大型氧枪射流流场测试系统

蔡志鹏  郝国防  魏伟胜  苏辉煌  梁云

（中国科学院过程工程研究所，北京100080）

管序荣  江安

（江苏博际热能技术有限公司，江苏225267）

氧枪是炼钢过程中关键设备之一，无论是电炉、转炉、钢包炉还是真空精炼炉都离不开氧枪。炼钢过程顺利与否，能否炼出高质量、高性能、满足特殊要求的钢种，氧枪是至关重要的。尤其是近十年来我国钢铁工业发展突飞猛进，一跃而成为世界第一产钢大户。而为了提高钢质量和扩大钢的品种，许多厂都进口了RH真空精炼炉，其中的关键设备是多功能氧枪，目前对多功能氧枪的特性了解甚少，尚未见研究报导。除依赖进口之外，我国也能照猫画猫进行仿制和修复，只是知其然而不知其所以然而已。

为了进一步深入研究各种氧枪的特性和其作用的机理，根据发展的需要能够自主开发设计、制造所需要的氧枪，江苏博际热能技术有限公司与中科院过程工程研究所合作，建立了大型氧枪射流流场测试系统，此系统自动化采样程度有所提高，技术上有所改进，以便更好的深入认识和掌握多股超音速射流的流体动力学特征，进而为改进设计、制造和开发新型氧枪作出贡献。

1 历史发展与现状

国外从20世纪50年代开始就有人进行氧枪射流特性的测试研究，取得了不少具有指导意义的成果，但规模都很小。我国由于建立顶吹氧气转炉较晚，从20世纪60年代初开始建立氧气炼钢起就发现氧枪喷头存在诸多问题，直到70年代初才由北京钢铁学院（现北京科技大学）建立起我国第一套氧枪射流测试实验室。尽管当时条件所限，所用测试手段较简单，既费时又费力，但它仍然对当时的氧气炼钢生产和教学都起到了很大的指导作用。该测试装置现已停止不用。

随后北京大学力学系利用力学实验室优越条件，建立起较大型的氧枪射流测试实验室，使这一工作向前推进了一大步，为推进氧气炼钢生产作出了不少的贡献[7]。遗憾的是，20世纪90年代初北大力学系由于方向的调整，取消了这个实验室，后被鞍山热能院接收过去。随着我国钢铁工业的迅速发展，对氧枪提出了更高的要求，为此于1987年中科院化冶所（现过程工程研究所）也建立了较大型的氧枪射流测试实验室，并开发研制了利用计算机控制的射流特性测试装置和技术[1]。配合国家“75”攻关项目的完成做了不少工作，并通过了部级技术鉴定。该系统最大可测到120吨转炉氧枪喷头射流流场分布。像宝钢300吨转炉氧枪喷头只能用1/2～1/3模型实验研究的方法进行测试研究。利用该测试系统，为完成“75”国家科技攻关任务（冶金方面）做了大量的研究工作，同时取得了一系列的科技成果和学术成果。如顶底复吹转炉二次燃烧氧枪喷头的开发及其多股超音速射流的流动特性[2]和高压底吹细管组合式喷嘴射流流动特性的研究[3]，对宝钢300吨转炉氧枪喷头国产化和缩短吹炼时间的研究等。在“75”期间为我国十多个钢厂的氧枪喷头进行了实测研究，在有色冶金领域对氧气底吹连续炼铅和侧吹炼铜进行了模型试验研究[4、5]。

20世纪90年代初山东崇盛冶金氧枪有限公司为了改进、研制、开发新氧枪喷头产品，也建立了氧枪射流流场测试实验室，对该公司研制开发新喷头及产品销售起了很大作用。但由于条件所限所建规模较小，只能对50吨以下的转炉氧枪喷头做实测研究，

2000年以来，鞍山热能院归属中钢集团之后，利用北大力学系的设备又建起较大型的氧枪射流测试实验室，据称[6]该系统若加上两个15立方米，5.5MPa的储气罐可供120吨转炉氧枪射流实测研究，并称该系统是当时国内研究氧枪射流唯一使用的大型检测系统。

