Фурма для продування сталеплавильної ванни зверху струменями двох типів

Реферат: Винахід належить до чорної металургії і стосується фурми для киснево-конвертерного виробництва сталі. Фурма містить головку з розташованими в ній периферійними соплами та центральним соплом, яке має циліндричну та вихідну частини і встановлений перед ними завихрювач. Вихідна частина центрального сопла виконана у вигляді зрізаного конуса, який звужується, а відношення площ вихідного перерізу центрального сопла і прохідного перерізу циліндричної частини центрального сопла знаходиться в заявленому діапазоні. Технічний результат: підвищення ефективності допалювання газів. UA 98067 C2 (12) UA 98067 C2 UA 98067 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Винахід належить до чорної металургії і стосується фурми для киснево-конверторного виробництва сталі. Відома фурма для вдування кисню в конвертер [1], 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, 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 із сопла у вигляді більш "м'якого" струменя, який використовується для допалювання у порожнині конвертера СОвмісних газів, які виділяються з розплаву. Внаслідок цього поліпшується тепловий баланс конвертерної плавки. 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 відхідними конвертерними газами, з погляду організації ефективного допалювання останніх. Відома киснева фурма для продування розплаву [2] - прототип, яка містить головку з розташованими в ній периферійними соплами та центральним соплом, яке має циліндричну та вихідну частини і встановлений перед ними завихрювач, причому вихідна частина центрального сопла плавно сполучає його циліндричну частину з нижньою твірною головки фурми, а висота вихідної частини центрального сопла складає 0,1-0,3 висоти його циліндричної частини. При цьому за рахунок використання 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 (СО). У результаті цього значно збільшується поверхня взаємодії додаткового (допалюючого) кисню з СО-вмісними газами та підвищується ефективність їх допалювання. Крім того, у відомій фурмі внаслідок більш організованої течії охолоджувальної води поблизу вихідної ділянки центрального сопла поліпшується водяне охолодження вказаної ділянки та місця її з'єднання з нижньою частиною головки, що особливо важливо для фурмених головок зварних конструкцій. Проте, продування розплаву струменями двох типів через фурму зазначеної конструкції характеризується наявністю зони розрідження (зниженого тиску) в центральній області вихідного перерізу центрального сопла, що може призвести до ежекції всередину сопла бризок (частинок) металу і шлаку та високотемпературних газів, знижує стійкість головки та фурми у цілому. При цьому зона допалювання газів віддаляється від ванни і зменшується інтенсивність теплообміну між ними, що зменшує кількість корисно використаної теплоти та ефективність застосування технології допалювання відхідних газів. Крім того, при виконанні вихідної частини центрального сопла у вигляді ділянки, що різко розширюється і плавно сполучає його циліндричну частину з нижньою твірною головки фурми, суттєво збільшується тепловий потік на вихідну ділянку центрального сопла від високотемпературної зони допалювання газів, що також призводить до зниження стійкості фурми і не дозволяє повною мірою реалізувати переваги технології допалювання відхідних газів. В основу винаходу поставлена задача удосконалити конструкцію фурми для продування сталеплавильної ванни зверху струменями двох типів, в якій за рахунок оптимізації конструктивних параметрів вихідної частини центрального сопла забезпечується поліпшення організації зони допалювання відхідних газів, підвищення ефективності технології допалювання газів, поліпшення теплового балансу плавки, збільшення стійкості вихідної ділянки центрального сопла і фурми в цілому, і, в остаточному підсумку, зменшення собівартості сталі, що виплавляється. Рішення поставленої задачі здійснюється за рахунок того, що в фурмі для продування сталеплавильної ванни зверху струменями двох типів, що містить головку з розташованими в ній периферійними соплами та центральним соплом, яке має циліндричну та вихідну частини і встановлений перед ними завихрювач, вихідна частина центрального сопла виконана у вигляді зрізаного конусу, який звужується, причому відношення площ вихідного перерізу центрального сопла і прохідного перерізу циліндричної частини центрального сопла становить 0,70-0,95. 