Фурма для подачи кислорода в конвертер Советский патент 1991 года по МПК C21C5/48 

Изобретение относится к черной металлургии и может быть использовано в кислородно-конвертерном производстве стали.

Целью изобретения является сниже- ние расхода чугуна на плавку за счет повышения эффективности дожигания окиси углерода, а также улучшение шлакообразования.

Выполнение центрального сопла с входной цилиндрической частью, выходной конической частью и участком сопла между ними с многозаходной винто-вой нарезкой на внутренней поверхности сопла с приведенными пара1 метрами позволяет подать поток вторичного кислорода из фурмы в виде центральной мягко-жесткой струи с развитым вихревым слоем смешения в полость конвертера. При этом в слое смешения центральной струи образуется устойчивая область горения СО, расположенная в подфурменной зоне на достаточном удалении от торца головки, чтобы избежать перегрева последней. Область дожигания располагается вблизи расплава, что повышает эффективность усвоения последним полученного за счет дожигания тепла. Ядро центральной струи при этом обладает достаточной жесткостью, чтобы проникнуть в шлакометаллическую эмульсию, эффективно перемешивать ее, способствуя улучшению шлакообразования. При высоком положении фурмы над уров нем ванны дожигание СО центральной струей происходит в газовой фазе вблизи расплава, при низком положе-

я

30

25т

а50о. в- 55

35

40

45

нии фурмы дожигание СО центральной струей происходит в шлакометалличес- кой эмульсии.

Использование вместе с периферийными дальнобойными струями центральной вихревой мягко-жесткой кислород- ной струи с развитым слоем смешения позволяет эффективно дожигать СО в устойчивой вихревой зоне, расположенной на достаточном с точки зрения стойкости фурмы, удалении от ее головки фурмы и вблизи расплава. Благодаря этому, выделяемая при дожигании СО теплота в меньшей степени негативно воздействует на фурму и футеровку и более эффективно усваивается расплавом. Этому также способствует интенсивное перемешивание шлакометал- лической эмульсии централь струей в подфурменной зоне. Улучшаются процессы усвоения извести и шлакообразования. При использовании предлагаемой конструкции фурмы облегчаются процессы управления струями (по сравнению с известным устройством), так как с увеличением давления кислорода перед центральным соплом предлагаемой конструкции жесткость центральной струи увеличивается

На чертеже представлена предлагаемая фурма.

Фурма состоит из четырех кон- центрично расположенных труб 1, которые образуют основной тракт 2 подвода кислорода, тракты 3 подвода и от.вода охлаждающей воды, а также дополнительный тракт 4 подачи кислоро-

3164

да с индивидуальным регулированием

расхода.

В общем случае фурма может и не иметь центральной кислородной трубы, т.е. не иметь дополнительного кис- дородного тракта 4. Фурма заканчивается головкой 5, имеющей периферийные сопла Лаваля 6 для ввода в полость конвертера сверхзвуковых кисло- родных струй 7, используемых для продувки расплава, и дополнительное центральное сопло 8, которое состоит из цилиндрической 9 и выходной 10 конической частей и расположенной

между ними многозаходной винтовой нарезки 11. При этом отношение площади проходного сечения FJ, цилиндрической части 9 центрального сопла 8 к площади проходного сечения F,. соп- ла на участке с нарезкой 11 составляет 2-10, длина 1 конической части 10 сопла 8 составляет 0,6-2,0 диаметра dK H начального сечения конической части, а угол раскрытия конической

части 0С равен 10-25°.

Фурма работает следующим образом.

Основной поток 12 кислорода поступает к расширяющимся соплам 6, ускоряется в них до сверхзвуковой скорое- ти и используется для рафинирования расплава. Дополнительный поток 13 кислорода поступает к центральному соплу 8, где часть кислорода 14 проходит через свободное от нарезки проходное сечение (в виде цилиндрического отверстия) сопла 8, а другая часть кислорода 15 внедряется в многозаход- ную винтовую нарезку И, закручиваясь в ней .и в виде вихревого потока. Эти два потока после выхода из участка сопла с нарезкой, расширяясь далее и взаимодействуя между собой в выходной конической части 10 центрального сопла, образуют на выходе и з нее мягко- жесткую сильно закрученную струю 16 с развитым вихревым слоем 17 смешения куда эжектируется и где эффективно дожигается окись углброда, выделяющаяся в подфурменной зоне при взаимО действии периферийных кислородных струй с расплавом. При этом зона до жигания несколько удалена От торца го ловки фурмы и приближена к расплаву, что способствует повышению стойкости фурмы, усилению перемешивания шлако- металлической эмульсии в подфурменной зоне и, как следствие, улучшению про цессов шлакообразования и усвоению

76

расплавом полученной за счет дожита

ния СО теплоты.

