Фурма для нестационарной продувки

 

Изобретение относится к черной металлургии, в частности к устройствам для нестационарной продувки, и может быть использовано в сталеплавильных цехах, работающих с продувкой металла газом в различных агрегатах. В форме на внутренней торцевой поверхности наконечника по центральной оси расположен струйный резонатор, состоящий из цилиндрической чаши и трансформатора колебаний в виде рассекателя цилиндрической формы, причем внутренний диаметр чаши и ее глубина составляют соответственно 0,5 - 0,9 и 0,8 - 1,2 от диаметра критического сечения сопл, а диаметр и длина рассекателя - соответственно 0,2 - 0,4 и 0,9 - 1,2 от этого же параметра. 1 ил., 1 табл.

Изобретение относится к металлургии и может быть использовано в сталеплавильных цехах, работающих с продувкой металлической ванны сверху газообразным окислителем через фурмы.

Известна фурма для нестационарной продувки металлической ванны, содержащая концентрично расположенные трубы, образующие газоподводящий тракт, в котором установлен клапан, совершающий колебательное движение, тракты подвода и отвода охладителя и наконечник с соплами [1].

Недостатками известной фурмы [1] являются сложность ее изготовления и низкий газодинамический КПД истекающих струй за счет неудовлетворительного условия службы колеблющегося клапана в газоподводящем тракте.

Известна фурма для подачи газа в конвертер, содержащая концентрично расположенные трубы, образующие тракты подачи газа и охладителя, головку с соплами и установленное на торцевой поверхности предсоплового объема тело вращения, выполненное в виде полусферы на стойке [2].

Конструкция [2] реализует нестационарный режим истечения струй с пульсирующей волновой структурой и с частотой, зависящей от конструктивных размеров рассекателя.

Недостатком устройства [2] является низкая механическая стойкость несущей стойки рассекателя, которая, деформируясь в условиях высокотемпературной среды, приводит к вырождению нестационарного потока в обычную стационарную струю.

Наиболее близкой к предлагаемому изобретению по технической сущности и достигаемому результату является фурма для нестационарной продувки, содержащая концентрично расположенные трубы, образующие газоподводящий тракт и тракты подвода и отвода хладагента, наконечник с соплами, состоящими из конфузора, критического сечения и диффузорра, имеющая на внутренней торцевой поверхности наконечника тупиковую полость [3].

Недостатком известной фурмы [3] является неоптимальная с точки зрения газодинамики геометрическая конфигурация резонирующей полости, не позволяющая генерировать на срезе сопл широкий спектр амплитудно-частотных характеристик (АЧХ), необходимый для полного перекрытия спектра резонансных частот, присущих окислительным реакциям в кислородно-конвертерном процессе.

Заявляемая фурма для нестационарной продувки, содержащая концентрично расположенные трубы, образующие газоподводящий тракт и тракты подвода и отвода хладагента, наконечник с соплами, имеющими конфузор, критическое сечение и диффузор, отличается тем, что она содержит на внутренней торцевой поверхности наконечника по центральной оси струйный резонатор, содержащий из цилиндрической чаши и трансформатора колебаний в виде рассекателя цилиндрической формы, причем внутренний диаметр чаши и ее глубина составляют соответственно 0,5-0,9 и 0,8-1,2 от диаметра критического сечения сопл, а диаметр и длина рассекателя - соответственно 0,2-0,4 и 0,9-1,2 от этого же параметра.

Сущность предлагаемой конструкции фурмы состоит в том, что она содержит концентрично расположенные трубы, образующие газоподводящий тракт и тракты подвода и отвода хладагента, наконечник с соплами определенной конфигурации, а на торцевой внутренней поверхности наконечника по центральной оси содержит струйный резонатор, состоящий из цилиндри- ческой чаши и трансформатора колебаний в виде рассекателя цилиндрической формы, диаметр и длина которых находятся в заданной зависимости от диаметра критического сечения сопла наконечника.

В заявляемой конструкции фурмы поток окислительного газа из ресивера, попадая в предсопловой объем фурмы, раздваивается, при этом периферийная часть устремляется непосредственно в сопла, а осевая - в струйный резонатор. В свою очередь, струя газа, попадая в резонатор, натекает на трансформатор колебаний и начинает пульсировать в автоколебательном режиме. Таким образом в объем резонатора (между наружной стенкой и трансформатором колебаний) попадает пульсирующий поток, в спектральном диапазоне которого превалируют низкочастотные гармоники.

