ФУРМА ДОМЕННОЙ ПЕЧИ Российский патент 2023 года по МПК C21B7/16 F27B1/16 

Область техники

Изобретение относится к области черной металлургии, в частности к производству чугуна в доменных печах, и касается конструкции фурм доменных печей (далее – фурма).

Уровень техники

Фурма является элементом доменной печи, через которую в доменную печь подаются газ метан и газовая смесь на основе воздуха (далее - дутьё). Как правило, основными элементами фурмы являются: конус внутренний и наружный, фланец, рыло, труба подачи газа, труба подачи и труба отвода охлаждающей воды. Канал подачи дутья образован конусом внутренним с приваренными по его торцам фланца и рыла. Температура подаваемого в канал дутья составляет около 1250 ^оС, а скорость потока дутья в канале - около 120 м/с, данные условия приводят к значительным тепловым нагрузкам, прежде всего – на сварных швах, соединяющих конус внутренний с фланцем и рылом. Анализ эксплуатационных данных показывает, что основная причина выхода фурм из строя – разрушение указанных сварных швов.

Известна фурма (RU2449022C2, 27.04.2012), содержащая следующие основные элементы: внутренний стакан, фланец, рыльце, наружный стакан, дополнительный стакан, патрубки подвода и отвода охлаждающей воды. Вода, подаваемая через патрубок подвода охлаждающей воды, попадает в зауженную кольцевую полость, проходит через неё, омывает рыльце и далее вдоль стенки наружного стакана выходит к патрубку отвода охлаждающей воды. Очевидно, по замыслу авторов, потоки воды по всему пути прохождения через фурму, должны распределяться равномерно по всему проходному сечению. Однако, как показало компьютерное моделирование гидродинамики в специализированном программном обеспечении, это не так - вода распределяется не равномерно: в зауженной кольцевой полости и вдоль стенки наружного стакана скорости потоков по окружности значительно отличаются, образуются области с критически низкими скоростями (менее 0,5м/с) вдоль охлаждаемых поверхностей, а также застойные зоны. Причина этого – ввод воды в кольцевую полость осуществляется с одной точки – патрубка подвода охлаждающей воды, что не позволяет распределить поток воды равномерно по проходным сечениям фурмы. Наличие застойных зон и неравномерно распределённых потоков воды с критически низкими скоростями приводит к локальным перегревам материала стаканов выше критических температур (медь марки М1Р выше температуры рекристаллизации 210 ^оС). Предполагается, что фланец и внутренний стакан соединяются сварным швом, выполненным со стороны внутренней полости и/или со стороны полости воздушного дутья. Этот шов находится в широкой полости дополнительного стакана, что приводит к низким скоростям омывания его водой, а это приведёт к его перегреву и разрушению. Описанные обстоятельства являются недостатками рассмотренного варианта конструкции фурмы, снижающие её стойкость.

Известна фурма (SU1133292A1, 07.01.1985 принято за прототип), основными элементами которой являются: внешний, внутренний стаканы, рыло, фланец, вставка, внешнее и внутреннее ребро. В данной конструкции заявлено равномерное распределение воды по проходному сечению полости, для этого используется внешнее и внутреннее ребро, установленные эксцентрично к оси вставки. Однако, компьютерное моделирование течения воды в фурме с подобным входным участком показало, что при выходе из отверстия подвода, вода ударяется о внешнее ребро и, за счёт сил инерции, расходится в стороны, не проходя в этом секторе вдоль оси фурмы. Учитывая то, что у прототипа в данной зоне заужение за счёт эксцентриситета, то можно утверждать, что на данном участке сформируется застойная зона, что приведёт к перегреву и прогару внешнего стакана. Кроме того, равномерное распределение воды в полости будет эффективно только совместно с обеспечением требуемой скорости потока воды вдоль охлаждаемой поверхности. Добиться этого возможно через заужение каналов, образуемых вставкой, что в данной конструкции, очевидно, не реализовано. Низкие скорости потоков воды приведут к нагреву омываемой поверхности выше критических температур (материал, как правило, медь, выше температуры рекристаллизации 210 ^оС) и преждевременному выходу конструкции из строя из-за прогара. Крепление внутреннего и внешнего стаканов к фланцу, очевидно, предполагается с помощью сварных швов. Данные сварные швы расположены в угловых зонах, в которых вероятно образование застойных зон, что приведёт к перегреву этих сварных швов и их разрушению. Описанные обстоятельства являются недостатками прототипа.