到目前为止，国内只有鞍山热能院和山东崇盛冶金氧枪有限公司两家的氧枪射流测试系统能正常运转。

针对目前需求，江都博际热能技术有限公司设计并建立了大型氧枪射流测试系统，该测试系统设计最大供气量为30000m3/h,，可对150吨左右的转炉氧枪射流进行实测研究。

2 博际大型氧枪射流测试系统的特点

博际大型氧枪射流测试系统采用目前较为先进的以太网工业测控系统，所有测试元件都是精选的，所有探针都是用精细不锈钢管自制成皮托管，测试架做成近流线型，尽可能地减少阻力。采用了48只微型压力变送器，并直接安装在探针后面，固定在测试架上，而电源、远程分布式以太网采集（A/D）和控制（D/A和I/O）模块集中于一个箱体放在探针下方，固定在车床的可移动刀架上，布置紧凑灵活。如图1所示。

图1  信号采集控制系统实物图

 

２.1基于以太网通讯技术的工业测控系统

随着计算机应用科学的发展，以太网技术逐步在自动化及测控行业中得到应用，并发展成为一种技术潮流。以太网在自动化及测控行业中的应用分为两个方面，一是工厂自动化及测控技术与IT技术结合，成为未来可能的网络制造技术雏形。另一个方面，以太网在工业过程控制底层，也就是设备层或称为现场层的广泛应用，成为甚至取代现有的现场总线技术成为统一的工业网络标准。博际测控系统的数据通讯就是基于TCP/IP通讯协议，利用以太网（支持 10/100Mbps通讯速率）技术和实时数据采集软件进行数据传输的。

常规的工业状态参数测控系统一般是在现场安装相应的参数传感器，由连接在传感器上的电信号变送器将现场信号转换成相应的电信号（电压信号或电流信号），然后远传到相应的显示仪表上，进行参数的显示、处理及控制反馈。由于在传送过程中会有电信号的损失，显示仪表不能离操作现场太远，所以不能实现数据的远程监控。

对于实验规模的氧枪射流特性的测试，过去的做法是把传感器、放大器、采集及控制卡统一装在一个箱体，放置在离操作者较近的操作室内，这样虽然减少了电信号传送距离，但必然要用许多导气管连接探针到操作室，测点越多则使用导管就越多。如过去用97只探针，每只探针需要两根导气管，总共要连194根导气管。即使采用较细的胶管，也将形成一大捆导管连到操作室，当吹气时这捆导管被吹的上下不停的摆动，不但影响了测试精度，而且也影响了寿命。

博际测控系统则是将现场传感器传输过来的电信号，接入A/D模块转换成数字信号，然后通过以太网将信号传输给计算机进行数据分析处理，计算机再将反馈信号通过以太网传输给D/A模块或者I/O模块，转换成相应的控制信号后，传送给电/机械控制系统，以达到控制装置的目的。整个测控系统的原理图见图2所示。

图2 测控系统流程图

远距离传输造成信号衰减严重，是传统测控系统不能实现远程测控的主要原因。博际测控系统从硬件到软件都采用模块化设计的思想，各主要模块均能独立运行，可组可分，不依赖于其他部分。这样可将采集控制模块安装在生产现场，大大缩短了传感器与采集模块之间信号线的长度，而各模块则通过以太网实现与计算机间的通讯，由于以太网技术具有远距离传输信号无衰减的优点，从而在将信号衰减降低到最低程度的基础上实现了数据的远程测控。由于博际测控系统采用模块化设计，使测控的空间跨度大大提高，空间上间隔较远的装置（探头），可在装置附近安装独立的采集控制模块，再通过以太网连接到计算机，实现了多装置状态参数的统一控制管理，节省了大量的劳动力。多装置集中测控系统的布线见图3所示。

   图3 远距离多装置集中测控布线示意图

 

2.２ 探针在纵向可移动距离最大

利用车床的走刀架在纵向用步进电机控制可实现最大移动距离为3000mm，可用微机操作，在测量过程中可实现连续移动，给出纵向速度衰减的分布图。

 

