Многосопловая головка фурмы

 

Использование: при производстве стали в кислородных конвертерах. Сущность изобретения: головка фурмы содержит сопла, расходящиеся от оси головки, медное днище и стальную муфту, соединенные составной стяжкой, выполненной из стальной шпильки и медной пробки, переходной патрубок, разделитель потока охладителя. Разделитель выполнен составным из центральной части, образованной секторными элементами, посаженными на сопла, и периферийной части. Секторные элементы формируют совместно с медной пробкой кольцеобразное отверстие. 1 з. п. ф-лы, 2 ил., 1 табл.

Изобретение относится к черной металлургии, в частности к конструкциям устройств для продувки жидкого металла кислородом, преимущественно в кислородных конвертерах.

Известны фурмы для продувки металлсодержащие концентрично расположенные трубы, образующие тракты подвода и отвода охладителя и подачи окислителя и многосопловую головку с направляющим вкладышем, имеющим форму тела вращения с центральным отверстием. Вкладыш образует в полости головки с ее торцами и внутренней трубой подводящий и отводящий охлаждающую воду каналы заданной конфигурации и размеров, при этом сечение центрального отверстия составляет 0,5-0,7 сечения отводящего тракта.

Недостатком этой головки является то, что ее можно изготовить только методом литья. Вследствие низких литейных качеств меди для этого требуется дорогостоящее оборудование и больший расход меди. Другим недостатком данной головки фурмы является недостаточная жесткость центральной зоны днища.

Известен сварной многосопловый наконечник фурмы, содержащий корпус, внутренний стакан и расположенный между ними разделитель с центральным отверстием и сопла. Разделитель снабжен патрубком, направляющим поток охладителя в центр днища головки и дросселирующим давление охладителя в теплообменном канале.

Недостатки наконечников такого типа недостаточная жесткость центральной зоны днища, низкая стойкость сварных швов между соплами и днищем и слабое охлаждение сопел и днища, обусловленное обтеканием их только половинным потоком охладителя.

Наиболее близким по технической сущности к заявленному объекту является многосопловая головка фурмы, содержащая сопла, расходящиеся от оси головки, медное днище и стальную муфту, соединенные составной стяжкой, выполненной из верхнего и нижнего элемента, переходной патрубок, состыкованный с днищем, и разделитель потока охладителя.

Недостаток головки фурмы-прототипа низкая стойкость из-за плохой организации режима охлаждения межсопельной центральной зоны днища, обусловленная низкой скоростью течения охлаждающей воды при сохранении высокого ее статического давления. В таком режиме охлаждения медная стенка днища имеет повышенную температуру и склонность к прогарам как следствие кризиса теплопередачи при пиковых тепловых нагрузках, так и из-за вредных структурных изменений в кристаллической решетке меди при перегреве ее выше определенных пределов (200-250^оС). Головка-прототип недостаточно технологична при сборе и имеет пониженную надежность вследствие большой механической нагрузки на кольцевые швы между наружной трубой, переходным патрубком и днищем. Эти швы воспринимают полную нагрузку от гидравлического давления охладителя и кислорода, поскольку на внутренней и промежуточной трубе в кислородных конвертерных фурмах обязательно устанавливают компенсаторы.

Цель изобретения повышение стойкости и надежности фурмы и улучшение технологичности сборки головки.

Цель достигается тем, что в многосопловой головке фурмы, содержащей сопла, расходящиеся от оси головки, медное днище и стальную муфту, соединенные составной стяжкой, выполненные из верхнего и нижнего элемента, переходной патрубок, состыкованный с днищем и разделитель потока охладителя, разделитель выполнен составным из периферийной и центральной части. Центральная часть разделителя, сопряженная с соплами, выполнена составной из секторных элементов, образующих вокруг нижнего элемента стяжки кольцеобразное отверстие с площадью проходного сечения, составляющей 0,15-0,45 от площади сечения кольцевого зазора между периферийной частью разделителя и переходным патрубком. Секторные элементы посажены на кольцевые упорные площадки, выполненные на наружной поверхности сопел. Нижний элемент составной стяжки выполнен в виде медной глуходонной пробки, установленной в центральном отверстии днища и снабженной резьбовым гнездом. Верхний элемент стяжки выполнен в виде стальной шпильки, завинченной в это гнездо.

