Спосіб продування рідкого металу і пристрій для його здійснення

1. Способ продувки жидкого металла, включающий подачу кислорода через фурму с расширительной машиной на входе ее окислительного тракта, трубным термоэлектрическим охладителем и наконечником с соплами, отличающийся тем, что кислород вводят в расплав в расчетном режиме истечения путём предварительного разделения газообразного сверхтекучего кислорода в автоматизированном оптимальном продувочном устройстве на горячий и холодный потоки эффекта Ранка, охлаждения до расчетной температуры горячего потока с последующим столкновением Изобретение относится к теплофизике и может быть использовано, в частности, в металлургии при конструировании продувочных и горелочных устройств. Известен способ продувки жидкого металла закрученным газообразным кислородным потоком при помощи фурмы, совершающей возвратнопоступательное перемещение в вертикальном направлении с соотношением скоростей ее подъёма и опускания 1 3,5 с амплитудой 10-20% и последние 15-20% времени продувки [1] Недостатками данного способа продувки жидкого металла являются- отсутствие разделения газообразного кислорода на его горячий и холодный потоки эффекта Ранка с обязательным последующим охлаждением горячего потока до расчётной температуры, после чего оба потока должны сталкиваться в режиме эжекции с равными критическими давлениями и с равными секундными расходами тепла, - недопустимый ввод в расплав заряженных частиц кислорода, которые обусловливают образование всех недостатков в современных способах выплавки стали. Горячий и холодный потоки эффекта Ранка присутствуют в любом компримируемом потоке обоих потоков эффекта Ранка с равными критическими давлениями и с равными потоками тепла. 2. Устройство для продувки жидкого металла, отличающееся тем, что тракт газообразного сверхтекучего кислорода соединен с входом расширительной машины, выход которой сообщён с соплом вихревой трубы одностороннего действия, горячий кольцевой канал которой соединён трактом с входом трубного термоэлектрического охладителя, выход которого соосно соединён с конфузором эжектора, где холодный канап вихревой трубы одностороннего действия соединён трактом с жиклёр-критическим сечением этого эжектора. 3 Устройство по пп. 1,2, отличающееся тем, что в тракте горячего потока эффекта Ранка окислителя на участке между трубным термоэлектрическим охладителем и конфузором эжектора встроено электропреобразовательное сопротивление, электрически соединенное с вводом трубного термоэлектрического охладителя. жидкости или газа, что следует из известной эпюры скоростей, скорости этих потоков в центре и на периферии - разные. Известна фурма для продувки жидкого металла, содержащая концентрично расположенные трубы, образующие тракты подвода окислителя и охладителя, и головку с соплами, причём тракт для охлаждения выполнен герметично замкнутым и снабжён термоэлектрическим трубным охладителем, при этом окислительный тракт соединен с патрубком подачи окислителя через расширительную машину [2]. Недостатками данной конструкции фурмы являются - совместное компримирование горячего и холодного потоков эффекта Ранка газообразного кислорода относительно трубного термоэлектрического охладителя и недопустимый их совместный ввод в конфузоры сопел в термодинамически разомкнутом виде, - недопустимое омывание горячим потоком эффекта Ранка газообразного кислорода горячих спаев трубного термоэлектрического охладителя, - невозможность поддержания температуры горячего потока эффекта Ранка газообразного кислорода на уровне расчётной; О « • см 21220 - инициирование хладоагента только на охлаждение горячих спаев трубного термоэлектрического охладителя, что исключает стойкость фурмы. Столкновение двух физических явлений - активной нерасчетной струи газообразного кислорода с пассивным рафинируемым металлом обусловливает образование всех недостатков в современных способах выплавки стали, в силу ввода в расллав ионов кислорода продувки. Задачей настоящего изобретения является предотвращение образования всех недостатков сталеплавильного процесса оптимизацией последнего предварительным охлаждением горячего потока эффекта Ранка газообразного кислорода до расчётной температуры перед конфузором эжектора, в составе автоматизированной термодинамически замкнутой системы предварительной подготовки окислителя, - в критическом сечении которого этот горячий поток сталкивают с холодным потоком эффекта ранка газообразного кислорода с равнымикритическими характеристиками с последующим вводом истекающей смеси потоков кислорода в расплав в расчётном режиме - в молекулярном виде без ионов кислорода. Поставленная задача решается тем, что в способе продувки жидкого металла газообразным кислородом и в устройстве для его осуществления, согласно изобретению: - поток газообразного кислорода разделяют на горячий и холодный потоки эффекта Ранка, затем горячий поток охлаждают до расчётной температуры с последующим его столкновением в режиме эжекции с холодным потоком эффекта Ранка с равными критическими давлениями и с равными секундными расходами тепла. В устройстве