2.3 友好的人机界面和完善的数据采集及处理功能

信号采集系统界面由图4所示，友好的人机界面，操作者通过鼠标或键盘就可完成整个氧枪的测试工作。

（1）    自动移动测试探头。

（2）    设定主、副流道的操作压力，通过对电动调节阀开度的控制达到控制主、副流道的操作压力。

（3）    可自动快速打开和切断气流供应，以减少不必要的高压气体浪费。

（4）    可实时监控主、副流道的阀门开度、操作压力和气体流量，并测量射流速度场分布。

图4  信号采集系统界面图

 

图5  数据处理界面图

图5表示是数据处理界面示意图，显示的是某厂120吨转炉4孔喷头的实测值。在此界面下，可对过去测量的数据进行处理，显示横截面的速度分布，对实测数据进行非线性的最小二乘法处理，获得射流特征值（射流中心速度和径向衰减系数）和射流中心距（决定各射流的位置）。

３ 测试系统的功能

3.1 多孔氧枪喷头射流流场速度分布

速度场分布是了解氧枪射流品质、确定操作参数、氧枪结构优化设计基础。一般氧枪射流都是超音速射流，其射流形态如图6所示。

 

图6  超音速射流的形态

 

显然，通过对射流流场的测试可以鉴定喷头加工质量是否符合设计要求，例如射流是否稳定？上下摆动？前后湍动？如有异常说明加工质量有问题。射流中心线与几何中心线是否一致，如有偏移则说明喷孔内某点有毛刺。

 

3.1.1多孔射流某一断面上径向速度分布

图7是某厂开发使用的二次燃烧氧枪喷头所做实验研究[8]，三个主孔加上6个副孔供二次燃烧的喷头实测与理论计算值的比较。计算值按涂鸿[8]模型计算。

图7  双流道氧枪无因次径向速度分布

主孔压力：0.6MPa，Ma＝2；副孔压力：0.5MPa，Ma＝1；

枪高：40dt；主副孔间距：0dt；3+6孔。

3.1.2 不同压力下的速度分布以及操作压力的确定

图8为主氧流供气压力分别为0.6MPa、0.7 MPa、0.8 MPa下在距喷头端面为40dt断面上速度分布。

 

图8  双流道氧枪无因次径向速度分布

主孔压力：（0.6，0.7，0.8）MPa，Ma＝2；副孔压力：0.5MPa，Ma＝1；

枪高：40dt；主副孔间距：0dt；30°；3+6孔

 

图9为主氧流道供氧压力为0.8MPa，副氧道供氧压力为0.5MPa，距喷头出口为30，40，50倍dt的各截面上的速度分布实测值与计算值比较。由图中可看出，主氧压力过高时，副氧流易被主氧流抽引而偏向中心，不利于二次燃烧。因此，主氧枪最好在主氧设计条件下操作[8]。

主孔压力： 0.8MPa，Ma＝2；副孔压力：0.5MPa，Ma＝1；

主副孔间距：0dt；30°；3+6孔

（副孔压力：0.5MPa，Ma＝1；

枪高：40 dt；主副孔间距：0dt；30°；3+6孔）

图9 双流道氧枪无因次径向速度分布（实测与计算）

 

图10为主氧流压力不变，只改变副氧流压力，在40倍dt枪位下截面速度分布实测值和计算值比较。由图可知副氧道压力控制在0.2～0.3MPa左右为好[8]。

图10  双流道氧枪不同副孔压力下无因次径向速度分布（实测与计算）

 

    图11为改变副氧喷孔与氧枪中心线夹角在同一截面上速度分布的实测值和计算值之比较，由图可见实测值与理论计算值基本符合，可见夹角过小，则副氧流大部分被主氧流抽吸参加主氧流，加速了脱碳反应，不利于二次燃烧。夹角过大，则副氧流会冲刷炉壁，对炉衬寿命不利。本研究认为对于大型转炉，其二次燃烧副氧流与氧枪中心线的夹角应在30°～40°之间为宜[8]。

