淺議拉瓦爾噴頭.pdf

第 8 卷第 2 期 寬厚板 2 5 淺議拉瓦爾噴頭 李軍英 舞陽(yáng)鋼鐵 有限責(zé)任公 司技 改部 Br i e f De s c r i p t i o n o f La v a l No z z l e Li J u n y i n g Te c h n i c a l Re n o v a t i o n D e p a r t me n t o f W u y a n g I r o n a n d S t e e l Co Lt d 拉瓦爾噴頭是一個(gè)收縮一擴(kuò)張型噴管 通過(guò) 此噴頭能夠使具有一定壓力及較低速度的氣體產(chǎn) 生超音速流 見(jiàn)圖 1 f Y P A I l 1 f 一 P t I 喉 收縮段 口 擴(kuò)張段 圖 1 拉瓦 爾噴頭原理 示意圖 根據(jù)流體力學(xué)的原理 氣體在穩(wěn)定流動(dòng)狀態(tài) 下 單位時(shí)間內(nèi)氣體經(jīng)過(guò)噴嘴的每一個(gè)截面的氣 體質(zhì)量均相等 因此在通常的情況下 低流速 高 壓強(qiáng) 截面的噴嘴應(yīng)當(dāng)具有大面積 而高流速 低 壓強(qiáng) 截面的噴嘴應(yīng)有小面積 所以氣體 由噴嘴進(jìn) 口處 A進(jìn) 八后 噴嘴開(kāi) 始一段 由大到 小逐 漸收 縮 而氣流速度逐漸增大 當(dāng)沿氣流流動(dòng)方 向截面 收縮到最小處 K時(shí) 流速達(dá)到 臨界速 度即音速 此時(shí)壓力近似為噴嘴進(jìn) 口處的壓力之半 即 P 一 0 5 P 為了使噴嘴出口處的壓力 P 低于 P 必 須在噴嘴臨界面以后再加一段漸擴(kuò)段 這樣可以 在噴嘴出 口處獲得 比音速 還要 大的流速 即超 音 速 并在該處建立低壓區(qū)域t l 拉瓦爾噴頭的構(gòu)造 典型的拉瓦爾噴頭一般有收縮段 喉 口 擴(kuò)張 段三部分組成 1 1 收縮段 收縮段的作用是將氣流從低速即小于馬赫數(shù) 例如 M 0 2 加速到音速即馬赫數(shù) M 1 左 右 因?yàn)槭湛s段的初始部分氣流速度 比較低 所 以 從恒截面的中心管到收縮段必然有個(gè)過(guò)渡 按理 想從恒截面的中心管到 圓錐形收縮段應(yīng)當(dāng)逐漸過(guò) 渡 然而假定錐角不太大 來(lái)流馬赫敷又 比較低 則實(shí)際上收縮段可以與恒截面的中心管相交 當(dāng) 然交接處圓滑 一些 比急劇的轉(zhuǎn)角為好 這主要是 為了避免噴頭內(nèi)應(yīng)力集中及使氣流平緩 收縮段 的長(zhǎng)度通常取定于收縮段 的半錐角 中心管直 徑 d 十 喉 口直徑 可按下式 L c t g q d 十 2 一 d 瞄 2 求得 收縮段 的半錐角一般選取比較大 可為 3 O 同時(shí)從收縮段到喉口過(guò)渡部分用同一個(gè)大致不變 的曲率半徑 其 曲率半徑稍大于喉 口半徑就可以 了 這樣做的目的是為 了使過(guò)渡非常光滑和平緩 1 2 喉口部分 理 論上講 只要 喉口上游和 下游的截面積變 化足夠平緩 喉 口的長(zhǎng)度可以為 0 例如喉 口內(nèi)壁 曲率半徑為喉 口半徑 的 1 5倍 則噴出系數(shù)應(yīng)為 0 9 9 左右 這 時(shí)收縮段與擴(kuò)張段與形成喉 口的弧 相切 因而最小截面的一段長(zhǎng)度實(shí)際上等于 0 但 是這樣的噴頭難于制作 為了方便收縮段與擴(kuò)張 段的加工 喉 口應(yīng)有一定的長(zhǎng)度 一般恒截面喉 口 的長(zhǎng)度不超過(guò)噍 口直徑 因?yàn)殡S喉 口長(zhǎng)度增大 喉 口有效截面積減少 反而會(huì)造成噴出系數(shù)減少 已知給定的氣體流量和氣體的滯止?fàn)顟B(tài) 則 喉 口斷面積可以由下式求 出 維普資訊 2 6 2 0 0 2 年第 