Воздушная фурма доменной печи

 

Сущность изобретения: в воздушной фурме доменной печи, содержащей полый водоохлаждаемый корпус с фланцем и расположенными в верхней части внутреннего стакана выступающими в рабочий канал фурмы соплами, сопла выполнены с прямоугольным сечением и отношением сторон, равным 2, меньшая сторона которых ориентирована по оси фурмы, а сумарная площадь их сечения определяется соотношением fc (0,006-0,02)f0,M , где - средняя площадь поперечного сечения фурмы на участке ввода природного газа до среза фурмы, м . 3 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (51)5 С 21 В 7/16

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ 4

, 4 !

О (p3

fc = (0,006 — 0,02) 1ф, м

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4786296/02 (22) 25,01.90 (46) 23.10.92. Бюл. ¹ 39 (71) Днепровский металлургический комбинат им, Ф,Э.Дзержинского, Институт черной металлургии (72) Э,Э.Миникес, В.В.Канаев, Г,Л.Цимбал и

С, С. Бродский (56) Авторское свидетельство СССР

¹ 290045, кл. С 21 В 7/16, 1971. (54) ВОЗДУШНАЯ ФУРМА ДОМЕННОЙ ПЕЧИ (57) Сущность изобретения: в воздушной фурме доменной печи, содержащей полый

Изобретение относится к черной металлургии, в частности к доменному производству, и может быть использовано для подачи природного газа в фурменную зону доменной печи.

Известны воздушные фурмы, в которых ввод природного газа осуществляется при помощи патрубков, пропущенных через водоохлаждаемую полость. Недостатком этих устройств является низкая эффективность сгорания природного газа из-зз отсутствия требуемой для условий доменного производства организации взаимодействия газовых струй с потоком дутья.

Наиболее близкой по текнической сущности является фурма для псдачи воздуха и природного газа в доменную печь, содер>кащая полый водоохлаждаемый корпус и расположенную в верхней его части трубку для ввода газа в воздушный поток, проходящую.„.. Ж„„1770366 А1 водоохлаждаемый корпус с фланцем и расположенными в верхней части внутреннего стакана выступающими в рабочий канал фурмы соплами, сопла BblllQllHBHbl с прямоугольным сечением и отношением сторон, равным 2, меньшая сторона которых ориентирована по оси фурмы, а сумарная площадь их сечения определяется соотношением fc =(0,006-0,02)fy,м, где 1ф

2 — средняя площадь поперечного сечения фурмы на участке ввода природного газа до среза фурмы, м2. 3 ил. через полость корпуса и снабженную выступающим в рабочий канал фурмы сменяемым наконечником .

Недостатком фурмы данной конструкции является низкая термическая стойкость сменного наконечника и отсутствие газодинамического обоснования условий выполнения поставленной задачи, Целью изобретения является повышение качества смешения природного газа с дутьем.

Поставленная цель достигается тем, что природный газ подается через выступающие в рабочий канал фурмы соплами, выполненными с прямоугольным сечением и отношением сторон, равным 2, меньшая сторона которых ориентирована по оси фурмы, а суммарная площадь их сечения определена соотношением

1770366 — «0,5

Fñ где 1ф — средняя площадь поперечного сечения фурмы на участке от ввода природного газа до среза фурмы, м, 2

Эффективность использования природного газа в доменной плавке во многом зависит от развития и перемешивания струй газа в поперечном потоке дутья во внутренней полости фурмы, Развитие струй газа s поперечном потоке и протекающие в них процессы перемешивания зависят от формы струй в устье (круглое, прямоугольное, плоское1 и критерия Эйлера. Первый параметр относится к определяющим конструктивным, второй— определяющим режимным параметрам.

Влияние формы струи в устье проявляется через величину миделевого сечения, т,е. площади сечения струи реагента в плоскости, перпендикулярной потоку дутья.

Чем она больше, интенсивнее процесс смесеобразования, так как поток дутья действует на большую площадь струи меньшей толщины. Влияние режиного и частично конструктивного параметров на процесс смешения проявляется через коэффициент расхода, величина которого показывает какая часть от общей площади выходного сечения сопла свободна для прохода газа и характеризует качество конструкции сопла и полноту использования давления газа. С ростом коэффициента расхода существенно повышается равномерность профиля скоростей и концентраций струи газа в устье и глубина ее проникновения в поперечный поток дутья, что увеличивает равномерность распределения газа по поперечному сечению внутреннего стакана фурмы и интенсифицирует процесс смесеобразования. При ровном профиле скоростей и концентраций газа в устье будет иметь место примерное равенство соотношения газ — дутье в любой точке миделевого сечения струи, так как и профиль скоростей дутья в полости фурмы за счет конусности последней всегда ровный. Увеличение глубины проникновения облегчает задачу получения необходимого начального распределения струй природного газа по поперечному сечению фурмы и интенсифицирует процесс смешения.

