Киснева фурма для продування конвертерної ванни зверху двома типами струменів

Реферат: Винахід належить до галузі чорної металургії, а саме - до конструкції кисневої фурми для продування конвертерної ванни зверху двома типами струменів. Фурма містить головку з розташованими в ній периферійними надзвуковими соплами та центральним соплом, яке має циліндричну частину і встановлений перед нею завихрювач при відношенні сумарної площі прохідних перерізів каналів завихрювача до сумарної площі критичних перерізів периферійних сопел, що дорівнює 0,05-0,25, причому відношення довжини ділянки між завихрювачем і вихідним перерізом центрального сопла до внутрішнього діаметра його циліндричної частини становить 1,5-7,5. Центральне сопло може містити вихідну частину, яка виконана у вигляді зрізаного конуса, що розширюється або звужується, з кутом при вершині не більшим ніж 12 градусів. Винахід забезпечує, підвищення ефективності допалювання СО-вмісних газів, поліпшення організації витікання вихрового струменя додаткового кисню, теплового балансу плавки, процесу шлакоутворення в конвертері, розширення можливості управління UA 102919 C2 (12) UA 102919 C2 сталеплавильним процесом, підвищення стійкості вихідної ділянки центрального сопла і фурми в цілому та зменшення собівартості сталі, що виплавляється в конвертері. UA 102919 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Винахід належить до галузі чорної металургії, зокрема до конструкції продувальних фурм сталеплавильних агрегатів, переважно до киснево-конверторного виробництва сталі. Відома двоярусна фурма для продування розплаву в конвертері [1, стор. 77-83], що містить сопла нижнього ярусу, які розміщені на торці фурми по колу під визначеним кутом до її осі і використовуються для подання основного (первинного) потоку кисню для рафінування і перемішування розплаву, і сопла верхнього ярусу, які розміщені по колу на стовбурі фурми на визначеній відстані від її торця під визначеним кутом до її осі і використовуються для подання додаткового (вторинного) потоку кисню для допалювання у робочому просторі конвертера СОвмісних газів, що виділяються з розплаву. При цьому в порівнянні зі звичайними (класичними) продувальними фурмами, за рахунок інтенсифікації допалювання конвертерних газів та підводу до ванни додаткової кількості теплоти поліпшується тепловий баланс плавки та зменшується частка рідкого чавуну (збільшується частка брухту та інших металоохолоджувачів) в металошихті і зменшується тривалість продувки плавки. Проте, при використанні відомої фурми високотемпературні зони допалювання газів вторинним киснем розташовані над шлаковим розплавом, який суттєво погіршує теплопередачу від вказаних зон до металевої ванни, як наслідок, - мають місце: низьке значення ступеня корисного використання теплоти, що виділилася при допалюванні газів, металевою ванною -  (особливо в конвертерах з верхньою продувкою - при відсутності додаткової нижньої або бокової продувки ванни окислювальним або інертним газом), перегрів та зниження стійкості футерівки конвертера. Крім того, при використанні відомої фурми може мати місце прямий контакт реагуючих струменів вторинного кисню з футерівкою конвертера, що додатково зменшує її стійкість. Також може мати місце переокислення шлаку. Відома двоконтурна фурма для продування розплаву в конвертері [1, стор. 77-79], яка містить розташовані на її торці по колу під визначеним кутом до її осі сопла для подання основного (первинного) потоку кисню і розташовані на її торці по колу під визначеним і більшим, ніж перший, кутом до її осі сопла для подання додаткового (вторинного) потоку кисню. При цьому зони допалювання конвертерних газів розташовуються ближче до металевої ванни - в шлако- газометалевої емульсії (або верхньому шарі шлаку). Як наслідок, збільшується значення ступеня корисного використання теплоти, що виділилася при допалюванні газів, металевою ванною, зменшується негативний вплив струменів вторинного кисню на перехідну та конічну частини футерівки конвертера, зменшується їх