EA008914B1

EA008914B1 - Выпускная труба

Info

Publication number: EA008914B1
Application number: EA200602009A
Authority: EA
Inventors: Оливер Цах; Михаэль Кликових; Михаэль Бергер; Кристиан Рам
Original assignee: Рифректори Интеллектуал Проперти Гмбх & Ко.Кг
Priority date: 2004-06-04
Filing date: 2005-04-16
Publication date: 2007-08-31
Also published as: TWI294464B; WO2005118889A2; WO2005118889A3; BRPI0511738A; EA200602009A1; SI1678333T1; CA2562334A1; CN100429323C; EP1678333B1; DK1678333T3; CA2562334C; MXPA06013067A; AU2005250081A1; ZA200609209B; PT1678333E; TW200609357A; CN1950523A; NO20064992L; US7556765B2; DE502005000895D1

Abstract

Изобретение относится к выпускной трубе для металлургического плавильного сосуда, например конвертера или дуговой электрической печи.

Description

Изобретение относится к выпускной трубе для металлургического плавильного сосуда. Под металлургическим плавильным сосудом понимают агрегат, в котором изготавливают, обрабатывают и/или транспортируют металлургический расплав, например конвертер или дуговая электрическая печь.

При этом металлический расплав, находящийся в плавильном сосуде, по выпускной трубе направляется в последовательно подключенный агрегат. Например, сталь из конвертера через разливочный ковш подается в последовательно установленную установку для непрерывной разливки.

Металлический расплав должен по возможности транспортироваться без загрязнений. Например, следует избегать контакта с окружающей атмосферой (кислород, азот), также как и одновременного перемещения со шлаком.

Из ЕР 0057946 В1 известен конвертерный выпуск (лётка), который в осевом направлении составлен из ряда огнеупорных блоков или дисков. Огнеупорный блок с входной стороны должен иметь воронкообразный пропускной канал, и с выходного конца пропускной канал выпускной трубы должен иметь наименьший диаметр. Таким образом оформленная выпускная труба присутствует на рынке в течение 20 лет и доказала свою пригодность.

Равным образом оправдали себя выпускные трубы, геометрия которых на выпускном конце имеет известные из ΌΕ 4208520 С2 преимущества.

При этом при расчете выпускного поперечного сечения руководствуются профилем потока соответствующего расплава, а именно принимая во внимание среднее значение высоты расплава над выпускной трубой.

В выпускной трубе конвертера высота металлического расплава (высота ванны) во время выпуска зачастую практически постоянна, так как конвертер с увеличением времени выпуска наклоняется (наводится). В частности, однако, к концу выпуска высота ванны уменьшается принудительно. Вместе с этим одновременно повышается опасность, что шлак пройдёт с металлическим расплавом в выпускную трубу и через нее. Далее это может привести к образованию турбулентности и формированию разряжения в выпускной трубе. Одновременно вследствие этого повышается опасность повторного окисления и азотирования.

В основе изобретения лежит задача оптимизировать выпускную трубу упомянутого типа таким образом, чтобы во время всего времени выпуска обеспечить желаемый («постоянный») расход (массы) и препятствовать одновременному перемещению с ней шлаков. «Постоянно» значит, чтобы расход (массы) в выпускном канале выпускной трубы не прерывался по возможности до конца времени выпуска. Точно также, насколько возможно, следует избегать поглощения кислорода или азота. Наконец, расчёт выпускной трубы должен осуществляться таким образом, чтобы независимо от ее износа (в пределах технически приемлемых границ) можно было транспортировать по выпускной трубе максимально возможный равномерный поток массы.

Согласно ΌΕ 4208520 С2 профиль потока расплава можно вычислить по следующей формуле: А(х)=т/(р-(2дх)^1/2), где А(х) - требуемое поперечное сечение потока на расстоянии х от уровня ванны, т - поток массы расплава, д - ускорение силы тяжести - 9,81 м/с², х - выбранное расстояние от уровня ванны, р - плотность расплава.

При этом учитывается только изменение поперечного сечения, обусловленное ускорением потока расплава в зависимости от высоты падения. Для сохранения наглядности и ясности расчетов как здесь, так и при других приведенных в этом описании расчетах влиянием вязкости расплава или трения о стенку пренебрегают или оставляют без внимания.

