Сопловый блок дутьевой фурмы Советский патент 1991 года по МПК C21C5/48 

I/

Фиг.З

Изобретение относится к черной металлургии, в частности к устройствам для продувки металлического расплава газом, и может быть испольэо- вано в кислородно-конвертерном процессе производства стали, а также в торкретирующих устройствах, горелках, распылителях и т.п.

Целью изобретения является новы- шение стабильности газовых струй и увеличение их дальнобойности.

На фиг. 1 изображен сопловый блок вид с торца; на фиг. 2 - то же, с другим расположением цилиндрических сопл; на фиг. 3 - то же, разрез по оси.

Сопловый блок дутьевой фурмы содержит три коаксиально расположенные трубы: наружную 1, раздепительную 2 и внутреннюю 3. Торцовые концы наружной 1 и внутренней 3 труб герметично пристыкованы к головке фурмы 4 а торцовый конец разделительной трубы 2 не доходит до головки фурмы 4, соединяя тем самым полость а для подвода охлаждающей воды, образованную наружной стенкой внутренней трубы 3 и внутренней стенкой разделительной трубы 2, с полостью b для отвода охлаждающей воды. Полость b образована внутренней стенкой наружной трубы 1 и наружной стенкой раз- целительной трубы 2. Внутренняя полость внутренней трубы 3, завершаю- щаяея лредсопловым объемом С, служит для подвода кислорода. В головке фурмы 4 размещены сопла Лаваля, каждое из которых содержит конфуэор 5 с критическим сечением d и диффузор 6. Диффузор 6 переходит в осесиммет- ричный цилиндрический какал 7. На торце головки фурмы 4 выполнены прямоугольные канавки 8, которые соединяю сверхзвуковые части сопл Лава- ля. Внутри прямоугольных канавок 8 размещены дополнительные сопла 9. Ширина прямоугольных канавок 8 составляет 0,2-0,5 диаметра цилиндрического канала 7. Глубина прямоуголь ных канавок 8 равна длине цилиндрических каналов 7 сопл Лаваля. Диамет выходных сечений дополнительных сопл 9 равен 0,9-1,0 ширины прямоугольной канавки 8.

Выполнение между соплами Лаваля прямоугольных канавок с дополнительными сотами приводит к тому, что ис

Q

с

0 0 5 0 5 Q

5

текающие в канавку со срезов дополнительных сопл струи газа расширяются в канале, имеющем большее поперечное сечение. Расширение происходит до контакта с боковыми стенками канавок и с боковшми поверхностями соседних струй. Газовые струи обжимаются (деформируются) боковыми стенг ками прямоугольных канавок и соседними струями, образуя замкнутые донные области, единые для всех струй одной прямоугольной канавки. Давление в донной области резко падает до величины порядка 0,1-0,01 РЙТМ причем по длине канавки оно выравнивается. Все струи каждой прямоугольной канавки имеют одинаковую степень нерасчетности. Взаимодействие этих струй создает правильную симметричную структуру струи за срезом прямоугольной канавки. Эти плоские сгруи сливаются с цилиндрическими струями, истекающими из сопл с цилиндрическим каналом. Образуются кваэиплоские струи газа, волновая структура которых содержит конические скачки уплотнения, накладывающиеся на собственную волновую структуру квазиплоских струй. Совокупность всех квазиплоских струй образует струи различной конфигурации, например квазисерповидные (фиг . 1) квази-У-обраjHbie, квазикольцевые и т.д., но все эти струи можно рассматривать как струн с односвяз- ной боковой поверхностью. При этом давление на двух боковых поверхностях (за исключением кзазикольцевых струй) одинаково. Амплитуда поперечных колебаний таких струй незначительна, но характер течения по сечению струи неравномерный. Тонкие квазиплоские струи быстро становятся дозвуковыми и расширяются. В то же время ги плоские перемычки синхронизируют спиралевидные вихри, которые образуются на цилиндрических струях газа. Часть спиралевидных в вихрей сходит на квазиплоские струи в виде протяженных подкоЕообразных вихрей. Поперечный масштаб этих вихрей определяется отношением диаметра цилиндрического канала к ширине прямоугольной канавки. Продольный масштаб вихрей определяется длиной полупериметра канавок. Устойчивость вихрей способствует увеличению дальнобойности струй, так как до разрушения вихрей характер течения цилиндрических струй сохраняется.