для осуществления способа продувки жидкого металла газообразным кислородом, включающем расширительную машину, кислородный тракт и трубный термоэлектрический охладитель, согласно изобретению: - тракт газообразного кислорода соединён с входом расширительной машины, выход которой сообщён с соплом вихревой трубы одностороннего действия, кольцевой канал которой соединён трактом с входом трубного термоэлектрического охладителя, выход которого, соосно соединён с конфузором эжектора, где центральный канал вихревой трубы одностороннего действия соединён трактом с жиклёр-критическим сечением этого эжектора, причём в тракте между трубным термоэлектрическим охладителем и конфузором эжектора встроено электропреобразовательное сопротивление электрически соединённое через потенциометр, регулятор, задатчик, электромагнитное реле постоянного тока, два переключающихся контакта и регулирующее устройство силы электрического тока с электрическим вводом трубного термоэлектрического охладителя. На чертеже представлена схема устройства для продувки жидкого металла (автоматизированная система предварительной подготовки окислителя). Автоматизированная система предварительной подготовки окислителя состоит: из тракта подвода 1 к входу расширительной машины 2, выход которой 3 сообщён с соплом 4 вихревой трубы одностороннего действия 5, кольцевой канал б которой соединён трактом 7 с патрубком 8 трубного термоэлектрического охладителя 9, патрубок 10 которого соединён соосно трактом 2 с входом конфузора 12 эжектора 13, где на участке тракта между трубным термоэлектрическим охладителем 9 и эжектором 13 встроено электропреобразовательное сопротивление 14, электрически соединённое с потенциометром 15, который электрически соединён с регулятором 16, который электрически соединён с задатчиком 17, который электрически соединён с электромагнитным реле постоянного тока 18, которое электрически соединено с двумя переключающимися контактами 19 и с регулирующим устройством силы электрического тока 20, где последний электрически соединён с электрическим вводом 21 трубного термоэлектрического охладителя 9; холодный канал 22 вихревой трубы одностороннего действия 5 соединён трактом 23 с входом 24 жиклёр-критического сечения 25, расположенное между конфузором 12 и диффузором 26 эжектора 13. Автоматизированная система предварительной подготовки окислителя в режиме трансцендентного цикла работает следующим образом. Компримируемый газообразный кислород трактом 1 вводят в расширительную машину 2, из которой трактом 3 вводят в сопло 4 вихревой трубы одностороннего действия 5. Сформировавшийся горячий поток эффекта Ранка газообразного кислорода из кольцевого канала 6 вихревой трубы одностороннего действия 5 поступает трактом 7 на ввод 8 трубного термоэлектрического охладителя 9 для охлаждения холодными спаями последнего. Охлаждённый горячий поток эффекта Ранка газообразного кислорода до расчётной температуры из трубного термоэлектрического охладителя 9 патрубком 10 вводится в тракт 2 и далее в конфузор 12 эжектора 13. В конфузоре 12 горячий поток эффекта Ранка газообразного кислорода доохлаждается до критической температуры. Холодный поток эффекта Ранка газообразного кислорода с критической температурой и с критическим давлением поступает из центрального канала 22 вихревой трубы одностороннего действия 5 на ввод 24 жиклёр-критического сечения 25 кольцевой зазор, образованный торцами (с критическими сечениями) конфузора 12 и диффузора 26 эжектора 13. Горячий поток эффекта Ранка газообразного кислорода сталкивается в жиклёр-критическом сечении 25 эжектора 13 с холодным потоком эффекта Ранка газообразного кислорода с равными критическими давлениями, с равными секундными расходами тепла, но с разными критическими температурами, в результате чего заряженные частицы кислорода подвергаются взаимной рекомбинации и из диффузора, 26 эжектора 13 весь газообразный кислород истекает в молекулярном виде - в расчётном режиме. Жиклёр-критическое сечение может быть выполнено как в виде кольца, так и в виде тора. Установленный в тракте 2 (между трубным термоэлектрическим охладителем 9 и эжектором ІЗ) электропреобразовательное сопротивление 14, допустим, типа ТХК-0479 снимает показание температуры этого потока, что получает отражение на 21220 панели потенциометра 15 (КСП-3 модели 1040Т с пределом измерений -50 ..