Фурма для продування розплаву в сталеплавильному агрегаті

1. Фурма для продування розплаву в сталеплавильному агрегаті, яка містить концентрично розташовані труби, що створюють тракти для підведення окисника, підведення та відведення охолоджувача і багатосоплову головку з конічними соплами Лаваля, що мають конфузор, мінімальний переріз і дифузор з прямолінійними твірними та визначеним кутом розкриття дифузорів сопел, яка відрізняє ться тим що, кут розкриття дифузорів сопел g визначений із співвідношення: g m in £ g £ g m ax , Винахід відноситься до металургії, переважно до киснево-конвертерного виробництва сталі. Відома киснева фурма для продування розплаву в конвертері зверху [1, стор.164], яка містить концентричне розташовані труби, що створюють тракти для підведення окиснювача (кисню), підведення і відведення охолоджувача (води) і головку з одним конічним соплом Лаваля, яке має конфу де gmin = 20° , éæ k + 1 ö1 / 2 1 p ù 360 ék -1 2 ù g max = k э êç ÷ afctgê M j - 1 ú + arcsin - ú êè k - 1 ø k +1 Mj 2 ú p ë û ë û , ( é 2 æ k -1 ö ù ç П0 k - 1÷ ú Mj = ê ÷ú êk - 1 ç è øû ë ) 1/ 2 , (13) 78153 (11) UA (19) k - показник адіабати кисню, що витікає, і k = 1,4, П 0=Р0×s/Р¥ - наявний перепад тиску на со плах, Р0 - повний тиск гальмування кисню перед соплами, Па, s - коефіцієнт відновлення повного тиску кисню в соплі, Р¥ статичний тиск в навколишньому середовищі (в порожнині конвертера) на рівні зрізу сопла, Па. 2. Фурма для продування розплаву в сталеплавильному агрегаті за п. 1, яка відрізняється тим, що між конфузором і дифузором в соплах Лаваля виконані циліндричні канали, довжина яких визначена із співвідношення: lц /dmin=0,1-3,0, де lц - довжина циліндричних каналів, м, dmin - діаметр мінімального перерізу сопел Лаваля, м. 3. Фурма за п. 1 або 2, яка відрізняється тим, що дифузори сопел мають додаткові циліндричні вихідні ділянки, довжина яких визначена із співвідношення: lв/dmin=0,05-0,2 , де lв - довжина додаткових циліндричних вихідних ділянок дифузорів сопел, м, dmin - діаметр мінімального перерізу сопел Лаваля, м. C2 k э - емпіричний коефіцієнт, рівний 0,85-0,95, 3 78153 4 зор, мінімальний переріз і дифузор з прямолінійix = I x / Fx (Па), де I x - надмірний імпульс дуттьоними твірнами. вих струменів в місці зустрічі з ванною, Fx - площа При цьому забезпечується ефективне охолоповерхні ванни в зоні контакту з дуттьовими струджування головки фурми і, як наслідок, висока її менями, м 2. стійкість. Проте, при використовуванні відомої фурми Проте, при використовуванні відомої фурми не для забезпечення «зм'якшеного» продування конзабезпечується необхідний ступінь розосередженвертерної ванни (у випадках «гарячих» шихтовок ня дуття по поверхні конвертерної ванни: величиплавок, переділу чавунів з низьким змістом Мn, на відносної площі Fрз = Fрз Fв (де Fрз,Fв - площі погіршення якості вапна, дефіциту або необхідноспоперечних перерізів сумарної реакційної зони і ті економії плавикового шпату, реалізації малоконвертерної ванни відповідно) істотно менша за шлаковоі технології виплавки сталі і т.п.) вимагаоптимальну. Має місце неефективне «жорстке» ється, як правило, збільшення числа сопел в продування ванни і незадовільне шлакоутворення, головці до 6¸8 і більш. Це істотно погіршує ефекщо призводить до заметалювання обладнання, тивність охолоджування головки фурми і знижує її погіршенню якості сталі, що виплавляється, тепстійкість унаслідок зменшення площі перерізів для лового балансу та те хніко-економічних показників проходу охолоджувача між соплами і збільшення плавок. Для того, щоб зменшити до необхідного кількості торцевих зварних швів (при використовузначення відносну глибину проникнення струменя ванні зварної конструкції головки). Крім того, при цьому ускладнюється виготовлення, збільшується дуття у ванну Hрз = Hрз Hв (де Нрз, Нв - глибина матеріаломісткість і вартість мідних головок. При реакційної зони і ванни