Для определения оптимальных конструктивных параметров фурмы и изу- чения механизма взаимодействия потоков кислорода в центральном сопле фурмы, а также с периферийными струями, на газодинамическом стенде проведена серия экспериментов с использованием стробоскопа и теневой фотосъемки Эксперименты проводили на натурных центральных соплах, рассчитанных для фурм 200 и 350-тонных конвертеров, имеющих по пять (обычно используемый на практике вариант количества сопел) периферийных сопел с критическими диаметрами, соответст венно, равными 37,2 и 42 мм, а также на моделях указанных фурм, выполненных в масштабе 1:5. В качестве продувочного газа используют компрессорный воздух с давлением до 2,0 МПа.

В табл.1 приведены результаты исследования влияния отношения Рц/ Рц на коэффициент восстановления полного давления в сопле (коэффициент, характеризующий потери потенциальной энергии давления в сопле) (з и наличие отрыва потока (наличие локальных зон с пониженным давлением) в цент- ральном сопле при 1 j. к и 18°.

Как видно из табл.1, при отношении площади проходного сечения цилиндрической, части сопла Р„ к площади проходного сечения сопла на участке с нарезкой FJ, , равном 2-10, обеспечивается оптимальная, с точки зрения эффективного дожигания и шлакообразования, структура центральной струи, необходимая стойкость центрального сопла и минимальные потери потенциальной энергии давления вторичного кислорода При FU/FH 2 ци линдрическая часть центрального сопла работает как ускоритель потока и при подходе к участку с нарезкой кислород имеет околозвуковую ско рость. (около 300 м/с). При этом возникают большие сопротивления входа потока в нарезку и течения в ней, появляется опасность нарушения сплошности течения, неполного заполнения потоком канала и отрыва потока от стенок выходной части сопла В результате ухудшается стойкость сопла и поток вторичного кислорода не

ет оптимальной с точки зрения дожи- гания и шлакообразования структуры. При Fu/FH 10 не обеспечивается плавный ввод кислорода в многоза-

ходкую винтовую нарезку, что вызывает дополнительные сопротивления на разворот потока и на удар при входе в нарезку Кроме того, диаметр входной цилиндрической части сопла увеличивается настолько, что заметно снижается проходное сечение для подачи охлаждающей воды в голов ке фурмы, снижается ее стойкость, необоснованно увеличиваются размеры тракта для подачи вторичного кислорода. При обычно применяемых на практике конструктивных размерах головок фурм выполнение центрального сопла с Рц/ГцУ 10 невозможно.технически из-за- ограниченности межсоплового расстояния в центральной части верхней тарелки головки фурмы

В табл.2 приведены результаты исследований влияния длины выходной конической части центрального сопла на структуру истекающих потоков кислорода при FU/FH 3-5, р6 12-18

При длине конической части 1« центрального сопла менее 0,6 диамет- ра начального сечения конической части d и кислород истекает из вихревого аппарата не в виде сплошного потока, а в виде отдельных струек. При этом не обеспечивается полное залол- нение кислородом выходного участка конической части центрального сопла, возникают области разрежения, куда может эжектироваться горящее СО из полости конвертера. Это приводит к быстрому разрушению сопла и торцовой части фурмы. Кроме того, при ,6d| не обеспечивается защита торцовой части участка многозаходной винтовой нарезки от разрушающего теплового

излучения реакционной зоны, нижние витки нарезки при этом должны быстро оплавиться. Это приведет к нарушению структуры истекающего кислородного потока и невозможности достиже- ния поставленной цели. При ,6dkц центральный кислородный поток, истекающий из фурмы, не обладает достаточной жесткостью, что приводит к снижению стойкости фурмы и к умень- шению степени использования полученного за счет дожигания СО тепла, так как область дожигания удаляется от расплава и приближается к голов-