Для указанного (специфического) расплава таким образом можно точно определить требуемый диаметр пропускного канала на выпускном конце при вертикальном положении пропускного канала, заданной массе потока и заданном расстоянии между уровнем ванны и выпускным концом. Это можно пояснить на следующем примере:

т = 700 кг/с, х = 2,7 м, р = 7,200 кг/м³ (для стали),

А(х = 2,7 м) = 700/7,200-(2-9,81-2,7)^1/2 = 0,01335 м².

Для выпуска с круговым поперечным сечением на выходе выпускной диаметр рассчитывается исходя из А = ά²-π/4.

й = [(Α-4)/π]^1/2 ά = [(0,01335-4)/π]^1/2=0,1304

При заданном диаметре выпускного канала на выходном конце, однако, решающим фактором для расхода и получающегося профиля потока является соответствующая высота ванны (высота расплава над выходным концом выпускной трубы). На фиг. 1, например, для различных высот ванны показан требуемый радиус поперечного сечения круглой формы выпускной трубы в зависимости от расстояния от вы

- 1 008914 ходного конца, причем «О» определяет выходной конец выпускной трубы, 1,35 м является общей длиной (новой) выпускной трубы и максимальная высота ванны принимается равной 2,70 м (рассчитанная от выходного конца). Эффективная максимальная высота ванны с расплавом над входом выпускной трубы составляет, следовательно, 1,35 м. При обосновании заданного расхода представленная кривая показывает для максимальной высоты ванны (=2700 мм) теоретически минимально необходимый радиус выпускного канала (пропускной канал в выпускной трубе) на различных удалениях от выходного конца, начиная при радиусе 65 мм на выходном конце. Остальные кривые показывают теоретически минимально необходимый радиус выпускного канала на различном удалении от выходного конца для различной высоты ванны при условии одинакового поперечного сечения (радиус 65 мм) на выходном конце.

Очевидно, что при высоте ванны между 2700 мм и 2400 мм во входной зоне впускной трубы для поперечного сечения пропускного канала достаточен радиус 80 мм, для того чтобы заполнить поперечное сечение круглой формы выпускной трубы на выходном конце с радиусом 65 мм потоком расплава полностью.

Однако если уровень ванны далее уменьшается, например, до показанной также минимальной высоты ванны 1600 мм (эффективная высота плавильной ванны над входом выпускной трубы теперь 250 мм), то при том же поперечном сечении выпускной трубы на выходном конце для необходимого радиуса поперечного сечения пропускного канала во входной зоне выпускной трубы получают значение около 110 мм.

В ΌΕ 4208520 С2 для расчета геометрии выпуска учтен только диапазон уровня ванны от 30 до 70%.

Из ΌΕ 4208520 С2 для вышеприведенного примера, принимая во внимание минимальный уровень ванны и длину закрытого выпуска 750 мм, получают входной диаметр 75 мм. Из этого следует, что теория ΌΕ 4208520 С2 предлагает выпускные трубы, пропускной канал которых на входном конце слишком мал.

В противоположность этому рассматриваемое изобретение предлагает полностью другие геометрии пропускного канала выпускной трубы.

Принимая во внимание малые высоты ванн (эффективная высота металлического расплава над входной зоной выпускной трубы <30% максимального значения), требуемое поперечное сечение на входном конце будет больше и значительно отличается от поперечного значения, которое получается согласно ΌΕ 4208520 С2.

Кривая (1) на фиг. 2 показывает еще раз требуемый профиль выходного канала в продольном сечении (теоретически минимально необходимый радиус) при высоте ванны 1600 мм и радиусе выходного поперечного сечения 65 мм. На кривой (2) показано соотношение потоков для выпускной трубы согласно уровню техники (радиус входного поперечного сечения 80 мм). По сравнению с входным поперечным сечением, требуемым в рассматриваемом изобретении (радиус =110 мм), меньшее поперечное входное сечение приводит в известных из уровня техники решениях к сильному сужению потока в выпускной трубе. При свободном формировании потока это соответствует на выходном конце радиусу поверхности поперечного сечения, равным лишь 50 мм. Поэтому в зоне за пределами входного поперечного сечения всё поперечное сечение выпускного канала не может более заполняться и использоваться для выпуска расплава. Следствием этого являются уже упомянутые повышенные турбулентности и разряжения в выпускной трубе с опасностью, что плавающий на расплаве шлак будет уноситься вместе с расплавом. Одновременно турбулентности, возникающие вдоль прохождения по трубе, приводят к (дальнейшему) уменьшению расхода и тем самым время выпуска увеличивается более, чем требуется. Это ведёт за собой уменьшение температуры металлического расплава. Это делает необходимым вновь нагревать расплав до желаемого температурного уровня на следующих ступенях обработки, в результате чего возникают дополнительные энергозатраты.