图11  副孔夹角变化的影响（实测与计算）

 

3.1.3 多孔射流速度分布立体图和等速度剖面图

在一个截面上，测量不同角度下的径向速度分布，实测数据与射流速度模型拟合分析，就可得到该喷头在此截面上的速度分布，如图12所示为马钢四孔喷头的速度分布立体图。根据速度分布立体图就可得到此截面上的等速度分布图。图13为等速度分布图。

图12  马钢50吨四孔喷头z=1300mm面上速度分布立体图

图13  马钢50吨四孔喷头z=1300mm面等速剖面图

3.1.4 新旧喷头速度场的对比

   通过对新旧喷头的速度场的测量（图14和图15所示），可以了解旧喷头损坏的程度或原结构的设计缺陷，也有助于探查喷头损坏的原因、改进喷头结构和制定延长喷头寿命的有效措施。

图14 某三孔旧喷头速度立体分布图

图15 某三孔新喷头速度立体分布图

３.2 多孔喷头射流之间的相互抽吸

多孔喷头射流之间有相互抽吸作用，可测出射流中心线与喷孔中心线的偏移[8]，如图16所示。

图16 某一射流中心线相对于喷孔中心线的偏移

 

3.3  射流冲击面积和深度

3.3.1 单孔喷头射流冲击面积和深度

如图17所示能测出射流对熔池的冲击面积，其冲击深度即可根据公式计算出来[9]。

  

图17 单孔喷头超音速射流的特性及其对熔池的冲击深度                 

根据气体动力学的知识与模型实验研究结果可得如下公式（1）：

       （1）

单孔喷头射流对熔池的冲击面积和深度的研究颇多，有关详细情况可参阅文献[8]第95～110页。本研究认为冲击凹坑的形状应是正态分布曲线的形状如图17所示。假定射流作用于液面上的总动量与被排除的液体总动量相等的原理考虑。

 

3.3.2 多孔喷头射流对熔池的冲击深度

根据单孔喷头射流冲击熔池的深度分析原理，可用多孔喷头的实测值推算出多孔喷头的情况，一般只要知道其冲击点的速度分布就可以推算了。

 

3.4 大型氧枪多孔喷头设计

    根据测得的数据信息，参考前人的经验可以设计、开发所需要的喷头或者改进各种参数。设计氧枪喷头的思路如图 18 所示，各参数的选择方法和范围说明如下：

    （1）喷头孔数

喷头的大小、各个部位的尺寸以及形状，是根据冶炼生铁的成分和转炉的生产能力来确定的。现在大中型转炉（≥250t）一般都用4—6孔的拉瓦尔喷头，然而在我国15t以下的小型转炉也有用3孔、4孔喷头的情况，甚至有的5t转炉也用3孔喷头，效果也不错。大量统计的转炉吨位与喷头孔数的对应关系如表 1 所示。

表 1 转炉吨位与喷头孔数的关系

转炉吨位/t

喷头孔数/个

＜100

1～3

100～200

3～4

200～250

4～5，少数为3

＞250

5～6居多，少数为4

 

图 18 氧枪喷头尺寸计算步骤框图

 （2）喷孔形状

众所周知，在同样供氧压力和流量条件下，使用拉瓦尔型喷头和普通型喷头，两者的出口速度截然不同，前者为超音速射流，后者最大为音速射流。由于前者是超音速射流，射流能量衰减慢，穿透能力大。与普通喷头相比，可以离熔池液面远一些，减少了来自火点区高温辐射的热负荷和喷溅侵蚀，使用寿命长。因此，转炉喷头大多为拉瓦尔型超音速喷头。但实际上由于严格的拉瓦尔喷孔加工困难，工程上通常采用收缩—扩张型喷孔来满足上述要求。

（3）马赫数的选择

超音速喷头的马赫数Mae定义为喷头出口速度ue与当地音速ua之比ue／ua。它是由喷孔出口面积与喉口面积之比惟一确定的，决定着喷头氧射流的出口速度，是超音速喷头设计的重要参数。据调查，目前各国使用的转炉氧枪喷头的马赫数多为1.8～2.3之间。其中，80％以上的喷头马赫数为1.9～2.0。

