SU1759890A1 - Фурма дл продувки расплава газом - Google Patents

Abstract

Изобретение относитс  к черной металлургии , преимущественно к кислородно- конвертерному или мартеновскому производству стали. Фурма имеет головку 1 с расшир ющимис  соплами 2, соединенную с корпусом через переходник 3. Обращенна  в газовый тракт 4 поверхность переходника 3 выполнена сужающейс  в сторону сопел так, что площадь проходного сечени  тракта подачи газа на участке фурмы с переходником измен етс  плавно от площади проходного сечени  на входе в участок до 2-6 суммарных площадей начальных сечений входных частей сопел. Расшир ющиес  сопла 2 имеют входную часть 5,- выполненную в виде фаски с высотой, равной 0,1-0,25 минимального диаметра сопла, и углом раскрыти , равным 40-70°. При простоте изготовлени  фурмы (переходник выполн етс  одноразово на весь срок эксплуатации ствола фурмы: сложна  операци  изготовлени  профилированных входных частей сопел Лавал  заменена на простую операцию сн ти  фаски на входной части расшир ющегос  сопла) эффективность продувки через нее близка к эффективности продувки через эквивалентную фурму с соплами Лавал . При этом роль входных частей сопел Лавал , на которых происходит сжатие газа, выполн ет участок фурмы с переходником в комбинации с фасками на расшир ющихс  соплах 2 ил., 3 табл. С/1 с

Description

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

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

При сверхкритических перепадах давлени  кислорода, которые используютс  в практике сталеплавильных процессов, продувка через известную фурму  вл етс  не - эффективной. В цилиндрических соплах срабатываетс  только часть располагаемого перепада давлени  и поток ускор етс  только до звуковой скорости. Дальнейшее ускорение потока кислорода происходит уже не организовано за срезом сопла (в недорас- ширенной струе). Это сопровождаетс  по влением развитой системы скачков уплотнени  в струе, приводит к росту потерь потенциальной энергии давлени , неорганизованному (неустойчивому) режиму истечени . Взаимодействие струй с ванной носит бурный характер, сопровождаетс  интенсивным брызгообразованием, неравномерным газовыделением и выбросами.

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

ю о

рые в насто щее врем  широко используютс  на практике.

Недостатком этих фурм  вл етс  сложность изготовлени  сопел Лавал  с формами , соответствующими расчетным. Кроме того, сам расчет таких (профилированных) сопел сложен и осуществл етс  методом характеристик дл  каждого значени  рабочего давлени  кислорода. Часто, чтобы облегчить расчет и изготовление сопел дл  известных фурм, расшир ющуюс  часть (диффузор) этих сопел выполн ют конической (с пр молинейными образующими). Однако входна  (сужающа с ) часть сопла при этом остаетс  профилированной и трудоемкой в изготовлении. Отмеченные недостатки известных фурм особенно заметно про вл ютс  на крупнотоннажных конвертерах , где используютс  многосопловые фурмы, имеющие обычно сравнительно небольшую стойкость головок и требующие непрерывного изготовлени  большого количества сопел.

Наиболее близкой по технической сущности к предлагаемой  вл етс  фурма дл  продувки металла, содержаща  корпус и прикрепленную к нему через переходник головку с расшир ющимис  соплами, снабженную кольцевой вставкой с сужающимис  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 дуть  из расшир ющихс  сопел со сверхзвуковой скоростью на срезе. Однако режим течени  кислорода в тракте и соплах известной фурмы  вл етс  плохо организованным, характеризуетс  большими потер ми давлени  кислорода, т.е. бесполезной потерей потенциальной энергии давлени  дуть  на местные сопротивлени  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 сечени  в потоке) параметры дуть  (расход, импульс и т.д.) не могут быть заранее точно установлены расчетным путем , что затрудн ет проектирование фурм и управление продувкой в сталеплавильном агрегате. Выполнение внутренней поверхности переходника с сужающимис  в сторону сопел пр молинейными стенками (в виде дополнительно устанавливаемой кольцевой вставки) под за вленными в прототипе углами наклона в общем случае мало улучшает картину течени  в фурме и потери давлени 

(расхода) остаютс  весьма большими. Это объ сн етс  тем, что в общем случае определ ющей характеристикой течени  в фурме на участке с переходником (вставкой)

 вл етс  не угол наклона поверхности переходника к оси фурмы, а конкретное значение отношени  площади проходного сечени  газового тракта фурмы на этом участке к суммарной площади входных сечений

0 сопел. Так, при малой величине этого отношени  (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 увеличива  неравномерность параметров потоков на входе в сопла, образовыва  дополнительные завихренности. Резко увеличиваетс  общее гидросопротивление газового тракта фурмы, т.е. увеличиваютс 