металу відповідно) необвикористовуванні конічних сопел Лаваля з кутом хідно підтримувати надмірно високі значення вирозкриття дифузора g=(5¸10)° має місце обмежесоти фурми над ванною Нф , що призводить до ний діапазон стабільної (безвідривної) роботи сопосилення зношення футеровки конвертера. пел фурми по величині тиску кисню перед соплаВідома фурма для продування розплаву в ми і ступеня нерозрахунковості витікання конвертері зверху [2, стор.74], яка містить конценструменів - n. При n£1 починається відрив потоку тричне розташовані труби, що створюють тракти від стін дифузорів сопел, що призводить до «роздля підведення окиснювача (кисню), підведення і гару» (ерозії) вихідних ділянок останніх, зниженню відведення охолоджувача (води) і головку з одним стійкості головок фурм і дестабілізації дуттьового соплом, яке має багатоходову спіралевидну пласрежиму плавки. Тому при використовуванні відотинчасту вставк у для закручування і розділення мої фурми продування ведуть в режимі недорозпотоку кисню. ширення струменів (при n=1,3-2,0), що призводить При цьому забезпечується витікання з одного до додаткових втрат енергії дуття (на стрибках сопла декількох (3¸6) кисневих стр уменів під незгущення) і зниженню ефективності продування великим кутом до вертикальної осі фурми і дещо (неповному використовуванню потенційної енергії тиску дуття для збільшення кінетичної енергії збільшується Fрз та ступінь розосередження дуття струменів і потужності перемішування ванни). по поверхні ванни. В основу винаходу поставлена задача удоскоПроте, унаслідок неминучої взаємодії і частконалити фурму для продування розплаву в конвервого злиття кисневих струменів, що витікають із тері зверху, в якій за рахунок оптимізації значення відомої фурми, величина Fрз не досягає оптимакута розкриття дифузорів сопел забезпечується льних значень і режим продування залишається витікання кисневих струменів із збільшеними діаблизьким до «жорсткого». Крім того, спіралевидна метром першої «бочки» і радіальної складової вставка не має достатньо ефективного водяного швидкості витікання, що дозволить підвищити охолоджування, швидко оплавляється і виходить з ефективність продування конвертерної ванни, збіладу. При цьому виходить з ладу і сама фурма. льшити стійкість, спростити виготовлення і пониВідома фурма для продування розплаву в зити матеріаломісткість головки фурми та, як наконвертері зверху [3, стор.12-13] - прототип, яка слідок, зменшити собівартість сталі, що містить концентричне розташовані труби, що ствовиплавляється, (за рахунок зменшення питомих рюють тракти для підведення окислювача (кисню), витрат металошихти, шлакоутворюючих матеріапідведення і відведення охолоджувача (води) і лів, кисню, феросплавів та розкиснювачів, вогнебагатосоплову головку з конічними соплами Лаватривів), поліпшити її якість і підвищити продуктивля, що мають конфузор, мінімальний переріз і диність агрегатів (кисневих конвертерів). фузор з прямолінійними твірнами з кутом розкритРішення поставленої задачі досягається за тя g=(5¸10)°. рахунок того, що у фурмі для продування розплаПри цьому за рахунок зміни (вибору оптимаву в сталеплавильному агрегаті зверху, яка місльного значення) числа сопел в головці - nc, розтить концентричне розташовані труби, що ствоташованих під певним кутом a до осі фурми (звирюють тракти для підведення окисника, чайно a знаходиться в межах (15¸20)° [3, стор.13]) підведення і відведення охолоджувача і багатосоможна отримати практично будь-яке поєднання плову головку з конічними соплами Лаваля, які мають конфузор, мінімальний переріз і дифузор з необхідних (заданих) значень Fрз і Hрз . Це допрямолінійними твірнами, кут розкриття дифузорів зволяє забезпечити необхідний режим продувансопел g визначений із співвідношення: ня, тобто ступінь «жорсткості» дуття, яка визнача(1) gmin£g£gmax ється в першу чергу питомим імпульсом дуттьових де gmin=20°; струменів в місці їх зустрічі з металевою ванною 5 78153 6 тно збільшити її стійкість за рахунок збільшення gmax ( ) (2) площі перерізів для проходу охолоджувача між соплами. 