1 UA 98067 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 А також відношення довжини вихідної частини і діаметра вихідного перерізу центрального сопла становить 0,2-2,0. При створенні винаходу виходили з наступних положень. При виконанні вихідної частини центрального сопла у вигляді зрізаного конусу, який звужується, при відношенні площ вихідного перерізу центрального сопла і прохідного перерізу циліндричної частини центрального сопла, що знаходиться у діапазоні 0,70-0,95, при використанні фурм даного типу забезпечується оптимальна організація зони допалювання СО-вмісних газів, що виділяються із сталеплавильної ванни (переважно у районі реакційної зони). Переходячи із циліндричної частини центрального сопла у вихідну його частину з вказаними параметрами, вихровий потік додаткового кисню у ній не розширюється, як у прототипі, а навпаки - декілька стискується (підтискається), статичний тиск потоку у вихідному перерізі сопла збільшується, а вихрова зона допалювання віддаляється від торця фурми. Це суттєво зменшує вірогідність ежекції всередину центрального сопла бризок (частинок) металу і шлаку та високотемпературних газів, приводить до збільшення стійкості вихідної ділянки центрального сопла та головки фурми у цілому. При цьому зона допалювання газів є достатньо тривкою і розташовується ближче до ванни, збільшується інтенсивність теплообміну між ними, що збільшує кількість корисно використаної теплоти (для поліпшення теплового балансу плавки) та ефективність застосування технології допалювання відхідних газів в цілому. Крім того, при виконанні внутрішньої поверхні вихідної частини центрального сопла у вигляді зрізаного конусу, який звужується (у напрямку його вихідного перерізу) суттєво зменшується (у порівнянні з прототипом) тепловий потік на вихідну ділянку центрального сопла від високотемпературної зони допалювання газів, що також приводить до збільшення стійкості головки фурми. Слід відзначити, що зовнішня поверхня вихідної частини центрального сопла при цьому може бути будь-якої форми, найбільш раціонально - циліндричної форми, яка плавно сполучається з нижньою твірною головки фурми. Це додатково покращить водяне охолодження центральної частини торця головки фурми. Область оптимальних значень відношення площ вихідного перерізу центрального сопла і прохідного перерізу циліндричної частини центрального сопла знаходиться в межах 0,70-0,95 і встановлена шляхом вивчення картини витікання вихрового струменя із 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 вказаного відношення, більших за 0,95, вихровий потік додаткового кисню, переходячи із циліндричної частини центрального сопла у вихідну його частину, практично не стискується у останній, а при значенні вказаного відношення, більшому за 1, навпаки розширюється у ній. Наслідком цього є наближення зони допалювання газів до торця головки та наявність зони розрідження (зниженого тиску) в центральній області вихідного перерізу центрального сопла, що призводить до зниження ефективності застосування технології допалювання відхідних газів та зниження стійкості фурменої головки (внаслідок ежекції всередину сопла бризок металу і високотемпературних газів та збільшення теплового потоку на вихідну ділянку центрального сопла від високотемпературної зони допалювання газів). При значеннях вказаного відношення, менших за 0,70, суттєво зменшується пропускна спроможність центрального сопла, що призводить до зменшення витрати додаткового кисню чи необхідності збільшення його розмірів, та розмірів фурменої головки. Крім того, при значенні вказаного відношення, меншому за 0,70 (а особливо, меншому за 0,50) має місце зворотний ефект - різке розширення вихрового потоку додаткового кисню (поблизу від торця головки) після його витікання із центрального сопла. При цьому вихрова зона допалювання становиться менш тривкою. Знижується ефективність застосування технології допалювання відхідних газів та стійкість фурменої головки. Область оптимальних значень відношення довжини вихідної частини і діаметра вихідного перерізу центрального сопла (Івих/dвиx) становить 0,2-2,0 і встановлена при проведенні серії експериментів на газодинамічному стенді вищевказаним шляхом. При значеннях відношення (Івих/dвих), менших за 0,2, помітно збільшуються місцеві утрати тиску потоку кисню у вихідній частині сопла, особливо при менших значеннях відношення площ вихідного перерізу центрального сопла і прохідного перерізу циліндричної частини центрального сопла (Fвих/Fц) із заявленого діапазону. При значеннях відношення (Івих/dвих), більших за 2,0 збільшуються утрати тиску газового потоку по довжині вихідній частині сопла та зменшується ефект закрутки потоку у центральному соплі… 2 UA 98067 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Суть винаходу зображена на фіг. 1-4, де на фіг. 1 - фурма без додаткового центрального тракту для подання додаткового кисню (вертикальний переріз); на фіг. 2 - переріз А-А на фіг. 1; на фіг. 3 - фурма з додатковим центральним трактом для подання додаткового кисню (вертикальний переріз); на фіг. 4 - переріз А-А на фіг. 3. Фурма складається з трьох (при виконанні фурми без додаткового центрального тракту для подання додаткового кисню - див. фіг. 1) або чотирьох (при наявності додаткового центрального тракту для подання додаткового кисню - див. фіг. 3) концентрично розташованих труб 1, які утворюють тракти: підводу кисню 2, підводу 3 і відводу 4 охолоджувальної води, та головки 5, яка має периферійні сопла 6 для подання основного потоку кисню у вигляді надзвукових струменів на продування розплаву і центральне сопло 7 для подання кисню у вигляді вихрового струменя на допалювання СО-вмісних газів, що виділяються з розплаву. Центральне сопло 7 має циліндричну 8 та вихідну 9 частини і встановлений перед ними завихрювач 10. При цьому вихідна частина 9 центрального сопла 7 виконана у вигляді зрізаного конуса, який звужується, причому відношення площ вихідного перерізу центрального сопла з діаметром dвиx і прохідного перерізу циліндричної частини центрального сопла з діаметром dц становить 0,70-0,95. Поданий на фіг. 1-4 завихрювач 10 виконано тангенціальним (на фіг. 1, 2 - з циліндричними каналами, а на фіг. 3, 4 - з щілинними каналами). Проте у загальному випадку він може бути іншого відомого типу (шнековий, гвинтовий, лопатевий і т.