夏 韬，朱 荣，冯 超，黄标彩，董 凯，魏光升，丁国慧

(1.北京科技大学 冶金与生态工程学院，北京 100083；2.福建三钢闽光股份有限公司，福建 三明 365000；3.首钢京唐钢铁联合有限责任公司，河北 唐山 063200)

我国是世界产钢大国，钢铁是国家建设不可或缺的关键一环，在经济发展中也有着举足轻重的地位。然而钢铁产业却是典型的高能耗、高排放、高污染产业，高效化、绿色化、智能化的钢铁生产模式的研究已成为热议话题，降低钢铁行业的能源消耗和污染排放成了社会广泛关注的话题[1-4]。

钢铁生产主要有转炉炼钢和电炉炼钢两种流程，其中转炉炼钢是当今最主要的炼钢流程。氧枪是转炉炼钢系统的关键设备，氧气在氧枪喷头中通过喉口形成超音速射流，在转炉冶炼过程中，氧气射流通过直接冲击高温熔池，与熔池元素发生一系列复杂的化学反应，同时射流冲击可搅拌熔池成分，也使熔池温度更加均匀[5]。

CO2是一种弱氧化性气体，高温下可与钢液元素发生化学反应[6]，在钢铁冶金流程中可以起到搅拌作用、覆盖保护作用和稀释作用，在转炉冶炼过程中，可与熔池中的碳反应起到控温作用，有利于转炉脱磷，同时反应吸热，可降低火点区温度，从而减少炼钢烟尘的产生[7-9]。将CO2作为资源应用于钢铁冶金流程，在实现CO2减排的同时，可实现节能降本及提高钢铁产品质量。然而，由于二氧化碳与氧气分子量不同，其通过氧枪喷头形成的射流特性必然会产生变化。近年来随着计算流体力学的发展，国内外许多学者采用CFD研究手段对氧枪超音速射流特性进行模拟研究[10]，本研究基于数值模拟手段，对不同比例CO2掺混到氧枪射流产生的影响进行了相关研究。

1 模型与控制方程的建立

1.1 控制方程

本研究中涉及的连续性方程、能量守恒方程、动量守恒方程如式(1)～式(3)所示：

(1)

(2)

(3)

1.2 计算域和边界条件

本研究针对某钢厂300 t转炉，设计专门6孔氧枪喷头进行模拟研究。其喷头尺寸及相关参数如表1所示。

表1 喷头尺寸及相关工艺参数

图1为模拟用六孔氧枪喷头结构示意图，其中喉口直径为Dt，出口直径为De，中心倾角为α。

图1 氧枪喷头结构

为研究不同CO2掺混比例对氧枪射流特性的影响，针对上述参数喷头，设置了不同CO2掺混比例，如表2所示。

表2 氧枪射流气体介质

为通过数值模拟的方法研究CO2对射流特性的影响，本研究使用ICEM CFD软件进行网格划分，网格采用六面体结构化网格，如图2所示，计算域为一个直径40倍出口直径，长75倍出口直径的圆柱形区域。用Fluent 17.0进行模拟计算。湍流模型采用标准的k-ε模型，压力、密度、动量、能量采用二阶迎风差分模式，使用coupled耦合求解法计算。入口边界选择质量流量入口，出口边界选择压力出口，其余设置为墙。

图2 氧枪喷头的计算域和边界条件

2 模拟结果讨论分析

2.1 喷孔轴线射流特性

图3显示了六孔喷头在环境温度分别为273、1 773 K，CO2掺混比例分别为0、30%、50%、100%条件下，沿喷孔轴向射流的速度，动压力，马赫数以及湍动能的分布变化情况。从图3(a)显示结果可以看出，伴随温度的升高，喷孔轴线速度增大；伴随CO2比例的提高，射流出口速度逐渐下降，但沿轴向射流衰减速度下降。图3(b)显示了射流动压力分布情况，随着CO2比例的提高，射流出口动压力逐渐升高。定义马赫数大于1.0的气体射流长度为核心段长度，图3(c)结果显示，随着CO2比例的提高，射流核心段长度逐渐增加。喷孔轴线射流的分布可以解释为：由于CO2分子量44，其气体密度大于氧气，掺混CO2后，射流平均密度增大，因此在相同设计压力条件下，随着CO2掺混比例的提高，射流出口速度有所下降；同时，周围空气介质对射流的阻碍作用也相对减弱，导致射流速度下降减缓。虽然出口速度下降，但动压力受射流速度和密度两方面因素影响，由于密度增大，导致出口动压反而上升。图3(d)显示，CO2比例提高会降低射流的湍动能，不同温度下均有此规律。

