Фурма сталеплавильного агрегата

ОЮЗ СОВЕТСКИХОЦИАЛИСТИЧЕСКИХСПУБЛИК 9) (11 5 С 21 С ГОСУДАРСТВЕННЫЙПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ ИПРИ ПНТ СССР ОМИТЕТТНРЫТИЯМ АНИЕ ИЗОБРЕТЕН таллургическии кий металлурги щенко,.А.Пожива.Г.Королев Опыт по применеавления перемешива одувке фосфористог вертерах, - Черные 15, с, 8,1446612 нт Великобритании 1 С 5/46, 1979. асьев С, Г.Краткий ерщика. - М.: Мет 74.те кл. САфа конвер 1967,правоцниклургия,ой в них и бодного ри о т на соп ошении диа зки сечени тра сво- закритич ененов част на участиаметрулу накло-70 , раой на не арезкои равно- товой рити 0,7 ескому ,3, ирезкис наре опла а ви деля коль ах повыи сниу зания окиинии тся н участкетоков,Осно и пото ислорода пр нарезки сеч охо через свсопла, а одное о ругие ( ниеравн яетс которых РСНОМУ СВИДЕТЕЛЬСТ(56) Метц П. и дрнию сопел для упрнием ванны при прчугуна в 50-т конметаллы, 1965,(54) ФУРМА СТАЛЕПЛАВИЛЬНОГО АГРЕГАТ (57) Изобретение относится к металлургии и может быть использовано дл Изобретение относится к чеметаллургии и может быть примв сталеплавильных агрегатах,ности в кислородных конвертерЦелью изобретения являетсяшение эффективности продувкижение расхода чугуна на плавксчет повышения степени дожигаси углерода,Поток кислорода, поступающсопла фурмы снарезкой, ускор продувки расплава в сталеплавильномконвертере, Целью изобретения является повышение эффективности продувкии снижение расхода чугуна на плавкуза счет повышения степени дожиганияокиси углерода. Фурма содержит концентрично расположенные трубы, образующие тракты подвода и отвода охладителя и подачи окислителя, и головкус соплами Лаваля, по крайней мере одно из которых выполнено с многозаходной винтовой нарезкой на внутреннейповерхности. Нарезка выполнена назакритической части сопла Лаваля,диаметр свободного от нарезки проходного сечения на участке с нарезкойсоставляет 0,7-1,3 диаметра критичес- Жкого сечения сопла, длина участкас нарезкой состаалает 0,15-0,6 длины Изакритической части сопла, а угол С:подъема винтовой линии нарезки равен25-70 . Участок с нарезкой отстоитот выходного сечения сопла на расстоянии 0,25-1,0 диаметра критическогосечения сопла. 1 з.п. Ф-лы, 2 табл.,5 ил158215 Составитель 8,КрасиРедактор Н,Гунько Техред Л,Олийнык ректор О.Кравцов ГКНТ СССР зводственно-издательский комбина Патент, г, Ужгород, ул. Гагарина,301 Заказ 113НИИПИ Государственного113035,Тираж 506 Подписноеитета по изобретениям и открытиямква, ЖРаушская наб., д, /5числу заходов нарезки) движутся 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 осесимметричного и периферийных закрученных, Центральный поток истекает из 10 сопла в виде "жесткойн дальнобойной струи, а периферийные - в виде отдельных закрученных струек, При выходе этих струек из каналов нарезки с заявляемыми углами наклона взвимодейст вие их с центральной струей практически не происходит. Вместе с тем, границы периферийных струек, имеющих закрутку, взаимодействуют между собой и образуют своеобразный мягкий зонд (завесу) над центральной струей, При наличии в фурме нескольких сопел с нарезкой и заявляемых углах наклона нарезки зонды отдельных сопел образуют в комплексе общий устойчивый зонд из закрученных мягких струек кислорода над жесткими центральными струями, При этом жесткиен струи глубоко внедряются в ванну, интенсивно перемешивают ее и расходуют кислород на окисление примесей расплава, в том числе и углерода в реакционных зонах, Мягкие струи кислородного зонда, направленные на поверхность ванны, способствуют быстрому шлакообразованию и эффективному дожиганию окиси углерода, которая выделяется под ними при взаимодействии жестких струй с расплавом, При этом дожигание происходит вблизи расплава металла и выделяющееся при дожигании СО тепло 40 эффективно используется для нагрева ванны, Уроме того, кислородный зонд способствует уменьшению пылеобразования и брызгоуноса, так как "накры 45 вает" область взаимодействия струй с металлом, уменьшает вероятность