Способ охлаждения дутьевых фурм доменной печи и система для его осуществления Российский патент 2024 года по МПК C21B7/16 

Группа изобретений относится к технологии охлаждения металлургических аппаратов, работающих в зоне высоких температур, в частности, дутьевых, преимущественно медных, фурм доменной печи, при работе которой возможно кратковременное попадание на поверхность дутьевой фурмы жидкого металла (чугуна) в виде струй. Не исключается использование также для других теплообменников металлургических аппаратов, таких, как доменные холодильники, кристаллизаторы и др.

Известен способ охлаждения доменных дутьевых фурм, изготовленных из меди, фурм для продувки жидкого металла в конвертере медных кристаллизаторов для разливки металла и т.д., где неизбежен контакт поверхности охладителя с жидким металлом, осуществляемый холодной водой, см., например, RU 102006, опубл.10.02.2011 г.

Большим недостатком охлаждения элементов холодной водой является относительно низкая эффективность охлаждения, приводящая к прогару поверхностей оборудования, в частности дутьевых фурм доменной печи, работающего в условиях, где возможен контакт наружной поверхности с жидким металлом. Особенно опасно попадание на поверхность охлаждающего устройства, например, дутьевой фурмы доменной печи расплавленного металла в виде струи.

При попадании струи жидкого металла на поверхность медного изделия, охлаждаемого холодной водой коэффициент теплоотдачи (теплосъема) относительно невысокий, примерно 3 – 5 тысяч килокалорий на квадратный метр в час на градус (3-5 тыс. ккал/(м²ч⋅К), а со стороны омывания жидким металлом коэффициент теплоотдачи практически на порядок выше и составляет 30-50 тыс. ккал/(м²ч⋅К). При попадании струи металла на поверхность, охлаждаемую холодной водой, эта поверхность не справляется с отводом тепла холодной водой и начинает быстро (мгновенно) нагреваться. В это время процесс отвода тепла со стороны холодной воды практически в десять раз меньше, чем процесс струйного нагрева металла. Температура металла (особенно меди) резко поднимается до температуры нарушения механической прочности металла.

Например, температура нарушения кристаллической решетки меди марки М1 составляет 180°С. Так холодная вода закипает только при температуре поверхности порядка 127°С, а при давлении в фурме 6 бар температура кипения воды доходит до 156°С, при этом температура поверхности металла со стороны воды доходит до 220°С. Следовательно, кристаллическая структура меди разрушается в точке падения струи металла на наружную поверхность фурмы практически мгновенно (за доли секунды). В этой точке падения струи жидкого металла образуется за счет силы давления в фурме дыра размером 1-3 мм в зависимости от сечения струи металла. Этот прогар обусловлен низким коэффициентом теплоотдачи со стороны холодной воды и высоким коэффициентом теплопередачи со стороны жидкого металла, что приводит к прогарам и сокращению срока службы фурм доменных печей.

Задачей изобретения является увеличение срока службы оборудования, работающего в контакте с расплавленным металлом.

Для этого предложен способ охлаждения дутьевых фурм доменной печи, включающий охлаждение полости фурм осуществляют в режиме пузырькового кипения водой, имеющей температуру, соответствующую давлению воды в полости фурмы, при этом подвод воды к фурмам осуществляют из бака оборотной воды, выполненного индивидуальным для каждой фурмы и имеющего трубу отвода пара из фурмы в коллектор со встроенным конденсатором пара.

Для осуществления способа предложена система охлаждения дутьевых фурм доменной печи, содержащая бак оборотной воды, выполненный индивидуальным для каждой фурмы, имеющим трубу отвода пара из фурмы в коллектор со встроенным конденсатором пара, а также индивидуальный циркуляционный насос, установленный между баком оборотной воды и фурмой, с трубопроводами подвода и отвода воды из полости фурмы,

Система охлаждения может быть выполнена открытой, с возможностью работы при атмосферном давлении в системе, т.е. не более 1 бара, а может быть выполнена закрытой, с возможностью работы при давлении в системе более 1 бара, например, при давлении 6 бар, как принято в большинстве доменных печей.