2期 一 c 南 l 0 式中 F 一 氣體流量 k g s K一一 氣體的等 壓熱容 與等容 熱容 量之 比 對(duì)于氧氣 K一1 4 R一氣體常數(shù) 對(duì)于氧氣 R一2 5 9 7 J k g K P 一 工 作壓 力 k g f c m T 一一 氣體溫度 K A 喉 口斷 面 積 C n l 1 3擴(kuò)張 段 擴(kuò)張段半頂角的適用范 圍一般采用 5 左右 大家知道 因?yàn)閿U(kuò)張角太大 在噴頭出 口處產(chǎn)生的 激波 比較嚴(yán) 重 導(dǎo)致 射流擴(kuò)散 比較快 擴(kuò) 張角太 小 則超音速通道很長(zhǎng) 附面層過(guò)厚和產(chǎn)生壓力損 失 從喉口到擴(kuò)張段的過(guò)渡應(yīng)該非常光精和平緩 現(xiàn)實(shí)的辦法是喉 口到擴(kuò)張段的過(guò)渡處 采用同一 個(gè)大致不變的曲率半徑 從擴(kuò)張段到噴頭端面相 交處有一小的曲率半徑 為好 大的藍(lán)率半徑會(huì)使 氧氣射流不穩(wěn)定 減少其穿透能力 2 拉瓦爾噴頭的作用和應(yīng)用 由于拉瓦 爾噴頭能獲得超音速流 的特性 在 冶金行業(yè)最早 應(yīng)用在轉(zhuǎn)爐煉鋼 特別是頂吹氧氣 轉(zhuǎn)爐煉鋼 的生產(chǎn)中 而它應(yīng) 用于 電弧爐鋼其實(shí) 只 是近十年來(lái)的事情 拉瓦 爾噴頭在電弧爐煉鋼生產(chǎn)中的主要作用 是通過(guò)拉瓦 爾噴頭 向電弧爐 吹入氧氣 可最大限 度的把氧氣的壓力能轉(zhuǎn)變成動(dòng)能 與傳統(tǒng)的 自耗 性管 吹氧氣相 比 利用高速的氧氣流切割遠(yuǎn)離高 溫區(qū)的廢鋼 增加了爐料受熱面積 使?fàn)t料 中 C S i Mn P等元素迅速氧化并放 出大量熱量 直接 加速了爐料的熔化 并且 由于拉瓦爾噴頭得到的 超音速氧氣流 在同樣的穿透深度下 對(duì)熔池 的沖 擊面積最大 這對(duì)加速 C的氧化 雜質(zhì)的去除速 度 減少熔 池的 噴濺 都 是 非常 有 利 的 我 公 司 1 9 9 5年引進(jìn)的 9 0 t超高功率 電弧爐用的碳 氧槍 氧槍噴頭就是典型的拉瓦爾噴頭 通 過(guò)向熔池吹入超音速氧氣流的同時(shí) 噴吹 C粉 引起爐渣起泡 這改善 了電弧的屏蔽 減少 了電爐壁及水冷爐蓋的熱輻射 可 以大大提高電 爐爐壁及水冷爐蓋的使用壽命 拉瓦爾噴頭在 電弧爐煉鋼生產(chǎn)中的另一個(gè)作 用是利用其結(jié)構(gòu)即氧一燃燒嘴向電爐內(nèi)噴入氧及 其它燃料 通過(guò)在電爐冷 區(qū)配置固定的氧一燃燒 嘴 向爐內(nèi)噴入氧及 其它燃料 如重 油 c粉 柴 油 形成的非電極熱源 直接加快了廢鋼的熔化過(guò) 程 并且減小 了電孤櫨 內(nèi)由三根 電極電弧形成 的 三個(gè)點(diǎn)熱源對(duì)爐料加熱的不均 勻 尤其對(duì)超高功 率 電弧爐 避免了 由爐 料坍塌 引起的大翻騰及 電 極折段現(xiàn)象 我公司 2 0 0 0年 自行改造設(shè)計(jì)的 9 0 t電弧爐用的氧一重油燒嘴也是采用典型 的拉 瓦 爾噴頭 由于氧一重油燒嘴 的應(yīng)用 使我公司 9 0 t電弧爐每爐鋼冶煉時(shí) 間縮短 5 rai n以上 噸鋼 成本降低接近百元 使我公司產(chǎn)品在市場(chǎng)中的競(jìng) 爭(zhēng)能力有了提高 由于對(duì)高質(zhì)量鋼 的需求 爐外精煉技術(shù)出現(xiàn) 并得到飛速發(fā)展 拉瓦爾噴頭又以其獨(dú)有的特性 被再次應(yīng)用 在爐外精煉裝置中 其中最典型的例 子就是冶煉不銹鋼種時(shí)的 VOD工藝中應(yīng)用的單 孔或多孔氧槍噴頭 由單孔拉瓦爾氧槍噴頭過(guò)渡到多孔拉瓦爾氧 槍噴頭 沖擊面積有所擴(kuò)大 