SU1548215A1 - Фурма сталеплавильного агрегата - Google Patents

Abstract

Изобретение относитс  к металлургии и может быть использовано дл  продувки расплава в сталеплавильном конвертере. Целью изобретени   вл етс  повышение эффективности продувки и снижение расхода чугуна на плавку за счет повышени  степени дожигани  окиси углерода. Фурма содержит концентрично расположенные трубы, образующие тракты подвода и отвода охладител  и подачи окислител , и головку с соплами Лавал , по крайней мере одно из которых выполнено с многозаходной винтовой нарезкой на внутренней поверхности. Нарезка выполнена на закритической части сопла Лавел , диаметр свободного от нарезки проходного сечени  на участке с нарезкой составл ет 0,7-1,3 диаметра критического сечени  сопла, длина участка с нарезкой составл ет 0,15-0,6 длины закритической части сопла, а угол подъема винтовой линии нарезки равен 25-70°. Участок с нарезкой отстоит от выходного сечени  сопла на рассто нии 0,25-1,0 диаметра критического сечени  сопла. 1 з.п. ф-лы, 2 табл. 5 ил.

Description

Изобретение относитс  к черной металлургии и- может быть применено в сталеплавильных агрегатах, в частности в кислородных конвертерах.

Целью изобретени   вл етс  повышение эффективности продувки и снижение расхода чугуна на плавку за счет повышени  степени дожигани  окиси углерода.

Поток кислорода, поступающий в сопла фурмы с нарезкой, ускор етс 

в них и при отношении диаметра свободного от нарезки сечени  закритичес- кой части сопла на участке с нарезкой к критическому диаметру сопла, равному 0,,3, и углу наклона винтовой линии нарезки 25-70 , раздел етс  на участке с нарезкой на несколько потоков .

Основной поток кислорода проходит через свободное от нарезки сечение сопла, а другие (число которых равно

числу заходов нарезки) движутс  по поступательно-вращательной траектории в каналах нарезки. На длине участка сопла с нарезкой, равной 0,15-0,6 длины закритической части сопла, происходит формирование этих независимых потоков кислорода: центрального осе- симметричного и периферийных закрученных . Центральный поток истекает из сопла в виде жесткой дальнобойной струи, а периферийные - в виде отдельных закрученных струек. При выходе этих струек из каналов нарезки с за вл емыми углами наклона взвимодейст- вне их с центральной струей практически не происходит. Вместе с тем, границы периферийных струек, имеющих закрутку , взаимодействуют между собой и образуют своеобразный м гкий зонд (завесу) над центральной струей. При наличии в фурме нескольких сопел с нарезкой и за вл емых углах наклона нарезки зонды отдельных сопел образуют в комплексе общий устойчивый зонд из закрученных м гких струек кислорода над жесткими центральными стру ми . При этом жесткие струи глубоко внедр ютс  в ванну, интенсивно перемешивают ее и расходуют кислород на окисление примесей расплава, в том числе и углерода в реакционных зонах. М гкие струи кислородного зонда, направленные на поверхность ванны, способствуют быстрому шлакообразованию и эффективному дожиганию окиси углерода , котора  выдел етс  под ними при взаимодействии жестких струй с расплавом. При этом дожигание происходит вблизи расплава металла и выдел ющеес  при дожигании СО тепло эффективно используетс  дл  нагрева ванны. Кроме того, кислородный зонд способствует уменьшению пылеобразо- вани  и брызгоуноса, так как накрывает область взаимодействи  струй с металлом, уменьшает веро тность выбросов шлака и металла при вспенивании ванны благодар  своему осаждающему действию.

Витки нарезки, наход щиес  вблизи выходного сечени  сопла, подвержены мощному тепловому потоку излучени  от реакционной зоны. При этом концы витков нарезки, имеющие худшие услови  охлаждени , могут быть оплавлены , что приведет к снижению эффективности продувки. При выполнении нарезки на рассто нии 0,25-1,0 димет

0

Q 5

0

5

0

5

0

ра критического сечени  сопла от его выходного сечени  плотность лучистого теплового потока от реакционной зоны на каналы нарезки снижаетс  до допустимой с точки зрени  стойкости витков нарезки. Однако при рассто нии более одного диаметра критического сечени  сопла резко снижаетс  эффективность продувки из-за усилени  взаимодействи  периферийных струек с центральной струей на участке сопла после нарезки .