图3 喷孔轴线射流特性

2.2 喷孔中心线射流特性

图4显示了不同温度，不同CO2掺混比例条件下，多孔喷头中心线射流特性的分布情况。从图4(a)显示结果可以看出，伴随距离的增大，中心线速度逐渐上升，且随着掺混CO2比例的提高，射流出口处中心线速度更大，但射流速度增大趋势减缓，说明射流掺混CO2后，流股之间掺混程度下降。图4(b)结果显示，随着距离的增大，射流中心线动压力逐渐增大，且CO2掺混越多，提高效果越明显，此规律在低温下更明显。图4(c)显示了射流中心线马赫数的分布情况，从图4结果可以看出，随着CO2掺混比例提高，射流马赫数逐渐升高。图4(d)显示，CO2比例提高会降低射流的湍动能，不同温度下均有此规律，这与图3规律相吻合。

图4 喷头中心线射流特性

图5显示了不同温度、不同CO2比例条件下的中心面速度场分布。从图5中可以看出，射流速度伴随温度升高而升高。在相同温度条件下，伴随CO2比例的升高，射流高速区面积减小，平均速度下降，低温和高温下此规律一致；此外，射流靠近中心线区域速度上升减缓，说明掺混CO2后射流流股掺混程度下降。这与图4分析结果一致。

图5 中心面速度场分布

2.3 喷孔径向射流特性

图6显示了不同温度、不同CO2掺混比例条件下射流径向速度分布情况。结果显示，伴随喷吹距离的增大，射流径向速度的最大值减小；相同喷吹距离的情况下，掺混CO2比例越高，射流径向速度最大值越小。伴随喷吹距离的增大，射流卷吸环境气体量逐渐增加，根据能量守恒定律，射流速度呈现逐渐降低趋势。进一步观察发现，伴随CO2比例的提高，射流最大速度点逐渐远离中心线，说明掺混CO2后，射流对中心线方向的环境气体卷吸量减少，流股之间掺混程度下降，这与图4、图5分析结果一致。

图6 不同温度、不同CO2掺混比例条件下射流径向速度分布

图7显示了不同温度、不同CO2比例、不同距离横截面速度均值比较情况。结果表明，温度升高会提升射流平均速度，随着喷吹距离的增加，横截面速度均值逐渐下降；掺混CO2会降低横截面平均速度，且掺混比例越高，速度均值下降越明显，从数值上验证了图6的曲线变化规律。

图7 不同温度、不同CO2比例、不同距离的横截面速度均值比较

图8显示了不同温度、不同CO2掺混比例条件下射流径向动压力分布情况。伴随温度的升高，动压力最大值升高，最大值出现位置更加远离中心线。伴随喷吹距离的增加，动压力最大值逐渐减小；且由于混入CO2后射流气体密度增加，在相同温度和喷吹距离的条件下，CO2比例的提高会增加动压力的最大值，此规律与图3、图4分析一致。

图8 不同温度、不同CO2掺混比例条件下射流径向动压力分布

图9显示了不同温度、不同CO2掺混比例条件下射流径向温度分布情况。结果表明，伴随轴向距离的增大，射流的径向温度逐渐升高，射流中心点与径向的温度差逐渐减小，射流径向温度曲线趋于平缓。结果还发现，射流径向最低温度值伴随CO2掺混比例的提高而下降，说明环境气体对射流的影响减弱。

图9 不同温度、不同CO2掺混比例条件下射流径向温度分布

图10显示了不同温度、不同CO2掺混比例条件下，不同喷吹距离处射流速度场分布情况。结果表明，在相同距离处的射流速度伴随环境温度的增大而增大，在相同温度条件下，伴随喷吹距离的增大，射流速度减小，并且在相同的距离和温度条件下，随着CO2比例提高，射流速度减小，冲击面积也略微减小，这与图6、图7的分析规律一致。由于射流沿程卷吸环境气体使射流的速度逐渐减小，而掺混CO2后，射流密度增大，其出口速度下降，对周围气体介质的卷吸作用也减弱，流股掺混减弱，射流能更好地维持特性，但冲击面积变小。

图10 射流速度场分布

3 结 论

本研究采用数值模拟方法，研究了不同温度、不同CO2比例对设定流量为65 000 m3/h(标准)的6孔氧枪喷头射流特性的影响，结论总结如下：

(1)伴随环境温度的增大，射流平均速度明显上升，核心段长度延长，射流冲击能力增强，冲击面积增大。

(2)伴随CO2掺混比例的提高，混合射流密度增大，射流出口速度下降，轴向速度衰减减缓，流股掺混程度下降，能更好地维持射流特性；由于密度增大，射流轴向动压力上升，射流具有更强的冲击能力。

(3)伴随CO2掺混比例的提高，射流径向平均速度下降，最大速度也下降，最大速度点远离中心线，说明射流掺混程度下降；射流径向动压力上升，径向温度最小值下降。