Раскрытие сущности изобретения

Задачей изобретения является создание фурмы, обладающей повышенной стойкостью за счет обеспечения требуемого охлаждения проблемных зон – сварных швов канала подачи дутья и швов, соединяющих наружную часть корпуса с рылом и фланцем, а также поверхностей, образующих канал подачи дутья и поверхностей наружной части корпуса.

Технический результат заявляемого изобретения заключается в повышении стойкости фурмы путём повышения эффективности её охлаждения. Для этого, в заявляемом изобретении, решается две задачи:

1. Выравнивание потоков охлаждающей воды (гидравлическая балансировка) по проходным сечениям кольцевых каналов охлаждения при общем вводе охлаждающей воды в фурму с одной точки;

2. Обеспечение необходимой скорости потока охлаждающей воды вдоль охлаждаемых элементов.

Выравнивание потоков охлаждающей воды реализовано через ввод в гидравлический тракт фурмы местных гидравлических сопротивлений (щель, зазор) с дополнительными балансирующими элементами для более точной гидравлической балансировки.

Обеспечение требуемой скорости потока охлаждающей воды реализовано через заужение проходных сечений гидравлического тракта фурмы.

Указанный технический результат обеспечивается за счет того, что фурма доменной печи, включает фланец, рыло, наружный и внутренний конус, соединенные между собой сварными швами и образующие дутьевой канал и полость охлаждения, трубку подвода газа, трубки подвода и отвода охлаждающей воды, причем содержит первый и второй средние конусы, установленные между наружным и внутренним конусами, а также установленные между наружным и внутренним конусами входной и выходной коллекторы, каждый из которых выполнен с балансировочной перегородкой, причем первый и второй средние конусы установлены таким образом, что между внутренним и первым средним конусами, а также между наружным и вторым средним конусами выполнены зауженные кольцевые каналы.

Кроме того, входной коллектор установлен таким образом, что между торцом его балансировочной перегородкой и фланцем образована щель.

Кроме того, выходной коллектор установлен таким образом, что между торцом его балансировочной перегородкой и фланцем образована щель.

Кроме того, на балансировочной перегородке входного коллектора выполнены вырезы и/или перфорация.

Кроме того, на балансировочной перегородке выходного коллектора выполнены вырезы и/или перфорация.

Краткое описание чертежей

Детали, признаки, а также преимущества настоящего изобретения следуют из нижеследующего описания реализации заявленного технического решения с использованием чертежей, на которых показано:

На фиг. 1 показан разрез фурмы продольной плоскостью симметрии;

На фиг. 2 показан вид А (со стороны торца фланца);

На фиг. 3 показан разрез В-В;

На фиг. 4 показан разрез Г-Г;

На фиг. 5 показан фланец с каналом;

На фиг. 6 показан входной коллектор с балансировочной перегородкой входного коллектора (отсечён радиальной плоскостью);

На фиг. 7 показан выходной коллектор с балансировочной перегородкой выходного коллектора (отсечён радиальной плоскостью).

На фигурах цифрами обозначены следующие позиции:

1 – фланец; 2 – рыло; 3 – внутренний конус; 4 – наружный конус; 5 – первый средний конус; 6 – второй средний конус; 7 – труба подвода газа; 8 – труба подачи охлаждающей воды; 9 – труба отвода охлаждающей воды, 10, 11, 12, 13 – сварочные швы; 14 – входной коллектор; 15 – балансировочная перегородка входного коллектора; 16 – полость входного коллектора; 17 – выходной коллектор; 18 – балансировочная перегородка выходного коллектора; 19 – полость выходного коллектора; 20 – канал фланца; 21 – входная полость, 22 – зауженный кольцевой канал, 23 – канал, образованный элементами 6, 4 и 18, 24 – вырезы на элементе 15, 25 – вырезы на элементе 18, 26 – перфорация на элементе 15; 27 – перфорация на элементе 18.