Выполнение на закритических част х сопел Лавал  в фурме нарезки с за вл емыми параметрами позвол ет создать над жесткими продувочными стру ми устойчивый кислородный зонд из м гких закрученных струек. При этом зонд создаетс  при использовании однока- нальных сопел, что при хороших услови х охлаждени  (т.е. высокой стойкости ) и простоте конструкций сопел позвол ет одновременно повысить эффективность процессов рафинировани , шлакообразовани  и дожигани  окиси углерода в полости конвертера.

На фиг. 1 и 2 показана фурма, продольное сечение; на фиг. 3 5 - фотографии истекающих струй.

Фурма состоит из трех концентрич- но расположенных труб 1, образующих тракт 2 подвода кислорода, тракты подвода и отвода охлаждающей воды 3 и головки k, котора  имеет по крайней мере одно сопло Лавал  5 с много- заходной винтовой нарезкой 6 на внутренней поверхности закритической части сопла. Причем диаметр свободного от нарезки проходного сечени  сопла на участке с нарезкой (dCH) составл ет 0,7-1,3 диаметра критического сечени  сопла (сЦр) (фиг. 2), а длина участка с нарезкой (1Н) составл ет 0,15-0,6 от длины закритической части сопла ()- Угол подъема винтовой линии нарезки ( об) равен . При этом участок с нарезкой отстоит от выходного сечени  сопла на рассто нии (1В) 0,25-1,0 диаметра критического сечени  сопла. Фурма нар ду с соплами 5, имеющими нарезку 6, может иметь и обычные продувочные сопла Лавал  7.

Фурма работает следующим образом.

Поток кислорода 8 поступает в сопла 5, где расшир етс  в докритической части и закритической части сопел длиной ( - 1ц )„ При натекании потока кислорода в соплах 5 на много51

заходную винтовую нарезку 6 он раздел етс . Пристенный поток кислорода в сопле 5 проходит через направл ющие витки нарезки 6, отдел етс  ими от основного осесимметричного потока и измен ет направление. Основна  часть кислорода продолжает истекать в виде осесимметричных потоков в свободном от нарезки пространстве со- пел, на выходе из которых они формируютс  в виде осесимметричных жестких дальнобойных струй 9 (фиг. 3). Друга  часть кислорода входит в каналы нарезки 6 и движетс  в ней по поступательно-вращательной траектории . При этом в каждом сопле с нарезкой формируютс  независимые периферийные -потоки кислорода, число которых равно числу каналов (заходов) нарезки 6. Кислород из этих каналов истекает в полость конвертера в виде м гких закрученных струек 10, которые сливаютс  практически в сплошной зонтообразный циркул ционный поток.

Отличительной особенностью фурмы  вл етс  то, что в области за вл емых значений конструктивных параметров фурмы закрученные периферийные струйки кислорода практически не взаимодействуют с жесткими осесиммет ричными центральными стру ми 9, т.е. не эжектируютс  последними, а образуют над ними устойчивый вихревой кислородный зонд 10. При наличии в фурме обычных продувочных сопел Лавал  7 поток кислорода 8 дуть  расшир етс  и истекает из них в виде обычных сверхзвуковых жестких струй 11 (фиг. 4). При этом осесимметрич- ные жесткие струи 9 и 11 глубоко внедр ютс  в ванну расплавленного металла, интенсивно перемешивают ее, способству  равномерному распрецеле- нию концентраций примесей и температуры в ванне, и рафинируют расплав с высокой скоростью. В местах внедре ни  их в ванну в струйном режиме бар ботажа интенсивно выдел етс  окись углерода, котора , поднима сь, попадает под вихревой кислородный зонд 10, где эффективно дожигаетс  м гким кислородным потоком непосредственно вблизи расплава. Благодар  этому тепло от дожигани  используетс  на нагрев ванны более эффективно. М гки струи кислородного зонда 10 способствуют также ускорению процесса шлакообразовани , так как расходуют часть