Проблему предотвращения турбулентностей и поддержания компактного потока рассматриваемое изобретение решает с помощью такого выполнения выпускного канала, при котором во время всего времени выпуска, также и при небольших высотах ванны (эффективная высота уровня ванны над входным концом выпускной трубы ниже 30% максимальной высоты), весь выпускной канал полностью заполнен расплавом. Изобретение предлагает в своей наиболее общей форме выполнения выпускную трубу для металлургического плавильного сосуда, пропускной канал которой, соосно проходящий между выходным концом и входным концом, имеет поперечное сечение канала А(у) со следующей зависимостью:

А(у) = А - 7(0,+0^0,+0^ у), где А - площадь поперечного сечения на выходном конце, м²,

11, - эффективная высота плавильной ванны над входным концом (в осевом удлинении выпускного канала), м,

Н|._: - длина выпускной трубы между входным концом и выходным концом, м, у - осевое расстояние между выходным концом и местом на выходной трубе с 0<у<(Н|+Н|._:). м,

11, должно быть меньше или равно 0,3-кратному значению максимальной высоты (1_тах) расплава в плавильном сосуде в осевом удлинении выпускной трубы.

- 2 008914

Изменяющийся фактор (коэффициент) (1ΐ|/1ι_ΙΙ1αχ) учитывает различное поведение потока, особенно при небольшой высоте ванны. Из фактора «<0,3» получается, что при этом учитывается состояние, при котором эффективная высота уровня расплава над входным концом выпускной трубы минимум на 70% меньше, чем эффективная высота уровня расплава при максимальной высоте ванны.

11|._: отражает имеющуюся, соответственно, длину выпускной трубы между входным концом и выходным концом. В то время как выходной конец выпускной трубы принудительно является её нижним свободным концом и в течение времени остаётся неизменным, положение входного конца изменяется с длительностью использования выпускной трубы. За это отвечает износ огнеупорного материала на входном конце. Входной конец соответствует согласно определению уровню соседнего огнеупорного материала огнеупорной футеровки металлургического плавильного сосуда. С возрастающей эрозией уменьшается соответственно длина выпускной трубы.

у обозначает, наконец, осевое расстояние между выходным концом и местом на выпускной трубе. Для выходного конца у=0, получаем из вышеприведенной формулы

А(у=о)=А.

Как частный случай выпускного поперечного сечения круглой формы получается для диаметра б(у) выпускного поперечного сечения между выходным концом и входным концом следующая зависимость:

где б - диаметр выходного конца, й₁=0,3й_тах или меньше максимальной высоты (й_тах) расплава в плавильном сосуде над входом в осевом удлинении выпускной трубы, й_к - длина выпускной трубы между входным и выходным концами, у - осевое расстояние между выходным концом и местом на выпускной трубе.

При этом б описывает диаметр на выходном конце при задании желаемого расхода. Чем выше желаемый расход, тем больше диаметр б.

Далее теория согласно рассматриваемому изобретению поясняется с помощью различных примеров выполнения. Длина выпускной трубы (й_к) принимается равной 1,35 м, высота уровня ванны (й₁) - от входного конца трубы - 0,25 м (=18,5% максимальной высоты плавильной ванны 1,35 м над входом выпускной трубы). Диаметр б на выходном конце установлен 0,13 м, чтобы обеспечить желаемый расход X.

По вышеупомянутой формуле рассчитывается внутренний диаметр пропускного канала на входе следующим образом:

На расстоянии один метр от выходного конца пропускного канала получается диаметр:

б_(г) = 0.13 ν(0·25 +1.35)/(0.25 +1.35 -1.0) = 0.17 м

В то время как на выходе - как пояснялось - б(_у)=б, т.е. 0,13 м.

Принимая длину трубы равной 2,0 м (при неизменённых предельных остальных данных, таких как поперечное выходное сечение, выходной диаметр, эффективная высота уровня ванны над входным концом) получается требуемый диаметр на входном конце 0,23 м, который на расстоянии 1 м до выхода 0,15 м, в то время как на выходном конце составляет без изменений 0,13 м.

Из этого следует сделать вывод, что с увеличением длины выпускной трубы требуемый размер зева на входном конце увеличивается.