Осуществление изобретения

Конструкция фурмы включает в себя: фланец (1) с каналом фланца (20), рыло (2), внутренний конус (3), наружный конус (4), первый средний конус (5), второй средний конус (6), трубу подвода газа (7), трубу подачи охлаждающей жидкости (8), трубу отвода охлаждающей жидкости (9), сварочные швы (10), (11), (12) и (13), входной коллектор (14), балансировочную перегородку входного коллектора (15), полость входного коллектора (16), выходной коллектор (17), балансировочную перегородку выходного коллектора (18), полость выходного коллектора (19), входную полость (21), зауженный кольцевой канал (22), образованный элементами (3) и (5), канал (23), образованный элементами (4), (6) и (18), (24) – вырезы на элементе (15), (25) – вырезы на элементе (18), (26) – перфорацию на элементе (15), (27) – перфорацию на элементе (18).

К фланцу (1) крепится: внутренний конус (3) с помощью сварочного шва (10), первый средний конус (5) с входным коллектором (14) и балансировочной перегородкой входного коллектора (15), наружный конус (4) с помощью сварочного шва (12). К внутреннему конусу (3) крепиться рыло (2) с помощью сварочного шва (11) и труба подачи газа (7), которая также закрепляется к фланцу (1). На первый средний конус (5) крепится второй средний конус (6). К первому среднему конусу (5) может крепиться выходной коллектор (17) с балансировочной перегородкой выходного коллектора (18). Первый (5) и второй (6) средние конусы, например, могут быть соединены между собой и/или с фланцем (1).

Средние первый (5) и второй (6) конусы необходимы для организации ровного, без вихрей и застойных зон, потока воды вдоль стенок соответственно внутреннего (3) и наружного (4) конусов, они заужают проходное сечение каналов между собой и внутренним (3) и наружным (4) конусами, увеличивая скорость течения воды, что увеличивает теплоотвод от внутреннего (3) и наружного (4) конусов.

Входной коллектор (14) и балансировочная перегородка входного коллектора (15) необходимы для равномерного распределения воды во входном коллекторе (14) по всей длине его окружности для дальнейшей равномерной подачи её во входную полость (21) и далее зауженный кольцевой канал (22).

Входной коллектор (14) и его балансировочная перегородка (15) могут быть выполнены единой деталью. Балансировочная перегородка входного коллектора (15) ориентирована перпендикулярно плоскости входного коллектора (14), её верхняя торцевая радиальная поверхность и дно канала фланца (20) могут образовывать между собой свободное пространство (щель, зазор) по всей длине окружности, через которое заходит охлаждающая вода в конструкцию.

При этом, на торце балансировочной перегородки входного коллектора (15) могут выполняться вырезы (24), которые могут быть дополнительными к щели и необходимыми для направления большего потока воды в те сектора, где поток недостаточен. Данные вырезы могут быть выполнены разных размеров, могут быть расположены по всей длине окружности или в некоторых необходимых ее частях, в том числе могут образовывать щель переменной ширины по всей длине окружности или ее части. Расположение и размеры вырезов могут подбираться с помощью компьютерного моделирования гидродинамики. Пример реализации вырезов приведён на фигуре 6.

Кроме того, на балансировочной перегородке (15) входного коллектора может быть выполнена перфорация (26), которая может замещать функцию щели, а также функцию вырезов (24), что также может позволить равномерно распределить подачу воды по всей окружности из полости (16) во входную полость (21), при этом балансировочная перегородка входного коллектора (15), в случае наличия перфорации (26), может быть выполнена как с зазором (щелью) к дну канала фланца (20), так и без зазора (перфорация (26) будет выполнять функцию щели). Форма, размеры и расположение отверстий перфорации (26) могут быть различными, и могут быть подобраны путём компьютерного моделирования гидродинамики.