Q $ 0 5

п

5

5

0

5

кислорода на образование оксидов железа , а также обеспечивают выделение дополнительного количества тепла (за счет дожигани  СО над ванной), необходимого дл  ускорени  процесса шлакообразовани , что особенно важно при плавках с пониженной долей чугуна в шихте, когда ванна относительно холодна . При этом повышаетс  эффективность процессов дефосфорации и десульфурации стали по сравнению как с продувкой только жесткими, так и с продувкой только м гкими и вихревыми стру ми. Последнее объ сн етс  тем, что при продувке только м гкими стру ми не обеспечиваетс  необходимое перемешивание между металлом и шлаком и коэффициенты распределени  Фосфора и серы в системе металл-шлак остаютс  низкими, а при продувке только жесткими стру ми, которые глубоко внедр ютс  в расплав, процесс шлакообразовани  замедл етс  из-за недостатка оксидов железа и тепла, поступающих в шлак. Кроме того, вихревой кислородный зонд 10 способствует снижению запыленности отход щих конвертерных газов, так как накрывает область наиболее сильного пылевыделени  - реакционную зону, способствует также снижению брызгообразовани  и заметалли- вани  фурмы, уменьшает веро тность выбросов металла и шлака из конвертера при вспенивании благодар  своему осаждающему действию.

Количество сопел 5 с нарезкой в фурме выбираетс  исход  из конкретных условий работы цеха, сортамента выплавл емой стали, состава и температуры чугуна и т.д. Максимальный эффект снижени  расхода чугуна на плавку за счет повышени  степени дожигани  СО в отход щих конвертерных газах имеет место при установке в фурме всех сопел с нарезкой. Однако при этом несколько удлин етс  врем  продувки до заданного состава металла из-за расходовани  части кислорода дуть  на дожигание СО и увеличиваетс  угар железа в шлак. Но в то же врем  сокращаетс  начальный период продувки (до периода интенсивного обезуглероживани ) за счет быстрого нагрева ванны более раннего шлакообразовани  и зажигани  плавки. Дл  условий работы 350 т конвертера на высокофосфористом чугуне оптимальное число сопел с нарезкой в п тисопловой фурме

71

(расход кислорода 1300 м3/мин) по проведенным опытным плавкам составл ет 2-3.

Дл  определени  оптимальных конструктивных параметров фурмы и изучени  механизма взаимодействи  жесткой осесимметричной струи с м гкими закрученными струйками, истекающими из одного сопла., а также из группы сопел, на газодинамическом стенде провод т серию экспериментов с использованием стробоскопа и теневой фотосъемки (фиг. ). Эксперименты провод т на натурных соплах трех- и четырехсопловых фурм 160 т конвертера, а также четырех- и п ти- сопловых фурм 350 т конвертера с диаметрами критических сечений соответственно , равными 32, 28, kj и 42 мм. Изучение взаимодействи  струй, истекающих из нескольких сопел, провод т также на модел х фурм, выполненных в масштабе 1:5. В качестве продувочного газа используют компрессорный воз дух с давлением до 2,0 МПа. Угол наклона сопел к оси фурмы находитс  в обычных дл  практики конвертерных процессов пределах 14 - 18°.

Цл  сравнени  на фиг. 4 и 5 представлены картины истечени  кислорода в атмосферу из трехсопловой фурмы 1бО т конвертера при выполнении на одном из сопел Лавал  нарезки с за вл емыми параметрами (фиг. k) и при всех трех обычных соплах (фиг,, 5). (На фиг. 4 и 5 два сопла совмещены в одной плоскости). В обоих случа х давление кислорода перед головками фурм 1,3 МПа, расход кислорода через три сопла с диаметром dКр 32 мм равен 322 м3/мин. При использовании обычных сопел Лавал  (фиг. 5) истекающие струи 11 жесткие, слабо взаимодействуют с окружающей средой , полуугол раскрыти  их даже на рассто нии 30 калибров не превышает 10 . При истечении кислорода в высокотемпературное пространство конвертера , где плотность газа в 6-5 раз ниже плотности кислорода, смешение струй 11 с отход щими газами и раскрытие их выражено еще в меньшей степени. Дожигание СО в такой струе практически не происходит. Незначительна  часть СО, попадающа  в жесткие струи 11 из отход щих газов , и догорающа  в них до COg с выделением тепла, восстанавливаетс 