выбросов шлака и металла при вспенивании ванны благодаря своему осаждающему действию.50Витки нарезки, находящиеся вблизи выходного сечения сопла, подвержены мощному тепловому потоку излучения от реакционной зоны. При этом концы витков нарезки, имеющие худшие условия охлаждения, могут быть оплав 55 лены, цто приведет к снижению эффективности продувки. При выполнении нарезки на расстоянии 0,25-1,0 диметра критического сецения сопла от его выходного сечения плотность лучистого теплового потока от реакционной зоны на каналы нарезки снижается до допустимой с точки зрения стойкости витков нарезки, Однако при расстоянии более одного диаметра критического сечения сопла резко снижается эффективность продувки из-за усиления взаимодействия периферийных струек с центральной струей на участке сопла после нарезки.Выполнение на закритицеских частях сопел Лаваля в фурме нарезки с заявляемыми параметрами позволяет создать над жесткими продувочными струями устойчивый кислородный зонд из мягких закрученных струек, При этом зонд создается при использовании одноканальных сопел, цто при хороших условиях охлаждения (т,е. высокой стойкости) и простоте конструкций сопел позволяет одновременно повысить эффективность процессов рафинирования, шлакообразования и дожигания окиси углерода в полости конвертера.На фиг, 1 и 2 показана фурма, продольное сечение; на Фиг. 3 - 5 - фото. графии истекающих струй,фурма состоит из трех концентрично расположенных труб 1, образующих тракт 2 подвода кислорода, тракты подвода и отвода охлаждающей воды 3 и головки ц, которая имеет по край ней мере одно сопло Лаваля 5 с многозаходной винтовой нарезкой 6 на внутренней поверхности закритической части сопла. Причем диаметр свободного от нарезки проходного сечения сопла на участке с нарезкой (Й, ) составляет 0, 7-1,3 диаметра критического сечения сопла (йк ) (фиг. 2), а длина участка с нарезкой (1) составляет 0,15-0,6 от длины закритической части сопла (1 к). Угол подъема винтовой линии нарезки ( Ы) равен 25-70 . При этом участок с нарезкой отстоит от выходного сечения сопла на расстоянии (1) 0,25-1,0 диаметра критического сечения сопла. Фурма наряду с соплами 5, имеющими нарезку 6, может иметь и обычные продувочные сопла Лаваля 7.фурма работает следующим образом.Поток кислорода 8 поступает в сопла 5, где расширяется в докритицеской части и закритической части сопел длиной (1 к - 1 и ), При натекании потока кислорода в соплах 5 на много 5 154821 заходную винтовую нарезку 6 он разделяется. Пристенный поток кислорода в сопле 5 проходит через направляющие витки нарезки б, отделяется ими от основного осесимметричного потока и изменяет направление, Основная часть кислорода продолжает истекать в виде осесимметрицных потоков в свободном от нарезки пространстве сопел, на выходе из которых они форми-, руются в виде осесимметричных жестких дальнобойных струй 9 (Фиг. 3). Другая часть кислорода входит в каналы нарезки б и движется в ней по поступательно-вращательной траектории. При этом в каждом сопле с нарезкой формируются независимые периферийные потоки кислорода, число которых равно числу каналов (заходов) 20 нарезки 6, Кислород из этих каналов истекает в полость конвертера в виде мягких закрученных струек 10, которые сливаются практически в сплошной зонтообразный циркуляционный поток, 25Отличительной особенностью фурмы является то, что в области заявляемых значений конструктивных параметров фурмы закрученные периферийные струйки кислорода практически не взаимодействуют с жесткими осесиммет ричными центральными струями 9, т.