單孔氧槍噴頭射流流場(chǎng)的仿真研究

氧槍噴頭是轉(zhuǎn)爐供氧的主要設(shè)備,由銅-鋼焊接而成,一般壽命200～250爐次。銅-鋼焊縫不合格是其中的一個(gè)主要質(zhì)量問題,銅與鋼焊接時(shí)易產(chǎn)生氣孔、裂紋等常見缺陷,成品率較低。針對(duì)這一問題,筆者從焊接方法入手,適當(dāng)處理坡口,控制加熱、保溫溫度和時(shí)間,采取tig與mig相結(jié)合的焊接工藝進(jìn)行試驗(yàn),取得了成功,并在生產(chǎn)中取得了較好的經(jīng)濟(jì)效益。

煉鋼轉(zhuǎn)爐氧槍噴頭噴氧孔布置在圓錐面上,且孔型特殊,加工表面質(zhì)量要求高,造成加工難度較大。為解決這一加工難題,應(yīng)利用車床便于加工復(fù)雜孔型且加工精度高的特點(diǎn),采用設(shè)計(jì)車削專用夾具對(duì)工件加工的方法。這一專用夾具,通過對(duì)夾具體的合理結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),實(shí)現(xiàn)待加工孔中心線與車床主軸中心線對(duì)齊,較好地解決了工件準(zhǔn)確定位問題,利用脹套結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)對(duì)工件的夾緊,解決了工件夾緊變形問題,實(shí)現(xiàn)了對(duì)呈圓錐面布置的多個(gè)噴氧孔的成功加工。

應(yīng)用現(xiàn)代數(shù)控技術(shù),以x52k普通立式升降臺(tái)銑床的床身、工作臺(tái)及橫向進(jìn)給滑板等為基件,根據(jù)氧槍噴頭的加工特性,研究開發(fā)了鍛壓組合式氧槍噴頭加工的專用數(shù)控設(shè)備。實(shí)踐表明,設(shè)計(jì)開發(fā)的氧槍噴頭加工專用機(jī)床能較全面地加工出各種系列的氧槍噴頭產(chǎn)品,且加工效率和產(chǎn)品質(zhì)量都得到明顯提高。

利用商業(yè)軟件fluent對(duì)傳統(tǒng)氧槍噴頭銅體及其冷卻水內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行了流固耦合數(shù)值模擬,發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)氧槍噴頭內(nèi)冷卻水流道中存在著流動(dòng)"死區(qū)",影響了噴頭的冷卻效果.為了防止噴頭變形或燒壞,提出在傳統(tǒng)的氧槍噴頭結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上另加若干條流線型導(dǎo)流筋的改進(jìn)方案,并對(duì)新結(jié)構(gòu)氧槍噴頭的冷卻效果進(jìn)行模擬分析,獲得了具有旋轉(zhuǎn)流動(dòng)的冷卻水流場(chǎng)分布,同時(shí)增加了冷卻水的湍流強(qiáng)度,因此強(qiáng)化了噴頭的冷卻效果.同傳統(tǒng)氧槍噴頭的冷卻效果進(jìn)行比較,發(fā)現(xiàn)改進(jìn)后噴頭端面整體溫度平均下降達(dá)10℃,從而可大幅提高氧槍噴頭的使用壽命.

通過分析氧槍噴頭的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)、使用環(huán)境和失效形式,探討銀基釬料的組織和性能,使用eds方法對(duì)氧槍噴頭釬縫進(jìn)行研究,認(rèn)為多元銀基釬料中鋅、鎘總量應(yīng)小于40%,否則焊縫易形成較多脆性相,將影響性能。此外,提出批量生產(chǎn)氧槍噴頭應(yīng)采用爐內(nèi)釬焊技術(shù)。結(jié)果表明,釬縫組織致密、綜合性能良好,相比其它方法,具有質(zhì)量穩(wěn)定、合格率高、成本低廉等優(yōu)勢(shì)。

利用fluent軟件在穩(wěn)態(tài)、湍流、兩相流的條件下對(duì)后混合磨料水射流噴頭內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬,并對(duì)噴頭主要幾何參數(shù)進(jìn)行了分析。研究表明,聚焦管入口收縮角α越小,越有利于流動(dòng),避免了磨料在聚焦管入口處聚集而產(chǎn)生堵塞。聚焦管出口直徑越小,磨料出口速度越大,但聚焦管出口直徑越小,混合腔內(nèi)部形成的負(fù)壓越小,不利于磨料的吸入。聚焦管出口直徑應(yīng)以水噴嘴直徑3倍左右為宜。

