Сопло продувальної фурми сталеплавильного агрегату

Изобретение относится к металлургии и может быть использовано в сталеплавильных агрегатах, в частности в кислородных конвертерах. Целью изобретения является повышение эффективности продувки, а также упрощение конструкции и увеличение стойкости сопла. На фиг.1 изображено предлагаемое сопло, общий вид в разрезе; на фиг.1 - вид А на фиг.1. На фиг.3 изображено предлагаемое сопло в разрезе по п.2, имеющее диффузор с двумя и тремя участками соответственно с различными углами раскрытия, отделяющимися друг от друга сечениями, в которых выполнены начальные сечения каналов вторичного кислорода. На фиг.4 изображено предлагаемое сопло в разрезе по п.3, имеющее срез торцевой поверхности наружу под углом к оси сопла, уменьшающий угол среза выходных сечений каналов вторичного кислорода (относительно их осей). На фиг.5 изображено предлагаемое сопло в разрезе по п.4 (каналы вторичного кислорода в стенке диффузора которого выполнены под двойным углом к оси сопла); на фиг.6 - вид А на фиг.5. Сопло состоит из одностенного корпуса 1, конфузора 2, критического сечения 3 и диффузора 4, в стенке которого выполнены каналы вторичного кислорода 5. При этом начальное сечение каналов вторичного кислорода находится на расстоянии равном 0,1 - 0,85 длины диффузора от среза сопла, угол между осью каналов и осью сопла в вертикальной плоскости, проходящей через последнюю и центр начального сечения составляет 15 - 60°, а отношение суммарной площади проходных сечений каналов вторичного кислорода к площади критического сечения сопла находится в пределах 0,01 - 0,20, Сопло имеет диффузор 4, состоящий из нескольких участков с различными углами раскрытия (при этом величина угла раскрытия тем меньше, чем больше суммарная площадь проходных сечений каналов вторичного кислорода на участке) или диффузор 4 с профилированной поверхностью (угол уменьшается по длине диффузора до близкого к нулю в выходном сечении сопла). Торцевая поверхность сопла имеет срез наружу под углом к оси сопла. Каналы вторичного кислорода 5 в стенке диффузора 4 сопла выполнены под двойным углом наклона к оси сопла (под углом в вертикальной плоскости и углом - в горизонтальной) - фиг.5, 6. Каналы вторичного кислорода 5 выполнены под одинаковыми углами и к оси сопла и на одинаковых расстояниях от последней (т.е. имеют одинаковые расстояния - фиг.1. Сопло объединено с аналогичными соплами в блок, при этом каналы вторичного кислорода выполнены в наружной части блока. Устройство работает следующим образом. При продувке расплава кислородом через фурму, снабженную предложенными соплами, поток кислорода поступает в сопло и, расширяясь, ускоряется в нем. При этом происходит падение статического давления кислорода по длине сопла от максимального (на входе) до близкого к давлению в полости агрегата (в выходном сечении сопла). Общий кислородный поток проходит конфузор, критическое сечение и часть диффузора (до начальных сечений каналов вторичного кислорода), а затем делится на несколько самостоятельных потоков. Поток первичного кислорода (основной поток) продолжает расширяться в диффузоре сопла и истекает из него в виде "жесткой" дальнобойной струи. Часть кислорода (из общего потока) поступает в каналы вторичного кислорода, выполненные в стенке конфузора сопла. При этом начальное давление кислорода перед каналами вторичного кислорода меньше давления перед соплом (давления торможения потока) и больше (или равно) статического давления кислорода в сечении диффузора сопла, откуда он отбирается соответственно. (Величина начального давления вторичного кислорода определяется расстоянием начального сечения каналов вторичного кислорода от среза сопла, к оси сопла и диаметром этого канала, а также давлением кислорода перед соплом. При малых значениях отношения диаметра канала к диаметру критического сечения сопла начальное давление вторичного кислорода практически равно статическому давлению кислорода в соответствующем сечении конфузора сопла, где расположено начальное сечение канала вторичного кислорода и не зависит от угла При большем диаметре канала вторичного кислорода (диаметр канала больше толщины пристеночного пограничного слоя в соответствующем сечении диффузора сопла) давление вторичного кислорода в начальном сечении канала больше статического давления в сечении конфузора и зависит от величины угла возрастая с уменьшением последней). Это позволяет создать на выходе из этих каналов "умягченные" менее дальнобойные (меньшее начальное давление и меньший диаметр каналов по сравнению с параметрами первичного кислорода) кислородные струи, которые истекают из сопла под заявляемым углом к оси последнего практически не взаимодействуют (не эжектируются) с основной струей первичного кислорода, образуя над центральной струей устойчивую струйн ую "завесу" из вторичного кислорода. Осесимметрическая "жесткая" струя первичного кислорода глубоко внедряется в расплав, интенсивно перемешивает его, способствуя равномерному распределению концентраций примесей и температуры в ванне и рафинирует расплав с высокой скоростью. В месте внедрения ее в ванну в стр уйном режиме барботажа интенсивно выделяется окись углерода которая поднимаясь, взаимодействует с "умягченными" струями вторичного кислорода и эффективно дожигается ими непосредственно вблизи расплава. Благодаря этому тепло от дожигания используется на нагрев ванны более эффективно. "Умягченные" струи способствуют также ускорению процесса шлакообразования, т.