Багатосопловий наконечник фурми для верхнього продування

Реферат: UA 114045 C2 (12) UA 114045 C2 Винахід належить до металургії. Багатосопловий наконечник фурми для верхнього продування містить верхню та нижню тарілки, тангенціально розташовані сопла, канали підведення та відведення охолоджувача і його розподільник з центральним отвором на торцевій частині, причому за кожним тангенціально розташованим соплом у розподільнику виконаний принаймні один периферійний отвір, розташований таким чином, що кут, який утворений прямими лініями, що пересікаються у центрі перерізу сопла поверхнею розподільника та проходять відповідно через центр розподільника та геометричний центр периферійних отворів, визначається із заявленого співвідношення, а відстань між геометричним центром периферійних отворів і центром перерізу сопла, є не більше, ніж один приведений радіус перерізу сопла, а відношення сумарної площі прохідних перерізів периферійних отворів і сумарної площі прохідних перерізів периферійних та центрального отворів визначається із заявленого співвідношення. Винахід підвищує ефективність охолодження як центральної частини, так і засоплових ділянок у наконечнику фурми, зменшує втрати тиску охолоджувача в головці, тобто збільшує стійкість наконечника та фурми в цілому. UA 114045 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Винахід належить до металургії, зокрема до багатосоплових продувальних фурм сталеплавильних агрегатів (кисневі конвертери, електросталеплавильні, мартенівські та двованні печі, агрегати конвертерного типу для рідкофазного відновлення заліза тощо). Відомий наконечник фурми для продування металу [1], який містить верхню та нижню тарілки, сопла, що з'єднуються з ними сферичними шарнірами і сферичними шарнірними втулками, та розподільник охолоджувача, у якому діаметр центрального отвору є не меншим, ніж зовнішній діаметр верхньої тарілки, причому внутрішня труба має можливість обертатися відносно осі фурми. Використання такої конструкції наконечника дозволяє під час продування металевої ванни газом за рахунок відповідного переміщення верхньої тарілки (за допомогою спеціального механізму переміщення) змінювати кути нахилу сопел до осі фурми як у вертикальній, так і у горизонтальній площинах, тобто забезпечити можливість продування сталеплавильної ванни газовими струменями, що зорієнтовані у просторі агрегату тангенціально відносно осі фурми. Відомо, що за рахунок тангенціальної складової сумарного імпульсу кисневих струменів у місці зустрічі їх з поверхнею металевої ванни суттєво підвищується ефективність продування розплаву у сталеплавильному агрегаті: поліпшується перемішування у системі "металевий розплав-шлак-газова фаза", підвищується ступінь розосередження окиснювального дуття у ванні, зменшується локальний перегрів реакційної зони, знижується інтенсивність бризко- та пилоутворення у зоні продувки, поліпшується керованість плавкою, зменшується інтенсивність заметалювання та підвищується стійкість фурми, футерівки горловини агрегату та іншого устаткування, поліпшуються процеси шлакоутворення, дефосфорації та десульфурації металу, збільшується ступінь допалювання конвертерних газів, що відходять, та поліпшується тепловий баланс плавки [2, 3 та ін.]. Однак, у відомому технічному рішенні основна кількість води перетікає з підвідного тракту у відвідний через кільцевий зазор між соплами та розподільником, не попадаючи у міжсоплову зону наконечника, особливо в багатосоплових фурмених головках, що мають достатньо великі зовнішні діаметри продувальних сопел. Це не дозволяє забезпечити надійне охолодження центральної частини головки фурми (високі показники її стійкості) та запобігти інтенсивному ерозійному зношуванню вихідних ділянок продувальних сопел. Відомий багатосопловий наконечник (головка) кисневої фурми для верхнього продування [4] - найближчий аналог, що містить верхню та нижню тарілки, тангенціально розташовані сопла, канали підведення та відведення охолоджувача (охолоджувальної води) і його розподільник з центральним отвором на торцевій частині, причому діаметр центрального отвору є близьким до діаметра кола, що проведене через точки перетину осей сопел з поверхнею розподільника води. Внаслідок того, що у відомому наконечнику розподільник охоплює зовнішню поверхню сопел (принаймні на половину - від точки натікання води до умовного кола, що проведене через точки перетину осей сопел з поверхнею розподільника води), практично весь потік охолоджуючої води попадає в центральну частину (міжсоплову область) наконечника, яка обмежена умовним колом, що проведене через точки