基于全射流噴頭射流元件的工作原理和內(nèi)部流動(dòng)狀況,分析射流元件附壁頻率的影響因素.利用元件兩側(cè)壓差大小,建立附壁頻率計(jì)算式,通過射流元件壁面脈動(dòng)壓力測(cè)量獲得的附壁頻率試驗(yàn)數(shù)據(jù),頻率計(jì)算值與試驗(yàn)值符合較好.計(jì)算與試驗(yàn)結(jié)果表明,附壁頻率隨元件腔室容積增大,信號(hào)水導(dǎo)管長(zhǎng)度的變長(zhǎng)而減小,隨噴頭工作壓力增大,信號(hào)水流量的增大而增大,對(duì)于pxh30全射流噴頭射流元件,獲得信號(hào)水流量與附壁頻率的線性關(guān)系式.在無因次數(shù)計(jì)算與分析中,噴嘴雷諾數(shù)對(duì)斯特勞哈數(shù)影響較小,斯特勞哈數(shù)隨歐拉數(shù)的增大而減小.附壁頻率的研究能指導(dǎo)射流元件的設(shè)計(jì)和全射流噴頭工作狀態(tài)的調(diào)節(jié).

針對(duì)實(shí)際生產(chǎn)中出現(xiàn)的操作氧壓過高,噴濺過大等問題,對(duì)南鋼原150t轉(zhuǎn)爐氧槍噴頭進(jìn)行重新設(shè)計(jì),利用流體力學(xué)fluent軟件對(duì)原噴頭和重新設(shè)計(jì)后的噴頭的射流進(jìn)行了建模和數(shù)值模擬。結(jié)果表明:重新設(shè)計(jì)后的噴頭在延長(zhǎng)使用壽命,改善噴濺,縮短冶煉時(shí)間等各種指標(biāo)上優(yōu)勢(shì)明顯。

利用fluent6.1模擬軟件對(duì)4種不同內(nèi)部流道型線的噴口的流速分布、噴口軸線流速、噴口出口斷面流速、噴口出口斷面的總壓及靜壓進(jìn)行了數(shù)值模擬,對(duì)噴口內(nèi)部流道型線對(duì)射流流場(chǎng)的影響進(jìn)行了研究。

闡述了安鋼120t轉(zhuǎn)爐氧槍噴頭重要參數(shù)的設(shè)計(jì)和選取,并通過冷態(tài)測(cè)試和實(shí)際運(yùn)用對(duì)氧槍噴頭的使用效果進(jìn)行了分析和討論。

120t轉(zhuǎn)爐氧槍噴頭設(shè)計(jì)與應(yīng)用

采用非標(biāo)準(zhǔn)螺旋形的加旋元件,形成加旋噴頭,使噴出的射流在旋轉(zhuǎn)過程中向外擴(kuò)散,達(dá)到內(nèi)壁清洗和鉆孔的目的。加旋噴頭分為圓管進(jìn)液段、流槽加旋段以及錐形收縮段。文中對(duì)其流槽加旋段及錐形收縮段內(nèi)流體的速度函數(shù)關(guān)系進(jìn)行了探討,得出了相應(yīng)的函數(shù)關(guān)系表達(dá)式。結(jié)果表明:液體在流槽加旋段內(nèi)的運(yùn)動(dòng),可視為一元軸對(duì)稱螺旋流動(dòng),在錐形收縮段內(nèi)流體的運(yùn)動(dòng)可視為二元軸對(duì)稱螺旋流動(dòng)。

全射流噴頭旋轉(zhuǎn)過程中通過靜片和動(dòng)片改變進(jìn)口截面調(diào)節(jié)流量壓力,使其達(dá)到變量噴灑的效果。應(yīng)用fluent軟件,采用標(biāo)準(zhǔn)湍流模型對(duì)噴頭進(jìn)行三維數(shù)值模擬,分析了進(jìn)口邊界條件,計(jì)算不同旋轉(zhuǎn)角度下噴頭內(nèi)部流場(chǎng)變化,得到動(dòng)靜片下游壓力隨旋轉(zhuǎn)角度的增大而增大,動(dòng)靜片間軸向間隙對(duì)壓力變化影響較小,通過出口流速計(jì)算射程值與試驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比,得到試驗(yàn)值與模擬值基本一致。