8

5

0

5

0

5

0

5

0

5

при контакте с металлом в реакционной зоне с обратным тепловым эффектом . При наличии в головке фурмы сопел с нарезкой с за вл емыми параметрами (фиг. 4) над жесткими дальнобойными стру ми 9 образуетс  низкоскоростной м гкий кислородный зонд 10, который и формирует локальный факел горени  окиси углерода, выдел ющейс  под зондом при взаимодействии струй 9 с расплавом. При этом, если фурма не заглублена в шлакоме- таллическую эмульсию (начало и конец продувки), то дожигание происходит в газовой фазе вблизи расплава, если фурма заглублена (основной период г.,одувки), то дожигание кислородом зонда 10 происходит в газошлакометал- лической эмульсии, причем м гкие струйки зонда не достигают сплошного металлического расплава. При этом обеспечиваетс  высокий коэффициент использовани  кислорода зонда 10 на дожигание СО, теплота, выдел юща с  при дожигании, эффективно усваиваетс  жидкой ванной, а футеровка конвертера защищена от теплового воздействи  высокотемпературной зоны горени  СО вспененным шлаком.

На газодинамическом стенде провод т исследовани  вли ни  длины участка с нарезкой 1Н в отдельных соплах фурм 1бО и 350 т конвертеров на структуру истекающих из них струй. При этом угол подъема винтовой линии нарезки равен oi. 45°, диаметр свободного от нарезки проходного сечени  сопла на участке с нарезкой d сн dK/), а длина закритической части сопла измен етс  в обычных дл  практики пределах: UH 2-3 dKp. Кроме того, испытывают также так называемые укороченные сопла Лавал  (Цн 1,2 - dKp). Нарезка выполнена на выходных участках сопел.

Результаты экспериментов показывают , что при 1 и 0,15 дл  обычных сопел и при 1И 0,5-0,6 дл  укороченных сопел периферийный поток из закрученных струек не успевает сформироватьс . При этом струйки кислорода не обладают достаточной жесткостью дл  .предотвращени  прит гивани  их (эжекции) к центральной струе. В результате этого не происходит устойчивого кислородного зонда и резко снижаетс  эффективность процессов дожигани  СО и шлакообразова91

ни . Увеличение длины участка сопла с нарезкой 1Н приводит к существенному росту коэффициента сопротивлени  сопла (снижению коэффициента вое становлени  полного давлени  кислородного потока) и, как следствие, к снижению эффективности продувки из-за неполного использовани  потенциальной энергии давлени  дуть  на перемешивание газообразной и жидкой фаз. Следовательно, дл  различных типов сопел, примен емых в кислородно-конвертерных Фурмах, оптимальна  длина участка сопла с нарезкой сое- тавл ет 0,15-0,6 длины закритической части сопла.

В табл. 1 приведены результаты исследовани  вли ни  диаметра dc(, на структуру истекающих струй при

10 Продолжение табл.1

1

,9 ,0 ,2

3

То же н

Заметно снижаетс  относительный расход кислорода через зонд, уменьшаетс  устойчивость зонда и отдельные периферийные струйки взаимодействуют с центральной струей Периферийные вихревые струйки практически не образуютс  из-за обтекани  потоком кислорода в сопле витков нарезки, сформировавшиес  же отдельные периферийные струйки неустойчивы и взаимодействуют с центральной струей, устойчивый зонд не образуетс , продувка идет практически в режиме жесткой струи

35

ка , сильно сдросселиро- ванна , границы ее размыты , наблюдаетс  частичный отрыв погрансло  от центральной струи и взаимодействие его вихревым зондом; относительный расход кислорода через зонд намного превышает оптимальный