перетину осей сопел з поверхнею розподільника води. Це дозволяє забезпечити надійне охолодження центральної частини торця наконечника та вихідних ділянок продувальних сопел. Проте, при організації подачі всього потоку води, який надходить до фурми, в центральну частину наконечника істотно зростає гідравлічний опір останнього, що пов'язано з занадто великим перекриттям перерізу для проходу води в наконечнику тілом розподільника і соплами. Це призводить до необхідності суттєвого збільшення тиску охолоджувача на вході в фурму (додаткових витрат електроенергії та необхідності використання більш потужних насосів), а при відсутності такої можливості до зменшення витрати води через фурму. В останньому випадку значно погіршується охолодження як наконечника, так і стовбура фурми, суттєво зменшується їх стійкість. Крім того, поблизу внутрішньої поверхні нижньої тарілки такого наконечника за кожним тангенціально розташованим соплом (по напрямку руху води) утворюється зона неорганізованої вихрової течії охолоджувача з низькою його швидкістю. Це погіршує охолодження як нижньої тарілки, так і вихідних ділянок сопел, призводить до прискорення їх ерозійного зношування, дестабілізації дуттьового режиму плавки та, як наслідок, до погіршення цілого ряду техніко-економічних показників виплавки сталі. У наконечниках зварювальної конструкції додатково знижується стійкість найбільш проблемних зварювальних швів сопел з нижньою тарілкою. В основу винаходу поставлена задача удосконалити багатосопловий наконечник кисневої фурми для верхнього продування з тангенціально розташованими соплами, в якому, за рахунок зміни конструктивних параметрів розподільника охолоджувальної води, поліпшується структура 1 UA 114045 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 течії води поблизу внутрішньої поверхні нижньої тарілки, запобігається утворення зон вихрових течій води поблизу тангенціально розташованих сопел (у засоплових зонах), покращується охолодження та збільшується стійкість нижньої тарілки та вихідних ділянок продувальних сопел, а також зменшуються втрати тиску водяного потоку у головці фурми. Для наконечників зварювальної конструкції збільшується стійкість зварювальних швів сопел з нижньою тарілкою. Рішення поставленої задачі здійснюється за рахунок того, що у багатосопловому наконечнику фурми для верхнього продування, що містить верхню та нижню тарілки, тангенціально розташовані сопла, канали підведення та відведення охолоджувача і його розподільник з центральним отвором на торцевій частині, за кожним соплом у розподільнику виконаний принаймні один периферійний отвір, який розташований таким чином, що кут γ, який утворений прямими лініями, що пересікаються у центрі перерізу сопла поверхнею розподільника та проходять відповідно через центр розподільника та геометричний центр периферійних отворів, дорівнює 0,2-0,8β, де β - кут тангенціальної складової розташування сопла відносно вертикальної осі наконечника, а відстань між геометричним центром периферійних отворів і центром перерізу сопла, є не більшою, ніж один приведений радіус перерізу сопла, причому відношення сумарної площі прохідних перерізів периферійних отворів і сумарної площі прохідних перерізів периферійних та центрального отворів складає 0,2-0,6. Крім того, один із периферійних отворів біля кожного сопла утворений зовнішньою поверхнею цього сопла та вирізом еліпсоподібної форми у розподільнику, причому відношення сумарної площі прохідних перерізів вказаних периферійних отворів і сумарної площі прохідних перерізів периферійних та центрального отворів є не меншим ніж 0,3. А також один із периферійних отворів біля кожного сопла з'єднаний з периферійним отвором, що утворений зовнішньою поверхнею сопла та вирізом еліпсоподібної форми у розподільнику, має форму частини еліпса, центр якого розташований на лінії, що проходять через центр перерізу сопла та геометричний центр периферійних отворів. При створенні винаходу виходили з наступних положень. При виконанні на торцевій частині розподільника охолоджувальної води, окрім центрального отвору, за кожним соплом принаймні одного периферійного отвору приведений центр якого знаходитиметься на лінії, що виходить з центру розрізу сопла площиною розподільника та відстоїть від радіальної лінії, що проходить через центр розподільника та центр розрізу сопла на кут γ, що знаходиться в заявленому діапазоні, забезпечується відповідність місцезнаходження периферійного отвору та зони, де можливе утворення вихрової замкнутої течії води, що зміщується з радіальної лінії, що проходить через центр розподільника та