Сущность изобретения заключается в том, что при охлаждении медной фурмы водой с температурой кипения, соответствующей имеющемуся давлению в фурме: для атмосферного давления температура поверхности (критическая температура) 127°С, для давления 6 бар – 156°С. При этой температуре поверхности начинается интенсивное кипение горячей воды с образованием пузырьков, так называемое пузырьковое кипение. В режиме пузырькового кипения коэффициент теплоотдачи к воде достигает 30-50 тыс. ккал/(м²ч⋅К) и таким образом подвод и отвод тепла через стенку фурмы выравнивается, что означает: температура поверхности меди со стороны воды не поднимется выше 127°С при атмосферном давлении и 156°С при давлении в фурме 6 бар, что значительно ниже температуры разрушения кристаллической структуры меди 180°С. Как правило, длительность падения струи жидкого металла в доменном процессе не бывает большой, так как плавящаяся шихта всегда находится в динамике. Во всяком случае, за короткий промежуток времени падения жидкой струи металла пузырьковое кипение не успеет перейти в пленочный режим кипения, когда коэффициент теплоотдачи резко падает и защитить фурму от прогара практически невозможно, также, как при охлаждении холодной водой. Этот процесс можно назвать «автономным», т.е. саморазвивающимся, не требующим регулирования.

Таким образом, увеличение коэффициента теплосъема со стороны воды достигается автоматически при попадании чугуна на поверхность фурмы, как ответная реакция на увеличение теплового потока и, соответственно, температуры металла фурмы.

Новый технический результат, достигаемый группой изобретений, заключается в обеспечении высокого коэффициента теплоотдачи со стороны воды еще до достижения критической температуры меди в точке падения струи жидкого металла снаружи за счет отвода всего теплового потока, поступающего снаружи в точке падения струи жидкого металла охлаждающей водой еще до достижения температуры (220°С) на поверхности меди со стороны охлаждающей воды.

На рисунке изображена система охлаждения дутьевых фурм доменной печи, содержащая бак оборотной кипящей воды 1, циркуляционный насос 2 с трубопроводами подвода и отвода воды, фурму 3, коллектор пара 4, патрубок возврата конденсата 5, конденсатор пара 6, встроенный в коллектор. Из конденсатора пара 6 конденсат по трубе 5 возвращается в бак 1, который выполнен предпочтительно индивидуальным для каждой фурмы 3 с трубой отвода пара 7 в коллектор. Между баком 1 и фурмой 3 установлен индивидуальный циркуляционный насос 2. Подпитка воды осуществляется по трубе 8.

Система охлаждения дутьевых фурм доменной печи работает следующим образом. Бак 1 заполняется водой, имеющей температуру 90-100°С. В случае открытой системы, или с температурой, соответствующей имеющемуся давлению в фурме, включается циркуляционный насос 2. Подогретая до температуры кипения вода и, образующийся в фурме пар возвращаются в бак 1, где пар и вода разделяются. Пар по трубе 7 поднимается в коллектор пара 4, где в зоне конденсатора 6 конденсируется и стекает обратно в бак 1 по трубе 5. Таким образом, система охлаждения в идеальном случае может работать без подпитки. Уровень воды в баке 1 контролируется датчиком (не указан), а при необходимости поддерживается подпиткой по трубе 8 из системы заполнения бака 1. Подпитка возможна и холодной водой, т.к. подогрев воды в баке 1 может быть обеспечен за счет охлаждения фурмы.

При работе фурмы в обычном режиме, без попадания на поверхность жидкого металла, вода нагревается примерно на 3-4°С в зависимости от температуры в фурменной зоне доменной печи, а также от других факторов работы доменной печи.

