Фурма для донной продувки металлического расплава
COIO3 СОВЕТСКИХ
СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ
РЕСПУБЛИК (19) (И) (5о 4 С 2! С 5/48
ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
ГОСУДАРСТ8ЕНКЫЙ КОМИТЕТ СССР
ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ
Н Д8ТОРСНОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 3856025/22-02 (22) 13.02 ° 85 (46) 23.07.86. Бюл. М - 27 (7 1) Днепровский металлургический комбинат им. Ф.3. Дзержинского (72) В.Н.Евченко, В.И.Баптизманский, Я.А.Шнееров, С.Т.Плискановский, Ю.H.Hîðèñoâ, Е.А.Капустин, К.Г.Носов, А.С.Тартаковский и А.Г.Чернятевич (53) 669. 184. 14 (088.8) (56) Авторское свидетельство СССР
Р 678073, кл. С 21 С 5/28, 1976.
Заявка Великобритании 9 1408994 кл. F 4 В, опублик. 1975. (54)(57) ФУРМА ДЛЯ ДОННОЙ ПРОДУВКИ
МЕТАЛЛИЧЕСКОГО РАСПЛАВА, . содержащая внутреннюю трубу и обхватывающую ее наружную трубу, образующие щелевидные полости для подвода кислорода и защитного газа, о т л и ч а ю щ а я с я тем, что, с целью повышения стойкости футеровки околофурменной зоны за счет ликвидации обратных гидравлических ударов, внутренняя труба выполнена с соотношением ширины к высоте поперечного сечения (3-20): 1, а наружная тру— ба центральной частью коаксиально обхватывает внутреннюю трубу, при этом ее противоположно расположенные вдоль большей оси участки выполнены в виде сопряженных с центральной частью щелей с высотой, меньшей максимальной ширины центральной части наружной трубы в 3-10 раз, и шириной, равной 3-10 высоты шели.
1245600 участков
I, Изобретение относится к черной металлургии, в частности к сталеплавильному производству.
Целью изобретения является повы-, шение стойкости футеровки околофурменной зоны эа счет ликвидации обратных гидравлических ударов, На фиг.I изображена фурма, общий вид в разрезе; на фиг.2 — сечение
А-А на фиг.1; на .фиг. 3-7 — различные формы продувочного устройства.
Фурма состоит из внутренней трубы
1 и обхватывающей ее наружной трубы 2, образующие внутреннюю полость
3, выполненную с соотношением ширины к высоте поперечного сечения (3-20):1 и снабженную патрубком 4 подвода кислорода, и наружную полость 5 с патрубком 6 подвода защитного газа,,Противоположно1 расположенные стороны наружной трубы сплю.щены по большей оси и по,высоте фурмы, образуя щелевидные сопла 7 с высотой щели С, меньшей максимальной высоты а среднего участка наружной трубы в 3-10 раз; и сопряженные с ним обратнымипо знаку радиусами г„ и r . Радиусы могут быть различными
1 по величине, но необходимо, чтобы ширина d участков сопряжения составляла 1-3 высоты С сплющенных щелевидных участков 7, ширина,в, которых составляет 3-10 высоты сплющенных хурма работа.ет следующим образом.