ін.). З погляду найбільш ефективного використання потенціальної енергії тиску потоку додаткового кисню, відношення довжини вихідної частини Івих і діаметра вихідного перерізу центрального сопла dвих становить 0,2-2,0. Пристрій працює таким чином (див. фіг. 1-4). Основний потік кисню надходить до 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 розплавом сталеплавильної ванни 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 пришвидшується в каналах завихрювача 10 центрального сопла 7, надходить у його циліндричну частину 8, де формується у вигляді вихрового потоку і надходить у вихідну частину 9 сопла 7, яка виконана у вигляді зрізаного конусу, що звужується, і має заявлені конструктивні параметри (відношення площ вихідного і вхідного перерізів, відношення довжини і діаметра вихідного перерізу). У вихідній частині 9 центрального сопла 7 вихровий потік додаткового кисню додатково стискується (підтискається), а статичний тиск у ньому (у тому числі у вихідному перерізі сопла) збільшується. В результаті цього вихровий потік додаткового кисню, що сформувався в центральному соплі 7, після виходу з нього розкривається на деякій відстані від торця фурми у вигляді вихрового струменя -"парасольки", межі якої виходять за границі периферійних продувальних струменів. При цьому центральний вихровий потік розкривається в межах початкової (газодинамічної) ділянки надзвукових периферійних струменів, яка характеризується нерозвиненим шаром змішування та слабкою ежектувальною здатністю. Тому периферійні струмені пронизують вихрову кисневу "парасольку", практично не ежектуючи її вміст. Сформована таким чином вихрова зона подання додаткового кисню в конвертер (для допалювання газів) є тривкою і має достатньо велику поверхню взаємодії з відхідними СО-вмісними газами, у межах якої останні ефективно допалюються додатковим киснем. При цьому забезпечується витікання кисневого вихору із центрального сопла 7 без утворення зони розрідження (зниженого тиску) у центральній області його вихідного перерізу, що суттєво зменшує вірогідність ежекції бризок металу та високотемпературних газів всередину сопла 7. Так як внутрішня поверхня вихідної частини центрального сопла має вигляд зрізаного конусу, що звужується (у напрямку його вихідного перерізу) суттєво зменшується (у порівнянні з прототипом) тепловий потік на вихідну ділянку центрального сопла від високотемпературної зони допалювання газів. Це приводить до збільшення стійкості головки фурми. Отримана за рахунок допалювання СО-вмісних газів теплота використовується переважно на нагрівання ванни, тому що область допалювання газів розташована поблизу металевого розплаву. Водночас зона допалювання достатньо віддалена від футерівки сталеплавильного агрегату та екранується від останньої спіненим шлаком, тому стійкість футерівки практично не знижується. 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: 3 UA 98067 C2 5 10 15 прискорюється наведення шлаку у начальний період продування плавки та зменшується вірогідність передчасного "згортання" шлаку у період інтенсивного окислення вуглецю розплаву. Застосування фурми для продування сталеплавильної ванни зверху струменями двох типів, за рахунок оптимізації конструктивних параметрів вихідної частини 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 собівартість сталі, що виплавляється. Джерела інформації: 1. Фурма для вдувания кислорода в конвертер. А.с. СССР № 1168608, МКИ С 21 С 5/48, опубл. 1985 г., Бюл. № 27. 2. Кислородная фурма для продувки расплава. А.с. СССР № 1592345, МКИ С 21 С 5/48, опубл. 15.09.90., Бюл. № 34. ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 20 25 1. Фурма для продування сталеплавильної ванни зверху струменями двох типів, що містить головку з розташованими в ній периферійними соплами та центральним соплом, яке має циліндричну та вихідну частини і встановлений перед ними завихрювач, яка відрізняється тим, що вихідна частина центрального сопла виконана у вигляді зрізаного конуса, який звужується, причому відношення площ вихідного перерізу центрального сопла і прохідного перерізу циліндричної частини центрального сопла становить 0,70-0,95. 2. Фурма за п. 1, яка відрізняється тим, що відношення довжини вихідної частини і діаметра вихідного перерізу центрального сопла становить 0,2-2,0. 4 UA 98067 C2 5 UA 98067 C2 Комп’ютерна верстка А. Крижанівський 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