Комбіноване сопло

Изобретение относится к металлургии, преимущественно к кислородно-конвертерному производству стали. Известна кислородная фурма [1], имеющая сопло с многозаходной винтовой ленточной нарезкой на его внутренней поверхности. Истекающая из известного сопла струя представляет собой некоторый средний тип струи между "мягкой" и "жесткой", обладающей малой глубиной проникновения в ванну и слабой перемешивающей способностью. Применение известных сопел не позволяет получить положительные эффекты одновременной продувки расплава различными типами струй кислорода. Известно сопло фурмы сталеплавильного агрегата, выполненное по типу сопла Лаваля и имеющее многозаходную винтовую нарезку на внутренней поверхности в его закритической части. При использовании известных сопел также не удается избежать взаимодействия истекающих потоков. Для полного разделения струй необходимо увеличение высоты зубьев, что из-за ограниченного диаметра сопла ведет к значительному ослаблению центральной струи, снижению ее жесткости, ухудшению перемешивания ванны и переокислению верхней части последней. Кроме того, это приводит также к оплавленню и эрозионному износу зубьев, а также вызывает серьезные затруднения при серийном изготовлении таких сопел. Поэтому на практике продувка через известные сопла осуществляется с частичным взаимодействием истекающих потоков, что приводит к неполному использованию преимуществ продувки расплава двумя типами струй. Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому решению является сопло прототип, которое содержит корпус, центральное сопло с конфузором, критическим сечением и диффузором, образующее тракт подачи первичного кислорода, и периферийное кольцевое сопло, охватывающее центральное сопло и образующее тракт подачи вторичного кислорода. По причине неустойчивого режима истечения вторичного кислорода, кольцевая струя, истекающая из сопла, имеет малый угол раскрытия и на некотором расстоянии вниз по потоку взаимодействует с более устойчивой и энергетически "более сильной" центральной струей с образованием одного общего потока. В результате этого резко снижается эффективность продувки двумя типами струй (одновременное достижение высоких скоростей рафинирования и перемешивания расплава, улучшение режима шлакообразования, эффективное дожигание более полное усвоение полученной от дожигания теплоты расплавом и т.д.). В основу изобретения поставлена задача разработать конструкцию комбинированного сопла, в котором введение нового элемента и взаимное расположение други х элементов позволит за счет устойчивого разделения истекающих из сопла потоков кислорода с различными свойствами сократить длительность продувки, улучшить режим шлакообразования и повысить степень дожигания окиси углерода. Решение поставленной задачи достигается за счет того, что в комбинированном сопле, содержащем корпус, центральное сопло с конфузором и диффузором, образующее тракт подачи первичного кислорода, и периферийное кольцевое сопло, охватывающее центральное сопло и образующее тракт подачи вторичного кислорода, в соответствии с изобретением в тракте подачи вторичного кислорода выполнен завихритель газового потока. При этом расстояние от среза сопла до завихрителя составляет 2 - 15 гидравлических диаметров периферийного кольцевого сопла в его выходном сечении; выходное сечение центрального сопла смещено внутрь сопла, но на расстояние не более 0,6 выходного диаметра центрального сопла; завихритель газового потока выполнен в тепе центрального сопла в виде расположенных тангенциально относительно оси сопла отверстий, соединяющих тракты подачи первичного и вторичного кислорода. При создании настоящего изобретения исходили из того, что выполнение в тракте подачи вторичного кислорода завихрителя газового потока позволяет сообщить периферийному кислородному потоку дополнительную тангенциальную составляющую скорости и обеспечивает устойчивое разделение истекающих из сопла потоков кислорода с различными свойствами ("жесткого" центрального и "мягкого" вихревого периферийного). Одновременная продувка двумя указанными типами практически не взаимодействующи х между собой струй позволяет сократить длительность