Для повышения интенсивности технологического процесса выплавки стали необходимо повысить кинетическую энергию кислорода у поверхности расплава и одновременно упорядочить процесс взаимодействия струй с расплавом. Неупорядоченность взаимодействия струй кислорода с расплавом вызывается изгибно-крутильными колебаниями струй, сопровождающимися беспорядочными перемещениями лунок по поверхности расплава, колебаниями ее глубины, схлопываниями каверн газа, приводящими к выбросу металла а направлении фурмы и горловины конвертера.

Повышение кинетической энергии кислорода у поверхности расплава достигается повышением дальнобойности струй, Упорядочение взаимодействия струй кислорода с расплавом достигается благодаря отсутствию разнобоя в пульсации струй, образованию устойчивых одинаковых лупок под цилиндрическими струями, накрытием всей поверхности расплава дозвуковым потоком растекающихся квазиплоских струй. При этом резко интенсифицируется дожигание СО в СГ, а также значительно снижается энергия вылетающих из расплава в направлении горловины конвертера и капель металла.

Часть газа дозвуковых квазиплоских струй проникает в расплав. Вместе с глубоко проникающими цилиндрическими струями эти струи образуют в расплаве щелевые дугообразные струи. В полость этих струй эжекти- руется расплав, дробится и увлекается вниз. Тем самым упорядочиваете; гидродинамика расплава. Однонаправленность движения расплава в ранне исключает беспорядочные пульсации, способствует хорошему перемешиванию расплава. Проникающей в расплав кислород дробится на мельчайшие пузырьки, что значительно интенсифицирует выгорание углерода. Повышается температура ванны.

Благодаря значительно большей устойчивости к перепаду температ тэ, незначительным деформациям по сравнению с фурмами со щелевыми и V-об- разными соплами процесс истечения газовых струй стабилен.

Сопловый блок дутьевой фурмы работает следующим образом.

5

0

5

0

5

0

5

0

5

Кислород по внутренней полости внутренней трубы 3 поступает п пред- сопловмй. объем С. Из предсоплового объема С кислород поступает к дозвуковую часть 5 со ш Лапаля и дополнительных сопл 9. Со срезов дополнительных сопл 9 газ в виде гверхзву- ковой струи поступает в полость прямоугольной канавки 8. Глубина прямо- vronbiibix канавок 8 выбирается такой, чтобы все разрывы между струями на- х„)днлись внутри канавок 8. Со срезов цилиндрических каналов 7 истекают сверхзвуковые цилиндрические струи. Все струи каждой прямоугопьной канавки 8 имеют одинаковую степень нера- счетчостн. Взаимодействие :;тпх струй с цилиндрическими струями создает квазищелевые дугообразные струи, представляющие собой квазпплоскпе струи, истекающие со срезов прямоугольных капарок 8, соединенные цшшндрическа- т. струями, IK- : еьаюгчимн со срезов цилиндрических каналов 7 сопл Лава- ля. Такие струи устойчивы в поперечном направлении, дапы обойны. Квази- плоскне перемычки синхронизируют спирал егшднь р вихри, образующиеся на цилиндрических с тру.ч:- i -п. Синхронизируются пульсагу-ш la-oruix струн, что приводит к упорядоченному взгШ- модс пс иию I.13OBI.IX струй с расплавом. На поверхности расплава пол цилиндрическими струями образуются устойчивые одинаковые лунки. Квазиплоские газоьые струп, скорое1Ь газа в которых быстро снижается, у поверхности расплава растекаются на поверхности, накрывая верхний с.чой расплава. Это гпособствует интенсификации дожигания СО в С02. Экранируются капли расплава, вылетающие в сторону фурмы и горловины конвертера. Цилиндрические струи и часть газа квазпплоских струн проникают в расплав, образуя щелевые дугообразные струи в расплаве. В полость этих струй эжектиру- ется расплав, дробится н увлекается в сторону днища. Расплав в ванне хорошо перемешивается. Проникший в расплав кислород дробится на мелкие капли, Благодаря большой поверхности капель кислорода резко возрастает скорость выгорания кислорода, Повышается температура расплаваВыбор глубины и ширины прямоуголь- ных канавок 8 обусловлен следующими соображениями.