центр розрізу сопла площиною розподільника, внаслідок зміни форми розрізу сопла (в площині руху води для кожної трубки току) с круглого на еліпсоподібне. Величина відстані центру зони можливого утворення вихрової течії від радіальної лінії, що проходить через центр розподільника та центр розрізу сопла площиною розподільника, залежить від діаметру сопла та куту його тангенціальної складової. Приведений центр периферійного отвору знаходиться будь яким відомим способом розрахунку місцезнаходження центра плоскої замкненої фігури. Зона можливого утворення вихрової течії зазвичай розташована за кожним соплом між двома радіальними лініями, що виходять з центру наконечника та торкаються зовнішньої поверхні сопла з обох боків, а також між зовнішньою поверхнею сопла та колом, діаметр якого більше діаметра кола, що проходить через центри розрізів сопел площиною розподільника, на величину діаметра вказаних розрізів сопел. Якщо кут γ становитиме більше ніж 0,8β або менше, ніж 0,2β, то приведений центр периферійного отвору буде занадто віддалений від центру зони можливого утворення вихрової течії, що не дозволить повністю виключити можливість утворення замкнутої вихрової течії. При виконанні периферійних отворів, таким чином, що відношенням сумарної площі прохідних перерізів периферійних отворів і сумарної площі прохідних перерізів периферійних та центрального отворів, що знаходиться в заявленому діапазоні, забезпечується оптимальний перерозподіл витрат потоків охолоджувальної води в головці фурми, що проходять через центральний та периферійні отвори у розподільнику. При цьому одночасно забезпечується: 1) підведення достатньої (для надійного охолодження нижньої тарілки та вихідних ділянок сопел, і місць їх з'єднання) кількості води в центральну частину наконечника; 2) перетікання через периферійні отвори частини потоку води, яка подається на фурму, достатньої для руйнування або суттєвого зменшення засоплових застійних зон води; 3) суттєве зменшення втрат тиску води у наконечнику фурми. Якщо величина вказаного відношення площ більше ніж 0,6, то кількість води, що перетікає через центральний отвір, є недостатньою для надійного охолодження міжсоплового простору 2 UA 114045 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 наконечника фурми, що може призвести до прогару центральної частини нижньої тарілки головки, та прискоренню ерозійного зношування сопел. Якщо величина вказаного відношення площ менше ніж 0,2, потужність потоків води, що перетікають через периферійні отвори є недостатньою для руйнування, чи суттєвого зменшення, застійних зон течії води, що розташовані за соплами (по ходу руху води) поблизу до нижньої тарілки наконечника. Крім того, при цьому значення втрат тиску охолоджувальної води в наконечнику фурми суттєво збільшується, що може призвести до зменшення сумарної витрати води, що охолоджує фурму, і, як наслідок, істотного погіршення охолодження головки та стовбура фурми, тим самим збільшуючи вірогідність виходу їх з ладу. За умови, що біля кожного сопла один із периферійних отворів утворений зовнішньою поверхнею цього сопла та вирізом у еліпсоподібної форми розподільнику, суттєво спрощується виготовлення та зборка наконечника фурми (особливо зварної його конструкції). При цьому вода, що перетікає через утворені отвори покращує охолодження місць з'єднання продувальних сопел та нижньої тарілки фурми (зварювальних швів) по всьому периметру вихідної ділянки сопла. За умови, що відношення сумарної площі прохідних перерізів даних периферійних отворів (всередині яких розташовані сопла) і сумарної площі прохідних перерізів периферійних та центрального отворів складатиме менше ніж 0,3, то вплив перетікання охолоджувальної води через додаткові периферійні отвори на процес руйнування засоплових застійних зон може суттєво зменшитися, тобто погіршується охолодження місць з'єднання сопел та нижньої тарілки наконечника фурми. При виконанні периферійних отворів біля кожного сопла, з'єднаними з периферійними отворами, що утворені зовнішньою поверхнею сопла та вирізом еліпсоподібної форми у розподільнику, у формі частини еліпса, центр якого розташований на лінії, що проходять через центр перерізу сопла та геометричний центр периферійних отворів, забезпечується суттєве спрощення виготовлення розподільника, та зборка головки фурми. При цьому також мають місце мінімальні втрати тиску води у наконечнику. Багатосопловий наконечник фурми може бути будь-якої відомої збірної конструкції: зварної, ковано-паяної, з суцільнолитим сопловим блоком. Кількість периферійних сопел в ньому звичайно від 3 до 7. Крім