Из резонатора поток газа также истекает в пульсирующем режиме с частотой колебаний, обратно пропорциональной глубине резонатора и значительно превышающей частоту натекающего потока. При встрече этих двух пульсирующих потоков (натекающего в резонатор в автоколебательном режиме и истекающего с более высокой частотой) образуются акустические волны расширения (при опорожнении резонатора) и сжатия (при наполнении резонатора), попадающие в сопла и вносящие коррекцию в характер истечения сверхзвуковых струй в металлическую ванну. В результате из сопл фурмы истекают модулированные нестационарные струи с пульсирующей в широком спектральном диапазоне волновой структурой, которые обеспечивают высокоэффективную гидродинамику ванны, способ- ствующие значительному увеличению протяженности межфазных границ и скорости шлакообразования, реализующие в свою очередь благоприятные условия для увеличения коэффициентов распределения фосфора и серы. Работая в режиме "напол- нение-опорожнение", чаша резонатора вместе с трансформатором колебаний, расположенным по ее центральной оси, является источником колебаний, амплитудно- частотные характеристики которых легко варьируются в зависимости от геометрических размеров, изменяемых в заявленных пределах.

Изготовление струйного резонатора определенных размеров на внутренней торцевой поверхности наконечника фурмы обеспечивает формирование пульсирующей волновой структуры в истекающих струях простым и надежным конструктивным приемом.

При выходе за пределы заявленных размеров резонатора перестройка волновой структуры приобретает затяжной характер, препятствующий установлению в соплах автоколебательного режима. В частности, если диаметр чаши резонатора выполнить менее 0,5 диаметра критического сечения сопла, то диаметр истекающего противотока газа недостаточен для эффективной коррекции волновой структуры сопловых струй. При диаметре чаши, превышающем 0,9 диаметра критического сечения сопла, взаимодействие резонаторного и соплового потоков становится неупорядоченным и сопровождается образованием тороидальных вихрей, затекающих в сопла и приводящих к вырождению пульсаций волновой структуры.

В случае, если глубина чаши менее 0,8 диаметра критического сечения сопла, частота собственных колебаний газа в резонаторе превышает величину, обеспечиваю- щую устойчивый автоколебательный процесс в соплах. При глубине чаши более 1,2 диаметра критического сечения частота собственных колебаний газа в ней значительно меньше аналогичного параметра натекающего потока из ресивера, в результате чего чаша резонатора практически не опоражнивается, а сопловые струи истекают в обычном стационарном режиме, к тому же с потерей скоростного напора.

Геометрические размеры рассекателя позволяют генерировать в ванне истекающие струи требуемого интервала амплитудно-частотных характеристик (АЧХ), превышающих спектр резонансных частот, характерных для процессов окисления всех составных компонентов конвертерной металлошихты.

При диаметре рассекателя менее 0,2 или более 0,4 диаметра критического сечения сопла имеет место неприемлемое увеличение или уменьшение внутреннего пространства чаши резонатора, что влечет за собой негативные явления, описанные выше.

При длине рассекателя менее 0,9 диаметра критического сечения сопла возрастает длина пробега общего дозвукового потока газа из ресивера. В этом случае при встрече с рассекателем в струе, попадающей в чашу резонатора, возможна релаксация колебаний [4], приводящая к снижению расхода дутья, а следовательно, и к уменьшению КПД фурмы.

Если диаметр рассекателя больше 1,2 диаметра критического сечения сопла, то в ванне генерируется спектр в килогерцевом диапазоне, что в условиях кислородного конвертера может вызвать резонанс в футеровке и ее повышенный износ.

Заявляемая фурма для нестационарной продувки повышает эффективность дутья за счет генерации в струях пульсирующей волновой структуры с широким спектром амплитудно-частотных характеристик, пере- крывающих диапазон частот, в котором имеет место интенсивное окисление серы и фосфора. Стабилизируется и гидродинамика сталеплавильной ванны, продуваемой струями с упомянутой характеристикой, - отсутствуют тороидальные вихри и кумулятивные эффекты, присущие нестационарной продувке с постоянной АЧХ. Продувка ванны пульсирующими струями в широком диапазоне частот вызывает интенсивные колебания в микрообъемах расплава, что особенно важно для поверхностно-активных элементов, к которым относятся сера и фосфор.

Помимо этого, заявляемая фурма проста в изготовлении, надежна в эксплуатации и не требует промежуточного ремонта в течение всей кампании.

