Фурма для продувки расплава газом Советский патент 1992 года по МПК C21C5/48 

Изобретение относится к металлургии и может быть использовано в сталеплавильных агрегатах, в частности в кислородных конвертерах.

Известны фурмы для продувки металла, содержащие водоохлаждаемый корпус и головку с цилиндрическими соплами, закрепленную на корпусе с помощью переходника.

При сверхкритических перепадах давления кислорода, которые используются в практике сталеплавильных процессов, продувка через известную фурму является не - эффективной. В цилиндрических соплах срабатывается только часть располагаемого перепада давления и поток ускоряется только до звуковой скорости. Дальнейшее ускорение потока кислорода происходит уже не организовано за срезом сопла (в недорас- ширенной струе). Это сопровождается появлением развитой системы скачков уплотнения в струе, приводит к росту потерь потенциальной энергии давления, неорганизованному (неустойчивому) режиму истечения. Взаимодействие струй с ванной носит бурный характер, сопровождается интенсивным брызгообразованием, неравномерным газовыделением и выбросами.

Известны фурмы, содержащие корпус с прикрепленной к нему через переходник головкой, снабженной соплами Лаваля, котоvj 01 4D 00

ю о

рые в настоящее время широко используются на практике.

Недостатком этих фурм является сложность изготовления сопел Лаваля с формами, соответствующими расчетным. Кроме того, сам расчет таких (профилированных) сопел сложен и осуществляется методом характеристик для каждого значения рабочего давления кислорода. Часто, чтобы облегчить расчет и изготовление сопел для известных фурм, расширяющуюся часть (диффузор) этих сопел выполняют конической (с прямолинейными образующими). Однако входная (сужающаяся) часть сопла при этом остается профилированной и трудоемкой в изготовлении. Отмеченные недостатки известных фурм особенно заметно проявляются на крупнотоннажных конвертерах, где используются многосопловые фурмы, имеющие обычно сравнительно небольшую стойкость головок и требующие непрерывного изготовления большого количества сопел.

Наиболее близкой по технической сущности к предлагаемой является фурма для продувки металла, содержащая корпус и прикрепленную к нему через переходник головку с расширяющимися соплами, снабженную кольцевой вставкой с сужающимися в сторону сопел под углом 15 - 20° стеноми, закрепленной на внутренней поверхности переходника. В отличие от других известных фурм фурма-прототип одновременно проста в изготовлении и обеспечивает истечение дутья из расширяющихся сопел со сверхзвуковой скоростью на срезе. Однако режим течения кислорода в тракте и соплах известной фурмы является плохо организованным, характеризуется большими потерями давления кислорода, т.е. бесполезной потерей потенциальной энергии давления дутья на местные сопротивления в виде различных сжатий, расширений и завихренностей. Это приводит к снижению эффективности продувки сталеплавильной ванны. Кроме того, при использовании указанных сопел (за счет самопроизвольно устанавливающего критического сечения в потоке) параметры дутья (расход, импульс и т.д.) не могут быть заранее точно установлены расчетным путем, что затрудняет проектирование фурм и управление продувкой в сталеплавильном агрегате. Выполнение внутренней поверхности переходника с сужающимися в сторону сопел прямолинейными стенками (в виде дополнительно устанавливаемой кольцевой вставки) под заявленными в прототипе углами наклона в общем случае мало улучшает картину течения в фурме и потери давления

(расхода) остаются весьма большими. Это объясняется тем, что в общем случае определяющей характеристикой течения в фурме на участке с переходником (вставкой)

является не угол наклона поверхности переходника к оси фурмы, а конкретное значение отношения площади проходного сечения газового тракта фурмы на этом участке к суммарной площади входных сечений

0 сопел. Так, при малой величине этого отношения (особенно при малом числе сопел в фурме при этом) выполнение вставки по прототипу приводит к тому, что вставка перекрывает часть входных сечений сопел,

