单孔氧枪喷头射流流场的仿真研究

氧枪喷头是转炉供氧的主要设备,由铜-钢焊接而成,一般寿命200～250炉次。铜-钢焊缝不合格是其中的一个主要质量问题,铜与钢焊接时易产生气孔、裂纹等常见缺陷,成品率较低。针对这一问题,笔者从焊接方法入手,适当处理坡口,控制加热、保温温度和时间,采取tig与mig相结合的焊接工艺进行试验,取得了成功,并在生产中取得了较好的经济效益。

炼钢转炉氧枪喷头喷氧孔布置在圆锥面上,且孔型特殊,加工表面质量要求高,造成加工难度较大。为解决这一加工难题,应利用车床便于加工复杂孔型且加工精度高的特点,采用设计车削专用夹具对工件加工的方法。这一专用夹具,通过对夹具体的合理结构设计,实现待加工孔中心线与车床主轴中心线对齐,较好地解决了工件准确定位问题,利用胀套结构实现对工件的夹紧,解决了工件夹紧变形问题,实现了对呈圆锥面布置的多个喷氧孔的成功加工。

应用现代数控技术,以x52k普通立式升降台铣床的床身、工作台及横向进给滑板等为基件,根据氧枪喷头的加工特性,研究开发了锻压组合式氧枪喷头加工的专用数控设备。实践表明,设计开发的氧枪喷头加工专用机床能较全面地加工出各种系列的氧枪喷头产品,且加工效率和产品质量都得到明显提高。

利用商业软件fluent对传统氧枪喷头铜体及其冷却水内部流场进行了流固耦合数值模拟,发现传统氧枪喷头内冷却水流道中存在着流动"死区",影响了喷头的冷却效果.为了防止喷头变形或烧坏,提出在传统的氧枪喷头结构基础上另加若干条流线型导流筋的改进方案,并对新结构氧枪喷头的冷却效果进行模拟分析,获得了具有旋转流动的冷却水流场分布,同时增加了冷却水的湍流强度,因此强化了喷头的冷却效果.同传统氧枪喷头的冷却效果进行比较,发现改进后喷头端面整体温度平均下降达10℃,从而可大幅提高氧枪喷头的使用寿命.

通过分析氧枪喷头的设计结构、使用环境和失效形式,探讨银基钎料的组织和性能,使用eds方法对氧枪喷头钎缝进行研究,认为多元银基钎料中锌、镉总量应小于40%,否则焊缝易形成较多脆性相,将影响性能。此外,提出批量生产氧枪喷头应采用炉内钎焊技术。结果表明,钎缝组织致密、综合性能良好,相比其它方法,具有质量稳定、合格率高、成本低廉等优势。

利用fluent软件在稳态、湍流、两相流的条件下对后混合磨料水射流喷头内部流场进行了数值模拟,并对喷头主要几何参数进行了分析。研究表明,聚焦管入口收缩角α越小,越有利于流动,避免了磨料在聚焦管入口处聚集而产生堵塞。聚焦管出口直径越小,磨料出口速度越大,但聚焦管出口直径越小,混合腔内部形成的负压越小,不利于磨料的吸入。聚焦管出口直径应以水喷嘴直径3倍左右为宜。

基于全射流喷头射流元件的工作原理和内部流动状况,分析射流元件附壁频率的影响因素.利用元件两侧压差大小,建立附壁频率计算式,通过射流元件壁面脉动压力测量获得的附壁频率试验数据,频率计算值与试验值符合较好.计算与试验结果表明,附壁频率随元件腔室容积增大,信号水导管长度的变长而减小,随喷头工作压力增大,信号水流量的增大而增大,对于pxh30全射流喷头射流元件,获得信号水流量与附壁频率的线性关系式.在无因次数计算与分析中,喷嘴雷诺数对斯特劳哈数影响较小,斯特劳哈数随欧拉数的增大而减小.附壁频率的研究能指导射流元件的设计和全射流喷头工作状态的调节.