того, він може мати додаткове центральне сопло чи центральну вставку жорсткості, чи центральні профільовані вставки, що покращують організацію течії води. Розподільник може бути виконаний умовно тонким (наприклад, штампуванням з листового металу), або об'ємним (литий, точений, зварний і т. д.). Суть винаходу пояснюється на фіг. 1-9, де на фіг. 1 представлений багатосопловий наконечник фурми зварної конструкції з п'ятьома тангенціально розташованими та центральним соплами, та розподільником, що виконаний з листового металу за п. 1 формули винаходу (подовжній розріз); на фіг. 2, 3 - багатосопловий наконечник фурми за п. 1 формули винаходу (переріз А-А та Б-Б на фіг. 1 відповідно). На фіг. 4 представлений багатосопловий наконечник за п. 2 формули винаходу (подовжній розріз); на фіг. 5, 6 - багатосопловий наконечник фурми за п. 2 формули винаходу (переріз А-А та Б-Б на фіг. 4 відповідно). На фіг. 7 представлений багатосопловий наконечник фурми за п. 3 формули винаходу (подовжній розріз); на фіг. 8, 9 багатосопловий наконечник фурми за п. 3 формули винаходу (переріз А-А та Б-Б на фіг. 7 відповідно). У багатосопловому наконечнику фурми за п. 1 формули винаходу (фіг. 1-3), що містить верхню 1 та нижню 2 тарілки, тангенціально розташовані сопла 3, канали підведення 4 та відведення 5 охолоджувача і його розподільник 6 з центральним отвором 7 на торцевій частині за кожним тангенціально розташованим соплом 3 у розподільнику 6 виконаний принаймні один периферійний отвір 8а, який розташований таким чином, що кут γ, який утворений прямими лініями, що пересікаються у центрі 9 перерізу сопла 3 поверхнею розподільника 6, та проходять відповідно через центр розподільника 6 та геометричний центр периферійних 10 отворів 8а, дорівнює 0,2-0,8β, де β - кут тангенціальної складової розташування сопла 3 відносно вертикальної осі наконечника 11, а відстань між геометричним центром 10 периферійних отворів 8а і центром 9 перерізу сопла 3, є не більшою, ніж один приведений радіус перерізу сопла 3, причому відношення сумарної площі прохідних перерізів периферійних отворів 8а і сумарної площі прохідних перерізів периферійних 8а та центрального 7 отворів складає 0,2-0,6. У багатосопловому наконечнику фурми за п. 2 формули винаходу (фіг. 4-6), один із периферійних отворів 8b біля кожного сопла 3 утворений зовнішньою поверхнею цього сопла 3 та вирізом еліпсоподібної форми у розподільнику 6, причому відношення сумарної площі прохідних перерізів вказаних периферійних отворів 8b і сумарної площі прохідних перерізів периферійних 8b та центрального 7 отворів є не меншим, ніж 0,3. 3 UA 114045 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 У багатосопловому наконечнику фурми за п. 3 формули винаходу (фіг. 9) один із периферійних отворів 8а біля кожного сопла з'єднаний з периферійним отвором 8b, що утворений зовнішньою поверхнею сопла 3 та вирізом еліпсоподібної форми у розподільнику 6, має форму частини еліпса, центр якого розташований на лінії, що проходить через центр 9 перерізу сопла 3 та геометричний центр 10 периферійних отворів 8с. Пристрій працює таким чином (див. фіг. 1-9). По газовому тракту стовбура фурми до багатосоплового наконечника подається технологічний газ (наприклад, кисень) і через продувальні сопла 3 вдувається в порожнину сталеплавильного агрегату. Разом з технологічним газом можуть подаватися різні технологічні порошкоподібні матеріали. По кільцевому тракту підведення охолоджувача (води) стовбура фурми вода подається на вхід у наконечник та рухається в просторі між верхньою тарілкою 1 та розподільником 6 у напрямку центра наконечника. Біля місць розташування периферійних отворів 8 у розподільнику 6 біля кожного сопла 3 загальний потік охолоджувальної води, що циркулює через фурму, розділяється на: основний потік, що далі проходить через центральний отвір 7 розподільника 6, та периферійні потоки води, що перетікають через периферійні отвори 8 розподільника 6 (кількість периферійних потоків відповідає сумарної кількості отворів 8). Основний центральний потік води організовано натікає на центральну частину нижньої тарілки головки, що сприяє її інтенсивному охолодженню. Периферійні потоки води організовано подаються у засоплові області наконечника, де звичайно утворюються застійні зони води з погіршеним охолодженням нижньої тарілки 2 та вихідних ділянок сопел 3, та руйнують або суттєвого зменшують вказані застійні зони води. Так як частина охолоджувальної води перетікає через периферійні отвори 8 у розподільнику 6 і не проходить через міжсопловий простір (з малим прохідним перерізом), то суттєво