перегрів та збільшується стійкість (у порівнянні з першим аналогом). Проте, при використанні відомої фурми негативний вплив струменів вторинного кисню на циліндричну частину футерівки конвертера залишається достатньо сильним, що призводить до зменшення її стійкості (внаслідок прямого контакту з реагуючими струменями вторинного кисню в періоди відсутності та „згорнутого" шлаку, а також при опусканні та підйомі фурми; спрямованої циркуляції перегрітих та переокислених верхніх шарів шлаку). Крім того, може мати місце переокислення шлакового розплаву, особливо в конвертерах верхнього дуття при відсутності у фурмі тракту, що окремо регулюється, для подання вторинного кисню. Кількість сопел для подання вторинного кисню у двоконтурних фурмах звичайно достатньо велика - 8-12 шт та більше, що ускладнює конструкцію та призводить до здороження головки фурми, а також призводить до зменшення її стійкості (внаслідок погіршення організації циркуляційної течії охолоджувальної води в головці та збільшення кількості зварних швів при зварній конструкції). Відома фурма для вдування кисню в конвертер [2], яка містить головку з розташованими в ній периферійними соплами і центральним соплом, причому з метою поліпшення теплового балансу плавки та збільшення частки брухту в шихті шляхом підводу до ванни додаткової кількості теплоти за рахунок інтенсифікації допалювання монооксиду вуглецю (СО), вона має встановлений у головці на вході в центральне сопло дросельний пристрій, прохідна площа якого становить (0,20-0,85) площі прохідного перерізу центрального сопла. При цьому периферійні сопла призначені для подання основного потоку кисню, що витікає через них у вигляді надзвукових "жорстких" далекобійних струменів, які використовуються для рафінування та перемішування розплаву, а центральне сопло з встановленим на вході в нього дроселем, призначене для подання додаткового потоку кисню, що витікає з сопла у вигляді більш "м’якого" (дросельованого) струменя, який використовується для допалювання у порожнині конвертера СО-вмісних газів, які виділяються з розплаву. Внаслідок цього поліпшується тепловий баланс конвертерної плавки. Зона допалювання газів максимально віддалена від футерівки конвертера, та екранується від неї струменями основного кисню, що суттєво зменшує негативний вплив технології допалювання газів на футерівку агрегату. 1 UA 102919 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Проте, застосування дросельного пристрою у відомій фурмі призводить до марних втрат енергії газового потоку (потенційної енергії тиску) на вході в центральне сопло. Крім того, струмінь, який витікає в цьому випадку з центрального сопла, має завелику швидкість, далекобійність і недостатню поверхню взаємодії з конвертерними газами, що відходять, з погляду організації ефективного допалювання останніх. Відома киснева фурма для продування конвертерної ванни зверху двома типами струменів [3] - найближчий аналог, яка містить головку з розташованими в ній периферійними надзвуковими соплами та центральним соплом з установленим на вході у нього завихрювачем, яке складається із циліндричної частини і вихідної частини, що плавно сполучає циліндричну частину сопла з нижньою твірною головки фурми і має висоту, що становить 0,1-0,3 висоти циліндричної частини сопла, причому відношення сумарної площі прохідних перерізів каналів завихрювача до сумарної площі критичних перерізів периферійних сопел становить 0,05-0,25. При цьому, як і у попередньому випадку, периферійні сопла призначені для подання основного потоку. кисню для рафінування та перемішування розплаву у ванні, а центральне сопло призначене для подання додаткового потоку кисню для допалювання у порожнині конвертера СО-вмісних газів, які виділяються з розплаву. За рахунок застосування завихрювача, що встановлений на вході в центральне сопло, забезпечується більш ефективне використання енергії потоку додаткового кисню та його витікання з центрального сопла у вигляді вихрового струменя - "парасольки" над реакційною зоною в конвертері, де переважно