Воздушная фурма доменной печи Советский патент 1992 года по МПК C21B7/16 

Изобретение относится к черной металлургии, в частности к доменному производству, и может быть использовано для подачи природного газа в фурменную зону доменной печи.

Известны воздушные фурмы, в которых ввод природного газа осуществляется при помощи патрубков, пропущенных через во- доохлаждаемую полость. Недостатком этих устройств является низкая эффективность сгорания природного газа из-за отсутствия требуемой для условий доменного производства организации взаимодействия газовых струй с потоком дутья.

Наиболее близкой по те нической сущности является фурма для псдачи воздуха и природного газа в доменную печь, содержащая полый водоохлаждаемый корпус и расположенную в верхней его части трубку для ввода газа в воздушный поток, проходящую

через полость корпуса и снабженную выступающим в рабочий канал фурмы сменяемым наконечником .

Недостатком фурмы данной конструкции является низкая термическая стойкость сменного наконечника и отсутствие газодинамического обоснования условий выполнения поставленной задачи.

Целью изобретения является повышение качества смешения природного газа с дутьем.

Поставленная цель достигается тем, что природный газ подается через выступающие в рабочий канал фурмы соплами выполненными с прямоугольным сечением и отношением сторон, равным 2, меньшая сторона которых ориентирована по оси фурмы, а суммарная площадь их сечения определена соотношением

fc (0,006 - 0,02) тф, м2

(Л

С

-vj

;vi о

CJ ON ON

где УФ - средняя площадь поперечного сечения фурмы на участке от ввода природного газа до среза фурмы, м .

Эффективность использования природного газа в доменной плавке во многом зависит от развития и перемешивания струй газа в поперечном потоке дутья во внутренней полости фурмы.

Развитие струй газа в поперечном потоке и протекающие в них процессы перемешивания зависят от формы струй в устье (круглое, прямоугольное, плоское) и критерия Эйлера. Первый параметр относится к определяющим конструктивным, второй - определяющим режимным параметрам.

Влияние формы струи в устье проявляется через величину миделевого сечения, г.е. площади сечения струи реагента в плоскости, перпендикулярной потоку дутья. Чем она больше, интенсивнее процесс смесеобразования, так как поток дутья действует на большую площадь струи меньшей толщины. Влияние режиного и частично конструктивного параметров на процесс смешения проявляется через коэффициент расхода, величина которого показывает какая часть от общей площади выходного сечения сопла свободна для прохода газа и характеризует качество конструкции сопла и полноту использования давления газа. С ростом коэффициента расхода существенно повышается равномерность профиля скоростей и концентраций струи газа в устье и глубина ее проникновения в поперечный поток дутья, что увеличивает равномерность распределения газа по поперечному сечению внутреннего стакана фурмы и интенсифицирует процесс смесеобразования. При ровном профиле скоростей и концентраций газа в устье будет иметь место примерное равенство соотношения газ - дутье в любой точке миделевого сечения струи, так как и профиль скоростей дутья в полости фурмы за счет конусности последней всегда ровный. Увеличение глубины проникновения облегчает задачу получения необходимого начального распределения струй природного газа по поперечному сечению фурмы и интенсифицирует процесс смешения.

Сущность изобретения поясняется чертежом, где на фиг. 1 показан продольный разрез фурмы по образующей подводе природного газа. Воздушная фурма содержит полый воздухоохлаждаемый корпус 1 с фланцем 2 и внутренним стаканом 3. В верхней части внутреннего стакана 3 расположены выступающие в рабочий канал фурмы поперечные прямоугольные сопла, организующие направленную рассредоточенную

подачу газа в нижнюю половину фурмы. На фиг. 2 показано поперечное сечение воздушной фурмы по месту расположения подводящих природный газ сопел 4 и

положение струи газа 5 на отметке проникновения его в поток дутья относительно среза сопла (условно показано окружностями). Природный газ равномерно подается в нижнюю половину 6 рабочего канала фурмы через выходную часть 7 (фиг. 3) прямоугольных сопел 4. По мере движения в рабочем канале фурмы и далее в фурменной зоне он прогревается, частично горит, частично подвергается пиролизу и под действием

подъемных сил поднимается вверх, пересекая поток дутья, чем достигаются оптимальные условия для задействования в организации сжигания газообразного реагента большей части дутья, проходящего через фурму. Сопла ввариваются так, что не менее 1/4 их длины находится в водоохлаж- даемой полости. Подача природного газа через поперечные прямоугольные сопла с отношением их сторон, равным 2, и суммарной площадью выходных сечений fc (0,006 - 0.02) flf. м. обеспечивает, во-первых, оптимальные с точки зрения конструкции соплового ввода геометрические соотношения между площадями сопла на

входе и выходе, что приводит к повышению эксплуатационной стойкости выступающей в рабочий канал части сопла за счет минимизации его размеров; во-вторых, повышенную площадь миделевого сечения

газовой струи; в третьих, наиболее полное использование давления природного газа в магистрали и близкие к предельно возможным величинам коэффициенты расхода. Конструктивно наибольшее влияние на величину коэффициента расхода оказывает отношение площади выходного сечения сопла к входному.