Как правило, в этом режиме тепловой поток от печи не высокий, т.к. поверхность фурмы обтекается горячими газами с коэффициентом теплоотдачи на порядок меньше, чем коэффициент теплоотдачи со стороны воды, поэтому причин для прогара не существует. При повышении теплового потока в основном режиме работы фурмы без попадания жидкого металла, выход пара незначителен. Охлаждение обеспечивается за счет обычного водяного охлаждения, когда коэффициент теплоотдачи поддерживается на уровне до 3-5 тыс. ккал/(м²ч⋅К). При попадании жидкого чугуна на поверхность фурмы мгновенно начинает подниматься температура стенки фурмы в точке соприкосновения с жидким металлом, и также мгновенно начинает интенсироваться пузырьковое кипение, при котором коэффициент теплоотдачи увеличивается до 10 раз по сравнению с обычным охлаждением водой, что останавливает повышение температуры металла (меди) до критического (около 180^оС) значения. Так как ситуация в зоне плавления доменной печи постоянно меняется, благодаря высокой динамике массы шихты, струя жидкого металла не может продолжительно поступать на одну и ту же точку, следовательно, причина прогара фурмы исчезает, это позволяет увеличить жизнеспособность фурмы, которая при охлаждении холодной водой составляет в среднем 6 месяцев. В настоящее время флуктуация срока работы фурм очень большая – от одного дня или часа до одного года, что является следствием случайности и кратковременности попадания струи жидкого металла на поверхность фурмы, вероятность которой составляет около 1%, судя по относительной площади сечения дутьевых фурм доменной печи в проекции к площади ее сечения в зависимости от диаметра печи в сечении фурменного пояса. Таким образом, использование группы изобретений позволит в разы увеличить срок службы фурм доменных печей.

Группа изобретений относится к технологии охлаждения металлургических аппаратов, работающих в зоне высоких температур, в частности дутьевых, преимущественно медных, фурм доменной печи, при работе которой возможно кратковременное попадание на поверхность дутьевой фурмы жидкого металла в виде струй. Охлаждение полости фурм осуществляют посредством установленного между баком оборотной воды и каждой фурмой индивидуального циркуляционного насоса в режиме пузырькового кипения водой, имеющей температуру, соответствующую давлению воды в полости фурмы. При этом используют систему охлаждения, которая содержит бак оборотной воды, индивидуальный циркуляционный насос, установленный между баком оборотной воды и фурмой, с трубопроводами подвода и отвода воды из полости фурмы, причем бак оборотной воды выполнен индивидуальным для каждой фурмы, имеющим трубу отвода пара из фурмы в коллектор со встроенным конденсатором пара. Обеспечивается увеличение срока службы фурм доменных печей. 2 н. и 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ охлаждения дутьевых фурм доменной печи, включающий охлаждение полости фурм водой посредством установленного между баком оборотной воды и каждой фурмой индивидуального циркуляционного насоса, отличающийся тем, что охлаждение осуществляют в режиме пузырькового кипения водой, имеющей температуру, соответствующую давлению воды в полости фурмы, при этом подвод воды к фурмам осуществляют из бака оборотной воды, выполненного индивидуальным для каждой фурмы и имеющего трубу отвода пара из фурмы в коллектор со встроенным конденсатором пара.

2. Система охлаждения дутьевых форм доменной печи, содержащая бак оборотной воды, индивидуальный циркуляционный насос, установленный между баком оборотной воды и фурмой, с трубопроводами подвода и отвода воды из полости фурмы, отличающаяся тем, что бак оборотной воды выполнен индивидуальным для каждой фурмы, имеющим трубу отвода пара из фурмы в коллектор со встроенным конденсатором пара.

3. Система по п.2, отличающаяся тем, что она выполнена открытой с возможностью работы при давлении в системе не более 1 бар.

4. Система по п.2, отличающаяся тем, что она выполнена закрытой с возможностью работы при давлении в системе более 1 бар.