RU157140U1

RU157140U1 - Наконечник кислородно-конвертерной фурмы

Info

Publication number: RU157140U1
Application number: RU2015102542/02U
Authority: RU
Inventors: Игорь Михайлович Шатохин
Original assignee: Игорь Михайлович Шатохин
Priority date: 2015-01-27
Filing date: 2015-01-27
Publication date: 2015-11-20

Abstract

1. Наконечник кислородно-конвертерной фурмы, содержащий верхнюю стальную тарелку, разделитель, сопла Лаваля, нижнюю медную тарелку, переходное стальное кольцо, крючкообразные подвески и упоры, отличающийся тем, что он снабжен центральным металлическим стержнем с вогнутым расширением в нижней части, жестко закрепленным к верхней и нижней тарелкам.2. Наконечник кислородно-конвертерной фурмы по п. 1, отличающийся тем, что внутренняя полость центрального стержня выполнена в виде сопла Лаваля, сообщенного с трактом подачи кислорода для увеличения интенсивности продувки.3. Наконечник кислородно-конвертерной фурмы по п. 1, отличающийся тем, что сопла Лаваля установлены тангенциально под углом 16-17° к вертикальной оси наконечника.4. Наконечник кислородно-конвертерной фурмы по п. 1, отличающийся тем, что сопла Лаваля снабжены сменными вставками для регулирования газодинамики процесса продувки.

Description

Полезная модель относится к области черной металлургии, в частности к производству стали кислородно-конвертерным способом и конкретно касается конструкции наконечников продувочных фурм кислородных конвертеров.

В настоящее время и ближайшее будущее основным способом производства стали в мире останется кислородно-конвертерный. Сущность данного метода заключается в окислительном рафинировании расплава в конвертере. В качестве шихтовых материалов используется жидкий чугун и металлолом в обычном соотношении соответственно 3:1. Продувка расплава осуществляется газообразным кислородом, подаваемым сверху через фурму и/или снизу через пористые пробки, установленные в футеровке днища конвертера. На практике используют оба способа, либо их комбинацию, однако наибольшее распространение получила подача кислорода сверху через специальную фурму. К начальной части такой фурмы приваривается медный водоохлаждаемый наконечник с соплами Лаваля, расположенными по кругу радиально или тангенциально. Сопла Лаваля обеспечивают сверхзвуковую скорость истечения кислорода и хорошее проникновение струй в глубину ванны. Наконечник эксплуатируется в очень теплонапряженных условиях, испытывая воздействие экстремальной температуры (до 2600ºС в реакционной зоне конвертера). Важную роль в обеспечении надежной и безопасной эксплуатации фурмы играет хорошее водоохлаждение. Стойкость и долговечность работы наконечника фактически определяется эффективностью теплоотвода от его тела. Изобретателями предлагаются различные конструктивные решения для лучшего охлаждения наконечника, в особенности соплового блока.

Известна вихревая фурма для продувки расплава металла (Пат. РФ № 2 419 656, МПК С21С 5/48, опубл. 27.05.2011 Бюл. №15), содержащая концентрично расположенные трубы, образующие тракты для подачи продувочного реагента, подвода и отвода охлаждающей воды и закрепленный на трубах посредством переходников двустенный наконечник с наклонными сопловыми каналами, оси которых расположены в плоскости параллельной центральной оси фурмы, при этом двустенный наконечник снабжен проточной охлаждающей камерой, образованной внешней тарелкой и внутренней тарелкой-разделителем. Проточная охлаждающая камера расположена внутри тела внешней тарелки, выполненной в виде диска, и содержит центральную и кольцевую периферийную полости, соединенные между собой проточными каналами, имеющими форму желобов, проходящих между сопловыми каналами, выполненными в теле внешней тарелки, а внутренний разделитель выполнен в виде тарелки с плоским днищем и установлен на внешнюю тарелку, перекрывая в ней сверху русла проточных каналов. Конструкция данной фурмы предусматривает отсутствие сварных швов на внешней медной тарелке, они выведены из реакционной высокотемпературной зоны, что должно положительно отражаться на надёжности и сроке службы. Однако, как показал опыт эксплуатации данных наконечников, они имеют низкую стойкость в виду недостаточного сечения проточных каналов охлаждающей воды во внутренней полости наконечника. Другим недостатком данной фурмы является сложность и высокая трудоёмкость изготовления.