Это отношение равно

0,5

С

где fc - площадь выходного сечения сопла

м1

Fc - площадь входного сечения сопла, м2.

Наибольшая технологичность изготовления и минимизация размеров выступающей в

рабочий канал фурмы части сопла достигаются при выполнении последнего в виде цилиндрического насадка. В этом случае при истечении из прямоугольных сопел газовая струя будет иметь максимальное значение миделевого и поперечного сечений при отношении сторон сопла равном 2.

Действительно, приняв fc 0,5FC, или Н- b 0,5- 0,785d02,

где do - диаметр входного сечения сопла, м; Н и b - соответственно большая и меньшая стороны сечения сопла, м, получим Н 0,886do, b 0,443d0 или H/b 2. Аналогичный результат дает и простое геометрическое построение.

Экспериментально установлено, что определяющим технологическим параметром, влияющим на величину коэффициента расхода при истечении из канала в сносящий поток, является критерий Эйлера, вычисленный как отношение избыточного давления в канале к скоростному напору в

сносящем потоке.

Гдр1

При-, влияние сносящего потока на коэффициент расхода невелико (5, с. 159)

где Д Р (Ргаза - Рдутья) - избыточное давление природного газа, кгс/м2;

Q1

ЈLLM

2g,

скоростной напор дутья

Г)

s фурме, кгс/м ;

Рд , Wg - соответственно плотность и скорость дутья в действительных условиях, кг/м , м/с.

На практике избыточное давление реализуется в скоростной напор струи газа Q2

Необходимое сечение одиночного сопла или суммарное сечение заданного числа сопел при докритической скорости истечения в среду с давлением дутья (Рд) находим

из равенства двух выражений для определения скорости природного газа на срезе газового насадка при условии, что статическое давление в струе истекающего газа на срезе сопла равно давлению дутья в форме:

,,

Wre.

(2)

15

Wr

, (3)

где уг - удельный вес природного газа при Р и Т, кгс/м3;

Vr - расход природного газа на фурме, М3/ч. Напрактике Vr (0,04-0,14)Vg, причем первые цифры относятся к низкопотенциальному дутью (температура и концентрациякислорода),вторая высокопотенциальному;

Тг - температура природного газа, 293К;

fc - площадь газового сопла (сопел), м2; и- коэффициент расхода, равный 0,8. Подставив (1) и (2) и приравняв (2) и (3) при средних параметрах комбинированного дутья:

-температура - 1103°С:

-давление - 3,6 х Ю4 кгс/м2;

-расход - 11000 нм /ч на фурму, пол

Сущность изобретения: в воздушной фурме доменной печи, содержащей полый водоохлаждаемый корпус с фланцем и расположенными в верхней части внутреннего стакана выступающими в рабочий канал фурмы соплами, сопла выполнены с прямоугольным сечением и отношением сторон, равным 2, меньшая сторона которых ориентирована по оси фурмы, а сумарная площадь их сечения определяется соотношением fc (0,006-0,02)f0,M , где - средняя площадь поперечного сечения фурмы на участке ввода природного газа до среза фурмы, м . 3 ил.

а

2д

Wr, 2

- , кгс/м ,

где рг и Wr - соответственно плотность и скорость природного газа в действительных условиях, кг/м , м/с.

Уравнение оптимальных газодинамический условий истечения струи природного газа в поток дутья принимаем в виде

0)

Для обоснования выбора методики анализа формулы (1) необходимо установить область движения газообразного реагента при истечении из газового насадка.

Практика использования комбинированного дутья показывает, что скорость газа на входе во внутренний стакан фурмы значительно ниже критической (WKp - 396 м/с).

Поэтому для анализа формулы (1) можно использовать зависимости, характеризующие параметры истечения газа без учета его сжимаемости и удобные для анализа.

35

учим

40

45

или

50

fc 0.143(0,04 -0.14) -тф (0,006-0.02) ф. м2.