Также при необходимости возможны варианты, при которых балансировочная перегородка входного коллектора (15) может быть выполнена одновременно с вырезами (24) и перфорацией (26), и при этом установленной как с зазором к дну канала фланца (20), так и без него.

Торцевая радиальная поверхность входного коллектора (14), направленная в сторону внутреннего конуса (3), совместно с первым средним конусом (5), расположенным в непосредственной близости к внутреннему конусу (3), образуют зауженный кольцевой канал (22), по которому далее протекает охлаждающая вода. При этом, противоположной торцевой радиальной поверхностью входного коллектора (14), направленной наружу, входной коллектор (14) может быть соединен с фланцем (1).

Выходной коллектор (17) и балансировочная перегородка выходного коллектора (18) необходимы для равномерного распределения воды на входе в выходной коллектор (17), тем самым обеспечиваются равномерно распределенные потоки воды вдоль поверхности наружного конуса (4).

Выходной коллектор (17) и его балансировочная перегородка (18) могут быть выполнены одной деталью. Балансировочная перегородка выходного коллектора (18) ориентирована перпендикулярно плоскости выходного коллектора (18), ее верхняя торцевая радиальная поверхность и плоскость фланца (1) могут образовывать между собой свободное пространство (щель, зазор) по всей длине окружности, через которое выходит охлаждающая вода из канала (23) в полость выходного коллектора (19).

На торце балансировочной перегородки (18) выходного коллектора, аналогично балансировочной перегородке (15) входного коллектора, могут быть выполнены вырезы (25), которые могут быть дополнительными к щели. Данные вырезы (25) могут быть выполнены разных размеров, могут быть расположены по всей длине окружности или в некоторых необходимых ее частях, в том числе могут образовывать щель переменной ширины по всей длине окружности или ее части. Расположение и размеры вырезов (25) могут подбираться с помощью компьютерного моделирования гидродинамики. Пример реализации вырезов приведён на фигуре 7.

Кроме того, на балансировочной перегородке выходного коллектора (18) также может быть выполнена перфорация (27), при этом балансировочная перегородка выходного коллектора (18) в этом случае может быть выполнена как с зазором (щелью) к фланцу (1), так и без зазора (перфорация (27) будет выполнять функцию щели). Форма, размеры и расположение отверстий перфорации (27) могут быть подобраны путём компьютерного моделирования гидродинамики.

Также при необходимости возможны варианты, при которых балансировочная перегородка выходного коллектора (18) может быть выполнена одновременно с вырезами (25) и перфорацией (27), и при этом установленной как с зазором к фланцу (1), так и без него.

Выходной коллектор (17) может быть соединен с первым средним конусом (5) своей внутренней торцевой радиальной поверхностью, направленной в сторону внутреннего конуса (3). При этом выходной коллектор (17) может быть также соединен с большей торцевой радиальной частью второго среднего конуса (6).

Возможные комбинации исполнения входного (14) и выходного (17) коллекторов, а также их балансировочных перегородок (15) и (18) представлены ниже:

1. Возможные варианты исполнения входного коллектора (14):

⎯ Балансировочная перегородка входного коллектора (далее – БПВхК) (15) выполнена только с зазором к дну канала фланца (20);

⎯ БПВхК (15) выполнена с зазором к дну канала фланца (20), а на её цилиндрической поверхности выполнена перфорация (26);

⎯ БПВхК (15) выполнена с зазором к дну канала фланца (20), при этом на торце БПВхК (15) выполнены вырезы (24);

⎯ БПВхК (15) выполнена с зазором к дну канала фланца (20), при этом на торце БПВК выполнены вырезы (24), а на её цилиндрической поверхности выполнена перфорация;

⎯ БПВхК (15) выполнена без зазора к дну канала фланца (20), при этом на торце БПВхК (15) выполнены вырезы (24);

⎯ БПВхК (15) выполнена без зазора к дну канала фланца (20), при этом на её цилиндрической поверхности выполнена перфорация (26);

⎯ БПВхК (15) выполнена без зазора к дну канала фланца (20), при этом на её цилиндрической поверхности выполнена перфорация (26), а на её торце – вырезы (24).