针对实际生产中出现的操作氧压过高,喷溅过大等问题,对南钢原150t转炉氧枪喷头进行重新设计,利用流体力学fluent软件对原喷头和重新设计后的喷头的射流进行了建模和数值模拟。结果表明:重新设计后的喷头在延长使用寿命,改善喷溅,缩短冶炼时间等各种指标上优势明显。

利用fluent6.1模拟软件对4种不同内部流道型线的喷口的流速分布、喷口轴线流速、喷口出口断面流速、喷口出口断面的总压及静压进行了数值模拟,对喷口内部流道型线对射流流场的影响进行了研究。

阐述了安钢120t转炉氧枪喷头重要参数的设计和选取,并通过冷态测试和实际运用对氧枪喷头的使用效果进行了分析和讨论。

120t转炉氧枪喷头设计与应用

采用非标准螺旋形的加旋元件,形成加旋喷头,使喷出的射流在旋转过程中向外扩散,达到内壁清洗和钻孔的目的。加旋喷头分为圆管进液段、流槽加旋段以及锥形收缩段。文中对其流槽加旋段及锥形收缩段内流体的速度函数关系进行了探讨,得出了相应的函数关系表达式。结果表明:液体在流槽加旋段内的运动,可视为一元轴对称螺旋流动,在锥形收缩段内流体的运动可视为二元轴对称螺旋流动。

全射流喷头旋转过程中通过静片和动片改变进口截面调节流量压力,使其达到变量喷洒的效果。应用fluent软件,采用标准湍流模型对喷头进行三维数值模拟,分析了进口边界条件,计算不同旋转角度下喷头内部流场变化,得到动静片下游压力随旋转角度的增大而增大,动静片间轴向间隙对压力变化影响较小,通过出口流速计算射程值与试验进行对比,得到试验值与模拟值基本一致。

主要讨论微喷头射流元件设计和射流元件上进水喇叭口的加工。进水喇叭口有两个特点,其一喇叭口母线为等加速曲线;其二喇叭口为细长孔。喇叭口加工中须制作与喇叭口形状相同的紫铜电极,要建立射流元件喇叭口的数学模型。

为研究多孔喷头孔间距对射流特性的影响,采用fluent软件中的标准k-ε湍流模型并结合压力隐式分裂算子(piso)算法对喷头的双孔射流在不同孔间距及不同压强下的速度分布展开研究,并对结果进行了对比分析.研究表明:卷吸现象的存在对射流的发展起到很大的作用,影响卷吸效应的两个关键因素是射流出口速度和喷孔之间的距离.

提出臂式喷头和全射流喷头的计算公式,通过实验对比它们的参数。结果表明,全射流喷头步进角度和步进频率主要由导管长度决定,导管越长则步进角度越大,步进频率越小。对于臂式喷头,它的步进角度和步进频率的可改变幅度不大,因此全射流喷头具有一定优越性。提出了全射流喷头步进角度与管长之间的关系式,左右压差与导管长度和工作压力的经验公式。

采用理论推导结合实验的方法,首先借鉴发电机原理,建立自旋转喷头稳态运行时电势、转矩和功率三个平衡方程,并以此设计了自旋转喷头电磁限速装置,将其用在煤层钻孔方面,确保了旋转射流在不同输入功率下,具有良好的打击成型性能,然后建立了影响旋转喷头转速的各主要因素之间的关系式,并讨论转速与射流功率之间的关系,最后做出实物样品,经现场试用后达到预期效果。

采用冷态模拟实验,比较酒钢50t转炉使用普通氧枪喷头与旋流氧枪喷头的溅渣护炉效果,结果是在气体流量为47.6nm3/h(相当于现场流量13000nm3/h),渣量为12%,枪位为247mm(相当于现场枪位1900mm),使用旋流喷头溅到炉衬表面的溅渣密度约是普通喷头的2倍;考虑到在实际的溅渣过程是非等温过程,对冷态实验得出的最佳溅渣枪位应该予以修正,修正系数为0.85～0.95,本实验取0.9。

多孔氧枪喷头轴线上速度分布特征的研究

分析了２５ｔ转炉使用４孔氧枪喷头的设计参数，论证了喷头用于生产的冶金效果和技术经济指标变化情况。

分析了鞍钢股份有限公司鲅鱼圈钢铁分公司转炉氧枪喷头寿命低的原因,通过采用新型锥体氧枪,优化喷头参数,建立特殊钢种氧枪吹炼模型,规范工艺操作,使氧枪喷头寿命提高了200炉,氧耗降低了3.2m3/(t·min),脱磷率提高了1.7%,白灰消耗降低了5kg/t。

锻压组合式氧枪喷头是转炉用氧的先进技术装备。梅钢炼钢厂为改善氧枪使用效果，采用了新型锻压组合式六孔氧枪喷头，与原用的铸造喷头相比，化渣好，喷溅小，喷头抗变形能力和使用寿命大幅度提高，现枪龄平均达到410炉，是原来的2倍多。论述了锻压式氧枪喷头的结构特征并介绍了该喷头在梅钢的使用情况。