+ 200°С, гр. ХК6з), электрически связанный с регулятором 16 (РП4-У) и с задатчиком 17, которые обеспечивают включение или отключение регулирующего устройства силы электрического тока 20 при помощи реле постоянного тока 18 напряжением 24 вольта (2 штуки типа РПУ-2) с двумя переключающимися контактами 19. В качестве регулирующего устройства силы электрического тока 20 может быть применён реостат или автотрансформатор. В случае понижения температуры горячего потока эффекта Ранка газообразного кислорода перед конфузором 12 эжектора 13 ниже расчётного значения, регулирующее устройство силы электрического тока 20 автоматически уменьшает ток в трубном термоэлектрическом охладителе 9 и холодные спаи последнего вырабатывают меньше холода для охлаждения горячего потока эффекта Ранка газообразного кислорода. В случае же повышения температуры горячего потока эффекта Ранка газообразного кислорода выше расчётного значения перед конфузором 12 эжектора 13, регулирующее устройство силы электрического тока 20 автоматически увеличивает ток в трубном термоэлектрическом охладителе 9 и холодные спаи последнего начинают вырабатывать больше холода для охлаждения горячего потока эффекта Ранка газообразного кислорода. Необходимость нейтрализации пульсаций в истекающей струе газообразного кислорода путём взаимной рекомбинации его ионов в жиклёркритическом сечении 25 эжектора 13 говорит о том, что этот газообразный кислород на пути до расширительной машины 2, внутри её, в сопле 4 вихревой трубы одностороннего действия 5 и до жиклёр-критического сечения совершает термодинамическую работу в режиме трансцендентного цикла (чертеж). Пример Давление газообразного кислорода перед расширительной машиной 2 принимаем равным 5 6-Ю Па. Следовательно, разделяющиеся в вихревой трубе одностороннего действия 5 горячий и холодный потоки эффекта Ранка газообразного 5 кислорода имеют давления 6 10 Па и Ркр. Основным режимом трансцендентного цикла является его завершающий этап - этап диалектического перехода сверхтекучего состояния газообразного кислорода (реально и объективно) в молекулярное состояние, вследствие столкновения горячего и холодного потоков эффекта Ранка газообразного кислорода в кольцевом жиклёркритическом сечении 25 эжектора 13 с равными критическими давлениями и с равными расходами тепла, математически приобретающие следующий критериальный вид: к-п •T.) k-n п-1 р Ап •R-V G GxTr GT- - расход горячего потока эффекта Ранка газообразного кислорода с петлёй холодного потока эффекта Ранка газообразного кислорода, т; Т ф - температура горячего потока эффекта Ранка газообразного кисло-рода с петлёй холодного потока эффекта Ранка газообразного кислорода в критическом сечении конфузора эжектора, К; Тк - температура горячего потока эффекта Ранка газообразного кислорода перед конфузором эжектора (искомая величина), К; Gx - расход холодного потока эффекта Ранка газообразного кислорода, т.; Ті - температура холодного потока эффекта Ранка газообразного кислорода перед расширительной машиной, К; Рж-кр давление холодного потока эффекта Ранка газообразного кислорода в жиклёр-криическом сечении эжектора, Па; xV ж-кр =1 Or! \n -1 Pi - давление холодного потока эффекта Ранка газообразного кислорода перед расширительной машиной, Па; п - показатель политропы. Числитель критериального уравнения характеризует содержимое конфузора эжектора, то есть представляет математическое описание состояния горячего потока эффекта Ранка газообразного кислорода в этом конфузоре. Знаменатель критериального уравнения характеризует коаксиальный конфузор эжектора и описывает состояние холодного потока эффекта Ранка газообразного кислорода в этом конфуэоре. Критическое давление горячего потока эффекта Ранка газообразного кислорода с петлевым холодным потоком эффекта Ранка газообразного кислорода в критическом сечении конфузора эжектора: э Р1 =610 Па; Ті =293 К, 1,4+1 =0,525; = 0,525 6 105 = 3,15 10 s Па. 21220 Критическая температура горячего потока эффекта Ранка газообразного кислорода с петле т = 293•: Т кр - 1 1,4-1 3,15-10' \ 1,4 Определяем Тк - температуру смеси горячего потока эффекта Ранка с петлёй холодного потока эффекта Ранка газообразного кислорода перед конфузором эжектора при помощи критериального уравнения равенства потоков тепла, критических е т4ткр вым потоком эффекта Ранка газообразного кислорода в критическом сечении конфузора эжектора: r 6-Ю1 скоростей и критических давлений горячего /с петлёй/ и холодного потоков эффекта Ранка газообразного кислорода в жиклёр-критическом течении эжектора при соотношении расходов этих потоков, например, 79% и 21%: 79 • (243,7 - TK ) n-1 G xV ж-кр = 293 0,8318 =243,7 К =1 21•293 TK = 254,5 К Следовательно, петля холодного потока эффекта Ранка газообразного кислорода и холодные спаи трубного термоэлектрического охладителя 9 должны охладить горячий поток эффекта Ранка газообразного кислорода на 38,5°, чтобы обеспечивалась расчётная температура этого горячего потока перед конфузором 12 эжектора 13, равная 254,5 К. Таким образом, продувка расплава молекулярным (без заряженных частиц) кислородом предотвращает образование известных недостатков (пылеобрззование, низкий выход годного металла, низкое качество получаемого металла, низкая стойкость фурмы и футеровки, настылеообразование на поверхности фурмы и на горловине конвертора, преждевременный физический износ сталеплавильного агрегата, неполное сгорание СО в ванне, недоиспользование кислорода продувки и т. д.) современных способов выплавки стали, что гарантирует годовой экономический эффект в странах-производителях стали сотни миллионов долларов. 21220 Фиг. 1 ДП "Український інститут промислової власності" (Укрпатент) Україна, 01133, Киів-133, бульв. Лесі Українки, 26 (044) 295-81-42, 295-61-97 Підписано до друку S, 0е/ 2001 р. Формат 60x84 1/8. Обсяг ^ 6 обл.-вид арк. Тираж 50 прим. Зам