16°流体射流的冲击面积最大。

4 结论

扩张角a的大小对流体射流起到重要作用，流体射流状态还与扩张段长度L有一定关系，因RH真空精炼用顶枪结构所限制，扩张段太长，加工困难，扩张段太短，燃气孔无法布置。因此扩张角a取16°最为合适。

参 考 文 献：

[1]   苏铭德，素逸．计算流体力学基础[M]．北京：清华大学出版社，1997．

[2]   赵沛．炉外精炼及铁水预处理实用技术手册．北京：冶金工业出版社，2004．

[3]   王保国，刘淑艳，黄伟光．气体动力学．北京：北京理工大学出版社，2005．