CN114854916B - 超音速风口喷吹装置及设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及高炉配件技术领域，特别是涉及一种超音速风口喷吹装置及设计方法。该超音速风口喷吹装置包括喷吹本体，所述喷吹本体上设有进风口，所述喷吹本体内贯穿设有与所述进风口连通的送风通道，所述送风通道包括沿气体流动方向布置并相连的第一通道段和第二通道段，所述第一通道段的内径沿气体流动方向逐渐减小，所述第二通道段呈拉瓦尔管形状。本发明的有益效果是：能够将亚音速的风速提高至超音速，得到均匀稳定的超音速气流，提高鼓风动能，从而改善风口前煤粉、富氢气体等喷吹物的燃烧效率，降低了燃料比，活跃了高炉炉缸中心，为高炉的顺行长寿创造了条件。

Description

超音速风口喷吹装置及设计方法

技术领域

本发明涉及高炉配件技术领域，特别是涉及一种超音速风口喷吹装置及设计方法。

背景技术

送风制度是高炉操作的基础，所以风口和鼓风动能直接影响着高炉各项经济指标以及高炉是否顺行，合适的鼓风动能可以确保一定长度的循环区，使高炉一次煤气流趋向中心，径向分布趋于均匀。目前很多高炉的鼓风动能往往不高，导致高炉中心无法被吹透，高炉炉缸不活跃，高炉中心死料柱透气性和透液性变差，铁水积聚在炉缸边缘，在出铁时容易形成环流，导致炉缸内衬局部呈象脚侵蚀。很多高炉通过调整喷吹装置来提高鼓风动能，但目前所使用的喷吹装置基本都是采用的传统亚音速设计，在一定的风量和风压下，无法达到超风速，鼓风动能的提高受到限制，虽然也有采用超音速设计的风口喷管，但其内型面采用的是直线型设计，当气体介质流经喷管进行加速时，不仅会在喷管内部产生很大的机械能损失，而且整个喷管内部气流的均匀性和流场品质也很差。因此，如何获取均匀稳定的超音速气流，从而提高鼓风动能，成了目前亟待解决的问题。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种超音速风口喷吹装置及设计方法，用于解决现有技术中喷吹装置内部超音速气流的均匀稳定性差的问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种超音速风口喷吹装置，包括喷吹本体，所述喷吹本体上设有进风口，所述喷吹本体内贯穿设有与所述进风口连通的送风通道，所述送风通道包括沿气体流动方向布置并相连的第一通道段和第二通道段，所述第一通道段的内径沿气体流动方向逐渐减小，所述第二通道段呈拉瓦尔管形状。

可选的，所述第一通道段的最小内径大于所述第二通道段的最大内径。

可选的，所述第二通道段包括沿气体流动方向依次相连设置的入口收缩段、临界段及出口扩张段，所述入口收缩段的内径沿气体流动方向减小，所述出口扩张段的内径沿气体流动方向增大。

可选的，所述第二通道段的轴心线与所述进风口的轴心线形成的夹角为0～30°。

可选的，所述喷吹本体上还设有进液口、出液口以及分布在所述送风通道外周的冷却通道，冷却液沿所述进液口进入所述冷却通道后由所述出液口流出。

为实现上述目的及其他相关目的，本申请还提供一种如上所述的超音速风口喷吹装置的设计方法，包括以下步骤：

S1：获取所述喷吹本体的设计参数；

S2：根据设计参数分别得出第二通道段中入口收缩段、临界段和出口扩张段的内型线；

S3：将所得的入口收缩段、临界段和出口扩张段的内型线依次拼接相连，以获得所述第二通道段的内型线；

S4：获取第二通道段中的临界段的气体速度，以确定出口扩张段的气体速度是否达到预设速度。

可选的，在所述步骤S1中，获取的所述喷吹本体的设计参数包括进入所述喷吹本体的气体参数以及所述喷吹本体的结构参数，所述气体参数包括气体流量Q、气体温度T和气体压力P，所述结构参数包括入口收缩段的入口半径R₁、临界段的入口半径R₀、临界段的出口半径R、出口扩张段的出口半径R₂以及入口收缩段的长度L，所述临界段的出口半径R大于或等于所述临界段的入口半径R₀。