е. не эжектируются последними, а образуют над ними устойчивый вихревой кислородный зонд 10. При наличии в фурме обычных продувочных сопел Лаваля 7 поток кислорода 8 дутья расширяется и истекает из них в виде обычных сверхзвуковых жестких струй 11 (фиг, 4), При этом осесимметрицные жесткие струи 9 и 11 глубоко внедряются в ванну расплавленного металла, интенсивно перемешивают ее, способствуя ра в номер ному распрецелению концентраций примесей и температуры в ванне, и рафинируют расплав с высокой скоростью. В местах внедре ния их в ванну в струйном режиме барботажа интенсивно выделяется окись углерода, которая, поднимаясь, попадает под вихревой кислородный зонд 10, где эффективно дожигается мягким кислородным потоком непосредственно вблизи расплава. Благодаря этому тепло от дожигания используется на нагрев ванны более эффективно, Мягкие 55 струи кислородного зонда 10 способствуют также ускорению процесса шлакообразования, так как расходуют часть 56кислорода на образование оксидов железа, а также обеспечивают выделение дополнительного количества тепла (за счет дожигания СО над ванной), необходимого для ускорения процесса шла - кообразования, что особенно важно при плавках с пониженной долей чугуна в шихте, когда ванна относительно холодная. При этом повышается эффективность процессов дефосфорации и десульфурации стали по сравнению как с продувкой только жесткими, так и с продувкой только мягкими и вихревыми струями. Последнее объясняется тем, что при продувке только мягкими струями не обеспечивается необходимое перемешивание между металлом и шлаком и коэффициенты распределения фосфора и серы в системе металл-шлак остаются низкими, а при продувке только жесткими" струями, которые глубоко внедряются в расплав, процесс шлакообразования замедляется из-за недостатка оксидов железа и тепла, поступающих в шлак. Кроме того, вихревой кислородный зонд 10 способствует снижению запыленности отходящих конвертерных газов, так как накрывает область наиболее сильного пылевыделения - реакционную зону, способствует также снижению брызгообразования и заметалливания фурмы, уменьшает вероятность выбросов металла и шлака из конвертера при вспенивании благодаря своему осаждающему действию.Количество сопел 5 с нарезкой в фурме выбирается исходя из конкретных условий работы цеха, сортамента выплавляемой стали, состава и температуры чугуна и т.д. Максимальный эффект снижения расхода чугуна на плавку за счет повышения степени дожигания СО в отходящих конвертерных газах имеет место при установке в фурме всех сопел с нарезкой. Однако при этом несколько удлиняется время продувки до заданного состава металла из-за расходования части кислорода дутья на дожигание СО и увеличивается угар железа в шлак. Но в то же время сокращается начальный период продувки (до периода интенсивного обезуглероживания) за счет быстрого нагрева ванны более раннего шлакообразования и "зажигания" плавки, Для условий работы 350 т конвертера на высокофосфористом чугуне оптимальное число сопел с нарезкой в пятисопловой Фурме(расход кислорода 1300 мз/мин) по проведенным опытным плавкам составляет 2-3Цля определения оптимальных кон 5 структивных параметров Фурмы и изучения механизма взаимодействия "жест. кой" осесимметрицной струи с "мягкими закрученными струйками, истекающими из одного сопла а также из группы сопел, на газодинамическом стенде проводят серию экспериментов с использованием стробоскопа и теневой Фотосъемки (Фиг. 3-5) Эксперименты проводят на натурных соплах трех- и цетырехсопловых фурм 160 т конвертера, а также четырех- и пятисопловых фурм 350 т конвертера с диаметрами критических сечений соответственно, равными 32, 28, 47 и 42 м 20 Изучение взаимодействия струй, истекающих из нескольких сопел, проводят также на моделях 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 находится в обычных для практики конвертерных процессов пределах 14 - 18оЦля сравнения на Фиг. 4 и 5 представлены картины истечения кислорода в атмосферу из трехсопловой Фурмы 160 т конвертера при выполнении на одном из сопел Лаваля нарезки с заявляемыми параметрами (Фиг, 4) и при всех трех обыцных соплах (фиг 5).35 (На фиг. 4 и 5 два сопла совмещены в одной плоскости), В обоих случаях давление кислорода перед головками фурм 1 3 МПд Расход кислорода че 40 рез три сопла с диаметром Й32 мм равен 322 мз/мин, При использовании обычных сопел Лаваля (Фиг. 5) истекающие струи 11 "жесткие", сла - бо взаимодействуют с окружающей сре дой, полуугол раскрытия их даже на расстоянии 30 калибров не превышаето10 , При истечении кислорода в высокотемпературное пространство конвертера, где плотность газа в 6-5 раз50 ниже плотности кислорода, смешение струй 11 с отходящими газами и раскрытие их выражено еще в меньшей степени, Цожигание СО в такой струе практически не происходит. Незначительная часть СО, попадающая в "жесткие" струи 11 из отходящих газов, и догорающая в них до СО с выделением тепла, восстанавливается при контакте с металлом в реакционной зоне с обратным тепловым эффектом. При наличии в головке Фурмысопел с нарезкой с заявпяемыми параметрами (фиг. 4) над "жесткими" дальнобойными струями 9 образуется низкоскоростной нмягкий" кислородный зонд10, который и Формирует локальныйфакел горения окиси углерода, выделяющейся под зондом при взаимодействии струй 9 с распла вом. При этом,если фурма не заглублена в шлакометаллическую эмульсию (начало и конец продувки), то дожигание происходит в газовой фазе вблизи расплава,если Ф рма заглублена (основной период .,дувки), то дожигание кислородомзонда 10 происходит в газошлакометаллической эмульсии, причем "мягкиеструйки зонда не достигают сплошногометаллического расплава. При этомобеспецивается высокий коэффициентиспользования кислорода зонда 10 надожигание СО, теплота, выделяющаясяпри дожигании эффективно усваивается жидкой ванной, а футеровка конвео.тера защищена от теплового воздействия высокотемпературной зоны горения СО вспененным шлаком,На газодинамицеском стенде проводят исследования влияния длины участка с нарезкой 1 я в отдельных соплахФурм 160 и 350 т конвертеров на структуру истекающих из них струй, Приэтом угол подьема винтовой линии нарезки равен К = 45 , диаметр своободного от нарезки проходного сецениясопла на участке с нарезкой й= с 1сн кра длина закритической части соплаизменяется в обычных для практикипределах: 1 = 2-3 с 1. Кроме того,испытывают также так называемые укороченные сопла Лаваля (1 н = 1,2 -1,5 й, ). Нарезка выполнена на выходных участках сопел.Результаты экспериментов показывают, цто при 10,15 1 дляобычных сопел и при 1 я с, 0,5-0,6 1 кдля укороченных сопел периферийныйпоток из закрученных струек не успевает сформироваться. При этом струйки кислорода не обладают достаточнойжесткостью для,предотвращения притягивания их (эжекции) к центральнойструе. В результате этого не происходит устойчивого кислородного зондаи резко снижается эффективность процессов дожигания СО и шлакообразова0,9 1,0 1,2 1,3 10 1,4 Та бли ца 1 Структура истекающих потоков кислорода из сопелс нарезкой Отношениедиаметров11 сн С 1 Кр 30 9 1548215ния. увеличение длины участка соплас нарезкой 1 приводит к существенному росту коэффициента сопротивления сопла (снижению коэффициента восстановления полного давления кислородного потока) и, как следствие,к снижению эффективности продувкииз-за неполного использования потенциальной энергии давления дутья наперемешивание газообразной и жидкойфаз. Следовательно, для различныхтипов сопел, применяемых в кислородно-конвертерных фурмах, оптимальнаядлина участка сопла с нарезкой составляет 0,15-0,6 длины закритическойчасти сопла,В табл, 1 приведены результатыисследования влияния диаметра Йна структуру истекающих струй при 201 = 0 3 1 ; й= 32 мм; о = 45 О,10Продолжение табл.1То жеЗаметно снижается относительный расход кислорода через зонд, уменьшается устойчивость зонда и отдельные периферийные струйки взаимодействуют с центральной струей Периферийные вихревые струйки практически не образуются из-за обтекания потоком кислорода в сопле витков нарезки, сформировавшиеся же отдельные периферийные струйки неустойчивы и взаимодействуют с центральной струей, устойчивый зонд не образуется, продувка идет практически в режимежесткой" струи0,3 0,5 0,7 Центральная струя "мягкая", сильно сдросселированная, границы ее размыты, наблюдается частичныйотрыв погранслоя