При выборе ширины прямоугольной канавки 8 меньше 0,2 диаметра цилиндрического канала 7 возрастают потери полного давления, струя кислорода переходит на дозвуковой режим истечения. Струя быстро вырождается. Из- за утончения струи возможны разрывы в ней. Синхронизация схода подковообразных вихрей с цилиндрических струй нарушается. Падают проникае- мость в расплав и дальнобойность струй. При увеличении ширины прямоугольной канавки 8 за 0,5 диаметра цилиндрического канала 7 значительно возрастает потребное давление кислорода в предсопловом объеме С. Квазиплоская струя становится доминирующей. Значительно возрастает расход кислорода. Проникаемость струи в расплав снижается. При глубине прямоугольной канавки 8 больше длины цилиндрических каналов 7 сопл Лаваля возникает перекос профилей скорости газа вдоль струи. Большая часть газа цилиндрической струи перетекает в канавки. Дальнобойность струи газа падает. При глубине прямоугольной канавки 8 меньше длины цилиндрических каналов 7 возникает вдув газа через прорези в боковые стенки цилиндрических каналов 7 внутрь цилиндрической струи. Нарушается внутренняя структура цилиндрических струй. Дальнобойность струи кислорода падает.

Диаметр выходных сечений дополнительных сопл 9 не может превосходить ширины прямоугольной канавки 8, так как иначе характер истечения газа из дополнительных сопл 9 резко нарушается, возникают поперечные

колебания квазиплоских струй. Дальнобойность и проникаемость струй в расплав резко падают. При диаметре . выходных сечений дополнительных сопл 9 меньше ширины прямоугольной канавки 8 неоправданно возрастает давление в предсопловом объеме С, необходимое для устойчивого слияния

Q струй в прямоугольной канавке 8 и образования квазиплоской струи.

Применение описанного соплового блока дутьевой фурмы позволяет при использовании его при выплавке стали

, в конвертере повысить интенсивность процесса плавки, снизить долю чугуна при загрузке конвертера (изменить состав шихты), повысить стойкость ФУРМ, увеличить количество годного

0 металла, выплавляемого конвертером. Формула изобретения

Сопловый блок дутьевой фурмы, содержащий водоохлаждаемые корпус и 5 головку с соплами Лаваля, диффузор каждого из которых переходит в осе- симметричный цилиндрический канал, и прямоугольными канавками, вну-ри которых установлены дополнительные сопла, отличающийся тем, что, с целью повышения стабильности газовых струй и увеличения их дальнобойности, прямоугольные канавки связывают между собой цилиндрические каналы сопл Лаваля, при этом ширина

0

5

прямоугольных канавок составляет

0,2-0,5 диаметра цилиндрического канала, глубина прямоугольных канавок равна длине цилиндрических каналов Сопл Лаваля, а диаметр выходных се- чений дополнительных сопл равен

0,9-1,0 ширины прямоугольной канавки.

Изобретение относится к черной металлургии, в частности к устройствам для продувки металлического расплава газом, может быть использовано в кислородно-конвертерном процессе производства стали, а также в торкретирующих устройствах, горелках, распылителях и т.д. и предназначено для повышения стабильности газовых А-А струн и увеличения их дальнобойности. Цель - повышение стабильности газовых струй и увеличение их дальнобойности. В сопловом блоке дутьевой Фнтзмы, содержащем головку 4 с соплами Лаваля, соединенными через коллектор с источником газа, при этом каждое из сопл содержит конфузор 5 с критическим сечением d и диффузор 6, переходящий в осесимметричный цилиндрический канал 7, нл торце головки 4 выполнены прямоугольные канавки 8. Прямоугольные канав: и 8 соединяют сверхзвуковые части сопл Лаваля. Внутри прямоугольных канавок 8 размещены дополнительные сопла. Ширина прямоугольных канавок 8 составляет 0,2-0,5 диаметра цилиндрического канала 7. Глубина прямоугольных канавок 8 равна длине цилиндрических канавок 7 сопл Лаваля. Диаметр выходных сечений дополнительных сопл равен 0,9-1,0 ширины прямоугольной канавки 8. 3 ил. о $ (Л

Редактор А.Маковская

Составитель В.Красина Техред Л.Сердюкова

И

Фив, 2

Корректор Н.Кучерявая