5 резко увеличивая неравномерность параметров потоков на входе в сопла, образовывая дополнительные завихренности. Резко увеличивается общее гидросопротивление газового тракта фурмы, т.е. увеличиваются

0 потери потенциальной энергии газа дутья и снижается эффективность продувки. Такая ситуация наблюдается, например, на фурмах 160-т конвертеров, переоборудованных из 130 т. При большой величине указанного

5 отношения выполнение вставки под углом 15 - 20° практически не оказывает никакого влияния на режим течения в фурме, т.е. не оказывает поджимающего действия на поток. Это приводит к росту потерь давления

0 из-за большого местного сопротивления на аходе в расширяющееся сопло (внезапное сужение потока) и соответствующему снижению эффективности продувки. Такая ситуация наблюдается, например, на фурмах

5 350-тонных конвертеров.

Целью изобретения является повышение эффективности продувки за счет более полного использования потенциальной энергии газа дутья,

0 Для этого в фурме для продувки расплава газом, содержащей корпус с трактом для подачи газа и головку с расширяющимися соплами, прикрепленную к нему через переходник, обращенная в газовый тракт повер5 хность которого выполнена плавно сужающейся в сторону сопел, на расширяющихся соплах выполнена входная часть в виде фаски высотой 0,1-0,25 минимального диаметра сопла и углом раскрытия 40 - 70°,

0 причем площадь проходного сечения газового тракта в месте максимального сужения на участке с переходником составляет 2-6 суммарных площадей начальных сечений входных частей сопел.

5 Выполнение в расширяющихся соплах фурмы входной части в виде фаски с заявляемыми высотой и углом раскрытия с одновременным выполнением переходника с заявляемым законом изменения площади проходного сечения тракта подачи газа на

участке с переходником позволяет, сохранив простоту изготовления фурмы, существенно снизить потери потенциальной энергии давления газа в ней и повысить эффективность продувки.

Снятие фаски на расширяющемся сопле представляет собой элементарную операцию токарной обработки сопла, несравненно более простую чем выполнение обычной профилированной части сопла Лаваля. Переходник выполняется одноразово на весь период эксплуатации ствола фурмы. При выходе из строя (прогаре) головки фурмы (обычно через 30 - 150 плавок) к переходнику крепится новая головка с вновь изготовленными расширяющимися соплами.

Снижение потерь давления в предлагаемой конструкции фурмы (по сравнению с прототипом) происходит за счет более организованного процесса сжатия потока кислорода до минимальных сечений сопел, предотвращения завихренностей, уменьшения величины местных сопротивлений типа внезапное расширение и внезапное сужение потока. Это приводит к увеличению кинетической энергии кислородных струй и глубины проникновения их в расплав (при прочих одинаковых условиях), по- вышению удельной мощности перемешивания ванны и следовательно - к увеличению эффективности продувки. Кроме того, при использовании предлагаемой конструкции фурмы, по сравнению с прототипом, значительно точнее можно определить (на стадии проектирования) параметры истекающего дутья (расход, скорости истечения, импульс струй и т.д.), что так же повышает эффективность продувки, т.к. необходимые параметры дутья определяются всегда заранее расчетным путем.

На фиг.1 изображена нижняя часть пяти- сопловой фурмы с центральным подводом кислорода, разрез; на фиг.2 - то же, с центральным подводом воды, разрез.

Фурма имеет головку 1 с расширяющимися соплами 2, соединенную с корпусом через переходник 3. Обращенная в газовый тракт 4 поверхность переходника 3 выполнена сужающейся в сторону сопел 2 так, что площадь проходного сечения тракта подачи газа на участке фурмы с переходником 3 изменяется плавно от площади проходного сечения на входе в участок FBx до 2 - б суммарных площадей начальных сечений- входных частей сопел 2 FC.J . Расширяющиеся сопла 2 имеют входную часть 5, выполненную в виде фаски с высотой , равной 0,1 - 0,25 минимального диаметра сопла dM, и углом раскрытия f$ 40-70°.