 

图19  操作压力与出口马赫数的关系

图20  Mac、p0和ue的关系

关于喷头出口马赫数Mae的选择，图19为喷头出口马赫数与所需的设计操作压力的关系。可见，Mae＜1.9时，曲线较陡（斜率较大），这表明操作压力稍有波动，实际Mae急剧下降或上升，对射流特性影响比较大；而当Mae＝2.0～2.3这一段，曲线既平稳，设计压力变化又适中（0.782～1.25MPa），表明能节省能量、操作稳定性最佳；结合图20看出，当Mae＞2.3以后，射流出口速度增加缓慢，而相应的滞止压力却增加迅速。例如当Mae＝2.5时，射流速度和冲击动能提高并不大，而所需的设计压力已高达p0＝1.708MPa（按出口（环境）压力为0.1MPa计），往往超过了炼钢厂供氧管道实际所能提供的氧压，在经济上是不合适的。因此，结合目前一般炼钢厂供氧管的压力能力，建议把Mae选择在2.0左右，且不要偏离太多为宜。

（4）喉口直径（或面积）

决定喷头尺寸时，喉口直径（面积）是重要的参数之一。根据吨铁需要的总氧量和吹炼时间确定总的供氧流量，由所选的喷头孔数得出每个孔的氧流量（m3/h，标态）为：

                               （2）

    当选好喷头出口马赫数后，可由上述公式计算出喷孔喉口面积At或喉口直径dt。由此可以根据出口马赫数，进一步计算出喷孔的出口直径de等参数。

（5）喷孔与喷枪中心线的倾角（喷孔夹角θ）

合理的倾角θ与喷孔的数目n有关，并随喷孔数目的增加而增大。实际设计中，对各种不同吨位转炉氧枪喷头设计，要充分考虑合适的喷孔夹角。可根据表2求得各种喷头的孔数n和倾角θ的关系。

表2  推荐的喷头孔数与喷孔夹角的关系

喷头孔数n/个

3

4

5

6

喷孔夹角范围

8.7°～10.4°

10.6°～12.8°

12.8°～15.4°

15.1°～18.2°

 

但需要注意的是：国内大多数企业所使用的氧枪喷头是对原有氧枪喷头进α行改造设计的（国内大于3孔的氧枪喷头多是这种情况）。由于受转炉结构和氧枪枪体结构和直径的限制，并考虑氧枪冷却通道设计，不一定严格按表2推荐的最佳倾角值。多数实际使用的倾角一般都小于图21对应的值，而与表2中的下限值接近。

图21  各射流与喷枪中心线倾角 q 和相邻射流之间夹角a的关系

 

（6）喷孔间距或喷孔中心距φl。

喷孔间距指喷头出口处中心线与喷头轴线之间的距离（即φl/2）。它是影响多孔喷头几何轴线上速度分布的主要因素，对多股射流之间的相互作用和射流中心线偏转都影响很大。常用喷孔中心距φl和喷头出口直径de之比φl/de表示射流的分散度。分散度φl/de过小，必然增大各股射流相互汇交的趋势；一般在喷枪结构允许时情况下，希望尽可能增大分散度。从降低射流汇交的趋势考虑，增加分散度与增加喷孔夹角的效果是一致的。但是，增加分散度不会降低射流中心线的速度，而增加喷孔夹角则有可能降低射流中心线的速度。喷头设计时，应尽可能增大喷孔间距（分散度）而不轻易增加喷孔夹角 。对3孔、4孔喷头，常用的喷孔分散度为1.8～2.2。

 

4　今后研究方向

4.1　氧气炼钢领域

过去对氧枪射流的实测研究多为偏小型炉子，100吨以下的转炉较多，其主要原因有二，一是生产实际小型炉子偏多，而且问题也较多。二是测试系统也偏小，面对大型转炉就只能用1/2比例模拟研究。现在所设计的实测系统是按30000立方/小时设计的，有可能对120吨左右的炉子进行实测研究。