2. Возможные варианты исполнения выходного коллектора (17):

⎯ Балансировочная перегородка выходного коллектора (далее – БПВыхК) (18) выполнена только с зазором к фланцу (1);

⎯ БПВыхК (18) выполнена с зазором к фланцу (1), а на её цилиндрической поверхности выполнена перфорация (27);

⎯ БПВыхК (18) выполнена с зазором к фланцу (1), при этом на торце БПВыхК (18) выполнены вырезы (25);

⎯ БПВыхК (18) выполнена с зазором к фланцу (1), при этом на торце БПВыхК (18) выполнены вырезы (25), а на её цилиндрической поверхности выполнена перфорация (27);

⎯ БПВыхК (18) выполнена без зазора к фланцу (1), при этом на торце БПВыхК (18) выполнены вырезы (25);

⎯ БПВыхК (18) выполнена без зазора к фланцу (1), при этом на её цилиндрической поверхности выполнена перфорация (27);

⎯ БПВыхК (18) выполнена без зазора к фланцу (1), при этом на её цилиндрической поверхности выполнена перфорация (27), а на её торце – вырезы (25);

Возможны любые комбинации исполнений входного (14) и выходного (17) коллекторов между собой по п. 1 и 2 соответственно. При этом, вне зависимости от комбинации, входной коллектор (14) и балансировочная перегородка входного коллектора (15) будут обеспечивать равномерное распределение воды во входном коллекторе (14) по всей длине его окружности для дальнейшей равномерной подачи её во входную полость (21) и далее в зауженный кольцевой канал (22), тем самым обеспечивая равномерно распределённые потоки воды вдоль поверхности внутреннего конуса (3), а выходной коллектор (17) и балансировочная перегородка выходного коллектора (18) будут обеспечивать равномерное распределение воды на входе в выходной коллектор (17), тем самым обеспечивая равномерно распределенные потоки воды вдоль поверхности наружного конуса (4).

Соединение элементов конструкции между собой может быть выполнено широко известными способами, например, сваркой, болтовым соединением и/или др.

В предложенной конструкции обеспечивается улучшение охлаждения проблемных зон – сварных швов (10), (11), (12) и (13), а также наиболее теплонагруженных элементов – рыла (2), внутреннего (3) и внешнего (4) конусов за счёт организации равномерно распределённого потока воды вдоль охлаждаемых поверхностей, без образования застойных зон.

Охлаждение фурмы работает следующим образом: охлаждающая вода подаётся через трубу подачи охлаждающей воды (8) в полость входного коллектора (16). Дном канала фланца (20) и торцом балансировочной перегородки входного коллектора (15) с вырезами (24), образована щель, которая создаёт местное гидравлическое сопротивление по всей длине окружности этой щели, что позволяет равномерно распределить подачу воды по всей окружности из полости (16) во входную полость (21).