1/ 2 Суть винаходу зображена на Фіг.1-8, де на k -1 é 2 æ öù (3) ç П0 k - 1÷ ú Фіг.1, 2, 3 подані поздовжні розрізи фурм по пункMj = ê ç ÷ êk - 1è тах 1, 2 і 3 формули винаходу відповідно; на Фіг.4 øú ë û наведена залежність косинуса середньомасового kэ - емпіричний коефіцієнт, рівний 0,85¸0,95; кута нахилу вектора швидкості струменя у вихідk - показник адіабати газу, що витікає (для киному перерізі сопла від кута розкриття дифузора сню k=1,4), конічного сопла Лаваля; на Фіг.5, 6, 7 наведені П 0=Р0×s/Р¥ - наявний перепад тиску на соплах, залежність відносного діаметра струменя в ефекР0 - повний тиск гальмування кисню перед сотивному перерізі від кута розкриття (розчину) диплами. Па, фузора сопла при різних числах Маху сопла та при s - коефіцієнт відновлення повного тиску кисрізних ступенях нерозрахунковості витікання струню в соплі, менів; на Фіг.8 наведені залежність ступеня нерозР¥ - статичний тиск в навколишньому середорахунковості початку відриву потоку від стін сопла вищі (в порожнині конвертера) на рівні зрізу сопла. від кута розкриття дифузора сопла при різних чисПа. лах Ма ху сопла. Крім того, між конфузором і дифузором в сопНа Фіг.4 наведена залежність косинуса середлах Лаваля виконані циліндричні канали, довжина ньомасового кута нахилу вектора швидкості струяких визначена із співвідношення меня у вихідному перерізі сопла cos a [4] (що виlц /dmin=0,1-3,0 (4) значає поздовжню складову імпульсу струменя) де lц - довжина циліндричних каналів, м; від кута розкриття дифузора конічного сопла Лаdmin - діаметр мінімального перерізу сопел Лаваля. На Фіг.5-7 наведені залежність відносного валя, м. діаметра струменя в ефективному перерізі Крім того, дифузори сопел мають додаткові циліндричні вихідні ділянки, довжина яких визнаdэф= dэф dэф,0 (де d эф,0 - діаметр ефективного чена із співвідношення переріза струменя при куті розкриття дифузора lв/dmin=0,05-0,2 (5) сопла, рівному нулю; у випадку n=1 величина dэф,0 де lв - довжина додаткових циліндричних ви хіу співпадає з величиною вихідного діаметра сопла дних ділянок дифузорів сопел, м. da) від кута розкриття (розчину) дифузора сопла При виконанні конічних сопел Лаваля головки при різних числах Маху сопла Мa (в діапазоні, який фурми з кутом розкриття дифузора g, який знаховикористовується в металургійній практиці Мa=1,5диться в діапазоні значень (gmin£g£gmax) має місце 2,5) і при різних ступенях нерозрахунковості п витіістотно відмінний характер витікання дуттьових кання струменів. струменів в порівнянні з використовуванням форЗ даних Фіг.4-7 витікає, що величина gmin склами-прототипу з g=5¸10°. Це пов'язано з тим, що дає »15¸200. Якщо ggmax, то має місце відрив потозводить з одного боку до додаткового збільшення ку від стін дифузора в соплах, різко посилюється діаметра першої бочки (dэф ), а з другого - до дода«розгар» останніх та, як наслідок, знижується стійткового зменшення поздовжньої складової імпулькість фурми і дестабілізується режим плавки. су струменів, що витікають, iстр.. В цілому ж питоКрім того, при використовуванні в головці фумий імпульс струменя в ефективному перерізі рми конічних сопел Лаваля з кутом розкриття ди(віднесений до площі Fэф ) істотно знижується. Це, фузора g, який знаходиться в заявленому діапазоу свою чергу, призводить до збільшення Fx і зменні значень (gmin£g£gmax), процес продування шення i x і, як наслідок, до ефекту «зм'якшуванпротікає більш стабільно. Це пов'язано з тим, що ня» продування сталеплавильної ванни, що адекпри збільшенні діаметра першої «бочки», а також ватно збільшенню числа сопел при радіальної складової швидкості витікання струмевикористовуванні фурми-прототипу. Таким чином, ня дуття положення кореня струменя є більш стійзастосування запропонованого технічного