Для подтверждения правомочности выбранной методики выполним сравнительный расчет величины сечений газовых сопел по точным (с учетом сжимаемости) и прибли- женным (без учета сжимаемости) формулам для условий приведенного выше примера и расхода природного газа Vr 900 нм3/ч на фурму.

х 2-9,81.15000-29Э-104 . 331, м/с

0,8-5,6 Ю -етЗ 900.293

,-4 ..

- -;

- «. ; д

lcS27t).3600 B 3TT3l 2 82MO M /г

Ј

,

5400 ) -(Ј

900

где Рг Py + Л Р . кгс/м.

Результаты отличаются на 2,1%. что приемлемо для инженерных расчетов.

Газодинамическое обоснование влияния заявленных параметров сопла на качество смешения природного газа с дутьем выполним основании анализа формул для определения глубины проникновения газовой струи в сносящий поток дутья (7, с. 211)

- $ч

9L 09

где h- глубина проникновения мм.

К - коэффициент пропорциональности;

) - диаметр (эквивалентный диаметр) газового сопла, мм;

11 Р

dg F. Р - соответственно площадь и периметр поперечного сечения газового сопла, мм , мм;

We, Wg, вительная

скорость дутья; м/с, кг/м

и длины смесителя, в котором смесеобразование осуществляется в струе газа, развивающейся в поперечном ограниченном потоке дутья (8, с. 42)

Рг,/Эд - соответственно дейст- и плотность газа и

- к

do t 1 +«V0pg

Kn

1 + Шд cTg

(5)

где ICM - длина смесителя, мм:

/с- степень смешения (0 - 1/

Km - коэффициент, для одиночной струи Кт 0,114:,

d0 di -лI - : V0 - теоретический

1

расход воздуха, м /MJ;

а- коэффициент избытка воздуха;

А.

А

Wr

.-Ј

что

иячеьемул ния , с.

4)

dф - средний диаметр воздушной фурмы на участке узел ввода природного газа - срез фурмы, мм.

Задаемся следующими средними пара- 10 метрами комбинированного дутья:

-расход - 11000 м3/ч на фурму;

-температура - 1103°С;

-давление - 3,6 х 104 кгс/м2;

-расход природного газа - 900 м3/ч на 15 фурму; геометрически размерами фурмы;

-6ф 175 мм; Ц - 0,024 м2;

и узла ввода природного газа в фурму:

-существующей трубкой диаметром 25 мм;

-цилиндрическим соплом с площадью поперечного сечения, рассчитанной по заявляемой формуле;

-прямоугольным соплом с геометрическими размерами выходного сечения, рассчитанными по заявляемым соотношениям.

Чтобы не усложнять расчет и не снизить объективность полученных результатов сравним относительные изменения глубин проникновения для первого и третьего вариантов узлов ввода и длин смесителей - для второго и третьего.

Тогда

20

25

30

0

JL

hin

Mr

г Wj

Wo

Рэ

4-w;

m fpf

i jin

9 wiVpj

in 15,8-351,1

25-H1.5

ILI

:№,4Bh

принимаем, что рг pu (из условия, что давление газа на срезе сопла в обоих случаях равно Рд).

Для принятых параметров

dr 20 мм; dg 15,8 мм; Wr 141,5 м/с; 331 м/с

ci iH-ot-Ve-pj

%тk, 1 + i5iV0- (5,j

, ч

%d°

KW лН+та-Зп

i11 Г 7 -72. П

SaЈ

.in I -i Ti1 Itr d0 + m«,dq

3a3

ИД

1смп| 0,711см,

где do1 33,4 мм; 27,95 MM; mg 0,54 5,24; irig1 0,54; dg1 6,26.

Таким образом заявленные техниче ские решения позволяют использовать дав

Природнм 2аз

10

15

20

25

ление природного газа и геометрию газовой струи в устье для повышения качества смешения природного газа с дутьем.

ф-о рмула изобретения

Воздушная фурма доменной печи, содержащая полый водоохлаждаемый корпус с фланцем и расположенными в верхней части внутреннего стакана выступающими в рабочий канал соплами для подачи природного газа, отличающаяся тем, что, с целью повышения эффективности продувки за счет улучшения смешения природного газа с дутьем, сопла выполнены с прямоуголь- ным сечением и отношением сторон, равным 2, меньшая сторона которых ориентирована по оси фурмы, а суммарная площадь их сечения определена соотношением

fc (0,006 - 0,02)тф, м2

где f(| - средняя площадь поперечного сечения фурмы на участке от ввода природного газа до среза фурмы, м .

А

1

5

Фиг. 2.

Вид б