Известна фурма для продувки металла (Пат. РФ № 2 533 074, МПК С21С 5/48, опубл. 20.11.2014 Бюл. №32), содержащая три концентрично расположенные трубы, образующие тракт для подвода и отвода воды и подачи кислорода, и закрепленный на торце труб наконечник с соплами Лаваля. В промежутке между соплами Лаваля под разными углами выполнены по два отверстия, сходящиеся в точке, расположенной на оси фурмы и сообщающиеся между собой, образуя тракт для подвода и отвода воды в торец наконечника. Верхнее отверстие соединено с трактом для подвода воды, а нижнее с трактом для отвода воды. Торец центральной трубы тракта для подвода воды в фурму расположен ниже верхнего входного отверстия на уровне верхнего края нижнего отверстия для отвода воды из наконечника фурмы. Авторами ставилась задача охлаждения торца наконечника с соплами посредством направленной циркуляции воды через наконечник фурмы в промежутке между соплами. Однако, исходя из представленного чертежа наконечника видно, что тракты подвода и отвода охлаждающей воды не разделены в месте подвода и отвода воды в торец наконечника. Таким образом, крайне затрудняется циркуляция воды через центральную часть наконечника фурмы и соответственно снижается скорость теплоотвода от тела наконечника. Необходимость высверливания отверстий под разными углами с точным схождения всех подводящих и отводящих каналов воды в центре наконечника, сильно затрудняют его изготовление.

Наиболее близким по технической сущности изобретения является наконечник кислородно-конвертерной фурмы (Пат. РФ № 2 051 974, МПК С21С 5/48, опубл. 10.01.1996 Бюл. №1 - прототип), содержащий верхнюю тарелку, разделитель, дутьевые сопла, нижнюю медную тарелку, переходное стальное кольцо, крючкообразные подвески и промежуточные элементы. На консольных выступах подвесок выполнена общая посадочная поверхность, свободно примыкающая к ответной опорной поверхности разделителя. Подвески приварены к кольцу вдоль его образующих, а промежуточные элементы приварены к верхней тарелке и разделителю, объединяя эти детали в жесткий узел. Сопла снабжены гофрообразующими канавками, уменьшающими осевую жесткость сопла. Авторами предложена довольно эффективная система охлаждения наконечника. Теплоноситель подаётся в полость между внутренней тарелкой и разделителем, после чего через отверстие в центре разделителя перепускается в пространство между внешней медной тарелкой и разделителем и далее поступает в кольцевой зазор отводного канала. В результате в данной конструкции отсутствуют застойные зоны - теплоносителем омывается вся внутренняя поверхность медной тарелки и сопел Лаваля. К недостаткам наконечника следует отнести довольно трудоёмкий процесс сборки ввиду сложности выставления и удерживания сопел Лаваля под заданным углом перед их приваркой к нижней и верхней тарелкам. Также отсутствует возможность регулирования скорости движения теплоносителя через полость между разделителем и нижней тарелкой для максимально эффективного отвода теплоты от медной тарелки и соплового блока.

Целью изобретения является повышение стойкости и упрощение процесса сборки наконечника продувочной фурмы кислородного конвертера, улучшение технологических параметров плавки. Поставленная цель достигается тем, что предлагается наконечник кислородно-конвертерной фурмы, содержащий верхнюю стальную тарелку, разделитель, сопла Лаваля, нижнюю медную тарелку, переходное стальное кольцо, крючкообразные подвески и упоры, отличающийся тем, что дополнительно содержит центральный медный стержень, жестко закрепляемый к верхней и нижней тарелкам. При этом в случае технологической необходимости внутренняя полость указанного стержня может быть выполнена в виде дополнительного сопла, сообщенного с трактом подачи кислорода. Периферийные сопла Лаваля установлены тангенциально под углом 16-17° к вертикальной оси наконечника и снабжены специальными сменными вставками для регулирования газодинамики процесса продувки по ходу кампании конвертера.

Предлагаемый наконечник изображен на фиг. 1. Он включает верхнюю стальную тарелку 1, стальной разделитель 2, сопла Лаваля 3, снабженные съемными вставками 4, нижнюю медную тарелку 5, переходное стальное кольцо 6, крючкообразные подвески 7, которые приварены к кольцу 6 по его образующей, упоры 8, служащие для центрирования и скрепления верхней тарелки и разделителя, медный стержень 9, закрепляемый к верхней и нижней тарелкам и служащий для упрощения процесса сборки, регулирования скорости движения охлаждающей воды путём создания оптимальной площади проходного сечения через разделитель 2. Наличие такого стержня позволяет при сборке тангенциально выставить и закрепить сопла Лаваля под заданным углом к вертикальной оси наконечника перед их приваркой к нижней и верхней тарелкам. В предлагаемой полезной модели сопла Лаваля установлены тангенциально. Угол наклона сопел к вертикальной оси наконечника составляет 16-17°. Благодаря этому обеспечивается, во-первых, интенсивное перемешивание металла и шлака, что увеличивает коэффициенты распределения серы и фосфора между металлом и шлаком, во-вторых, создаётся круговая циркуляция расплава, что способствует охлаждению реакционной зоны и снижению содержания азота в продутом расплаве и в третьих, снижается выброс пыли и достигается более равномерный износ футеровки в нижней части конвертера.