от центральной струи и взаимодействие его вихревым зондом; относительный расходкислорода через зонд намного превышает оптимальныйЦентральная струя не обладает достаточной "жесткостьюи дальнобойностьюиз-за большого коэффициента сопротивления соплаи сильно выраженного эф 45фекта дросселирования ее,расход кислорода череззонд больше оптимальногоНад жесткими центральнымидальнобойными струями об 50разуется "мягкий" вихревой кислородный зонд,обладающий оптимальнойс точки зрения дожиганияСО и процессов рафинирования структурой, с оптимальным относительнымрасходом кислорода Как видно из табл. 1, при с 1 сс С 0,7 с с 1 центральная струя "мягкая" и не дальнобойная, что приводит к резкому снижению эффективности продувки, к малым скоростям перемешивания и рафинирования ванны расплава. Кроме того, доля расхода кислорода через периферийный зонд превышает 0,5 общего расхода кислорода, что существенно выше оптимальных значений относительных расходов вторичного кислорода для дожигания, которое по литературным данным различных исследователей составляет 0,1-0,45. Это приводит к чрезмерному переокислению шлака и металла, повышенному угару железа. Такая структура истекающих потоков из сопел с нарезкой при Й с сс 0,7 добъясняется резким увеличением коэфФициента сопротивления сопла за счет перекрытия свободного от нарезки сечения его и ярко выраженным эффектом дросселирования центральной с 1 руи с бесполезной потерей последней значительной цасти энергии. При д,н1,3 йкр для обычных типов сопел, применяемых при производстве стали, сильно уменьшается высота выс 15118215 12202 Та бли ца Угол о, Структура истекающих потоград ков кислорода из сопел снарезкой 25 75 Периферийные струйки практически не отрываются отцентральной струиНаблюдается отрыв периферийных струек с частичнымвзаимодействием их с центральной струейОбразуется устойчивый кислородный зондТо же 70 65 60 55 чО 30 25 Начинается нарушение структуры зонда из-за появления завихрений при ударе потока кислорода о витки нарезки; зонд обладает достаточной устойчивостьюНаблюдаются значительные нарушения структуры зонда со снижением устойчивости последнего, заметно снижается расход кислорода через зонд из-за увеличения сопротивления выхода потока в каналы нарез- ки 20 Как видно из табл. 2, оптимальный диапазон углов подьема винтовой линии нарезки составляет 25-70. При тупов нарезки и поток кислорода в соплах обтекает витки нарезки пра ктически без отрыва в них пограничного слоя, Образующиеся при этом отдельные5 периферийные струйки неустойчивы и эжектируются центральной струей без создания устойчивого зонда. Продувка идет практически в режиме "жесткой" струи, резко снижается эффектив ность процессов шлакообразования и дожигания СО в отходящих газах, На - резка лишь частично турбулизирует пограничный слой этой струи.В табл. 2 приведены результаты исследования влияния угла подъема винтовой линии нарезки К на структуру истекающих струй при 1 н = 0,31, с 1 = 32 мм; дсн с70 резко снижается эффективностьпроцессов шлакообразования и дожигания СО, так как продувка идет практически только в режиме "жесткой" струи,При с ( 25 резко увеличивается коэффициент сопротивления входа кислородного потока в каналы нарезки, возрастают потери энергии потока приударе его о витки нарезки, вследствиечего резко снижается расход кислорода на Формирование зонда, нарушаетсяустойчивость последнего из-за появпения дополнительных завихрений потока в сопле, что также приводит к снижению эффективности процессов шлакообразования и дожигания СО.