Если выполняют вышеуказанные расчеты альтернативно для длины трубы 1,35 м и диаметра на выходном конце 0,13 м с эффективной высотой уровня расплава над входным концом 0,4 м (в соответствии с примерно 30% максимальной высоты ванны), то рассчитывается диаметр пропускного канала во входной зоне 0,19 м и на высоте 1 м к выходному концу - 0,16 м. Согласно одному варианту выполнения принимается фактор (11|/11_т.._|;.,)>0.05 и/или <0,3 (й_тах - максимальная высота расплава в плавильном сосуде над входной зоной выпускной трубы в осевом удлинении выпускной трубы). В другом варианте выполнения значение находится между >0,1 и/или <0,2.

Как пояснялось, это зависит, прежде всего, от (выбора) размеров выпускной трубы, в части со стороны входа. При этом определяющими являются, прежде всего, соотношения при небольших эффективных высотах уровня ванны (<30% максимальной эффективной высоты уровня ванны над входным концом). Геометрия поперечного сечения на конце со стороны выхода определяется преимущественно заданным значением расхода (массовый поток при максимальной высоте ванны).

Согласно одному варианту выполнения расчет поперечного сечения для пропускного канала опирается на значение у>50% общей длины выпускной трубы. По другому варианту выполнения эти значения установлены в диапазоне >70%. Это означает, что, по существу, половина с входной стороны или треть с входной стороны общей длины трубы должна конструктивно оформляться на основе изобретения.

При этом этот участок может выполняться непрерывно конически-сужающимся; необходимое сужение в направлении конца с выходной стороны может происходить также ступенчато. Также (если смотреть в продольном сечении) подгонка к оптимальной геометрии пропускного канала возможна в форме полигональных линий (см. фиг. 3-5) или сводчатых (выпуклых) участков. На фиг. 3-5 наряду с рассчитанным согласно рассматриваемому изобретению идеальными геометриями также показаны к ним

- 3 008914 технически подогнанные характеристики изменения стены ступенчатой формы, с помощью которых можно также реализовать желаемые эффекты и которые технически легче изготовить.

В частности, нижняя половина с выходной стороны выпускной трубы может придерживаться конусности (верхней) части со стороны входа, но также возможно выполнение этой части с меньшей конусностью (подъем) вплоть до цилиндрической формы пропускного канала. Это справедливо особенно для последних 10-20% длины выпускной трубы с выходной стороны.

Относительно увеличения пропускного канала изобретение согласно одному варианту его выполнения (поперечное сечение канала круглой формы и симметричное выполнение внутреннего контура относительно оси канала) предлагает решение так оформлять стеновую зону, чтобы увеличение (8) внутреннего контура пропускного канала (в продольном разрезе) следовало следующей зависимости: ⁸=^‘7(^н1^+ьЛ(ь₁+11*-уУ где г - радиус поперечного сечения канала на выходном конце.

Увеличение 8 описывает в этом случае изменение радиуса г(у) поперечного сечения круглой формы выпускного канала в зависимости от расстояния у до выходного конца выпуска.

Например, таким образом, получаются для различных эффективных высот ванны для минимального требуемого увеличения 8 на различных удалениях от выпускного конца выпускной трубы значения, приведенные в следующих таблицах:

й*=1,35 м, Ь_тах=1,35м, г=0,065 м

Эффективная высота ванны	0,3-Ь^ = 0,405 м	0,2 = 0,27 м	0,1-Ь^ = 0,135«
Расстояние от конца выпуска	! 0,5 Ь_к = 0,675 м	0,7-1!,= 0,945 м	0,5 Ь_к = 0,675 «	0,7-11,= 0,945 м	0,5 -11,= 0,675 м	0,7-й,= 0,945 м
δ	1 0,017	0,0243	0,0197	0,03	0,0233	0,0388

й_к=2,0 м, й_тах=1,35м, г=0,065 м

Эффективная высота ванны	0,3 -Η_= 0,405 м	0,2-^^= 0,27«	о,1=0,135 л*
Расстояние от конца выпуска	0,5-Ь,= 1,0 м	0,7 Ь, = 1,4 м	0,5 И, = 1,0 м	0,7-й,= 1,4 м	0,5й,= 1,0 м	0,7-к,= 1,4 м
8	0,0132	0,201	0,0148	0,0237	0,0168	0,0289

11|.=0.75 м (например, уменьшенная выпускная длина при изношенной конвертерной футеровке). Ь_тах=1,95м, г=0,065 м