рішення ким до зовнішніх збурень (менше амплітуда і часдозволяє забезпечити необхідний ступінь «жорсттота автоколивань струменя). При цьому також кості» (ступінь «м'якості») дуття при використовуістотно розширюється діапазон значень n ступінь ванні меншого числа сопел в наконечнику фурми в нерозрахунковості по безвідривній роботі сопла порівнянні з прототипом. Це дозволяє спростити (при пониженні n аж до 0,6-0,7 при значеннях чиконструкцію головки фурми, полегшити її виготовсел Маху сопел Мa=1,5-2,5, що використовиваютьлення, понизити матеріаломісткість (по міді) і істося у металлургійній практиці) - див. Фіг.8, на якій éæ k + 1 ö1 / 2 é k -1 2 ù 1 p ù 360 = kэ êç ÷ afctgê M j - 1 ú + arcsin - ú êè k - 1 ø Mj 2 ú p ë k +1 û ë û 7 78153 8 наведені залежності ступеня нерозрахунковості на Якщо lц dmin 0,2 , то має місце помітне зниження радіз іншого - до підвищення ефективності продування альної складової швидкості, величини діаметра плавки унаслідок кращої організації кисневих dэф і зменшення ефекту зм'якшування струменя. струменів в робочому просторі агрегату і зниження Фурма для продування розплаву в сталеплавтрат енергії дуття, пов'язаних з «деформацією» вильному агрегаті (див. Фіг.1-3) містить концентривихідних ділянок сопел і виникненням відривних чне розташовані труби 1, що створюють тракти течій. Це дозволяє також проводити продування підведення окиснювача (кисню) 2, підведення 3 і плавок в оптимальній області по n - поблизу розвідведення 4 охолоджувача (води) і багатосоплову рахункового режиму витікання струменів (при головку 5 з конічними соплами Лаваля 6, які мають n=0,8¸1,2), що призводить до мінімізації втрат поконфузор 7 (з довжиною lк ), мінімальний переріз 8 і тенційної енергії тиску потоку в соплі і підвищенню дифузор 9 (з довжиною lд) з прямолінійними твірефективності продування сталеплавильної ванни. нами 10, причому кут розкриття дифузорів сопел g Збільшений діаметр першої «бочки» дозволяє довизначений із співвідношень (1)-(3) - див. Фіг.1. датково захистити вихідн у кромку сопла і присопМіж конфузором 7 і дифузором 9 сопел Лавалову область головки (наконечника) фурми від ля можуть бути виконані циліндричні канали 11, попадання бризок металу і шлаку, що сприяє піддовжина яких (L) визначена із співвідношення (4) вищенню стійкості вихідних кромок сопел і наконедив. Фіг.2. чника фурми. Крім того, при використовуванні соДифузори 9 сопел Лаваля можуть мати додатпел з кутом розкриття дифузорів, який кові циліндричні вихідні ділянки 12, довжина яких знаходиться в заявленому діапазоні (gmin£g£gmax) (lв) визначена із співвідношення (5) - див. Фіг.3. має місце (за інших рівних умов) значно менша Пристрій працює таким чином (див. Фіг.1). довжина дифузора (самої високошвидкісної ділянОхолоджуюча вода подається по тракту 3 до голоки) сопла, що призводить до зменшення втрат вки фурми 5, циркулює в ній, проходячи міжсоплотиску дуття в соплах та, як наслідок, до підвищенвий простір і відводиться з фурми по тракту 4. Киня ефективності продування. сень подається по тракту 2 до багатосоплової Виконання в соплах Лаваля між конфузором і головки 5. Проходячи через конфузори 7 сопел 6 дифузором з кутом розкриття g, що визначається із він швидшає до критичної швидкості поблизу мініспіввідношення (1), циліндричного каналу з довмального перерізу сопел 8, а проходячи далі через жиною, що визначається із співвідношення (4), дифузори 9 (з кутом розкриття g, який знаходиться дозволяє: по-перше, варіювати в широких межах в заявленому діапазоні) - до надзвукової швидкодовжиною сопла, а внаслідок і висотою головки сті, що визначається числом Маху сопла Мa і зафурми (відповідно до конструктивних особливосбезпеченням відповідного тиску перед соплами р 0, тей останньої), а по друге - додатково стабілізуваі витікає із сопел у вигляді надзвукових стр уменів ти процес витікання кисневих струменів і зменши13, які мають істотно