операции (за счет сокращения первого периода продувки высоко поднятой фурмой для наводки шлака), улучшить режим шлакообразования (за счет дополнительного перемешивания газошлакометаллической эмульсии и регулирования поступления в нее умягченного кислорода от вихревой струи) и повысить степень дожигания окиси углерода в отходящи х конвертерных газах. Кроме того, экранирующая зонтообразная вихревая завеса вторичного кислорода над областью наиболее интенсивного испарения и газовыделения (над реакционной зоной) позволяет также уменьшить количество пыли и брызг, выносимых из конвертера. В случае раздельного регулирования потоков первичного и вторичного кислорода, последним обеспечивается эффективное подавление выбросов металла и шлака. Установка завихрителя газового потока на расстоянии равном или более двух гидравлических диаметров периферийного кольцевого сопла в его выходном сечении обеспечивает формирование равномерного вихревого потока вторичного кислорода и повышение стойкости завихрителя. При существенно увеличиваются потери давления газа в тракте подачи вторичного кислорода сопла, снижается степень закрутки периферийного потока, что приводит к потере устойчивости последнего на срезе сопла (наблюдается частичное или полное взаимодействие истекающих потоков и снижение эффективности одновременной продувки двумя типами струй). Смещение среза центрального сопла внутрь предлагаемого комбинированного сопла уменьшает угловой коэффициент теплового излучения от высокотемпературной реакционной зоны к поверхности центрального сопла, а также уменьшает вероятность попадания расплава на его торцевую часть, что обеспечивает повышение стойкости центрального сопла. При значительно возрастает взаимодействие центрального и периферийного потоков, что приводит к эжектированию периферийного потока центральной струей и потере преимуществ продувки двумя типами струй. Выполнение завихрителя газового потока в теле центрального сопла в виде расположенных тангенциально относительно оси сопла отверстий, соединяющих тракты подачи первичного и вторичного кислорода, позволяет максимально упростить конструкцию сопла (при этом не используются специальные завихряющие вставки) и использовать только один подвод кислорода. На фиг.1 показано комбинированное. сопло с общим подводом первичного и вторичного кислорода; на фиг.2 - комбинированное сопло с раздельным подводом первичного и вторичного кислорода; на фиг.3 - комбинированное сопло со смещенным внутрь сопла выходным сечением центрального сопла; на фиг.4 - комбинированное сопло с завихрителем газового потока, выполненном в толе центрального сопла в виде расположенных тангенциально относительно оси сопла отверстий, соединяющих тракты подачи первичного и вторичного кислорода; на фиг.5 сечение А - А. Комбинированное сопло состоит из корпуса 1 (фиг.1), центрального сопла 2 с конфузором 3, критическим сечением 4 и диффузором 5, образующее тракт подачи первичного кислорода и периферийного кольцевого сопла 6, охватывающего центральное сопло и образующее тракт подачи вторичного кислорода, в котором выполнен завихритсль газового потока 7. Причем тракты подачи первичного и вторичного кислорода сопла могут иметь как общий (единый) (фиг.1), так и раздельные (автономные) (фиг.2) подводы. В последнем случае (фиг.2) сопло дополнительно может снабжаться патрубком 8, соединяющим тракт подачи первичного кислорода сопла с кислородопроводом. В сопле может быть использован завихритель любого из известных типов (ленточный, лопаточный, винтовой, резьбовой, проволочный и т.