0 потери потенциальной энергии газа дуть  и снижаетс  эффективность продувки. Така  ситуаци  наблюдаетс , например, на фурмах 160-т конвертеров, переоборудованных из 130 т. При большой величине указанного

5 отношени  выполнение вставки под углом 15 - 20° практически не оказывает никакого вли ни  на режим течени  в фурме, т.е. не оказывает поджимающего действи  на поток . Это приводит к росту потерь давлени 

0 из-за большого местного сопротивлени  на аходе в расшир ющеес  сопло (внезапное сужение потока) и соответствующему снижению эффективности продувки. Така  ситуаци  наблюдаетс , например, на фурмах

5 350-тонных конвертеров.

Целью изобретени   вл етс  повышение эффективности продувки за счет более полного использовани  потенциальной энергии газа дуть ,

0 Дл  этого в фурме дл  продувки расплава газом, содержащей корпус с трактом дл  подачи газа и головку с расшир ющимис  соплами, прикрепленную к нему через переходник , обращенна  в газовый тракт повер5 хность которого выполнена плавно сужающейс  в сторону сопел, на расшир ющихс  соплах выполнена входна  часть в виде фаски высотой 0,1-0,25 минимального диаметра сопла и углом раскрыти  40 - 70°,

0 причем площадь проходного сечени  газового тракта в месте максимального сужени  на участке с переходником составл ет 2-6 суммарных площадей начальных сечений входных частей сопел.

5 Выполнение в расшир ющихс  соплах фурмы входной части в виде фаски с за вл емыми высотой и углом раскрыти  с одновременным выполнением переходника с за вл емым законом изменени  площади проходного сечени  тракта подачи газа на

участке с переходником позвол ет, сохранив простоту изготовлени  фурмы, существенно снизить потери потенциальной энергии давлени  газа в ней и повысить эффективность продувки.

Сн тие фаски на расшир ющемс  сопле представл ет собой элементарную операцию токарной обработки сопла, несравненно более простую чем выполнение обычной профилированной части сопла Лавал . Переходник выполн етс  одноразово на весь период эксплуатации ствола фурмы. При выходе из стро  (прогаре) головки фурмы (обычно через 30 - 150 плавок) к переходнику крепитс  нова  головка с вновь изготовленными расшир ющимис  соплами.

Снижение потерь давлени  в предлагаемой конструкции фурмы (по сравнению с прототипом) происходит за счет более организованного процесса сжати  потока кислорода до минимальных сечений сопел, предотвращени  завихренностей, уменьшени  величины местных сопротивлений типа внезапное расширение и внезапное сужение потока. Это приводит к увеличению кинетической энергии кислородных струй и глубины проникновени  их в расплав (при прочих одинаковых услови х), по- вышению удельной мощности перемешивани  ванны и следовательно - к увеличению эффективности продувки. Кроме того, при использовании предлагаемой конструкции фурмы, по сравнению с прототипом , значительно точнее можно определить (на стадии проектировани ) параметры истекающего дуть  (расход, скорости истечени , импульс струй и т.д.), что так же повышает эффективность продувки, т.к. необходимые параметры дуть  определ ютс  всегда заранее расчетным путем.

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

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

Фурма работает следующим образом. Продувочный газ (кислород) подводитс  к фурме и движетс  по газовому тракту 4 последней. На участке фурмы с переходни- 5 ком 3 вследствие плавного уменьшени  площади сечени  тракта 4 газ равномерно сжимаетс , ускор  сь при этом. Дальнейшее сжатие газа происходит на длине фасок 5 сопел 2, За минимальным сечением сопел 10 2 газ в них расшир етс , продолжа  ускор тьс  при этом, и истекает из сопел в виде сверхзвуковых струй, которые, взаимодейству  с расплавом, рафинируют и перемешивают его. При выполнении входной части 15 5 расшир ющихс  сопел 2 в виде фаски с высотой 0,1 - 0,25 минимального диаметра сопел и углом раскрыти  40 - 70°, а также выполнении переходника 3 с плавным уменьшением площади проходного сечени  0 дл  газа от площади на входе в участок с переходником 3 до 2 - 6 суммарных площадей начальных сечений входных частей сопел 2 обеспечиваютс  минимальные потери потенциальной энергии давлени  газа на 5 местные гидросопротивлени  на выходном участке фурмы и эта энерги  максимально используетс  дл  перемешивани  и рафинировани  сталеплавильной ванны.

