RH多功能頂槍噴粉管設(shè)計(jì)

劉 安，孫亞飛，任三兵

(1.寶鋼工程技術(shù)集團(tuán)有限公司，上海 201900；2.寶鋼集團(tuán)中央研究院，上海 201900)

RH多功能頂槍噴粉管設(shè)計(jì)

劉 安1，孫亞飛1，任三兵2

(1.寶鋼工程技術(shù)集團(tuán)有限公司，上海 201900；2.寶鋼集團(tuán)中央研究院，上海 201900)

研究了國內(nèi)外帶有噴粉功能的RH多功能頂槍，分析了脫硫粉劑噴吹強(qiáng)度(單位時(shí)間噴吹量)和噴吹槍位(頂槍噴吹時(shí)距鋼液面的高度)以及脫硫粉劑顆粒大小對(duì)脫硫效果的影響，并采用CFD軟件分析噴粉管位置對(duì)噴粉射流和吹氧射流的影響，得到噴粉管與氧槍噴頭之間的合理位置范圍。為某廠設(shè)計(jì)的RH多功能頂槍噴粉管距離喉口的距離L取60～70 mm之間，噴粉系統(tǒng)可達(dá)到的最大噴吹強(qiáng)度為250 kg/min，脫硫率可達(dá)52%，使用效果良好。

RH；噴粉；氧槍；數(shù)值模擬

0 前言

RH真空脫氣裝置由于其具備產(chǎn)能大、脫氣效果好、鋼水純凈度高、成分控制精確等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛采用。隨著RH精煉工藝技術(shù)的不斷發(fā)展，RH冶金功能在不斷拓展。RH已經(jīng)由原來單一的脫氣設(shè)備發(fā)展成為包含真空脫氣、吹氧脫碳、噴粉脫硫、溫度補(bǔ)償、均勻溫度和成分等的多功能爐外精煉設(shè)備。

日本住友和歌山廠于1994年開發(fā)了RH頂噴粉法(RH-PTB噴粉法)脫硫，即通過多功能頂槍向真空槽內(nèi)的鋼液噴吹脫硫粉劑進(jìn)行脫硫[1]。RH噴粉脫硫具有獨(dú)特的優(yōu)越性： 高真空降低了鋼液中的氧活度，更加有利于脫硫；脫硫過程主要在循環(huán)流動(dòng)的鋼液中進(jìn)行，避開了鋼包頂渣對(duì)脫硫的影響；脫硫過程隔絕空氣不會(huì)因鋼液表面紊流而吸氮；脫硫反應(yīng)為脫硫劑-鋼液界面反應(yīng)，反應(yīng)動(dòng)力學(xué)條件更好。該方法噴吹的脫硫粉劑顆粒度小，與鋼液持續(xù)接觸的時(shí)間長，脫硫劑利用效率較高，能夠快速有效地將鋼液中的硫含量降低到極低水平[2-3]。

鑒于該RH噴粉法脫硫有很多優(yōu)點(diǎn)，國內(nèi)外其它廠家也相繼開發(fā)了如RH-MESID、RH-KTB(PB)、RH-WPB等各種RH頂噴粉法[4-5]。帶噴粉功能的RH多功能頂槍是RH頂吹噴粉法脫硫的關(guān)鍵裝備之一，除具有傳統(tǒng)的脫碳、加熱、化學(xué)升溫、二次燃燒等功能外，增加了噴粉功能，將脫硫粉劑噴吹到真空槽內(nèi)的鋼液中，能夠快速有效地將鋼液中的含硫量降低到目標(biāo)范圍內(nèi)。本文針對(duì)帶噴粉功能RH多功能頂槍的噴粉管設(shè)計(jì)進(jìn)行了分析和研究。

1 RH頂噴粉法和多功能頂槍

RH頂吹噴粉法(RH-PTB)是在RH真空精煉處理時(shí)的真空條件下，通過RH真空槽頂部的多功能頂槍以惰性氣體為載氣將粉末狀脫硫劑噴入真空槽內(nèi)鋼水中進(jìn)行脫硫處理的工藝方法。RH頂吹噴粉法系統(tǒng)原理簡圖如圖1所示。