可选的，所述入口收缩段的内型线公式为：

其中，0≤x＜L。

可选的，所述临界段的内型线为圆弧状，且所述临界段的内型线公式为：

其中，L≤x＜L+Rsinγ，γ为出口扩张段与第二通道段的轴心线形成的夹角，且0≤γ≤20°。

可选的，所述出口扩张段为直线状，且所述出口扩张段的内型线公式为：

y＝tanγ(x-Rsinγ-L)+R+R₀-Rcosγ，

其中，γ为出口扩张段与第二通道段的轴心线形成的夹角，且0≤γ≤20°。

如上所述，本发明的超音速风口喷吹装置及设计方法，至少具有以下有益效果：能够将亚音速的风速提高至超音速，得到均匀稳定的超音速气流，提高鼓风动能，从而改善风口前煤粉、富氢气体等喷吹物的燃烧效率，降低了燃料比，活跃了高炉炉缸中心，为高炉的顺行长寿创造了条件。

附图说明

图1显示为本发明超音速风口喷吹装置一实施例的结构示意图；

图2显示为图1中超音速风口喷吹装置的剖视图；

图3显示为图1中超音速风口喷吹装置的第二通道段内型线的示意图。

零件标号说明

1-喷吹本体；11-进风口；12-第一通道段；13-第二通道段；131-入口收缩段；132-临界段；133-出口扩张段；14-进液口；15-出液口；161-第一冷却段；162-第二冷却段；163-第三冷却段；164第四冷却段；165-第五冷却段；2-端头；21-第一焊接位置；22-第二焊接位置；3-导流隔板。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。

在对本发明实施例进行详细叙述之前，先对本发明的应用环境进行描述。本发明的技术主要是应用于高炉，特别是应用于高炉喷吹技术。本发明是解决喷吹气流的稳定性差、均匀性差，鼓风动能提高受限的技术问题。

参见图1至图3，在一实施例中，本申请提供一种超音速风口喷吹装置，包括喷吹本体1，喷吹本体1上设有进风口11，喷吹本体1内贯穿设有与进风口11连通的送风通道，送风通道包括沿气体流动方向布置并相连的第一通道段12和第二通道段13，第一通道段12的内径沿气体流动方向减小，第二通道段13呈拉瓦尔管形状。气体能够通过送风通道提升风速至超音速，以便喷吹出均匀、稳定的气流，提高鼓风动能，从而改善高炉炉缸中心的性能。

可选的，第一通道段12的最小内径大于第二通道段13的最大内径。

可选的，第一通道段12可以为锥形结构，使得气流更容易到达超音速，降低对第二通道段13形状结构的要求，从而降低第二通道段13的加工难度。

可选的，进风口11的内径可以沿气体流动方向逐渐减小，且最小内径大于第一通道段12的最大内径，进风口的小径端与第一通道段12的大径端相连。进一步的，进风口11的内壁面可以为曲面，例如为内凹的弧形面，有利于气流连续稳定的进入送风通道内。

参见图2和图3，在一实施例中，第二通道段13包括沿气体流动方向依次相连设置的入口收缩段131、临界段132及出口扩张段，入口收缩段131的内径沿气体流动方向减小，出口扩张段的内径沿气体流动方向增大。进入第二通道13的气体先在入口收缩段被压缩，当气体流速接近或超过音速时到达临界段，然后进入出口扩张段进一步加速，达到超音速，使得超音速气体进入高炉内。

可选的，第二通道段13的内径沿气体流动方向减小。其中，入口收缩段131的内径沿气体流动方向逐渐减小，入口收缩段131的内壁可以为曲面，例如为内凹的弧形面；临界段132的内壁面可以为曲面，例如为外凸的弧形面，临界段的内型线为圆弧状；出口扩张段的内径沿气体流动方向逐渐增大，出口扩张段的内型线为直线状，出口扩张段的内壁面可以为锥面。采用该结构设计的第二通道段降低了风量和风压对风速的限制，使得气流更容易到达超音速，第二通道段与第一通道段配合使得当气流经过送风通道加速时，气流更加均匀、稳定，避免产生较大的机械能损伤，有利于提高鼓风动能。

可选的，出口扩张段133与第二通道段的轴心线形成的夹角γ大于等于0°且小于等于20°，可以确保气体能够达到超音速和获得稳定的流场。

可选的，临界段132的内型线可以为圆弧形，临界段132的出口半径R大于或等于临界段132的入口半径R₀，可以确保临界段和出口扩张段的光滑衔接，并且入口收缩段也能够通过临界段与出口扩张段光滑过渡。

参见图2，在一实施例中，第二通道段13的轴心线与进风口11的轴心线形成的夹角θ可以为0～30°，例如可以为0°、10°、15°或30°中的任一角度，合适的夹角不仅能够保证气流提速的均匀性和稳定性，并且有利于降低生产制造难度。