п.) и с любым количеством заходов (обычно 4 - 12). Расстояние от завихрителя газового потока 7 до среза сопла (фиг.1, 2, 3) составляет 2 - 15 гидравлических диаметров dr периферийного кольцевого сопла 6 в его выходном сечении (где толщина кольцевой щели выходного сечения периферийного сопла 6). Срез центрального сопла смещен внутрь предлагаемого сопла на расстояние (фиг.3), но не более, чем на 0,6 выходного диаметра центрального сопла Устройство работает следующим образом. При продувке металла кислородом через фурму, снабженную предложенными соплами, общий поток кислорода разделяется на первичный и вторичный, либо заранее (до сопла), когда в фурме имеются два раздельных тракта подвода кислорода (фиг.2), что позволяет наиболее оптимально регулировать соотношение расходов "мягкого" и "жесткого" кислорода по ходу продувки, либо на входе в сопло (фиг.1), либо непосредственно в сопле (фиг.4). Основной (первичный) поток кислорода. проходит через центральное сопло 2, формируется, расширяется в нем и истекает из него в виде сверхзвуковой "жесткой" дальнобойной струи 9, которая используется для рафинирования и перемешивания расплава и расходует кислород преимущественно на окисление примесей металла. Вторичный поток кислорода, проходя через завихритель газового потока 7, получает дополнительную составляющую скорости, формируется в кольцевом сопле 6 и истекает из него в виде вихревой стр уи - зонтообразной завесы 10 над центральной струей 9, практически не взаимодействуя с последней. Вихревая струя вторичного кислорода 10 имеет существенно меньшую дальнобойность и меньший расход (по сравнению с высокодальнобойной струей первичного кислорода 9), который составляет 5 25% от общего расхода кислорода на сопло и используется в основном на окислительные реакции шлакообразования, а также на дожигание над ванной (в газовой фазе) и в шлакогазометаллической эмульсии. Благодаря дополнительному перемешиванию шлакогазометаллической эмульсии струей вторичного кислорода, в подфурменной зоне ускоряются тепломассообменные процессы как в шлаке, так и между шлаком и металлом, что способствует улучшению условий шлакообразования и рафинирования в агрегате. Периферийная вихревая струя кислорода 10, имея значительную поверхность массообмена с восходящими потоками окиси углерода, способствует и х дожиганию. Выделяющаяся при этом вблизи поверхности расплава теплота ускоряет процессы шлакообразования, нагрева и рафинирования металла. Кроме того, кислородный вихревой зонд 10 способствует уменьшению пылеобразования и брызгоуноса, т.к. "накрывает" область взаимодействия центральной струи с металлом, уменьшая вероятность выбросов шлака и металла при вспенивании ванны, благодаря своему осаждающему действию. Для определения оптимальных конструктивных параметров сопла и изучения механизма взаимодействия "жесткой" осесимметричной струи с "мягкой" вихревой струей, истекающих из сопла, на газодинамическом стенде была проведена серия экспериментов с использованием стробоскопа и фотосъемки. Эксперименты проводились на соплах с характерным размером (критический диаметр центрального сопла), равным 12 - 30мм. В качестве продувочного газа использовался компрессорный воздух с давлением до 2,0МПа. Использовались завих-рители трех типов: а) проволочный, с возможностью перемещения вдоль кольцевого канала вторичного кислорода сопла; б) выполненный в виде нарезки на наружной поверхности центрального сопла; в) выполненный в виде отверстий в теле центрального сопла, расположенных тангенциально оси сопла. Расход вторичного воздуха (через кольцевой тракт сопла) в экспериментах составлял от 5 до 25% от общего расхода воздуха через сопло, что соответствовало доле вторичного кислорода, используемой в практике кислородно-конвертерного процесса. В табл.1 приведены результаты исследования влияния наличия завихрителя в тракте вторичного кислорода и величины относительного расстояния от среза сопла до завихрителя гидравлический (где диаметр периферийного кольцевого сопла в его выходном сечении, толщина кольцевой щели в этом сечении) на особенности формирования потоков в сопле и взаимодействия истекающих из него струй при В табл.2 приведены результаты исследования влияния величины относительного расстояния от среза сопла до выходного сечения центрального сопла, смещенного внутрь сопла на особенности взаимодействия истекающих из сопла струй первичного и вторичного кислорода. При этом относительное расстояние относительная составляло 3 - 10, а толщина стенки центрального сопла находилась в диапазоне 0,10 - 0,25, что соответствует диапазону относительных толщин стенок используемых на практике сопел. Данные из табл.1, 2 позволяют заключить, что оптимальный диапазон величин расстояния составляет от до диапазон величины расстояния 0 до а оптимальный составляет от