Известно, что по ходу кампании объём конвертера постоянно увеличивается из-за разгара футеровки. При этом нарушается газодинамика процесса продувки - кислород хуже усваивается расплавом, требуется более длительное время продувки. Для корректировки процесса продувки были предусмотрены сменные вставки 4 сопел Лаваля 3. Увеличение критического диаметра (d_кр) сменных частей сопел позволяет повысить дальнобойность газовых струй и расход кислорода, сохранив расчетное время продувки. В случае необходимости резкого увеличения интенсивности продувки, например при выводе в ремонт одного из трёх конвертеров, внутренняя полость центрального медного стержня может быть выполнена в виде дополнительного сопла, сообщенного с трактом подачи кислорода.

Из законов теплотехники известно, что чем выше скорость движения теплоносителя, тем больше теплоотдача от омываемой теплоносителем нагретой поверхности (см. например А.П.Баскаков Б.В. Берг, О.К. Витт и др. Теплотехника: Учебник для ВУЗов под ред. А.П. Баскакова, 2-е изд. - перераб., М.: Энергоатомиздат, 1991. - 224с.). Для увеличения скорости циркуляции охлаждающей воды через полость наконечника центральный стержень имеет в нижней части вогнутое расширение, которое предотвращает завихрения потока. Также он снабжен компенсатором 10, для снятия напряжений, вызванных расширением металла при нагревании. Аналогичные компенсаторы выполнены на соплах Лаваля. Максимальный теплосъем с внутренней поверхности медной тарелки достигается сочетанием оптимального расхода и скорости циркуляции охлаждающей воды через полость между разделителем и нижней тарелкой. Для обесепечия такого сочетания, требуется создать оптимальную площадь проходного сечения охлаждающей воды S₁ (фиг. 2) через разделитель, при которой формируются наилучшие условия для максимального теплоотвода от медной тарелки и соплового блока. Величина S₁ вычисляется как разность площадей отверстия разделителя 2 и стрежня 9:

, где: D_р- диаметр центрального отверстия разделителя; d_c- диаметр центрального стержня. Подбор оптимальной величины S₁производится варьированием указанных диаметров d_c и D_р.

Промышленные испытания проводились в кислородно-конвертерном цехе ОАО «ЧерМК» при продувке 370т. конвертера. С целью выявления оптимальных условий охлаждения были изготовлены наконечники с различной площадью проходного сечения охлаждающей воды через разделитель (табл.). Было изготовлено по пять опытных образцов каждого типоразмера с площадью сечения S₁от 45 до 75см². В результате проведенных опытов установили, что при относительно большой площади проходного сечения охлаждающей воды через разделитель стойкость наконечников относительно невысокая, что вероятно связано с низкой скоростью циркуляции охлаждающей воды через полость между разделителем и нижней тарелкой. Уменьшение величины S₁ до определенного момента повышает стойкость наконечника, однако при еще меньшей площади сечения стойкость снижается, очевидно, из-за резкого уменьшения расхода теплоносителя через центральное отверстие разделителя. Максимальную стойкость в 182 плавки показали наконечники №4 (S₁=60см²), что на 17,6% превышает стойкость наконечника-прототипа.

Таблица

№ п/п	Площадь проходного сечения охл. воды через разделитель, S₁, см²	Расход кислорода через фурму (интенсивность продувки), м³/мин	Давление охлаждающей воды, МПа	Среднее количество продутых плавок (фактическая стойкость)
1	75	1400	1,0	153
2	70	1400	1,0	159
3	65	1400	1,0	173
4	60	1400	1,0	182
5	55	1400	1,0	152
6	45	1400	1,0	124
Прототип	нет данных	1400	1,0	150

Claims

1. Наконечник кислородно-конвертерной фурмы, содержащий верхнюю стальную тарелку, разделитель, сопла Лаваля, нижнюю медную тарелку, переходное стальное кольцо, крючкообразные подвески и упоры, отличающийся тем, что он снабжен центральным металлическим стержнем с вогнутым расширением в нижней части, жестко закрепленным к верхней и нижней тарелкам.

2. Наконечник кислородно-конвертерной фурмы по п. 1, отличающийся тем, что внутренняя полость центрального стержня выполнена в виде сопла Лаваля, сообщенного с трактом подачи кислорода для увеличения интенсивности продувки.

3. Наконечник кислородно-конвертерной фурмы по п. 1, отличающийся тем, что сопла Лаваля установлены тангенциально под углом 16-17° к вертикальной оси наконечника.

4. Наконечник кислородно-конвертерной фурмы по п. 1, отличающийся тем, что сопла Лаваля снабжены сменными вставками для регулирования газодинамики процесса продувки.