В варианте исполнения функцию щели могут выполнять вырезы (24) и/или перфорация (26), что также позволит равномерно распределить подачу воды по всей окружности из полости (16) во входную полость (21), при этом балансировочная перегородка входного коллектора (15) в этом случае, может быть выполнена без зазора (щели) к дну канала фланца (20). Форма и размеры перфорации (26) и вырезов (24) могут быть подобраны, в том числе, путём компьютерного моделирования гидродинамики. Далее, охлаждающая вода из входной полости (21), поступает в зауженный кольцевой канал (22), на входе в зауженный кольцевой канал (22), вода омывает сварной шов (10), эффективно охлаждая его. Проходя по зауженному кольцевому каналу (22), вода эффективно охлаждает внутренний конус (3). На выходе из зауженного кольцевого канала (22), за счёт сил инерции, потоки воды направлены вдоль оставшейся части поверхности внутреннего конуса (3) и поверхности сварочного шва (12), таким образом, обеспечивая их омывание и эффективное охлаждение. Далее вода подаётся на рыло (2). За счёт центробежной силы, вода проходит вдоль стенок рыла (2), эффективно охлаждая его. Второй средний конус (6) выравнивает поток воды вдоль внутренней стенки наружного конуса (4) и сварочного шва (13), не позволяя образоваться вихревым течениям на выходе из рыла, обеспечивая этим эффективное охлаждение сварного шва (13). Далее, вода попадает в канал (23). Проходя через этот канал, вода эффективно охлаждает наружный конус (4). Поверхностью фланца (1) и торцом балансировочной перегородки выходного коллектора (18) с вырезами (25) образована щель, которая создаёт местное гидравлическое сопротивление по всей длине окружности этой щели, что позволяет равномерно распределить подачу воды по всей окружности этой щели из полости канала (23) в полость выходного коллектора (19), при этом, вода равномерно омывает зону около сварного шва (12), обеспечивая его эффективное охлаждение. В варианте исполнения функцию щели может выполнять перфорация (27) и/или вырезы (25) на балансировочной перегородке выходного коллектора (18), при этом балансировочная перегородка выходного коллектора (18) может быть выполнена без зазора к поверхности фланца (1). Форма и размеры перфорации (27) и вырезов (25) могут подбираться, в том числе, путём компьютерного моделирования гидродинамики. Далее, из полости выходного коллектора (19) вода отводится в трубу отвода охлаждающей воды (9).

Изобретение относится к области черной металлургии, в частности к производству чугуна в доменных печах, и касается конструкции фурм доменных печей. Фурма доменной печи содержит фланец, рыло, наружный и внутренний конусы, соединенные между собой сварными швами и образующие дутьевой канал и полость охлаждения, трубку подвода газа, трубки подвода и отвода охлаждающей жидкости, первый и второй средние конусы, установленные между наружным и внутренним конусами, а также установленные между наружным и внутренним конусами входной и выходной коллекторы. Каждый из коллекторов выполнен с балансировочной перегородкой. Первый и второй средние конусы установлены таким образом, что между внутренним и первым средним конусами, а также между наружным и вторым средним конусами выполнены зауженные кольцевые каналы. Обеспечивается повышение стойкости фурмы путём повышения эффективности её охлаждения за счёт равномерного распределения потоков охлаждающей воды по проходным сечениям кольцевых каналов и обеспечения необходимой скорости потоков воды через заужение кольцевых каналов. 4 з.п. ф-лы, 7 ил.

1. Фурма доменной печи, включающая фланец, рыло, наружный и внутренний конусы, соединенные между собой сварными швами и образующие дутьевой канал и полость охлаждения, трубку подвода газа, трубки подвода и отвода охлаждающей жидкости, отличающаяся тем, что она содержит первый и второй средние конусы, установленные между наружным и внутренним конусами, а также установленные между наружным и внутренним конусами входной и выходной коллекторы, каждый из которых выполнен с балансировочной перегородкой, причем первый и второй средние конусы установлены таким образом, что между внутренним и первым средним конусами, а также между наружным и вторым средним конусами выполнены зауженные кольцевые каналы.

2. Фурма по п. 1, отличающаяся тем, что входной коллектор установлен таким образом, что между торцом его балансировочной перегородки и фланцем образована щель.

3. Фурма по п. 1, отличающаяся тем, что выходной коллектор установлен таким образом, что между торцом его балансировочной перегородки и фланцем образована щель.

4. Фурма по п. 1, отличающаяся тем, что на балансировочной перегородке входного коллектора выполнены балансировочные вырезы и/или балансировочная перфорация.

5. Фурма по п. 1, отличающаяся тем, что на балансировочной перегородке выходного коллектора выполнены балансировочные вырезы и/или балансировочная перфорация.