Сущность изобретения поясняется ",åðте>ком, где на фиг. 1 показан продольный разрез фурмы по образующей подводе природного газа. Воздушная фурма содержит полый воздухоохла>кдаемый корпус 1 с фланцем 2 и внутренним стаканом 3. В верхней части внутреннего стакана 3 располо>кены выступающие в рабочий канал фурмы поперечные прямоугольные сопла, организующие направленную рассредоточенную

55 подачу газа в нижнюю половину фурмы, На фиг. 2 показано поперечное сечение воздушной фурмы по месту расположения подводящих природный газ сопел 4 и положение струи газа 5 на отметке проникновения его в поток дутья относительно сре3а сопла (условно показано окружностями), Природный газ равномерно подается в нижнюю половину 6 рабочего канала фурмы через выходную часть 7 (фиг, 3) прямоугольных сопел 4, По мере движения в рабочем канале фурмы и далее в фурменной зоне он прогревается, частично горит, частично подвергается пиролизу и под действием подъемных сил поднимается вверх, пересекая поток дутья, чем достигаются оптимальные условия для задействования в организации сжигания газообразного реагента большей части дутья, проходящего через фурму. Сопла ввариваются так, что не менее 1/4 их длины находится в водоохлаждаемой полости. Подача природного газа через поперечные прямоугольные сопла с отношением их сторон, равным 2, и суммарной площадью выходных сечении fc = (0,006 — 0,02) fy, м . обеспечивает, во-первых, оптимальные с точки зрения конструкции соплового ввода геометрические соотношения между площадями сопла на входе и выходе, что приводит к повышению эксплуатационной стойкости выступающей в рабочий канал части сопла за счет минимизации его размеров; во-вторых, повышенную площадь миделевого сечения газовой струи; в третьих, наиболее полное использование давления природного газа в магистрали и близкие к предельно возможным величинам коэффициенты расхода.

Конструктивно наибольшее влияние на величину коэффициента расхода оказывает отношение площади выходного сечения сопла к входному.

Это отношение равно г е 1 — площадь выходного сечения сопла. м;

F — площадь входного сечения сопла, 2

Наибольшая технологичность изготовления и минимизация размеров выступающей в рабочий канал фурмы части сопла достигаются при выполнении последнего в виде цилиндрического насадка. В этом случае при истечении из прямоугольных сопел газовая струя будет иметь максимальное зна17 0366 (2) 15

Dr VVr 2

g2= -, кгС/м, 2g

40

Р, а з

08—

29Ü

45 или чение миделевого и поперечного сечений при отношении сторон сопла равном 2.

Действительно, приняв fc = 0,5Fc, или

Н Ь = 0,5 0,785do где 0o — диаметр входного сечения сопла, м;

Н и Ь вЂ” соответственно большая и меньшая стороны сечения сопла, м, получим Н =

=0,886do, Ь = 0,443clo или Н/Ь = 2. Аналогичный результат дает и простое геометрическое построение.

Экспериментально установлено, что определяющим технологическим параметром, влияющим на величину коэффициента расхода при истечении из канала в сносящий поток, является критерий Эйлера. вычисленный как отношение избыточного давления в канале к скоростному напору в сносящем потоке.

Бг

При1 — 3 влияние сносящего пото q1— ка на коэффициент расхода невелико (5, с, 159) где Л Р = (Ргаза Рдутья) — избыточное давление природного газа, кгс/м; . уУ2

q> = — — скоростной напор дутья

2g в фурмЕ, кгС/м2;

pg, Wg — соответственно плотность и скорость дутья в действительных условиях, „/ з

На практике избыточное давление реализуется в скоростной напор струи газа g2 где pr u Wr — соответственно плотность и скорость природного газа в действительных условиях, кг/м . м/с.

Уравнение оптимальных газодинамический условий истечения струи природного газа в поток дутья принимаем в виде г / 2

ЛР = — — = 10 . (1) 2g 2g

Для обоснования выбора методики анализа формулы (1) необходимо установить область движения газообразного реагента при истечении из газового насадка.

Практика использования комбинированного дутья показывает. что скорость газа на входе во внутренний стакан фурмы значительно ниже критической (Вар = 396 м/c).

Поэтомудля анализа формулы (1) можно использовать зависимости, характеризующие параметры истечения газа без учета его сжимаемости и удобные для анализа.

Необходимое сечение одиночного сопла или суммарное сечение заданного числа сопел при докритической скорости истечения в среду с давлением дутья (Pg) находим

5 из равенства двух выражений для определения скорости природного газа на срезе газового насадка при условии, что статическое давление в струе истекающего газа на срезе сопла равно давлению дутья в форме:

10 /г Tr

273 3600 и . 1, Рц () где yr — удельный вес природного газа при

P иТ, кгс/м; з

V — расход природного газа на фурме, м /ч. На практике Vr =(0,04 — 0,14)Vg, причем первые цифры относятся к низкопотенциальному дутью (температура и концентрация кислорода), вторая высокопотенциальному;

25 Тг — температура природного газа, 293К;

fc — площадь газового сопла (сопел), м; г . и — коэффициент расхода, равный 0,8.

