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1、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 455004 3) 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 FLUENT 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
2、; 数值模拟 Oxygen jet technology in BOF LI Cun -lao1, 2), ZH U Rong1, 3), WANG Hui -xia1, 3), HAN Li -hui1), SHI Li-guang1, 2) 1) School of Metallurgical and Ecological Engineering, University of Science and T echnology Beijing, Beijing 100083, China 2) Anyang Iron and Steel Co. Ltd. , Anyang 455004, Ch
3、ina 3) Key Laboratory of Ecological and Recycle Metallurgy of Education Ministry, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China ABSTRACT In order to study the oxygen jet in BOF steelmaking, the software FLUENT was used to simulate the characteristic of coherent jet oxygen lance
4、 and common oxygen lance. The advantage of coherent jet oxygen lance was proved by comparing the char - acteristic of the two lances. In a 35t converter, coherent jet oxygen lance carried out a preliminary industrial test. The resultsdemon- strated that the coherent jet oxygen lance solved the behav
5、ior of high phosphorus successfully, and the consumptions of steel stuff and oxygen were declined. KEY WORDS BOF steelmaking; coherent jet oxygen lance; numerical simulation 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 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
6、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 孔超音速射流
7、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 9 -10.
8、 并 且于 2008 年 6 月在河南省安阳钢铁集团公司第二 第 31卷 增刊 1 2009 年 12 月 北京科技大学学报 Journal of University of Science and Technology Beijing Vol. 31 Suppl. 1 Dec. 2009 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 FLUENT 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. 1
9、转炉炼钢超音速氧气射流的模拟 图2 喷头夹角为( a) 10 b, ( b) 11 b, ( c) 12 b, ( d) 13b时炉衬附近钢液流动 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 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
10、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 10 b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 12 b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
11、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 #33# Vol. 31 Suppl. 1李存牢等: 转炉炼钢氧气射流技术 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
12、流的冲击面积 图 4 化渣枪位下转炉钢液液面状态 图 5 超音速氧枪( a) 和集束氧枪( b) 的数值模拟网格划分 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 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
13、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 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,
14、 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、 #34# 北 京 科 技 大 学 学 报2009年 增刊 1 018、 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/ MPa 超音速氧 枪的射流 长度/ m 集束氧枪 射流长度/ m 超音速氧枪 冲击面积/ m2 集束氧枪 冲击面积/ m2 017012501450111901134 018013501550112401142 01
15、9014001650112901146 110015501800113401152 图 6 是利用 FLUENT 软件模拟了在 018 MPa 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 6 超音速氧气射流与集束氧气射流的速度场 图 7 是根据图 6 的模拟结果, 在 018 MPa 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 下冲击面积的对比图, 由图可以看
16、出相同压力下集 束氧枪的冲击面积明显大于超音速氧枪. 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 35 t 转炉进 行了初步工业试验, 其 35 t 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 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