зменшується втрата тиску води у багатосопловому наконечнику та у фурмі в цілому. Після проходження центральної області головки основний потік води проходить у міжсопловому просторі між нижньою тарілкою 2 та розподільником 6 і далі біля місць розташування периферійних отворів 8 у розподільнику 6 біля кожного сопла 3 знову з'єднується з периферійними потоками. Об'єднаний потік води рухається до виходу із наконечника і далі у кільцевий тракт відведення 5 води стовбура фурми. За умови, що відношення сумарної площі прохідних перерізів периферійних отворів 8 і сумарної площі прохідних перерізів периферійних 8 та центрального 7 отворів знаходиться у заявленому діапазоні, забезпечується оптимальний перерозподіл витрат основного та периферійних потоків води у наконечнику. При цьому одночасно забезпечується надійне охолодження найбільш теплонапружених центральної частини нижньої тарілки 2 головки та вихідних ділянок продувальних сопел 3, і місць їх з'єднання, а також поліпшення охолодження засоплових зон нижньої тарілки 2 і зменшення втрат тиску води у наконечнику фурми. Використання винаходу, за рахунок оптимізації параметрів розподільника, забезпечує, при простоті конструкції, підвищення ефективності охолодження як центральної частини, так і засоплових ділянок у наконечнику фурми, зменшення втрат тиску охолоджувача в головці, що призводить до збільшення стійкості наконечника та фурми в цілому, а також зменшення ерозійного зносу вихідних ділянок сопел та стабілізації дуттьового режиму плавки. Джерела інформації: 1. Фурма для продувки металла. А. с. № 430161. СРСР, по заявці № 1736861/22-2 від 07.01.1972 р. МКВ С21С 5/48. Опубліковано 30.05.1974 р. Бюл. № 20. 2. Казаков А. А. Эффективность использования конвертерных фурм с двойным углом наклона сопел / А. А. Казаков, А. С. Перегудов, Л. Ф. Литвинов и др. // Металлургическая и горнорудная промышленность. - 1986. - № 1. - С. 17-18. 3. Сущенко А.В. Кислородно-конвертерные фурмы с двойным углом наклона сопел / А.В. Сущенко, А.Г. Чернятевич // Университетская наука 2012. Международная научно-техн. конф., Приазовский государственный технический университет, г. Мариуполь, 24-27 апреля 2012 г. Мариуполь: ПГТУ, 2012. - Т.II. - С. 42-44. 4. Чернятевич А. Г. Интенсификация продувки ванны 330-т конвертеров ОАО "НЛМК" / А.Г. Чернятевич, Е.Н. Сигарев, М.М. Пеклич, А.В. Сущенко та ін. // Металлургическая и горнорудная промышленность. - 2012. - № 7. - С. 56-60. 55 ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 60 1. Багатосопловий наконечник фурми для верхнього продування, що містить верхню та нижню тарілки, тангенціально розташовані сопла, канали підведення та відведення охолоджувача і його розподільник з центральним отвором на торцевій частині, який відрізняється тим, що за 4 UA 114045 C2 5 10 15 кожним тангенціально розташованим соплом у розподільнику виконаний принаймні один периферійний отвір, який розташований таким чином, що кут γ, який утворений прямими лініями, що пересікаються у центрі перерізу сопла поверхнею розподільника та проходять відповідно через центр розподільника та геометричний центр периферійних отворів, дорівнює 0,2-0,8, де  - кут тангенціальної складової розташування сопла відносно вертикальної осі наконечника, а відстань між геометричним центром периферійних отворів і центром перерізу сопла, є не більшим, ніж один приведений радіус перерізу сопла, причому відношення сумарної площі прохідних перерізів периферійних отворів і сумарної площі прохідних перерізів периферійних та центрального отворів складає 0,2-0,6. 2. Багатосопловий наконечник фурми для верхнього продування за п. 1, який відрізняється тим, що один із периферійних отворів біля кожного сопла утворений зовнішньою поверхнею цього сопла та вирізом еліпсоподібної форми у розподільнику, причому відношення сумарної площі прохідних перерізів вказаних периферійних отворів і сумарної площі прохідних перерізів периферійних та центрального отворів є не меншим ніж 0,3. 3. Багатосопловий наконечник фурми для верхнього продування за п. 1 або 2, який відрізняється тим, що один із периферійних отворів біля кожного сопла з'єднаний з периферійним отвором, що утворений зовнішньою поверхнею сопла та вирізом еліпсоподібної форми у розподільнику, має форму частини еліпса, центр якого розташований на лінії, що проходить через центр перерізу сопла та геометричний центр периферійних отворів. 5 UA 114045 C2 6 UA 114045 C2 7 UA 114045 C2 Комп’ютерна верстка О. Гергіль Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Василя Липківського, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 8