更重要的是通過(guò)臺(tái)理 選取噴孔數(shù) 噴孔傾斜 角和噴孔之間的距離 使超 高音速氧氣 射流對(duì)熔池 的沖擊點(diǎn)適當(dāng)分散 可以 得到化渣恢 雜質(zhì)氧化快 噴濺少 爐齡長(zhǎng)的良好 效 果 由于應(yīng)用于 電弧爐煉鋼生產(chǎn) 中的拉瓦爾噴頭 經(jīng) 常工作 在爐 內(nèi) 8 0 0 高溫以上 材料一般選用 導(dǎo)熱性能好的紫銅或黃銅 經(jīng)鍛造和切削加工制 成 也有用壓力澆注 的 噴頭用雙層套管通水冷 卻 圖 2是設(shè)計(jì)在 9 0 t 電爐 VOD吹氧裝置中的典 型單孔拉瓦爾噴頭結(jié)構(gòu)圖 圖 3是應(yīng)用于氧一燃 燒嘴的拉瓦爾噴頭結(jié)構(gòu)圖 nl I 引 售 1 b L 0 1 7 3 0 2 1 7 圖 2 VO D爐吹氧裝置 中的拉瓦爾噴頭 囤 下轉(zhuǎn)第 4 8頁(yè) 維普資訊 4 8 2 0 0 2 年第 2 期 大線能量焊接技術(shù) 除了鋼材的制造外 對(duì)焊接金 屬本身的質(zhì)量要求也 同時(shí)提高 了 焊接 中新的焊 接技術(shù)的開(kāi)發(fā)也是今后大線能量焊接用鋼板實(shí)用 化時(shí)的重要技術(shù)課題 為實(shí)現(xiàn) 能適應(yīng)這些新 時(shí)代需要的鋼 板 作為 促進(jìn) TMC P技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵是臺(tái)金元素的固溶 析出 相變強(qiáng)化作用的定量化技術(shù) 因此希望能確 立與 往概念不同的工藝設(shè)計(jì)技術(shù)和成分設(shè)計(jì)技 術(shù) 在實(shí)用化時(shí) 變更 現(xiàn)有淬火回火為對(duì)象的高 強(qiáng)度鋼材的規(guī)格體系也是必須考慮的 強(qiáng)度更高 壁厚更厚 尤其是具備高性能的大 線能量焊接用鋼板通過(guò)與新開(kāi)發(fā)的各種焊接法的 組合一定能應(yīng)用于各種焊接鋼結(jié)構(gòu) 從這個(gè)意義 上來(lái)看 作為一種高性能鋼需求時(shí)代的到來(lái) 所要 求的不僅是焊接時(shí)的效率 而且要有助于提 高焊 接時(shí)整個(gè)工序的效率 高性能鋼板 圖 5 與提高焊接施工效率和高性 能相對(duì)應(yīng) 的新型鋼 板 7 結(jié)束語(yǔ) 在追求經(jīng)濟(jì)性和安全性 的歷史潮流中 特別 是伴隨造船業(yè)發(fā)展而開(kāi)發(fā)的大線能量焊接用鋼板 目前已應(yīng)用于各種焊接鋼結(jié)構(gòu)物 如圖 5所示 從 這個(gè)意義上來(lái)說(shuō) 作為不僅能提高焊接效率 而且 上接第 2 6頁(yè) 有助于提高焊接施工全工 序效率的鋼材 除了以 往的大線能量焊接性能外 向用戶提供 能減輕焊 接操作時(shí)的修整工作強(qiáng)度 和能提高焊接精度的鋼 材是 2 1世紀(jì)厚板制造廠的義務(wù) I I 窨 l 寶 1 e e 1 一 0 圓 I 4 17 2 o 6 圖 3 用于 氧一燃燒嘴 的拉 瓦爾噴頭圖 此外 由于拉瓦 爾噴頭在噴嘴出口處獲得超 音速 并在該處建立低壓區(qū)域 因此假設(shè)噴嘴出口 與一密閉空腔相通 就可使密閉空腔 內(nèi)的氣體不 斷的被高速 流體帶走 而使腔 內(nèi)壓力下降形成負(fù) 壓 并最終形成真空 在爐外精煉裝置中 抽真空 用的蒸汽式噴射泵內(nèi)部結(jié)構(gòu)即是典型的單孔拉瓦 爾噴頭 通過(guò)把鋼包內(nèi)的鋼水置于一密閉容器 此 密閉容器被稱作真空罐 通過(guò)密閉管路與蒸汽式 噴射泵出口相連 就可使鋼包內(nèi)的鋼水從大氣壓 力抽至真空狀態(tài) 由于壓力r的降低溶于鋼水內(nèi)的 氫氣 氧