Эффективная высота ванны	0,3^=0,585«	0,2- й^ =0,39«	0,1-Ь_и =0,195«
Расстояние от конца выпуска	0,5 Ь, = 0,375«	0,7й_к = 0,525«	0,5 й, = 0,375«	0,7-й_к = 0,525 «	я! * II	0,7-й_к = 0,525 «
8	0,0184	0,0227	0,0235	0,0308	0,0324	0,0474

Примеры показывают, что в зоне с входной стороны (первая треть длины канала) для увеличения 8 должны быть значения >0,2. При очень малых эффективных высотах ванны и более коротких длинах выпуска зона, в которой 8>0,02, распространяется уже на половину выпускного канала с входной стороны. Это значение 8 может увеличиваться до >0,025>0,05 или 0,25. По крайней мере, оно справедливо для верхней половины (соседней со входным концом) или верхней трети (соседней со входным концом) выпускного канала, но может распространяться и на всю длину выпускного канала. Непосредственно на входном конце (по длине 0,05 общей длины выпускной трубы) значение может составлять >>0,25, например 1,5, 10, 30, 50, 70 или 100. Если вид стенки выпускного канала полностью или частично имеет ступенчатую форму или соответственно имеющиеся производственные установки приближены, то «увеличение» означает повышение прямых соединительных линий, которые можно нанести в продольном сечении между кромками следующих друг за другом ступеней.

Выбор размеров выпускной трубы согласно изобретению учитывает и изменение длины выпускной трубы в зависимости от состояния износа соседней футеровки посредством того, что соответствующее значение для длины выпуска и высоты находящегося над ним расплава влияет на расчёт.

Если рассматривать для идеализированных соотношений потоков изменение поперечного сечения пропускного канала вдоль оси от выходного конца к входному концу и нормировать это изменение по поперечному сечению, то получится

где 8_А(_у)- изменение поперечного сечения в месте у, м²/м,

А - площадь поперечного сечения пропускного канала на выходном конце выпускной трубы, й₁=0,3й_тах или меньше максимальной высоты (й_тах) расплава в плавильном сосуде над входом вы

- 4 008914 пускной трубы в осевом удлинении выпускной трубы,

11|._: - длина выпускной трубы между входным концом и выходным концом, у - осевое расстояние между выходным концом и местом на выпускной трубе.

Со следующим допущением: при уровне расплава максимум 30% максимальной эффективной высоты ванны над входным концом выпускного канала для входной половины выпускного канала получается значение

8л(у)/А>0,468[1/м] при й_к=2м

Ьшах⁼0,4м у=1м

Это означает, что во впускной половине выпускного канала поверхность поперечного сечения должна увеличиваться по меньшей мере на 47% на каждый метр длины канала, чтобы создать благоприятные условия для обтекания потока.

Выполнение выпускной трубы согласно изобретению позволяет приводить в движение процесс выпуска и при малых высотах ванны с уменьшенной турбулентностью и постоянным потоком расплава и тем самым значительно уменьшить попадание шлаков. Кроме того, благодаря уменьшению температурных потерь и уменьшению износа достигаются другие экономические преимущества, такие как экономия энергии и удлинение срока службы выпуска.

Claims

1. Выпускная труба для металлургического плавильного сосуда, пропускной канал которой, соосно проходящий между входным и выходным концами, имеет поперечное сечение, которое определяется по следующей зависимости:

где А - площадь поперечного сечения пропускного канала на выходном конце (с заданием желаемого расхода), м²,

Ц - эффективная высота расплава в плавильном сосуде над входным концом выпускной трубы (в осевом удлинении выпускного канала), м,

11|._: - длина выпускной трубы между входным и выходным концами, м, у - осевое расстояние между выходным концом и местом на выпускной трубе (с 0<у<(й₁+й_к)), м.

2. Выпускная труба по п.1, имеющая й₁>0,05й_тах и <0.3Н_тнх. й_тах=максимальной высоте ванны расплава в плавильном сосуде (в осевом удлинении выпускной трубы).

3. Выпускная труба по п.2, имеющая Ь1>0,1й_тах и <0,2й_тах.

4. Выпускная труба по п.1, имеющая у>0,5й_к.

5. Выпускная труба по п.1, имеющая у>0,7й_к.

6. Выпускная труба по п.1 с поперечным сечением круглой формы пропускного канала.

7. Выпускная труба по п.1, у которой участок пропускного канала, смежный с выходным концом, выполнен цилиндрическим.