Кислород, поступая через патрубок
4 подвода кислорода и проходя по щелевидной полости 3, образует центральную гидродинамически неустойчивую струю окислительного газа. Защитный газ, поступая через патрубок 6 и проходя по наружной пол<зсти 5, образует периферийную кольцевую струю. Одновременно газ поступает в сплющенные щелевидные сопла 7. При истечении защитного газа из этих сопел по противоположно раСположенным сторонам основной газовой струи, ра<..пространяющейся в металлическом расплаве, образуются тонкие струйки, вытянутые в направлении большей оси сечения наружной трубы 2. Взаимодействуя с основным течением, эти тонкие струйки защитного газа разграничивают вихревые структуры r 1Î ! 5О 55 ся неустойчивость течения к изгибным колебаниям„ ликвидируется причина возникновения обратных гидродИнамических ударов и локального разрушения футеровки околофурменной зоны, вызванного этими ударами. Течение становится безударным, износ футеровки днища — равномерным, а его скорость остается в пределах обычной скорости разгара футеровки цилиндрической части конвертера. В основе процессов взаимодействия газовых струй с металлическим расплавом при донной продувке лежит механизм гHpðoäèíàèè÷åñêoé неустойчивости. Развитие газовой струи в расплавах характеризуется более или менее периодическим нарушением сплошности, обусловленным полным или частичньв пережатием струи на некотором расс<.оянии вниз по потоку от среза сопла с образованием, ростом и всплыгванием газовых каверн. На всех режимах истечения обнаруживаются значительные продольные и поперечные пульсации. Под действием случайных возмущений вследствие неустойчивости течения к изгибным колебаниям на границе потока возникают турбулентные крупномасштабные вихри, которые вовлекают в вихревое движение окружающий расплав, прорываются в газожидкостную струю поочередно то с одной, то с другой стороны и впрыскивают расплав э струю. При истечении газа из осесимметричных фурм вследствие неустойчивости течения, усиливающейся в результате динамического воздействия газожидкостных вихрей, в струе возни- кают осесимметричные колебайия. Изгибная деформапия струи и впрыск в нее системой вихрей значительных количеств окружающего расплава (в энергетически слабом течении, в конце переходного или начале основного участка струи) представляют собой местное сопротивление. Происходит пережим газового канала струи, уменьшающий проходное сечение потока и вызывающий снижение расхода газа через него. Двухфазная струя, частично или полностью отражаясь от возникшей таким образом .преграды, создает обратное циркуляционное течение, приводящее к появлению быстро растущей газожидкостной каверны— циркулирующей оболочки осевого пото1245600 ка. Продолжающееся поступление газа из сопла к увеличению объема каверны, границы которой расширяются во всех направлениях, даже вниз по потоку. Особенно быстрое расширение каверны вниз наблюдается, когда под воздействием вихревых структур зародившаяся изгибная деформация потока приводит к полному пережиму или даже разрыву струи. В этом случае интенсивное движение каверны вниз приводит к удару и растеканию газожидкостной смеси по присопловой области дна. Так возникает обратный гидродинамический удар, в результате которого и регистрируется мощный импульс давления в районе сопла. Некоторое время после удара каверна находится непосредственно у прифурменной области и струя развивается в ней. При этом, даже в этом случае струя является двухфазной, а не чисто газовой и ведет себя в газовой полости крайне неустойчиво, совершая низкочастотные поперечные колебания случайного характера. Большая амплитуда колебаний струи может вызвать за счет циркуляции и самоэжекции потока эффект его прилипания к стенке каверны (эффект Коанда). При этом газожидкостная струя, двигаясь вдоль ее внутренней поверхности, разворачивается и, в случае натекания каверны на фурму, может вызвать дополнительный удар отраженной" струи в околофурменную область днища. Продолжая увеличивать свой объем, каверна начинает всплывать. Наступает период покоя, после чего описанный цикл повторяется. В диапазоне исследованных давлений, перекрывающем диапазон давлений,,. используемый в металлургической практике, всегда струйное истечение сопровождается образованием обратных гидродинамических ударов, что приводит к характерному локальному разрушению прифурменной футеровки. При таких ударах кладка подвергается ударному воздействию со стороны натекающей каверны и вовлеченного в движение расплава металла, мощному тепловому воздействию (тепловой удар) со стороны содержимого реакционной зоны, разогретого до 2500 С при нахождении каверны на прифурменной области, динамическому и химическому воздействию "отраженной высо.