,5 Центральна  стру  не обла- дает достаточной жесткостью и дальнобойностью из-за большого коэффициента сопротивлени  сопла и сильно выраженного эффекта дросселировани  ее, расход кислорода через зонд больше оптимального

,7 Над жесткими центральными дальнобойными стру ми образуетс  м гкий вихревой кислородный зонд, обладающий оптимальной с точки зрени  дожигани  СО и процессов рафинировани  структурой, с оптимальным относительным расходом кислорода

45

50

55

Как видно из табл. 1, при dCH

5

5

0

5

0,7 «Ј d

Кр

центральна  стру  м гка  и не дальнобойна , что приводит к резкому снижению эффективности продувки, к малым скорост м перемешивани  и рафинировани  ванны расплава. Кроме того, дол  расхода кислорода через периферийный зонд превышает 0,5 общего расхода кислорода, что существенно выше оптимальных значений относительных расходов вторичного кислорода дл  дожигани , которое по литературным данным различных исследователей составл ет 0,1-0,5. Это приводит к чрезмерному переокислению шлака и металла, повышенному угару железа . Така  структура истекающих потоков из сопел с нарезкой при dCH 0,7 dkp объ сн етс  резким увеличением коэффициента сопротивлени  сопла за счет перекрыти  свободного от нарезки сечени  его и  рко выраженным эффектом дросселировани  центральной струи с бесполезной потерей последней значительной части энергии. При dCH 1,3 d Кь дл  обычных типов сопел, примен емых при производстве стали, сильно уменьшаетс  высота выетупов нарезки и поток кислорода в соплах обтекает витки нарезки практически без отрыва в них пограничного сло . Образующиес  при этом отдельные периферийные струйки неустойчивы и эжектируютс  центральной струей без создани  устойчивого зонда. Продувка идет практически в режиме жесткой струи, резко снижаетс  эффектив- ность процессов шлакообразовани  и дожигани  СО в отход щих газах. Нарезка лишь частично турбулизирует пограничный слой этой струи.

В табл. 2 приведены результаты исследовани  вли ни  угла подъема винтовой линии нарезки tf. на структуру истекающих струй при 1 0,31ок

J О О

Периферийные струйки практически не отрываютс  от центральной струи Наблюдаетс  отрыв периферийных струек с частичным взаимодействием их с центральной струей Образуетс  устойчивый кислородный зонд То же

Начинаетс  нарушение структуры зонда из-за по влени  завихрений при ударе потока кислорода о витки нарезки; зонд обладает достаточной устойчивостью

Наблюдаютс  значительные нарушени  структуры зонда со снижением устойчивости последнего, заметно снижаетс  расход кислорода через зонд из-за увеличени  сопротивлени  выхода потока в каналы нарезки

Как видно из табл. 2, оптимальный диапазон углов подъема винтовой линии нарезки составл ет 25-70°. При

5

0

5

0

5

0

5

oi 70° резко снижаетс  эффективность процессов шлакообразовани  и дожигани  СО, так как продувка идет практически только в режиме жесткой струи, При оС 25° резко увеличиваетс  коэффициент сопротивлени  входа кислородного потока в каналы нарезки, возрастают потери энергии потока при ударе его о витки нарезки, вследствие чего резко снижаетс  расход кислорода на формирование зонда, нарушаетс  устойчивость последнего из-за по в- пени  дополнительных завихрений потока в сопле, что также приводит к снижению эффективности процессов шлакообразовани  и дожигани  СО.

Таким образом, устройство обеспечивает истечение из одного и того же сопла двух принципиально различных по йорме и назначению потоков кислорода , причем, над центральными жесткими стру ми формируетс  м гкий покрывающий зонд кислорода, который и образует локальный факел горени . Выполнение на закритических част х сопел Лавал  многозаходной винтовой нарезки с за вл емыми параметрами обеспечивает отрыв пограничного сло  от основного кислородного потока в соплах, его закрутку, эффективное смешение с отход щими газами и дожигание в области преимущественного выделени  СО, ускорение процесса шлакообразовани  при одновременно высоких скорост х рафинировани  и перемешивани  расплава в конвертере.