可选的，第一通道段12与第二通道段13同轴设置，即通风通道的轴心线与进风口11的轴心线形成的夹角为θ。

参见图1和图2，在一实施例中，喷吹本体1上还设有进液口14、出液口15以及分布在送风通道外周的冷却通道，冷却液沿进液口14进入冷却通道后由出液口15流出，以实现对喷吹本体的冷却，延长喷吹装置的使用寿命。

可选的，超音速喷吹装置还包括端头2，端头2安装在喷吹本体1的前端，端头2可以通过焊接方式与喷吹本体1在第一焊接件位置21和第二焊接位置22处焊接，使得端头2与喷吹本体1牢固密封连接，也降低喷吹装置的加工难度。其中，端头2上设有导流隔板3，导流隔板3位于喷吹本体1与端头2围成的空腔中，导流隔板3的内壁与端头2的内壁之间形成螺旋冷却段。

可选的，冷却通道包括依次连通的第一冷却段161、第二冷却段162、第三冷却段163、第四冷却段164和第五冷却段165，第一冷却段161与进液口14连通，第五冷却段165与出液口15连通。导流隔板3的内壁与端头2的内壁之间形成的螺旋冷却段为第三冷却段163，导流隔板3的外壁与喷吹本体1的壁面之间形成第四冷却段164，第一冷却段161和第五冷却段165均设置在喷吹本体1远离端头2的一端，第二冷却段162设置在端头2远离喷吹本体1的一端，冷却液从进液口14进入冷却通道，流经第一冷却段161进入第二冷却段162，再进入第三冷却段163，再进入第四冷却段164，再进入第五冷却段165后由出液口15排出。采用该结构设计，大大提升了喷吹装置的冷却能力，延长了喷吹装置的使用寿命。

可选的，喷吹本体1可以由纯铜制成。

可选的，端头2可以由纯铜制成。

参见图1至图3，在一实施例中，本申请还提供一种如上任一实施例中的超音速风口喷吹装置的设计方法，包括以下步骤：

S1：获取所述喷吹本体的设计参数；

S2：根据设计参数分别得出第二通道段中入口收缩段、临界段和出口扩张段的内型线；

S3：将所得的入口收缩段、临界段和出口扩张段的内型线依次拼接相连，以获得所述第二通道段的内型线；

S4：获取第二通道段中的临界段的气体速度，以确定出口扩张段的气体速度是否达到预设速度。

可选的，在步骤S1中，获取的喷吹本体1的设计参数包括进入喷吹本体1的气体参数以及喷吹本体1的结构参数。其中，气体参数包括气体流量Q、气体温度T和气体压力P；结构参数包括入口收缩段131的入口半径R₁、临界段132的入口半径R₀、临界段132的出口半径R、出口扩张段的出口半径R₂以及入口收缩段131的长度L，临界段132的入口半径R₀即为入口收缩段131的出口半径，临界段132的出口半径R即为出口扩张段的入口半径。其中，体流量Q、气体温度T、气体压力P、入口收缩段131的入口半径R₁、临界段132的入口半径R₀、临界段132的出口半径R、出口扩张段的出口半径R₂以及入口收缩段131的长度L为已知常数，临界段的出口半径R大于或等于临界段的入口半径R₀。

可选的，在步骤S2和步骤S3中，入口收缩段131的内型线公式为：

其中，0≤x＜L。根据入口收缩段的内型线公式得出入口收缩段的内型线，该内型线结合入口收缩段131的入口半径R₁、临界段132的入口半径R₀得到的旋成体即为入口收缩段。

可选的，临界段132的内型线可以为圆弧状，且临界段的内型线公式为：

其中，L≤x＜L+Rsinγ；γ为直线段与第二通道段的轴心线形成的夹角，且0≤γ≤20°；临界段的内型线结合临界段的入口半径R₀和临界段的出口半径R得到的旋成体即为临界段，临界段的长度可以根据需求选择。

可选的，出口扩张段的内型线可以为直线状，出口扩张段133的内型线公式为：

y＝tanγ(x-Rsinγ-L)+R+R₀-Rcosγ，

其中，γ为出口扩张段与第二通道段的轴心线形成的夹角，且0≤γ≤20°；出口扩张段的内型线结合临界段的出口半径R和出口扩张段的出口半径R₂得到的旋成体即为出口扩张段，出口扩张段的长度可以根据需求选择。入口收缩段132的内型线、临界段132的内型线与出口扩张段133的内型线依次相连拼接得到第二通道段的内型线，入口收缩段131、临界段132和出口扩张段依次拼接以获得第二通道段13，第二通道段13与第一通道段12拼接以获得送风通道。