Фурма работает следующим образом. Продувочный газ (кислород) подводится к фурме и движется по газовому тракту 4 последней. На участке фурмы с переходни- 5 ком 3 вследствие плавного уменьшения площади сечения тракта 4 газ равномерно сжимается, ускоряясь при этом. Дальнейшее сжатие газа происходит на длине фасок 5 сопел 2, За минимальным сечением сопел 10 2 газ в них расширяется, продолжая ускоряться при этом, и истекает из сопел в виде сверхзвуковых струй, которые, взаимодействуя с расплавом, рафинируют и перемешивают его. При выполнении входной части 15 5 расширяющихся сопел 2 в виде фаски с высотой 0,1 - 0,25 минимального диаметра сопел и углом раскрытия 40 - 70°, а также выполнении переходника 3 с плавным уменьшением площади проходного сечения 0 для газа от площади на входе в участок с переходником 3 до 2 - 6 суммарных площадей начальных сечений входных частей сопел 2 обеспечиваются минимальные потери потенциальной энергии давления газа на 5 местные гидросопротивления на выходном участке фурмы и эта энергия максимально используется для перемешивания и рафинирования сталеплавильной ванны.

Для установления влияния размеров 0 фаски на соплах и соотношения площадей: сечения газового тракта на участке с переходником и входных сечений сопел на газодинамические параметры течения газа - на газодинамическом стенде была проведена 5 серия экспериментов с использованием моделей 4-х и 5-ти сопловых фурм, сопла с dM 20 мм . В качестве газа использовался компрессорный воздух. Эффективность продувки через Фурму оценивали с по- 0 мощью коэффициента расхода ft, представляющего собой отношение действительного расхода газа, истекающего из фурмы (определяется экспериментально с помощью от- тарированной измерительной диафрагмы) к 5 теоретическому (определяется по известным зависимостям для условных без потерь давления фурм с соплами Лаваля с использованием данных по геометрическим размерам сопел (dM) и давлению газа перед 0 фурмой, коэффициента восстановления полного давления газа а в фурме, представляющего отношение полного давления газа на выходе из фурм (в выходном сечении сопел) к полному давлению газа на входе в 5 фурму; относительной дальнобойности струи Ьв - отношение расстояния от среза сопла до некоторого характерного сечения струи (например, звукового, в котором скорость на оси струи равна звуковой) к зналогичному расстоянию, при продувке через эквивалентную (по размерам - dM)

х 4- и 5- сопловые фурмы наиболее широко используются на практике; фурмы с меньшим или большим количеством сопел практически не находят применения.

хх Использовалась только нижняя часть фурмы (без основного ствола), состоящая из головки с соплами, участка фурмы с переходником и части ствола длиной 100 мм. фурму с соплами Лаваля и др. показателей. В табл.1 приведены результаты исследования влияния величины отношения высоты фаски Нф на соплах к минимальному диаметру последних dM на коэффициент расхода ц (при Рвых/Рс,«. 3; / 60°).

При пф/dw 0,1 гидродинамическое сопротивление нижней части фурмы резко увеличивается, о чем свидетельствует резкое падение коэффициента расхода ft ( (пропускной способности фурмы). Это приводит к бесполезной потере значительной части потенциальной энергии давления газа и снижению эффективности продувки.х При пф/гём 0,25 коэффициент fi продолжает увеличиваться, однако это увеличение уже слабо выражено (одинаковый прирост по Ьф/dn дает значительно меньший прирост по /и ). Кроме того, при Ьф/dw более (1/4) усложняется изготовление сопел (операция снятия фаски). Поэтому верхний предел отношения Ьф/йм ограничиваем значением 0,25. Таким образом, диапазон оптимальных значений Ьф/dM составляет 0,1 - 0,25.