коскоростной струи с каплями горячего металла. Таким образом, при донной и боковой продувках металлического расплава основной причиной разрушения футеровки прифурменной области являются обратные гидродинамические удары. Исследования скорости износа фу10 теровки околофурменной зоны на "холодной" и "горячей" моделях конвертера с диаметром цилиндрической части 0,54 м. Испытывают фурмы различной r åoìåòðè÷åñêîé формы. Всего проводят 17 опытных плавок. Результаты проведенных исследований сведены в табл.l. Как видно из табл.1, продувка металлического расплава через фурмы различной конфигурации, кроме предлагаемой, всегда сопровождается образованием обратных гидродинамических ударов. Форма продувочного устройства несколько изменяет частоту этих ударов и величину импульсов давления, фиксируемого в околофурменной области днища. Как следствие, футеровка в районе установки продувочного устройства подвергается локальному разрушению, причем скорость ее износа довольно велика и составляет в среднем 30-120 мм/ч. Предлагаемое увеличение соотношения ширины к высоте поперечного cef чения внутренней трубы -) 3 уже су1 щественно снижает число и силу обратных гидродинамических ударов, а также скорость разгара футеровки. Полное устранение причин образова- . ния каверн и обратных ударов, установление безударного р жима истечения газа в расплав, реализуемого при использовании форм предлагаемой конструкции (опыт 5, табл.1) в соот45 ветствующем диапазоне геометрических и режимных параметров, ликвидирует локальное разрушение околофурменной об ласти. При оптимальных значениях этих параметров скорость износа футеровки 50 днища снижается до 3-10 мм/ч и она становится равномерной по площади и равной скорости разгара футеровки цилиндрической части конвертера. 55 Результаты исследований влияния геометрических параметров фурм предлагаемой конструкции на скорость износа футеровки приведены в табл.2 ° 5 12 Как видно из табл.2 изменения соотношений геометрических размеров существенно изменяют характер взаимодействия газовой струи с металлическим расплавом и, как следствие, скорость износа футеровки. При соотношении высоты сплющенных крайних щелевидных участков к максимальной высоте среднего участка труа бы — меньше 2 в диапазоне изменес ния располагаемого перепада давлений 45600 ния перестраивается в режим безударного течения и скорость износа футеровки прифурменной зоны уменьшается с 40 до 3 мм/ч соответственно 5 при значениях вЂ, равных 1,0 и 6,5, с Дальнейшее увеличение этого параметра, не.изменяя характера взаимодействия газовой струи с жидким l0 расплавом,приводит квозрастанйю расхода защитного газа свыше необходимых норм, что приводит к ухудшению технико-экономических показателей РоП о Р +, .Н э где P — давление торможения газа; Н вЂ” высота слоя металла в ванне, перекрывающем диапазон используемых .в металлургии давлений газа, не приводит к реализации безударного режима истечения газовых струй в расплаве. Как следствие, скорость износа футеровки остается большой, приближенно равной 39 мм/ч. Уменьшение значений с приводит к тому„ что уже а. при — = 7 и достижении располагаемос го перепада давлений П,=3,1 уста, навливается режим безударного истечения и скорость износа прифурменной футеровки резко снижается и становится равной 3 мм/ч. Увеличение значений П, до 16 не нарушает безударного течения газа. Дальнейшее уменьшение значений с до а 12 приводит к возрастанию знас чений П,>при которых происходит переход к безударному течению. Кроме того, при высоте крайних щелевидных участков менее 1 мм возрастает ве1роятность их заметалливания, что приводит к случайному образованию обратного удара и, как следствие, йесколько увеличивается скорость износа футеровки прифурменной зоны. Изменение соотношений ширины и высоты в сплющенных крайних щелевидных участках существенно изменяет характер взаимодействия газовой струи с расплавом и скорость износа околофурменной области днища. Режим течения газа в расплаве с образованием каверн и обратными гидродина мическими ударами в кладку при знав чениях -СЭ с ростом этого соотношеC . плавки в кислородном конвертере. Важное значение имеет также соотношение ширины сопряженного участка к высоте крайних сплющенных щеdd левидных участков — . Кроме того, с ?