Дл  установлени  вли ни  размеров 0 фаски на соплах и соотношени  площадей: сечени  газового тракта на участке с переходником и входных сечений сопел на газодинамические параметры течени  газа - на газодинамическом стенде была проведена 5 сери  экспериментов с использованием моделей 4-х и 5-ти сопловых фурм, сопла с dM 20 мм . В качестве газа использовалс  компрессорный воздух. Эффективность продувки через Фурму оценивали с по- 0 мощью коэффициента расхода ft, представл ющего собой отношение действительного расхода газа, истекающего из фурмы (определ етс  экспериментально с помощью от- тарированной измерительной диафрагмы) к 5 теоретическому (определ етс  по известным зависимост м дл  условных без потерь давлени  фурм с соплами Лавал  с использованием данных по геометрическим размерам сопел (dM) и давлению газа перед 0 фурмой, коэффициента восстановлени  полного давлени  газа а в фурме, представл ющего отношение полного давлени  газа на выходе из фурм (в выходном сечении сопел) к полному давлению газа на входе в 5 фурму; относительной дальнобойности струи Ьв - отношение рассто ни  от среза сопла до некоторого характерного сечени  струи (например, звукового, в котором скорость на оси струи равна звуковой) к зналогичному рассто нию, при продувке через эквивалентную (по размерам - dM)

х 4- и 5- сопловые фурмы наиболее широко используютс  на практике; фурмы с меньшим или большим количеством сопел практически не наход т применени .

хх Использовалась только нижн   часть фурмы (без основного ствола), состо ща  из головки с соплами, участка фурмы с переходником и части ствола длиной 100 мм. фурму с соплами Лавал  и др. показателей. В табл.1 приведены результаты исследовани  вли ни  величины отношени  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 увеличиваетс , о чем свидетельствует резкое падение коэффициента расхода ft ( (пропускной способности фурмы). Это приводит к бесполезной потере значительной части потенциальной энергии давлени  газа и снижению эффективности продувки.х При пф/гём 0,25 коэффициент fi продолжает увеличиватьс , 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) усложн етс  изготовление сопел (операци  сн ти  фаски). Поэтому верхний предел отношени  Ьф/йм ограничиваем значением 0,25. Таким образом, диапазон оптимальных значений Ьф/dM составл ет 0,1 - 0,25.

В табл.2 приведены результаты исследовани  вли ни  величины угла раскрыти  фаски (входной части)/ на коэффициент

Прин то, что дл  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( составл ет 40 - 70° При / 40 и / 70° гидродинамическое сопротивление фурмы резко увеличиваетс , коэффициент I становитс  меньше

допустимого

х)

В табл. 3 приведены результаты исследовани  вли ни  отношени  площади проходного сечени  тракта подачи газа в месте

его максимального сужени  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 Прин то, что дл  нормальной работы фурмы величина fi должна быть не менее 0,8.

Как видно из табл, 3. диапазон оптимальных значений отношени  (Рвых/Fc ) составл ет 2-6. При FBUX/FC. 2 резкое снижение /г и эффективности продувки происходит из-за того, что переходник значительно перекрывает входные сечени  сопел, создаютс  дополнительные местные гидросопротивлени  на внезапное расширение газа (после переходника), усиливаютс  завихренности течени  между переходником

и входными сечени ми сопел. При FBux/Fc, 6 изменение площади сечени  тракта на участке фурмы с переходником уже практически не сказываетс  на характеристики течени  газа, т.е. дополнительное поджатие

газа на этом участке уже практически не происходит.

Экономический эффект от использовани  предлагаемого технического решени  достигаетс  за счет повышени  эффективности продувки (более полного использовани  потенциальной энергии давлени  дуть  дл  рафинировани  и перемешивани  ванны ) и составл ет 105,8 тыс.руб. год при производстве стали 1 млн.т в год.

Claims (1)

1. Формула изобретени 

   Фурма дл  продувки расплава газом, содержаща  корпус с трактом дл  подачи газа и головку с расшир ющимис  соплами, прикрепленную к нему через переходник,

   обращенна  в газовый тракт поверхность которого выполнена плавно сужающейс  в сторону сопл, отличающа с  тем, что, с целью повышени  эффективности продувки , на расшир ющихс  соплах выполнена

   5 входна  часть в виде фаски высотой 0.1 - 0,25 минимального диаметра сопла и углом раскрыти  40 - 70°, причем площадь проходного сечени  газового тракта в месте его максимального сужени  на участке с пере0 ходником составл ет 2-6 суммарных площадей начальных сечений входных частей сопл.

   Таблица

   Вода

   Фиг 1

   Та блица2

   ТаблицаЗ

   (кислород/

   бол Г-цл (киглорои) Вод

   I