збільшений діаметр ефектити втрати енергії потоку дуття в соплах за рахунок вного (ізобарного) перерізу dэф 14. При цьому простворення більш рівномірного поперечного профіцес витікання дуттьових струменів характеризулю швидкості на ділянці сопла з циліндричним ється стійким положенням кореня струменя, каналом. Крім того, при цьому істотно слабшають відсутністю відривних течій у вихідній ділянці совимоги до конфігурації дифузорів сопел і спрощупел і малими втратами потенційної енергії тиску ється виготовлення фурми. дуттьового потоку в соплах, що забезпечує стабіПри цьому, якщо lц dmin 2,5 ¸ 3 історежимних параметрів продування Hрз , Fрз та ін. тно збільшуються втрати тиску потоку дуття на забезпечуються мінімальним числом сопел в годілянці циліндричного каналу сопла, надмірно збіловці фурми, то зменшується матеріаломісткість льшується висота головки фурми, що ускладнює її (по міді) фурми, поліпшується охолоджування гоохолоджування за рахунок організації течії води. ловки, збільшується стійкість і знижується її собіВиконання в соплах Лаваля додаткових цилінвартість. дричних ви хідних ділянок, довжина яких визначена При виконанні в соплах 6 фурми (див. Фіг.2) із співвідношення (5), дозволяє додатково збільциліндричних каналів 11 з довжиною, яка знахошити стійкість течії із сопла до відриву (за рахунок диться в заявленому діапазоні, в потоці дуття при ефекту «підтискання» потоку до стін сопла) і змепереході з конфузору 7 в дифузор 9 в циліндричншити радіаційний тепловий потік на внутрішню них каналах 11 забезпечується більш рівномірний поверхню вихідної ділянки сопла від високотемперозподіл звукової швидкості по перерізу на вході в ратурної реакційної зони (за рахунок зменшення дифузор, що додатково стабілізує режим витікання кутового коефіцієнта випромінювання). Це сприяє струменів із сопел та зменшує втрати тиску дуття в збільшенню стійкості вихідної ділянки сопел і фусоплах. рми в цілому до абразивної, теплової і хімічної При виконанні в соплах 6 фурми (див. Фіг.3) ерозії. дифузорів 9 з додатковими циліндричними вихід 9 78153 10 ними ділянками 12 з довжиною, яка знаходиться в ляється, (за рахунок зменшення питомих витрат заявленому діапазоні, додатково підвищується металошихти, шлакоутворюючих матеріалів, кисстійкість потоку, що витікає, до відриву і зменшуню, феросплавів та розкиснювачів, вогнетривів), ється тепловий потік на внутрішню поверхню сопполіпшити її якість і підвищити продуктивність агла, що призводить до стабілізації процесу продурегатів (кисневих конвертерів). вання і підвищення стійкості фурми. Джерела інформації Використання фурми для продування розпла1. Баптизманский В.И., Меджибожский М.Я., ву в сталеплавильному агрегаті вказаної конструкОхо тский В.Б. Конвертерные процессы производсції за рахунок оптимізації кута розкриття дифузорів тва стали. Теория, технология, конструкции агресопел і забезпечення витікання кисневих струмегатов. - Киев; Донецк: Вища шк., 1984.-343с. нів із збільшеними діаметром першої «бочки» 2. Афанасьев С.Г. Краткий справочник конвер(ефективного перерізу) і радіальної складової торщика. - М: Металлургия, 1967. швидкості витікання, дозволить підвищити ефек3. Старой Р.В., Нагорских В.А. Производство тивність продування сталеплавильної ванни, збістали в конвертерах. - К.: Те хніка, 1987.-167с. льшити стійкість, спростити виготовлення і пони4. Лухтура Ф.И. Одномерная теория сверхзвузити матеріаломісткість головки фурми і, як ковых нерасчетных стр уй газа. -Известия РАН. наслідок, зменшити собівартість сталі, що виплавМе ханика жидкости и газа. - 1993, №1. - С.48-56. 11 Комп’ютерна в ерстка Т.Чепелева 78153 Підписне 12 Тираж 26 прим. Міністерство осв іт и і науки України Держав ний департамент інтелектуальної в ласності, вул. Урицького, 45, м. Київ , МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислов ої в ласності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601