Таким образом, устройство обеспечивает истечение из одного и того жесопла двух принципиально различныхпо форме и назначению потоков кисгорода, причем, над центральнымижесткими" струями Формируется "мягкий" покрывающий зонд кислорода, который и образует локальный Факел горения. Выполнение на закритическихчастях сопел Лаваля многозаходнойвинтовой нарезки с заявляемыми параметрами обеспечивает отрыв пограничного слоя от основного кислородного потока в соплах, его закрутку,эффективное смешение с отходящимигазами и дожигание в области преимущественного выделения СО, ускорение процесса шлакообразования приодновременно высоких скоростях рафинирования и перемешивания расплавав конвертере,Оптимальное число заходов нарезкив соплах 6-12. При меньшем числезаходов нарезки образующиеся мягкиекислородные с-руйки истекают самостоятельно, не сливаясь в один устойчивый зонд. Большее же число заходовв нарезке с заявляемыми параметрамипрактически неосуществимо технически,Нижний предел расстояния, на которое отстоит участок с нарезкой от выходного сечения сопла, определяютрасчетным путем с учетом прямого воздействия теплового излучения от реакционной зоны на витки нарезки, Приуказанном расстоянии (менее 0,25 диаметра критического сечения сопла)имеет место прямое воздействие теплового излучения от реакционной зоны(плотность теплового потока которогодостигае 2,5 МВт/м 2) на выходныеучастки витков нарезки, Концы витков,которые находятся в худших условияхохлаждения, могут оплавиться при низком расположении фурмы относительноуровня металла, При этом не обеспечивается выполнение поставленной цели,так как нарушается структура струй,истекающих из сопел с нарезкой. Верхний предел расстояния между нарезкойи выходным сечением сопла определяютэкспериментально продувкой сопел нагазодинамическом стенде. При указанном расстоянии более одного диаметракритического сечения сопла, из-засильного взаимодействия периферийных закрученных потоков кислорода сцентральным потоком на участке соплапосле нарезки до выходного сеченияего резко снижается устойчивость кислородного зонда, что приводит к снижению эффективности процессов шлакообразования и дожигания окиси углерода. В условиях работы 350 т конвертеров (пятисопловая фурма, расход кислорода 1200-1300 мз/мин, с 1 = 42 мм) испытывают два варианта предлагаемой конструкции фурмы (справка с проведении испытаний прилагается), По первому варианту опробовывают одну пятисопловую фурму, два сопла которой выполнены с нарезкой на выходных участках закритических частей (без смешения участка с нарезкой внутрь сопла 1 = 0). При этом параметры нарезки 35 следующие: й = 42 мм; заец =кр 1 о. = 45 ; 1 Н - 0,3 1 д . По второму варианту испытывают две пятисопловые фурмы с тремя соплами с нарезкой (свекр= 42 мм; с 1 н = 1,1 бакр, К = 45 ; 40 1 = 0,3 1 к, расстояние от нарезки до выходного сечения сопла 1 равно 03 свекр) еПрименение опытных фурм позволяет снизить долю чугуна в шихте плавки 45 и увеличивает долю скрапа за счет увеличения степени дожигания СО в отходящих конвертерных газах, улучшить процессы дефосфорации и десульфурации (даже при некотором уменьшении расхода извести на плавку) при одновременно высоких скоростях рафинирования и перемешивания ванны, т,е. практически без увеличения времени продувки. При этом расход чугуна (в расчете на тонну стали) снижается на 4,2 5,6 кг/т, содержание фосфора в стали на повалке снижается с 0,007 до 0,00623, а содержание серы - с 0,0220 до 0,01863,Формула изобретения1. Фурма сталеплавильного агрегата, содержащая концентрично расположенные трубы, образующие тракты подвода и отвода охладителя и подачи окислителя, головку с соплами Лаваля, по крайней мере одно из которых выполнено с многозаходной винтовой нарезкой на внутренней поверхности, о т л и ч а ю щ а я с я тем, что, с целью повышения эффективности продувки и снижения расхода чугуна на плавку за счет повышения степени дожигания окиси углерода, нарезка выполнена на закритицеской части сопла Лаваля, диаметр свободного от нарезки проходного сечения которого на участке с нарезкой составляет 0,7-1,3 диаметра критического сечения сопла, длина участка с нарезкой составляет 0,15-0,6 длины закритической части сопла, а угол подъема винтозой линии нарезки равен 25-702. Фурма по и. 1, о т л и ц а ю щ а я с я тем, цто участок с нарезкой отстоит от выходного сечения сопла на расстоянии 0,25-1,0 диаметра критического сечения сопла