окислюється вуглець розплаву до газоподібного монооксиду. У результаті цього значно збільшується поверхня взаємодії додаткового кисню з СО-вмісними газами та підвищується ефективність їх допалювання. Крім того, при формуванні потоку додаткового кисню, що витікає з центрального сопла фурми у вигляді вихрового струменя, забезпечується також поліпшення процесу шлакоутворення та зменшення виносу бризок розплаву і пилу з агрегату з газами, що відходять. При відношенні сумарної площі прохідних перерізів каналів завихрювача до сумарної площі критичних перерізів периферійних сопел, що становить 0,05-0,25, має місце близьке до оптимального значення частки вторинного кисню відносно загальної його витрати через фурму [4]. Проте, у відомій фурмі не визначена оптимальна довжина ділянки між завихрювачем та вихідним перерізом центрального сопла, що не дозволяє гарантовано забезпечити формування стійкої вихрової зони допалювання СО-вмісних газів, та, як наслідок, отримати усі вказані вище переваги технології допалювання газів у сталеплавильному агрегаті вихровим кисневим струменем. Вихровий потік кисню, що витікає з центрального сопла з короткою вихідною частиною, що різко розширюється і плавно сполучає його циліндричну частину з нижньою твірною головки фурми, різко розкривається і формує високотемпературну зону допалювання газів безпосередньо поблизу вихідного перерізу сопла (торця фурми), який призводить до зниження стійкості вихідної ділянки центрального сопла і головки фурми. При цьому зона допалювання газів віддаляється від ванни, зменшуються інтенсивність теплообміну між ними, кількість корисно використаної теплоти () та ефективність застосування технології допалювання відхідних газів в цілому. Крім того, вихідна частина центрального сопла має достатньо складну форму, що затруднює розрахунок його оптимальних параметрів та виготовлення головки фурми. З іншої сторони, як показали дослідження, при визначеній оптимальній довжині ділянки між завихрювачем та вихідним перерізом центрального сопла, зникає необхідність у наявності вихідної частини центрального сопла для забезпечення ефективного допалювання СО-вмісних газів у порожнині конвертера. В основу винаходу поставлена задача удосконалити конструкцію кисневої фурми для продування конвертерної ванни зверху двома типами струменів, в якій за рахунок оптимізації конструктивних параметрів центрального сопла забезпечується організація стійкої вихрової зони допалювання СО-вмісних газів, підвищення ефективності технології допалювання газів, поліпшення теплового балансу плавки та процесу шлакоутворення, підвищення стійкості центрального сопла і фурми в цілому, зменшення витрат на їх проектування та виготовлення і, в остаточному підсумку, зменшення собівартості сталі, що виплавляється. Рішення поставленої задачі здійснюється за рахунок того, що в кисневій фурмі для продування конвертерної ванни зверху двома типами струменів, що містить головку з розташованими в ній периферійними надзвуковими соплами та центральним соплом, яке має циліндричну частину і завихрювач, що встановлений перед нею, при відношенні сумарної площі прохідних перерізів каналів завихрювача до сумарної площі критичних перерізів периферійних сопел, що дорівнює 0,05-0,25, відношення довжини ділянки між завихрювачем і вихідним перерізом центрального сопла до внутрішнього діаметра його циліндричної частини становить 2 UA 102919 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 1,5-7,5. А також центральне сопло містить вихідну частину, яка виконана у вигляді зрізаного конусу, що розширюється або звужується, з кутом при вершині не більшим ніж 12 градусів. При створенні винаходу виходили з наступних положень. При виконанні у кисневій фурмі для продування конвертерної ванни зверху двома типами струменів (далі по тексту - фурмі) центрального сопла, яке має циліндричну частину, з відношенням довжини ділянки між завихрювачем та вихідним перерізом центрального сопла і внутрішнім діаметром його циліндричної частини, що становить 1,5-7,5, гарантовано