中心管插入深度与粉末流量对超音速气固喷射特性的影响及其在电弧炉高效冶炼中的应用

针对电弧炉炼钢中石灰块熔融慢、脱磷效率低的问题，研究人员设计了一种中心管式超音速气固喷枪，通过数值模拟揭示了插入深度（5-25 mm）和粉末流量（0.2-0.8 kg/s）对喷射长度、湍流动能（TKE）和涡度分布的影响。结果表明，25 mm插入深度使喷射长度提升1.6倍，粉末流量增加可减缓气相速度衰减，为电弧炉少渣高效冶炼提供了理论依据。

　　

在钢铁冶炼领域，石灰作为泡沫渣生成的主要成分，其熔融速度和脱磷效率直接影响生产效能。然而，传统电弧炉（EAF）中石灰以块状加入熔池，存在熔融慢、利用率低等问题，导致冶炼成本增加。针对这一挑战，研究人员提出了一种创新解决方案——通过超音速气固喷射技术将石灰粉末直接输送至钢渣界面，以加速反应过程。

中国某研究团队在《Results in Engineering》发表论文，设计了一种中心管式超音速气固喷枪，采用计算流体动力学（CFD）模型结合离散相模型（DPM），系统研究了中心管插入深度（5/15/25 mm）和粉末流量（0.2-0.8 kg/s）对喷射特性的影响。研究通过网格独立性验证和冷态实验验证了模型的可靠性，并利用k-ε湍流模型分析速度场、湍流动能（TKE）和涡度分布。

主要技术方法
研究采用欧拉-拉格朗日（Eulerian-Lagrange）方法模拟气固两相流，建立中心管式拉瓦尔喷嘴模型，设置三种插入深度和五种粉末流量工况。通过耦合算法求解可压缩N-S方程，采用可实现k-ε模型计算湍流特性，并利用标准壁函数处理近壁流动。冷态实验中，压力传感器监测管道压力变化，与模拟结果误差控制在2%以内。

研究结果

1. 不同中心管插入深度的轴向速度
   25 mm插入深度喷嘴的喷射长度是5 mm的1.6倍，中心轴气相速度在1.5 m处达186.4 m/s。15 mm插入时绕流氧峰值速度达483.2 m/s，但25 mm结构整体速度衰减更慢。

2. 径向速度分布
   25 mm插入深度在径向距离r>250 mm时速度显著高于其他结构，表明深插入可延缓速度衰减。

3. 湍流动能（TKE）分析
   15 mm插入时TKE峰值最高（11,614.2 m²/s²），但25 mm结构的高TKE区域更延展，显示能量交换更持久。

4. 粉末流量的影响
   粉末流量增至0.8 kg/s时，喷嘴出口峰值速度降低至306.7 m/s，但冲击界面速度仍保持178.6 m/s。绕流氧速度仅下降13.7 m/s，表明其对中心粉末喷射具有保护作用。

结论与意义
该研究首次阐明了中心管结构参数与粉末流量对超音速气固喷射的协同调控机制：

1. 25 mm插入深度通过延长加速路径，使喷射动能提升60%，同时维持绕流氧速度在480 m/s以上；
2. 粉末流量增加虽降低局部峰值速度，但通过增强气固耦合效应，最终冲击动能保持稳定；
3. TKE分布揭示15 mm插入时湍流强度最大，而25 mm结构更利于能量传递至熔池深处。

这项成果为电弧炉少渣冶炼工艺优化提供了关键理论支撑，通过精准调控喷枪结构，可实现石灰利用率提升和脱磷效率优化，对钢铁工业节能减排具有重要意义。