主要討論微噴頭射流元件設(shè)計(jì)和射流元件上進(jìn)水喇叭口的加工。進(jìn)水喇叭口有兩個(gè)特點(diǎn),其一喇叭口母線為等加速曲線;其二喇叭口為細(xì)長(zhǎng)孔。喇叭口加工中須制作與喇叭口形狀相同的紫銅電極,要建立射流元件喇叭口的數(shù)學(xué)模型。

為研究多孔噴頭孔間距對(duì)射流特性的影響,采用fluent軟件中的標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型并結(jié)合壓力隱式分裂算子(piso)算法對(duì)噴頭的雙孔射流在不同孔間距及不同壓強(qiáng)下的速度分布展開研究,并對(duì)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析.研究表明:卷吸現(xiàn)象的存在對(duì)射流的發(fā)展起到很大的作用,影響卷吸效應(yīng)的兩個(gè)關(guān)鍵因素是射流出口速度和噴孔之間的距離.

提出臂式噴頭和全射流噴頭的計(jì)算公式,通過實(shí)驗(yàn)對(duì)比它們的參數(shù)。結(jié)果表明,全射流噴頭步進(jìn)角度和步進(jìn)頻率主要由導(dǎo)管長(zhǎng)度決定,導(dǎo)管越長(zhǎng)則步進(jìn)角度越大,步進(jìn)頻率越小。對(duì)于臂式噴頭,它的步進(jìn)角度和步進(jìn)頻率的可改變幅度不大,因此全射流噴頭具有一定優(yōu)越性。提出了全射流噴頭步進(jìn)角度與管長(zhǎng)之間的關(guān)系式,左右壓差與導(dǎo)管長(zhǎng)度和工作壓力的經(jīng)驗(yàn)公式。

采用理論推導(dǎo)結(jié)合實(shí)驗(yàn)的方法,首先借鑒發(fā)電機(jī)原理,建立自旋轉(zhuǎn)噴頭穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)電勢(shì)、轉(zhuǎn)矩和功率三個(gè)平衡方程,并以此設(shè)計(jì)了自旋轉(zhuǎn)噴頭電磁限速裝置,將其用在煤層鉆孔方面,確保了旋轉(zhuǎn)射流在不同輸入功率下,具有良好的打擊成型性能,然后建立了影響旋轉(zhuǎn)噴頭轉(zhuǎn)速的各主要因素之間的關(guān)系式,并討論轉(zhuǎn)速與射流功率之間的關(guān)系,最后做出實(shí)物樣品,經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)試用后達(dá)到預(yù)期效果。

采用冷態(tài)模擬實(shí)驗(yàn),比較酒鋼50t轉(zhuǎn)爐使用普通氧槍噴頭與旋流氧槍噴頭的濺渣護(hù)爐效果,結(jié)果是在氣體流量為47.6nm3/h(相當(dāng)于現(xiàn)場(chǎng)流量13000nm3/h),渣量為12%,槍位為247mm(相當(dāng)于現(xiàn)場(chǎng)槍位1900mm),使用旋流噴頭濺到爐襯表面的濺渣密度約是普通噴頭的2倍;考慮到在實(shí)際的濺渣過程是非等溫過程,對(duì)冷態(tài)實(shí)驗(yàn)得出的最佳濺渣槍位應(yīng)該予以修正,修正系數(shù)為0.85～0.95,本實(shí)驗(yàn)取0.9。

多孔氧槍噴頭軸線上速度分布特征的研究

分析了２５ｔ轉(zhuǎn)爐使用４孔氧槍噴頭的設(shè)計(jì)參數(shù)，論證了噴頭用于生產(chǎn)的冶金效果和技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)變化情況。

分析了鞍鋼股份有限公司鲅魚圈鋼鐵分公司轉(zhuǎn)爐氧槍噴頭壽命低的原因,通過采用新型錐體氧槍,優(yōu)化噴頭參數(shù),建立特殊鋼種氧槍吹煉模型,規(guī)范工藝操作,使氧槍噴頭壽命提高了200爐,氧耗降低了3.2m3/(t·min),脫磷率提高了1.7%,白灰消耗降低了5kg/t。

鍛壓組合式氧槍噴頭是轉(zhuǎn)爐用氧的先進(jìn)技術(shù)裝備。梅鋼煉鋼廠為改善氧槍使用效果，采用了新型鍛壓組合式六孔氧槍噴頭，與原用的鑄造噴頭相比，化渣好，噴濺小，噴頭抗變形能力和使用壽命大幅度提高，現(xiàn)槍齡平均達(dá)到410爐，是原來的2倍多。論述了鍛壓式氧槍噴頭的結(jié)構(gòu)特征并介紹了該噴頭在梅鋼的使用情況。