О сопряжение среднего участка наружной трубы с крайними щелевидными участками должно выполняться обратными по знаку радиусами. При малых значеd ниях величины — скорость износа око25 лофурменной области днища остается небольшой, в пределах 3-8 мм/ч. Увеличение значений соОтношения с . 30 приводит к уменьшению устойчивости течения газа в металлическом расплаве. Возмущения в газометаллическом факеле начинают увеличиваться и уже не подавляются крайними струйками газа из щелевых участков. Возраста35 ние значений — до 4 приводит к усс тановлению нестационарного течения газа в жидком расплаве с обратными гидрсдинамическими ударами в околофурменную область днища и скорость износ.а футеровки возрастает до 27 мм/ч и более. Переход к струйному безударному течению газа при соблюдении указанных соотношений между параметрами а, Ь, с, d осуществляется в диапазоне изменения соотношений ширины к выЕ :.Оте поперечного сечения — внутрен 50 ней трубы 3-20. При значениях велиf: чины - -1 3 гидродинамическая неустойчивость газовой струи в расплаве не подавляется периферийными струйками газа и течение сопровождается обрат5 ными ударами, разрушающими футеровку. Большое значение этого параметра приводит к установлению безудар45á00 формы в виде прямоугольников, эллипсов, ромбов, сегментов, секторон и т.д. Существенное значение имеют только лишь соотношения параметров, а Ь d Выбор этих величин в с с с указанном диапазоне позволяет организовать периферийные струйки газа из сплющенных участков по противо10 положным сторонам течения, подавляющие гидродинамическую неустойчивость газового потока в металлическом расплаве, реализовать безударный режим истечения и исключить локальное раз15 рушение футеровки околофурменной области. Применение фурм предлагаемой конструкции приводит к увеличению срока службы конвертера более чем в два раза. Экономический эффект достигает-. ся за счет снижения расхода огнеупоров, уменьшения простоев для смены днища конве1,гера и увеличения его производительности. таблица Частот обрати ударов Импульс давления при ударе, аР„ <10,па Скорость иэноса футеровки, мм/ч 6,0-1,5 1,0-4,0 40-120 сами с 3 5,0-1,0 0,7-3,0 7 2,0-0,5 0,4- 1,0 30-100 То ке 20-50 8,0-2,9 0,6 — 4,0 30 †1 (3 3,0-0,5 0,5-2,0 20-70 7 1,5-0,5 0,3 0,9 20-40 3-10 7 12 ного истечения газа, и, как следствие, разгар футеровки резко снижается до 3-10 мм/ч, Однако увеличение f величины -)20 при существующей ин8 тенсивности продувки приводит к резкому уменьшению высоты сочетания внутренней трубы. Еще меньшими становятся размеры крайних щелевидных участков. Такие малые размеры щелей вызывают эаметалливание, существенно снижающее расход газа. Стабилизирующий эффект периферийных струек пропадает, в результате чего вновь возникают обратные удары и локальный разгар футеровки становится более 33 мм/ч. Форма кислородной трубы не оказывает существенного влияния на реали- зацию безударного течения газа в металлическом расплаве. Приведенные исследования показывают, что трубы для ввода газа-реагента могут быть выполнены щелевидной и крестообразной Опыт Форма продувочного f устройства по фиг. Г Внешняя характеристика течения Высокая нестацнонарность течения с раскачиванием и выброНестацнонарность течения с редкими выбросами Высокая нестацнонарность течения с раскачиванием и выбросами Ванна спокойная, с редкими выбросами Аналог лаиинарного течения, ванна спокойная беэ выбросов, низкий шум продувки 1245600 Табл и да 2 Опыт ровки, мм /ч ного> с а с 2,5 3,9 0,2 6,5 7 3,1 3,3 3,9 3,5 4,9 3,1 3,1 10,0 3,0 20,0 0,5.3,4 3,7 1,0 6,5 6,5 2,0 3,1 3,0 6,5 4,0 0,15 16 3,7 17 3,8 6,5 6,5 6,5 3,1 22 2,0 Относительные размеры щелевидных участков 6,5 2 6 6,5 3 6 6,5 10 6 65126 6 1,0 7 6 7 3,0 7 6 8 6,5 7 6 7 6 7 6 6,5 7 6 7 6 7 6 6,5 7 2 7 3 7 6 7 20 Относительная ширина участка сопряженПереход к безударному течению, ПО Частота обратных ударов, С Скорость износа футе1245á00 Фиг, 2 пр Пр фиг. 7 Редактор Н. Гунько Заказ 3961/17 Тираж 552 Подписное. ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий 113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д.4/5 Производственно-полиграфическое предприятие, r.Óæroðîä, ул.Проектная, 4 При р <5 //Ри е =7 Составитель А.Протасов Техред Л.Олейник Корректор М.Демчик