Подставив (1) и (2) и приравняв (2) и (3) при средних параметрах комбинированного

30 дутья; — температура — 1103 С; — давление — 3,6 х 10 кгс/м; — расход — 11000 нм /ч на фурму, получим (0,О -O,«) V 27Ь ад МОО 0.Ь.4 Pg

fc = 0.143(0,04 — 0.14) 1ф = (0,006 — 0.02) 1ф. м .

Для подтверждения правомочности выбраннои методики выполним сравнительный расчет величины сечений газовых сопел по точным (с учетом сжимаемости) и приближенным (без учета сжимаемости) формулам для условий приведенного выше примера и расхода природного газа Vr = 900 нм /ч на

Фурму.

1770366

2 9,й t 5000 293 10

0,8 э,ь 10 -273 — П1у — W, У дф — средний диаметр воздушной фурмы на участке узел ввода природного газа— срез фурмы, мм.

Задаемся следующими средними пара10 метрами комбинированного дутья, — расход — 11000 м /ч на фурму; — температура — 1103 С; — давление — 3,6 х 10 кгс/м;

4 2. — расход природного газа — 900 м /ч на

15 фурму; геометрически размерами фурмы; — бф = 175 мм; 1ф — 0,024 м; и узла ввода природного газа в фурму: — существующей трубкой диаметром 25 мм;

20 — цилиндрическим соплом с площадью поперечного сечения, рассчитанной по заявляемой формуле; — прямоугольным соплом с геометрическими размерами выходного сечения, рас25 считанными по заявляемым соотношениям.

Чтобы не усложнять расчет и не снизить обьективность полученных результатов сравним относительные изменения глубин проникновения для первого и третьего ва30 риантов узлов ввода и длин смесителей— для второго и третьего.

Тогда

9СО

Э 9 6 !77

-(",Г

5400 0,8 5100.

2 88 ; — -,. 2 (4) где h — глубина проникновения. мм.

К вЂ” коэффициент пропорциональности; 35 бг(г/з) — диаметр (эквивалентный диаметр) газового сопла, мм;

dç = — . —. Р— соответственно пло4f

Р щадь и периметр поперечного сечения газо- 40

Вого сопла. мм, мм;

Й/г, I/I/g, Ог, pg — СООтВЕтСтВЕННО дЕйСтвительная скорость и плотность газа и дутья; M/ñ, кг/м з и длины смесителя, в котором смесеобразование осушествляется в струе газа, развивающейся в поперечном ограниченном потоке дутья (8, с. 42) 7 (7 г 0г э э

„, (5,S >Si>

h = =1,4Ы 25 È1 5

50 (5) ь. 1 ау. Д см — 2 2

+ mg ьч принимаем, что рг =pu (из условия. что давление газа на срезе сопла в обоих случаях равно Рц), Для принятых параметров

55 г = 20 MM: г/з = 15,8 мм; йlг = 141,5 и III

I м/с; О/г = 331 м/с

II I з где Рã, = =Pg + Л Р . кгс/ л .

Результаты отллчаются на 2,1%. что приемлемо для инженерных расчетов.

Газодинамическое обоснование влияния заявленных параметров сопла на качество смешения природного газа с дутьем выполним на основании анализа формул для определения глубины проникновения газовой струи в сносящий поток дутья (7, с, 211) где I<>, — длина смесителя. мм:

/" — степень смешения (Π— 1,;

Km — коэффициент. для одиночной струи

К =-0114:

Гуэ, do =- di -I -— - --: : V0 — теоретический расход воздуха, м /м"; а — коэффициент избытка воздуха;

10 770366

Зпс,,:с |сс о

Ят,95.

fc = (0,006 — 0,02)1ф, м

ICM = 0,71ICM гдеdp =33,4мм; dp =27,95мм; mg =0,54;

I II . I1I, — II

dg = 5,24; mg = 0,54; dg = 6,26.

Таким образом заявленные технические решения позволяют использовать давление природного газа и геометрию газовой струи в устье для повышения качества смешения природного газа с дутьем.

5 Ф.ормула изобретения

Воздушная фурма доменной печи, содержащая полый водоохлаждаемый корпус с фланцем и расположенными в верхней

10 части внутреннего стакана выступающими в рабочий канал соплами для подачи природного газа, отличающаяся тем, что, с целью повышения эффективности продувки за счет улучшения смешения природного га15 за с дутьем, сопла выполнены с прямоугольным сечением и отношением сторон, равным 2, меньшая сторона которых ориентирована по оси фурмы, а суммарная площадь их сечения определена соотношением где 1ф — средняя площадь поперечного сечения фурмы на участке от ввода природно25 го газа до среза фурмы, м .

1770366

Корректор П.Гереши

Редактор Т.Шагова

Заказ 3713 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб.. 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г, Ужгород, ул.Гагарина, 101

Составитель В.Канаев

Техред М.Моргентал

«Ю

8i>c (