В табл.2 приведены результаты исследования влияния величины угла раскрытия фаски (входной части)/ на коэффициент

Принято, что для нормальной работы фурмы величина /и должна быть не менее 0.8. расхода р ((при FBux/FЈ 3; Ьф/йм 0,2).

Как видно из табл.2, диапазон оптимальных значений углов fi( составляет 40 - 70° При / 40 и / 70° гидродинамическое сопротивление фурмы резко увеличивается, коэффициент I становится меньше

допустимого

х)

В табл. 3 приведены результаты исследования влияния отношения площади проходного сечения тракта подачи газа в месте

его максимального сужения на участке с переходником, т.е. на выходе из участка фурмы с переходником РВых к суммарной площади начальных сечений входных частей сопел Fc, на коэффициент расхода (при пф/йм - 0,2; / 60°).

х Принято, что для нормальной работы фурмы величина fi должна быть не менее 0,8.

Как видно из табл, 3. диапазон оптимальных значений отношения (Рвых/Fc ) составляет 2-6. При FBUX/FC. 2 резкое снижение /г и эффективности продувки происходит из-за того, что переходник значительно перекрывает входные сечения сопел, создаются дополнительные местные гидросопротивления на внезапное расширение газа (после переходника), усиливаются завихренности течения между переходником

и входными сечениями сопел. При FBux/Fc, 6 изменение площади сечения тракта на участке фурмы с переходником уже практически не сказывается на характеристики течения газа, т.е. дополнительное поджатие

газа на этом участке уже практически не происходит.

Экономический эффект от использования предлагаемого технического решения достигается за счет повышения эффективности продувки (более полного использования потенциальной энергии давления дутья для рафинирования и перемешивания ванны) и составляет 105,8 тыс.руб. год при производстве стали 1 млн.т в год.

Формула изобретения

Фурма для продувки расплава газом, содержащая корпус с трактом для подачи газа и головку с расширяющимися соплами, прикрепленную к нему через переходник,

обращенная в газовый тракт поверхность которого выполнена плавно сужающейся в сторону сопл, отличающаяся тем, что, с целью повышения эффективности продувки, на расширяющихся соплах выполнена

5 входная часть в виде фаски высотой 0.1 - 0,25 минимального диаметра сопла и углом раскрытия 40 - 70°, причем площадь проходного сечения газового тракта в месте его максимального сужения на участке с пере0 ходником составляет 2-6 суммарных площадей начальных сечений входных частей сопл.

Таблица

Изобретение относится к черной металлургии, преимущественно к кислородно- конвертерному или мартеновскому производству стали. Фурма имеет головку 1 с расширяющимися соплами 2, соединенную с корпусом через переходник 3. Обращенная в газовый тракт 4 поверхность переходника 3 выполнена сужающейся в сторону сопел так, что площадь проходного сечения тракта подачи газа на участке фурмы с переходником изменяется плавно от площади проходного сечения на входе в участок до 2-6 суммарных площадей начальных сечений входных частей сопел. Расширяющиеся сопла 2 имеют входную часть 5,- выполненную в виде фаски с высотой, равной 0,1-0,25 минимального диаметра сопла, и углом раскрытия, равным 40-70°. При простоте изготовления фурмы (переходник выполняется одноразово на весь срок эксплуатации ствола фурмы: сложная операция изготовления профилированных входных частей сопел Лаваля заменена на простую операцию снятия фаски на входной части расширяющегося сопла) эффективность продувки через нее близка к эффективности продувки через эквивалентную фурму с соплами Лаваля. При этом роль входных частей сопел Лаваля, на которых происходит сжатие газа, выполняет участок фурмы с переходником в комбинации с фасками на расширяющихся соплах 2 ил., 3 табл. С/1 с

Вода

Фиг 1

Та блица2

ТаблицаЗ

(кислород/

боляГ-цл (киглорои) Вод

I