圖1 RH頂吹噴粉法系統(tǒng)原理簡圖

RH頂噴粉法(RH-PTB噴粉法)向鋼液噴入脫硫劑粉是通過頂槍來完成的。與一般RH多功能頂槍不同，帶噴粉功能的RH多功能頂槍是在RH多功能頂槍的氧氣管中心設(shè)計(jì)一根噴粉管，接入噴吹系統(tǒng)，使原來的多功能頂槍增加噴粉功能。噴粉脫硫操作時(shí)，頂槍下降至噴粉槍位，脫硫粉劑經(jīng)過噴粉管出口，通過頭部的氧槍噴頭(Laval管)噴出多功能頂槍進(jìn)入真空槽內(nèi)的鋼水。RH多功能頂槍頭部結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 RH多功能頂槍頭部結(jié)構(gòu)示意圖

2 設(shè)計(jì)與分析

國內(nèi)外研究表明，RH多功能頂槍的脫硫粉劑噴吹強(qiáng)度(單位時(shí)間噴吹量)和噴吹槍位(頂槍噴吹時(shí)距鋼液面的高度)以及脫硫粉劑顆粒大小直接影響脫硫效果。RH噴粉在真空槽內(nèi)進(jìn)行，部分粉劑會(huì)隨真空槽內(nèi)的氣流運(yùn)動(dòng)被吸入真空系統(tǒng)，噴吹槍位合理、粉劑顆粒大小合適，進(jìn)入鋼水中粉劑多，粉劑利用率高，脫硫效果就好[3-6]。

生產(chǎn)實(shí)踐和研究都證明[3-8]：

(1)噴吹槍位越低(距鋼液表面近)越好，但在實(shí)際生產(chǎn)中過低的槍位極易在槍頭上粘結(jié)冷鋼，損壞頂槍，噴槍壽命降低；槍位問題實(shí)際上反映的是粉劑顆粒到達(dá)鋼液面時(shí)的速度問題。能夠進(jìn)入鋼水的粉粒其臨界條件：粉粒必須克服上升氣流阻力、鋼液表面張力和鋼水浮力，粉粒進(jìn)入鋼水后速度逐漸降至零，進(jìn)入鋼水距離應(yīng)不小于粉粒直徑。因此粉劑顆粒噴出時(shí)應(yīng)具備相應(yīng)的出口速度。

(2)噴吹強(qiáng)度并非越大越好。噴吹強(qiáng)度大可縮短處理時(shí)間，但粉劑在鋼液內(nèi)凝聚使表觀粒徑變大而減少了滯留時(shí)間；在硫含量很低范圍時(shí)，鋼水中硫的擴(kuò)散速度減慢；脫硫率并不隨噴吹強(qiáng)度大而增大，如圖3所示。

圖3 噴吹強(qiáng)度對(duì)脫硫速度常數(shù)的影響

(3)粉劑顆粒大時(shí)，在鋼水中上浮速度大而滯留時(shí)間短，粒徑大反應(yīng)界面變?。幌喾戳竭^小時(shí)，容易被抽進(jìn)真空排氣系統(tǒng)，粉劑進(jìn)入鋼水的量減少，粉劑有效利用率也就變小。粉劑粒徑存在合理的范圍，如圖4所示。

為得到較高的粉劑有效利用率、脫硫率，噴粉設(shè)備設(shè)計(jì)需要研究的有關(guān)因素是：槍位和粉劑出口速度、噴吹強(qiáng)度。對(duì)RH多功能頂槍的噴粉管設(shè)計(jì)而言，需要達(dá)到工藝操作要求的噴吹強(qiáng)度和粉劑出口速度。設(shè)計(jì)合理的管徑及可以得到對(duì)應(yīng)的粉劑出口速度、噴吹強(qiáng)度，噴粉管與氧槍噴頭之間的位置關(guān)系會(huì)影響到粉劑出口速度及吹氧脫碳時(shí)氧氣流的出口速度。

圖4 脫硫率和石灰粉平均粒徑的關(guān)系

2.1 管徑設(shè)計(jì)

2.1.1 噴粉槍內(nèi)徑

根據(jù)國外經(jīng)驗(yàn)公式[9]