Существенным отличительным признаком предлагаемого изобретения является конструктивное исполнение струйного резонатора, устанавливаемого на внутренней торцевой поверхности по центральной оси наконечника фурмы.

Форма и размеры резонатора способствуют формированию акустических волн расширения - сжатия, которые, накладываясь на основные струйные потоки в соплах, формируют в последних пульсирующую волновую структуру с широким спектром амплитудно-частотных характеристик.

Заявляемая фурма соответствует критерию изобретения "новизна", так как поиск и анализ патентно-информационного фонда не выявил решений, сходных по своей сути с предложенным решением.

В металлургической практике имеются примеры использования фурм с резонатором в предсопловом объеме [2, 3], однако указанные конструкции при фиксированном давлении в ресивере генерируют только одну частоту, то есть реализуют моночастотную продувку.

Предлагаемая конструкция сочетает резонирующую полость в виде чаши и трансформатор колебаний в виде рассекателя цилиндрической формы, которые при фиксированном давлении в ресивере генерируют спектр частот в волновой структуре истекающих струй, что позволяет решить проблему высокоэффективного окисления серы и фосфора. Последнее позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого решения критерию изобретения "изобрета- тельский уровень".

Конструктивные элементы фурмы - газоподводящий тракт, тракты подвода и отвода хладагента, наконечник с соплами широко известны в промышленном использовании. Отличительный признак фурмы - струйный резонатор изготавливается также известным приемом, а именно путем сварки или литья под давлением, из чего следует, что заявляемое решение соответствует критерию изобретения "промышленная применимость".

На чертеже изображена схема предлагаемой фурмы.

Фурма состоит из газоподводящего тракта 1, трактов подвода 2 и отвода 3 хладагента, сопл, состоящих из конфузора 4, критического сечения 5 и диффузора 6. На внутренней поверхности соплового наконечника выполнен струйный резонатор, состоящий из чаши 7 и рассекателя 8.

Фурма работает следующим образом.

Газовый поток из ресивера под давлением подается по газоподводящему тракту 1 и натекает на внутреннюю поверхность соплового наконечника, тормозится, частично разворачивается, при этом периферийная часть потока натекает на сопла, а осевая - в струйный резонатор.

Аэродинамические испытания фурмы заявляемой конструкции проводились на стенде Ленинградского механического института. Они подтвердили устойчивое возбуждение колебаний газа в резонаторе и высокие газодинамические характеристики волновой структуры истекающих струй в диапазоне заявляемых конструктивный параметров отличительных существенных признаков решения.

Опытно-промышленное опробование фурм заявляемой конструкции проводилось в кислородных конвертерах Карагандинского металлургического комбината (КарМК). Были изготовлены фурма-прототип и несколько фурм с пятисопловыми наконечниками с диаметром критического сечения сопл 49 мм и размерами резонатора с оптимальным и неоптимальным сочетаниями заявляемых параметров (таблица).

Продувку вели с интенсивностью 880 нм³/мин при давлении кислорода в ресивере 1,4-1,5 МПа. Перерабатываемый фосфористый чугун содержит, мас.%: С 4,2-4,4; Si 0,75-0,85; Mn 0,5-0,6; Р 0,7-0,8; S 0,03-0,4. Технологические показатели плавок приведены в таблице.

Приведенные в таблице данные свидетельствуют о более эффективной работе заявляемой фурмы по сравнению с фурмой-прототипом. Результаты испытаний показали, что заявляемая фурма позволяет увеличить в среднем степень удаления фосфора и серы на 2 и 4,5% соответственно, а выход годного на 1,5%.

Формула изобретения

ФУРМА ДЛЯ НЕСТАЦИОНАРНОЙ ПРОДУВКИ, включающая концентрично расположенные трубы, образующие газоподводящий тракт и тракты подвода и отвода хладагента, наконечник с соплами, имеющими конфузор, критическое сечение и диффузор, отличающаяся тем, что она содержит на внутренней торцевой поверхности наконечника по центральной оси струйный резонатор, сотоящий из цилиндрической чаши и трансформатора колебаний в виде рассекателя цилиндрической формы, причем внутренний диаметр чаши и ее глубина составляют соответственно 0,5 - 0,9 и 0,8 - 1,2 диаметра критического сечения сопл, а диаметр и длина рассекателя - соответственно 0,2 - 0,4 и 0,9 - 1,2 этого же параметра.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2