Оптимальное число заходов нарезки в соплах 6-12„ При меньшем числе заходов нарезки образующиес  м гкие кислородные струйки истекают самосто тельно , не слива сь в один устойчивый зонд. Большее же число заходов в нарезке с за вл емыми параметрами практически неосуществимо технически.

Нижний предел рассто ни , на которое отстоит участок с нарезкой от выходного сечени  сопла , определ ют расчетным путем с учетом пр мого воздействи  теплового излучени  от реакционной зоны на витки нарезки. При указанном рассто нии (менее 0,25 диаметра критического сечени  сопла) имеет место пр мое воздействие теплового излучени  от реакционной зоны (плотность теплового потока которого достигает4 2,5 МВт/м2) на выходные участки витков нарезки, Концы витков,

которые наход тс  в худших услови х охлаждени , могут оплавитьс  при низком расположении фурмы относительно уровн  металла. При этом не обеспечиваетс  выполнение поставленной цели, так как нарушаетс  структура струй, истекающих из сопел с нарезкой. Верхний предел рассто ни  между нарезкой и выходным сечением сопла определ ют экспериментально продувкой сопел на газодинамическом стенде. При указанном рассто нии более одного диаметра критического сечени  сопла, из-за сильного взаимодействи  периферийных закрученных потоков кислорода с центральным потоком на участке сопла после нарезки до выходного сечени  его резко снижаетс  устойчивость кислородного зонда, что приводит к снижению эффективности процессов шлакообразовани  и дожигани  окиси углерода .

В услови х работы 350 т конвертеров (п тисоплова  фурма, расход кислорода 1200-1300 м3/мин, dKp 42 мм) испытывают два варианта предлагаемой конструкции фурмы (справка с проведении испытаний прилагаетс ). По первому варианту опробовывают одну п ти- сопловую фурму, два сопла которой выполнены с нарезкой на выходных участках закритических частей (без смешени  участка с нарезкой внутрь сопла ls 0). При этом параметры нарезки следующие: dKp 42 мм; dC4 d Kp ; об 45°; 1Н - п второму варианту испытывают две п тисопловые фурмы с трем  соплами с нарезкой о (dKp 42 мм; dCH 1,1 dKp,- (К. 45 ; 1ц 0,3 lj.it ; рассто ние от нарезки до выходного сечени  сопла 1В равно 0,3 dKp).

Применение опытных фурм позвол ет снизить долю чугуна в шихте плавки

и увеличивает долю скрапа за счет увеличени  степени дожигани  СО в отход щих конвертерных газах, улучшить процессы дефосфорации и десульфурации (даже при некотором уменьшении расхода извести на плавку) при одновременно высоких скорост х рафинировани  и перемешивани  ванны, т.е. практически без увеличени  времени продувки. При этом расход чугуна (в расчете на тонну стали) снижаетс  на 4,2 - 5,6 кг/т, содержание фосфора в стали на повалке снижаетс  с 0,007 до

0,0062%, а содержание серы - с 0,0220 до 0,0186%.

Claims (2)

1. Фурма сталеплавильного агрегата , содержаща  концентрично расположенные трубы, образующие тракты подвода и отвода охладител  и подачи окислител , головку с соплами Лавал ,

по крайней мере одно из которых выполнено с многозаходной винтовой нарезкой на внутренней поверхности, отличающа с  тем, что, с целью повышени  эффективности продувки и снижени  расхода чугуна на

плавку за счет повышени  степени дожигани  окиси углерода, нарезка выполнена на закритической части сопла Лавал , диаметр свободного, от нарезки проходного сечени  которого на участке с нарезкой составл ет 0,7-1,3

диаметра критического сечени  сопла, длина участка с нарезкой составл ет 0,15-0,6 длины закритической части сопла, а угол подъема винтозой линии

нарезки равен .

2. Фурма по п. 1, отличающа  с   тем, что участок с нарезкой отстоит от выходного сечени  сопла на рассто нии 0,25-1,0 диаметра критического сечени  сопла

vgog pudcirwy

Ъгпф

t Ј,g

f-гпф