式中，G為粉劑噴吹強(qiáng)度；D為噴槍出口內(nèi)徑。

2.1.2 噴粉槍的出口速度

為使粉劑能夠穿透氣、鋼界面進(jìn)入鋼液內(nèi)部，粉劑到達(dá)鋼液面必須具有一定的速度，據(jù)文獻(xiàn)[10]，此速度需>100 m/s，取110 m/s。

uP=(0.22～0.32)×ug[9]

式中，uP為粉氣流速度，uP=0.25×ug；ug為氣流速度，ug=440 m/s。

真空條件下射流速度的衰減，根據(jù)文獻(xiàn)[11]，

式中，um為噴槍氣流速度；ue為噴槍出口氣流速度，約為530 m/s；x為槍位；K、α為系數(shù)；P0為噴粉槍入口壓力；Pe-真空槽內(nèi)壓力。

2.2 噴粉管與氧槍噴頭之間的位置

由于噴粉管在氧氣通道內(nèi)部，噴粉管出口位于氧氣噴頭入口處。盡管噴粉與吹氧操作不同時(shí)進(jìn)行，但噴粉管與氧槍噴頭之間位置設(shè)計(jì)不當(dāng)，噴粉管位置會(huì)對(duì)氧氣射流造成影響；氧氣噴頭也會(huì)對(duì)噴粉射流有影響。采用CFD軟件分析噴粉管位置對(duì)噴粉射流的影響及噴粉管位置對(duì)吹氧射流的影響，以期獲得噴粉管與氧槍噴頭之間的合理位置范圍。

2.2.1 建模

Fluent是通用的CFD軟件，具有較強(qiáng)的適應(yīng)及較廣的應(yīng)用面，可以用來求解一些幾何形狀和邊界條件都很復(fù)雜的流動(dòng)問題，還可以通過設(shè)置不同的控制參數(shù)進(jìn)行各種的數(shù)值計(jì)算。更為重要的是Fluent不受物理模型和實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷南拗疲`活性高，容易模擬真實(shí)條件和實(shí)驗(yàn)中只能接近而無法達(dá)到的理想條件。

本文以國內(nèi)某鋼廠RH多功能頂槍作為研究對(duì)象，按照其參數(shù)進(jìn)行建模。

2.2.2 噴粉管位置對(duì)噴粉射流的影響

由于氧氣噴頭為Laval管，一定條件下，噴粉射流經(jīng)過Laval管會(huì)對(duì)其流動(dòng)產(chǎn)生影響。在多功能頂槍噴粉操作條件下，改變圖2中噴粉管出口端到氧氣噴頭喉口距離L，結(jié)合工程實(shí)際，L取值在44～84 mm之間進(jìn)行了幾個(gè)位置的模擬，通過模擬可以看出粉劑通過噴粉管出口噴出后經(jīng)氧氣噴頭的速度變化。

如圖5、6、7所示，隨著內(nèi)置噴粉管到喉口距離L的增大，載氣的出口速度及載氣達(dá)到鋼液面時(shí)的速度減小，當(dāng)L=44 mm增加到L=84 mm時(shí)，載氣達(dá)到鋼液面時(shí)的速度減小了25 m/s左右。

圖5 距離L=44 mm噴粉時(shí)，laval噴管內(nèi)部的速度云圖

圖6 距離L=84 mm噴粉時(shí)，laval噴管內(nèi)部的速度云圖

圖7 不同噴粉管位置下，噴粉時(shí)氣流速度的衰減曲線

2.2.3 噴粉管位置對(duì)吹氧射流的影響

當(dāng)不進(jìn)行噴粉操作時(shí)，氧槍需要完成吹氧操作，噴粉管的位置不合適會(huì)對(duì)氧氣流產(chǎn)生影響。在多功能頂槍吹氧操作條件下，對(duì)噴粉管出口端到氧氣噴頭喉口距離L在44～84 mm之間進(jìn)行了幾個(gè)位置的模擬，通過模擬可以看出噴粉管位置對(duì)氧氣噴頭噴出的氧氣流的影響及氧氣噴頭后的速度變化。