забезпечується витікання з сопла стійкого вихрового струменя додаткового кисню і, як наслідок, формування стійкої вихрової зони ефективного допалювання СО-вмісних газів у порожнині сталеплавильного агрегату. При цьому вихрова зона допалювання газів розташовується далі від фурми і ближче до ванни (у порівнянні з найближчим аналогом), що призводить до поліпшення умов роботи і підвищення стійкості головки фурми, а також до збільшення інтенсивністі теплообміну між зоною допалювання газів і ванною, збільшення кількості корисно використаної теплоти (для поліпшення теплового балансу плавки) та ефективності застосування технології допалювання конвертерних газів, що відходять, в цілому. Крім того, суттєво спрощуються конструкція та виготовлення центрального сопла і головки фурми. Область оптимальних значень відношення довжини ділянки між завихрювачем та вихідним перерізом центрального сопла (L) і внутрішнім діаметром його циліндричної частини (dц) знаходиться в межах 1,5-7,5 і встановлена шляхом вивчення картини витікання вихрового струменя з центрального сопла з завихрювачем при проведенні серії експериментів на газодинамічному стенді, обладнаному стробоскопом (для покращення візуалізації течії) і системою виміру повного та статичного тиску у газовому потоці. Експерименти проводилися на моделях центрального сопла фурм 160-т і 350-т кисневих конверторів, виконаних в масштабі 1:5. При значеннях відношення L/dц менших ніж 1,5 довжини сопла недостатньо для повного формування об'єднаного вихрового потоку додаткового кисню у ньому. Тому замість одного стійкого вихрового струменя на виході з сопла мають місце декілька (в залежності від кількості каналів у завихрювачі) менших за потужністю несталих потоків (струменів) окислювача, що направлені під кутом до осі центрального сопла і лише частково взаємодіють між собою. При значеннях відношення L/dц більших ніж 7,5 внаслідок занадто великої довжини сопла (збільшення гідравлічного опору за рахунок тертя вихрових потоків між собою та стінками сопла) суттєво знижується ефект закручення об'єднаного потоку, зменшується його сталість і погіршуються енергетичні характеристики. При виконанні центрального сопла фурми з додатковою вихідною частиною достатньо простої форми у вигляді зрізаного конусу, що розширюється або звужується, з'являється додаткова можливість регулювання кута розкриття вихрового струменя, що витікає, та місця розташування зони допалювання над металевою ванною в залежності від конкретних умов роботи сталеплавильного агрегату. Так, при виконанні вихідної частини центрального сопла у вигляді зрізаного конусу, що розширюється, можливо дещо збільшити висоту розташування зони допалювання над металом та її поверхню взаємодії з конвертерними газами без погіршення стійкості фурми, а при виконанні вихідної частини у вигляді зрізаного конуса, що звужується можливо дещо наблизити вказану зону до ванни. При цьому кут конусності (кут при вершині зрізаного конуса) вихідної частини -  повинен бути не більшим ніж 12 градусів. Якщо величина кута  є більшою ніж 12 градусів, то суттєво змінюються характеристики течії вихрових потоків на виході з центрального сопла (у порівнянні з випадком при відсутності вихідної частини центрального сопла) і при виконанні співвідношення, що заявлено, (L/dц=1,57,5) не завжди забезпечується формування стійкої вихрової зони допалювання газів. Слід також відзначити, що при наявності у центральному соплі вихідної частини з параметрами, що заявлені, для якісного формування об'єднаного вихрового потоку кисню довжина циліндричної частини центрального сопла повинна бути не меншою ніж 1,5 dц. Суть винаходу зображена на фіг. 1-4, де на фіг. 1 - киснева фурма за п. 1 формули винаходу, з додатковим центральним трактом для подання вторинного (додаткового) кисню, що регулюється відокремлено від основного (вертикальний переріз); на фіг. 2 - переріз А-А на фіг. 1; на фіг. 3 - киснева фурма за п. 2 формули винаходу, без додаткового центрального тракту для подання вторинного кисню (вертикальний переріз); на