可选的，在步骤S4中，可以通过气体速度检测装置对流经临界段132的气体进行测速，或者也可以根据气体流速计算公式计算气体流速，气体流速计算公式为：

气体流速＝V/(T×S)；

其中，根据压缩气体时间T内排出气体的体积V和临界段横截面的面积S计算临界段的流速。流速测量简单方便，流速测量准确度高，有利于准确判断喷出的气体流速是否达标。进一步的，获取的临界段的气体速度可以为临界段132入口处的气体速度。

为进一步阐述该设计方法，下面以一具体实施例来进一步举例说明，但并非限定该设计方法仅局限于以下实施例。

S1：获取单个喷吹主体的喷吹气体流量Q＝189m³/min；获取气体温度T＝1230℃；获取气体压力P＝440KPa；获取入口收缩段的入口半径R₁＝75mm；获取临界段的入口半径R₀＝55mm；获取临界段的出口半径R＝300mm；获取喷吹出口扩张段的出口半径R₂＝62.5mm；获取入口收缩段的长度L＝120mm；获取满足条件0≤γ≤20°的γ，取γ＝6°。

S2：根据设计参数得出入口收缩段的内型线为：

根据设计参数得出临界段的内型线为：

其中，L≤x＜L+Rsinγ。

根据设计参数得出出口扩张段是内型线为：

其中，

S3：将所得的入口收缩段、临界段、出口扩张段的内型线依次相连相互拼接，得到第二通道段的内型线。

S4：计算出临界段的气体速度为342m/s，达到了超音速，从而确保了出口扩张段出口处的气体也达到了超音速。

本发明的超音速风口喷吹装置及设计方法，能够有效提高风口的气体喷吹速度，提高鼓风动能，活跃高炉炉缸中心，为高炉的强化冶炼创造一定的技术条件。

在本说明书的描述中，参考术语“本实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (7)

1.一种超音速风口喷吹装置，其特征在于：包括喷吹本体，所述喷吹本体上设有进风口，所述喷吹本体内贯穿设有与所述进风口连通的送风通道，所述送风通道包括沿气体流动方向布置并相连的第一通道段和第二通道段，所述第一通道段的内径沿气体流动方向逐渐减小，所述第一通道段的最小内径大于所述第二通道段的最大内径，所述第二通道段呈拉瓦尔管形状，所述第二通道段的轴心线与所述进风口的轴心线形成的夹角为0～30°；所述喷吹本体上还设有进液口、出液口以及分布在所述送风通道外周的冷却通道，冷却液沿所述进液口进入所述冷却通道后由所述出液口流出。

2.根据权利要求1所述的超音速风口喷吹装置，其特征在于：所述第二通道段包括沿气体流动方向依次相连设置的入口收缩段、临界段及出口扩张段，所述入口收缩段的内径沿气体流动方向减小，所述出口扩张段的内径沿气体流动方向增大。

3.一种如权利要求1或2任一项所述的超音速风口喷吹装置的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：获取所述喷吹本体的设计参数；

S2：根据设计参数分别得出第二通道段中入口收缩段、临界段和出口扩张段的内型线；

S3：将所得的入口收缩段、临界段和出口扩张段的内型线依次拼接相连，以获得所述第二通道段的内型线；

S4：获取第二通道段中的临界段的气体速度，以确定出口扩张段的气体速度是否达到预设速度。

4.根据权利要求3所述的设计方法，其特征在于：在所述步骤S1中，获取的所述喷吹本体的设计参数包括进入所述喷吹本体的气体参数以及所述喷吹本体的结构参数，所述气体参数包括气体流量Q、气体温度T和气体压力P，所述结构参数包括入口收缩段的入口半径R₁、临界段的入口半径R₀、临界段的出口半径R、出口扩张段的出口半径R₂以及入口收缩段的长度L，所述临界段的出口半径R大于或等于所述临界段的入口半径R₀。

5.根据权利要求3所述的设计方法，其特征在于：所述入口收缩段的内型线公式为：

其中，0≤x＜L。

6.根据权利要求3所述的设计方法，其特征在于：所述临界段的内型线为圆弧状，且所述临界段的内型线公式为：

其中，L≤x＜L+Rsinγ；γ为出口扩张段与第二通道段的轴心线形成的夹角，且0≤γ≤20°。

7.根据权利要求3所述的设计方法，其特征在于：所述出口扩张段为直线状，且所述出口扩张段的内型线公式为：

y＝tanγ(x-Rsinγ-L)+R+R₀-Rcosγ，

其中，γ为出口扩张段与第二通道段的轴心线形成的夹角，且0≤γ≤20°。