如圖8、9、10所示，隨著內(nèi)置噴粉管到喉口距離L的增大，當(dāng)L=44 mm增加到L=64 mm時(shí)，氧氣的出口速度及氧氣達(dá)到鋼液面時(shí)的速度變化不大，但當(dāng)L繼續(xù)增大到74 mm時(shí)，氧氣的出口速度及氧氣達(dá)到鋼液面時(shí)的速度增大，氧氣衰減到鋼液面時(shí)的速度增加了45 m/s左右，L繼續(xù)增大到84 mm時(shí)，氧氣的出口速度及氧氣達(dá)到鋼液面時(shí)的速度變化不大。

圖8 距離L=44 mm吹氧時(shí)，laval噴管內(nèi)部的速度云圖

圖9 距離L=84 mm吹氧時(shí)，laval噴管內(nèi)部的速度云圖

圖10 不同噴粉管位置下，吹氧時(shí)氣流速度的衰減曲線

分析：減小內(nèi)置噴粉管到喉口距離L可以增大噴粉時(shí)載氣的出口速度及載氣達(dá)到鋼液面時(shí)的速度，有利于噴粉脫硫反應(yīng)，但減小到一定程度后將降低吹氧時(shí)氧氣的出口速度及氧氣達(dá)到鋼液面時(shí)的速度?？紤]到充分發(fā)揮RH多功能頂槍的噴粉與吹氧功能，噴粉管與氧槍拉瓦爾噴管之間的距離L存在合理的范圍。在本文設(shè)計(jì)條件下，綜合考慮使得吹氧管和噴粉管的速度都比較大，則噴粉管距離喉口的距離L取60～70 mm之間為宜。

3 使用效果

該多功能頂槍成功應(yīng)用于國內(nèi)某鋼廠RH，噴粉系統(tǒng)可達(dá)到的最大噴吹強(qiáng)度為250 kg/min，通常使用噴吹強(qiáng)度為100～200 kg/min，脫硫時(shí)間5～10 min，在不影響生產(chǎn)節(jié)奏的前提下，對(duì)于4～5 kg/噸鋼的脫硫劑單耗，平均脫硫率>40%。表1為某低硫鋼種RH噴粉前后的成分變化，脫硫率可達(dá)52%，使用效果良好，且不影響頂槍的脫碳、加熱、化學(xué)升溫、二次燃燒等功能。

表1 RH頂槍噴粉裝置使用效果 ×10-5

4 結(jié)束語

RH脫硫工藝操作要求的噴吹強(qiáng)度和粉劑出口速度決定RH多功能頂槍的噴粉管直徑。本文根據(jù)文獻(xiàn)資料進(jìn)行了噴粉槍內(nèi)徑和噴槍出口氣流速度設(shè)計(jì)計(jì)算。通過計(jì)算和Fluent軟件模擬對(duì)帶噴粉功能的RH多功能頂槍的噴粉管設(shè)計(jì)進(jìn)行了研究分析，得到了在給定氧槍設(shè)計(jì)條件下噴粉管與氧氣噴頭之間位置的最佳范圍，并成功應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)中，在不影響多功能頂槍傳統(tǒng)功能的前提下，取得了令人滿意的噴吹強(qiáng)度和脫硫效果。

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Design on powder injection pipe of RH multi-functional top lance

LIU An1，SUN Ya-fei1，REN San-bing2

(1.Baosteel Engineering & Technology Group Co.,Ltd.,Shanghai 201900,China；2.Baosteel Research Institute, Shanghai 201900,China)

This study investigates RH multi-functional top lance with powder injection at home and abroad. It analyzes what effect desulphurizing rate on three perspectives：powder jet intensity，grain size and the powder lance position. A computational fluid dynamics (CFD) software is used to analyze how powder injection pipe position effects powder injection and oxygen jet, which gets a reasonable range position between powder injection pipe and oxygen lance nozzle. An on-line designed situation shows when the distance L from powder injection pipe to nozzle throat is of 60～70 mm, the maximum injection strength could get 250 kg/min, desulfurization rate could be 52%.

RH;powder injection;oxygen lance;numerical simulation

TF777

A

1001-196X(2017)05-0074-05

2017-01-25；

2017-03-29

劉安(1964-)，男，陜西西安人，寶鋼工程技術(shù)集團(tuán)有限公司高級(jí)工程師，現(xiàn)從事爐外精煉設(shè)備設(shè)計(jì)、研發(fā)。