фіг. 4 - переріз А-А на фіг. 3. Фурма складається з чотирьох (при виконанні фурми з додатковим центральним трактом для подання вторинного кисню - див. фіг. 1) або трьох (при відсутності додаткового центрального тракту для подання вторинного кисню - див. фіг. 3) концентрично розташованих труб 1, які утворюють тракти: підводу кисню 2, підводу 3 і відводу 4 охолоджуючої води, та головки 5, яка має периферійні надзвукові сопла 6 для подання основного потоку кисню у 3 UA 102919 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 порожнину конвертера у вигляді надзвукових струменів для продування розплаву і центральне сопло 7 для подання додаткового потоку кисню у вигляді вихрового струменя для допалювання СО-вмісних газів, що виділяються з розплаву, і інтенсифікації шлакоутворення. Центральне сопло 7 має циліндричну частину 8 (див. фіг. 1) та встановлений перед нею завихрювач 9 при відношенні сумарної площі прохідних перерізів каналів 10 завихрювача 9 до сумарної площі критичних перерізів 11 периферійних сопел 6, що дорівнює 0,05-0,25, причому відношенням довжини ділянки між завихрювачем 9 та вихідним перерізом 12 центрального сопла 7 (L) і внутрішнім діаметром його циліндричної частини 8 (dц) становить L/dц=1,5-7,5. Центральне сопло 7 фурми може мати вихідну частину 13 (див. фіг. 3), яка виконана у вигляді зрізаного конуса, що розширюється або звужується, з кутом при вершині а не більшим, ніж 12 градусів. При виготовленні кисневої фурми в загальному випадку може бути використаний завихрювач будь-якого відомого типу (шнековий, гвинтовий, лопатевий, тангенційний та ін.). Поданий, як приклад, на фіг. 1, 2 завихрювач 9 виконано гвинтовим (з вісьмома гвинтовими каналами), а на фіг. 3, 4 - тангенційним (з шістьома циліндричними каналами, розташованими тангенційно до осі центрального сопла). Пристрій працює таким чином (див. фіг. 1-4). Основний потік кисню у фурмі через тракт 2 надходить до надзвукових периферійних сопел 6, пришвидшується в них і витікає у вигляді надзвукових струменів у простір конвертора, розкриваючись у ньому під кутом (10-14)°. Ці "жорсткі" далекобійні струмені використовуються для рафінування та перемішування розплаву. При взаємодії їх з металевою ванною утворюється реакційна зона, де інтенсивно протікають реакції окиснювання вуглецю, переважно до його моноокису (CO), який у струминному режимі барботажу спливає у ванні розплаву і виділяється з неї переважно у підфурменій зоні. Додатковий потік кисню через тракт 2 фурми надходить до каналів 10 завихрювача 9 центрального сопла 7, пришвидшується в них і далі надходить у циліндричну частину 8 центрального сопла 7, де формується у вигляді об'єднаного вихрового потоку, а потім витікає із вихідного перерізу 12 центрального сопла 7 у вигляді „зм'якшеного" вихрового струменя ("парасольки" над реакційною зоною в конвертері), який формує зону допалювання СО-вмісних газів додатковим киснем. За умови виконання співвідношення конструктивних параметрів центрального сопла 7 фурми, що заявлено, (L/dц=1,5-7,5), забезпечується витікання із центрального сопла стійкого повністю сформованого вихрового струменя додаткового кисню і, як наслідок, формування стійкої вихрової зони ефективного допалювання СО-вмісних газів у порожнині сталеплавильного агрегату. При наявності у центральному соплі 7 фурми додаткової вихідної частини 13 (див. фіг.2) з конструктивними параметрами, що заявлені, об'єднаний вихровий потік вторинного кисню у ній (після надходження з циліндричної частини 8 і перед витіканням із центрального сопла 7) частково розширюється або стискається (відповідно до форми вихідної частини 13), що дозволяє, при необхідності, додатково регулювати кут розкриття та площу поверхні вихрового струменя, що витікає з центрального сопла 7, та місця розташування зони допалювання над металевою ванною в залежності від конкретних умов роботи сталеплавильного агрегату. При використанні фурми зазначеної конструкції, що заявлена, вихрова зона допалювання СО-вмісних газів розташовується далі від фурми і ближче до ванни (у порівнянні з найближчим аналогом), що призводить до поліпшення умов роботи і підвищення стійкості головки фурми, а також до збільшення інтенсивності теплообміну між зоною допалювання газів і ванною, збільшення кількості корисно використаної теплоти (для поліпшення теплового балансу плавки) та ефективності застосування технології допалювання конвертерних газів, що відходять, в цілому. При цьому теплота, що додатково отримана, може бути використана для: 1) зниження питомої витрати рідкого чавуну з підвищенням частини металобрухту та інших металоохолоджувачів у металошихті плавок; 2) зменшення негативних наслідків „передуву плавок, зменшення „угару" металу в конвертері, питомої витрати металошихти, окисленості металу та шлаку, питомої витрати феросплавів та розкислювачів, збільшення вмісту вуглецю в металі після продувки; 3) впровадження малошлакових технологій виплавки сталі, використання чавунів з низьким вмістом Si та Мn; 4) додаткового використання у конвертерній плавці рудних матеріалів тощо. Слід особливо відзначити, що при використанні фурми зазначеної конструкції за рахунок одночасного продування сталеплавильної ванни кисневими струменями двох типів (периферійними "жорсткими" далекобійними струменями і центральним вихровим більш "м'яким" струменем) суттєво розширюються можливості управління сталеплавильним процесом і поліпшується процес шлакоутворення в агрегаті: прискорюється наведення шлаку у начальний період продування плавки та зменшується вірогідність передчасного "згортання" шлаку у період інтенсивного окислення вуглецю розплаву. Водночас зона допалювання достатньо віддалена 4 UA 102919 C2 5 10 15 20 від футерівки сталеплавильного агрегату та екранується від останньої спіненим шлаком, тому стійкість футерівки не знижується. Застосування кисневої фурми для продування конвертерної ванни зверху двома типами струменів за рахунок оптимізації конструктивних параметрів центрального сопла (яке використовується для подання додаткового кисню у вигляді вихрового струменя для допалювання СО-вмісних газів) дозволить поліпшити організацію витікання вихрового струменя додаткового кисню і зони допалювання газів, що відходять, і, як наслідок, підвищити ефективність технології допалювання газів, поліпшити тепловий баланс плавки, розширити можливості управління сталеплавильним процесом, поліпшити процес шлакоутворення в агрегаті, збільшити стійкість вихідної ділянки центрального сопла і фурми в цілому, і, в остаточному підсумку, зменшити собівартості сталі, що виплавляється. Джерела інформації: 1. Баптизманский В. И., Бойченко Б. М., Черево В. П. Тепловая работа кислородных конвертеров. -М.: Металлургия, 1988.-174 с. 2. Фурма для вдувания кислорода в конвертер. А.с, СССР № 1168608, МКИ С 21 С 5/48, опубл. 1985 г., Бюл. № 27. 3. Кислородная фурма для продувки расплава. А.с. СССР № 1592345, МКИ С 21 С 5/48, опубл. 15.09.90., Бюл. № 34. 4. Безчерев А. С, Сущенко А. В. Моделирование процесса дожигания монооксида углерода в кислородном конвертере // Металлургическая и горнорудная промышленность.-2004. - № 8. С. 44-48. ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 25 30 1. Киснева фурма для продування конвертерної ванни зверху двома типами струменів, що містить головку з розташованими в ній периферійними надзвуковими соплами та центральним соплом, яке має циліндричну частину і встановлений перед нею завихрювач при відношенні сумарної площі прохідних перерізів каналів завихрювача до сумарної площі критичних перерізів периферійних сопел, що дорівнює 0,05-0,25, яка відрізняється тим, що відношення довжини ділянки між завихрювачем і вихідним перерізом центрального сопла до внутрішнього діаметра його циліндричної частини становить 1,5-7,5. 2. Киснева фурма за п. 1, яка відрізняється тим, що центральне сопло містить вихідну частину, яка виконана у вигляді зрізаного конуса, що розширюється або звужується, з кутом при вершині не більшим ніж 12 градусів. 5 UA 102919 C2 Комп’ютерна верстка Л. Бурлак Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 6