4.2 电炉氧枪领域

对电炉氧枪过去研究较少，今后可进一步进行实测研究。

4.3　RH真空冶炼领域

RH真空冶炼方面的氧枪至今未见有人研究，钢铁工业的高速发展，对高质量、高性能、多品种要求越来越多，国内许多厂都进口了RH真空冶炼设备，而其中关键设备是RH氧枪，特别是KTB和MFB。目前尚处于依赖进口和仿制修复阶段，今后有必要进行深入研究。

4.4有色冶金领域

有色冶金领域采用氧的越来越多了，过去我们曾对氧气底吹连续炼铅和侧吹氧枪炼铜参加过研究，还应深入研究。

4.5其他领域

4.5.1气流粉碎

气流粉碎化冶所在国内首先开发研究了气流粉碎技术，现已广泛应用于硬性材料的粉碎，它主要是利用超音速射流相对碰撞的原理，可获得两倍的速度，4倍的能量，带动脆性材料自相碰撞而粉碎至微米级的超细粉，既节省能量又无设备磨损，是很有前途的一项技术，其中关键设备是如何设计高性能的超音速喷嘴，有必要进行深入研究。

4.5.2脱硫减碳

脱硫减碳设备中遇到的问题也是喷嘴的设计与制造问题。

 

符号表

At

喷孔喉口面积，m2

Q

气体体积流量，m3/h

de

喷孔的出口直径，m

To

气体温度，K

dt

喷孔喉口直径，m

u

气体速度, m/s

Ha

操作枪位，m

ua

当地音速，m/s

Kj

动量传递系数

ue

喷头出口速度, m/s

Ma

马赫数

 

 

Mae

出口马赫数

α

相邻射流之间夹角，度

n

喷孔数目

θ

喷孔与喷枪中心线的倾角,度

pa

等于环境压力, Pa

ρl

液体密度，kg/m3

pe

喷头出口处压力, Pa

 

 

p0

喷头上游滞止压力, Pa

 

 

 

 

参考文献

[1]   袁章福，潘贻芳编著，炼钢氧枪技术，北京，冶金工业出版社，2007，46～47。

[2]   蔡志鹏，涂鸿，梁云，钱占民，魏伟胜，转炉二次燃烧双流道氧枪多股射流流场特性，化工冶金，1988，Vol9，No3，81～85。

[3]   蔡志鹏，马恩祥，钱占民，细孔多管式底吹元件的流动特性研究，第五届冶金过程动力学和反应工程学学术会议论文集，济南，1991，361～368。

[4]   蔡志鹏，梁云，钱占民，马恩祥，魏伟胜，何玉林，王林生，底吹氧气连续炼铅模型实验研究（一），化工冶金，1985，Vol6，No4，113～121。

[5]   梁云，蔡志鹏，钱占民，魏伟胜，马恩祥，何玉林，王林生，底吹氧气连续炼铅模型实验研究（二），化工冶金，1986，Vol7，No1，45～52。

[6]   杜宇鹏，苏晓军，库文建，王增忱，氧枪射流检测与特性分析，冶金能源，2005，Vol24，No6，10～13。

[7]   关风林，氧枪射流的一些研究结果，冶金能源，1989，Vol8，No3，47～52。

[8]   蔡志鹏，梁云，张春霞，化工冶金模型实验研究及其测试技术，北京冶金工业出版社，2001。

[9]   蔡志鹏，马恩祥，钱占民，杨剑青，氧气炼钢过程中射流与熔池作用的某些传递现象，化工冶金，1983，Vol1。

[10] 朱立宪，刘洪波，王宝成，济钢25吨转炉氧气喷头射流特性研究，第七届全国氧枪技术经验技术交流会论文集，2000，10，济南，13～37。

[11] Keilman L M,Galloway S M. Oxygen lance design modifications to improve the lance life and performance at Inland’s NO BOF/CC shop. Presented at 76th Steelmaking Conference, ISS-AIME, March, 1993; 28~31.