5

,

5 0

0 35 40 45

50 jj

ке фурмы. При ,0dkH истекающая из центрального сопла кислородная струя является слишком жесткой. Вихревой слой смешения на поверхности , центральной струи не получает заметного развития (на длинном выходном участке сопла за счет трения отдельных микропотоков кислорода друг о друга и о стенки сопла теряется тангенциальная составляющая скорости потока, сообщенная ему посредством многозаходной нарезки - вихревого аппарата). Это приводит к тому, что центральная струя работает практически так же, как и периферийные, в режиме глубокого проникновения в расплав (в режиме рафинирования), эффективность дожигания СО резко снижается.

В приведены результаты исследований влияния величины угла на структуру истекающих потоков кислорода из центрального сопла при VFH 4 (0,6-l,5)d|Cil,.

Как видно из табл.3, если угол раскрытия выходной конической части 0Ј меньше 10, то даже при значениях 1К, близких к нижнему гранично- му значению, т.е. при KCO,6dKH, на выходе из центрального сопла нель- зя получить струю с развитым вихревым погранслоем, струя является слишком жесткой. Это приводит к снижению эффективности процессов дожигания СО и шлакообразования. Если угол Об больше 25°, наблюдается неполное заполнение кислородом конической части сопла (так называемый отрыв потока, образуются области пониженного давления, куда эжектирует- ся конвертерный газ. Образовавшиеся внутри конусной части сопла очаги локального горения горячего СО приведут к интенсивному изно.су сопла и фурмы в целом, что сделает невозможным достижение поставленной цели.

Формула изобретения

Фурма для подачи кислорода в конвертер, содержащая головку с расположенными в ней периферийными соплами и центральным соплом с входной цилиндрической и выходной конической частями, отлича ющаяся тем, что, с целью снижения расхода чугуна на плавку за счет повышения

916

эффективности дожигания окиси углерода, а также улучшения шлакообразования, центральное сопло с входной цилиндрической и выходной конической частями выполнено с промежуточным участком с многозаходной йинтовой нарезкой на его внутренней поверхности, соединяющим входную цилиндрическую и выходную коническую.части, причем от-

7J°

ношение площади проходного сечения ...

цилиндрической части центрального сбп ла к площади проходного сечения сопл на участке с нарезкой составляет 2-10, длина конической части состав ляет 0,6-2,0 диаметра начального се чения конической части, а угол рас- крытия последней равен

Т а б л и ц а 1

Изобретение относится к черной металлургии, преимущественно к кислородно-конвертерному производству стали. Цель изобретения - снижение расхода чугуна на плавку за счет по- вышения эффективности дожигания окиси углерода и улучшение шлакообразования. Фурма состоит из четырех кон- центрично расположенных труб 1, которые образуют основной тракт 2 подвода кислорода, тракты 3 охладителя и дополнительный индивидуально регу-

пыт

2 3

4 5 6 7 8

Отношение

0,3

0,5 0,6

0,7 1,0 1,5 2,0

2,5

Таблица 2.

Структура истекающих потоков кисло- рода их центрального сопла

Кислород истекает из центрального сопла в виде нескольких (по числу заходов нарезки) отдельных отклоненных от вертикальной оси под большим углом струек и центральной отдельной струи; создается мягкий кислородный поток и область дожигания приближается к головке фурмы; в конической части центрального сопла существуют зоны отрыва потока То же

Зон отрыва потока не наблюдается; кислород истекает из центрального сопла в виде мягко гжесткой струи с развитым вихревым слоем смешения; область дожигания находится на достаточном удалении от торца фурмы и приближена к ванне То же „..

м

Кислород истекает из центрального сопла в виде жесткой струи, не имеющей развитого вихревого слоя смешения и глубоко внедряющейся в ванну

11

1643617l2

Таблица 3

,6

Кислород из централь Нет ного сопла истекает в виде жесткой струи, не , имеющей развитого вих ревого слоя смешения

То

„,.

,..

Кислород истекает в виде мягко жесткой струи с развитым слоем смешения