к. во-первых расходуют часть кислорода на образование оксидов железа, а во-вторых, обеспечивают перемешивание верхних слоев шлаковой эмульсии и выделение дополнительного количества тепла (за счет дожигания необходимого для ускорения процесса шлакообразования, что особенно важно при плавках с пониженной долей чугуна в шихте и в начальный период продувки, когда ванна относительно "холодная". При этом повышается эффективность процессор дефосфорации и десульфурации расплава, уменьшается общая продолжительность продувки. Кроме того, не взаимодействующая с основной струей струйная завеса из вторичного кислорода "накрывает" реакционную зону область наиболее сильного и мелкодисперсного пылевыделения, способствуя снижению интенсивности последнего, а также снижению брызгообразования и заметаливания фурмы, уменьшает вероятность выборосов металла и шлака благодаря своему осаждающему действию. Количество каналов вторичного кислорода в стенке диффузора сопла, диаметр последних и расстояние расположения начальных сечений от среза сопла (в пределах заявляемого диапазона) выбирается исходя из конкретных условий работы цеха (сортамента выплавляемой стали, состава и температуры чугуна, количества сопел в фурме, толщины стенки сопла и т.д.). Чем меньше диаметр каналов вторичного кислорода (т.е. чем больше их число в сопле) и чем ближе расположены их начальные сечения к срезу сопла, тем "мягче" образующиеся стр уи вторичного кислорода (меньше дальнобойность, больше угол раскрытия и меньше скорость струй вторичного кислорода вблизи расплава) и наоборот. Для условий работы 350 т конвертера меткомбината "Азовсталь" на высокофосфористом чугуне при продувке через пяти-сопловую фурму (расход кислорода 1200 1250м 3/мин; угол наклона сопел коси фурмы 15°, критический диаметр сопла 42мм; угол раскрытия диффузора до начальных сечений каналов вторичного кислорода - 10°, после этих сечений - 9°; толщина стенки сопла 14мм; расстояние от среза сопла до этих сечений равно 0,3 длины диффузора; угол наклона каналов вторичного кислорода к оси сопла 20°) оптимальное число каналов вторичного кислорода в сопле составило 10 при диаметре этих каналов 3мм (отношение суммарной площади их проходных сечений к площади критического сечения сопла равно 0,051). Выходные участки цилиндрических каналов вторичного кислорода (при сверхкритических перепадах давления на них) целесообразно выполнять расширяющимися коническими (путем расточки коническими сверлами) с целью придания им конфигурации сопел Лаваля. Это обеспечивает более организованное истечение струи вторичного кислорода. Угол раскрытия диффузора (и соответственно число Ма ха сопла) зависит от имеющегося в цехе давления перед соплом и выбирается по таблицам газодинамических функций. Критический диаметр сопла определяется из условий общей пропускной способности сопла (общего расхода кислорода на продувку). При выполнении конфузора сопла с одним постоянным по длине углом раскрытия, величины последнего выбирается по расходу первичного кислорода в сопле. Для определения оптимальных конструктивных параметров предлагаемого сопла, изучения потоков в сопле и истекающих из него струй, а также истекающих из блока сопел, на газодинамическом стенде было проведена серия экспериментов. Эксперименты проводились на натурных соплах фурм 160т и 350т конвертеров, а также на их моделях, выполненных в масштабе 1 : 5. В качестве продувочного газа использовался компрессорный воздух с давлением до 2,0МПа. Газ подавался в ресивер, где температура и давление газа фиксировалось с помощью термоотдатчика и манометра соответственно. Давление газа в ресивере перед соплами регулировалось с помощью вентиля. Полное давление газа в соплах и в струя х на вы ходе на него измерялось с помощью трубки полного напора, которая перемещалась в 2 - х плоскостях с помощью координатника. Давление на входе в каналы вторичного кислорода, выполненные в стенке сопла определялось при помощи манометров, а также трубки полного напора. Взаимодействие струй вторичного кислорода между собой и с основной струей первичного кислорода изучалось при различных конструктивных параметрах сопел. В табл.1 представлены результаты исследования влияния расстояния h на течение потоков первичного и вторичного кислорода (при В табл.2 представлены результаты исследования влияния величины угла на течение потоков первичного и вторичного кислорода в струях (при В табл.3 представлены результаты исследования величины отношения суммарной площади проходных сечений каналов вторичного кислорода к площади критического сечения сопла на конструктивные и технологические особенности сопла (при Как видно из табл.1 - 3, оптимальные диапазоны величин конструктивных параметров сопла: составляют соответственно: 0,1 - 0,85; (15 - 60)° и 0,01 - 0,20. Экономический эффект от использования предлагаемого изобретения достигается за счет повышения эффективности продувки (снижения расхода чугуна на плавку за счет повышения степени дожигания окиси углерода, улучшения шлакообразования, сокращения общей длительности продувки), а также за счет повышения стойкости и упрощения конструкции сопла и составляет 327тыс.руб. при производстве 1млн.т стали в год.