Выполнение центральной части разделителя составным из секторных элементов обеспечивает удобную сборку головки фурмы и дает возможность осуществить последовательность сборки таким образом, чтобы производить двустороннюю сварку сопел с днищем, увеличивая стойкость фурмы за счет повышения долговечности сварных швов вокруг сопел. Секторные элементы, образующие вокруг стяжки кольцеобразное отверстие с площадью сечения, составляющей 0,15-0,45 от площади сечения кольцевого зазора между разделителем и переходным патрубком, обеспечивают дросселирование потока охладителя в теплообменном канале, образованном между частями разделителя и днищем. Поток охладителя, направленный на центральную часть днища, многократно ускоряется. Сочетание высокой скорости потока охладителя (воды) с низким ее статическим давлением обеспечивает рабочий температурный режим наружной поверхности медной стенки днища в условиях конвертерной плавки на уровне не более 150-200^оС, что резко уменьшает термическое напряжение в сварных швах между соплами и днищем и повышает стойкость фурмы. Снижение статического давления в теплообменном канале понижает также механические напряжения в сварном шве между днищем и переходным патрубком, что увеличивает надежность фурмы, связанную с возможностью отрыва головки от наружной трубы.

Выполнение нижнего элемента составной стяжки в виде медной глуходонной пробки, установленной в центральном отверстии днища, а верхнего элемента стяжки в виде стальной шпильки, завинченной в резьбовое гнездо, имеющееся в пробке, обеспечивает жесткость центральной части днища и улучшает теплоотвод от этой зоны, так как пробка работает в качестве высокотеплопроводного шипа, обтекаемого охладителем. Разъемность верхнего и нижнего элементов стяжки в процессе сборки улучшает доступ к внутренним сварным швам между соплами и днищем, что позволяет повысить качество сварки и надежность фурмы.

Предложенное решение не вытекает явным образом из соответствующего уровня техники. Следовательно оно соответствует критерию "изобретательский уровень".

На фиг. 1 изображена головка фурмы, продольный осевой разрез; на фиг.2 разрез А-А на фиг.1.

Головка фурмы включает сопла 1, медное днище 2, стальную муфту 3, периферийную часть разделителя 4, центральную часть разделителя, сопряженную с соплами 1 и выполненную составной из секторных элементов 5, верхнюю часть составной стяжки стальную шпильку 6, нижнюю часть составной стяжки медную пробку 7. Секторные элементы 5 посажены на упорные кольцевые площадки 8, выполненные из наружной поверхности сопел 1. Кольцевая щель между секторами элементами 5 герметизированы, сварными швами 9 и 10. Сопла приварены к днищу двумя швами 11 и 12. Секторные элементы 5 формируют совместно с медной пробкой 7 кольцеобразное отверстие 13. Днище 2 снабжено переходным патрубком 14. Площадь отверстия 13 выбирается в пределах 0,15-0,45 от площади сечения кольцевого зазора 15.

Сборка головки фурмы осуществляется в следующей последовательности. К медному днищу 2 приваривают переходной стальной патрубок 14 и медную трубку 7. Затем в резьбовое гнездо пробки 7 завинчивают шпильку 6, имеющую резьбу на концах, и в отверстие днища 2 вставляют сопло 1. Углы установки сопел 1 фиксируются опорными буртиками или уступами, выполненными на концах сопел 1. На верхние концы сопел 1 одевают муфту 3, притягивают ее к опорным уступам на соплах 1 с помощью гайки, навинченной на верхний резьбовой конец шпильки 6, и производят приварку сопел 1 к днищу 2 с наружной стороны (шов 11). После окончания наружной сварки отвинчивают гайку, снимают муфту 3, вывинчивают шпильку 6 из пробки 7, получая открытый доступ к внутренним стыкам сопел 1 и днища 2, производят их сварку (швы 12). Заданные углы установки сопел 1 при таком методе сварки сохраняются с удовлетворительной точностью. На следующем этапе сборки в образованную конструкцию вставляется периферийная часть разделителя 4, затем последовательно на каждое сопло индивидуально устанавливают секторные элементы 5, сажая их на кольцевые упорные площадки 8. После установки всех секторных элементов 5 заваривают кольцевой и радикальный стыки между деталями 4 и 5. На последнем этапе сборки головки фурмы снова завинчивают шпильку 6 в пробку 7, обваривают резьбовой стык между ними, надевают на шпильку 6 и сопло 1 муфту 3 и производят остальные сварочные работы.

За счет предлагаемой конструкции составной стяжки в фурме обеспечивается сборка головки без специального кондуктора, который обычно применяют для сварных головок фурм.

Многосопловая головка фурмы работает следующим образом.

При продувке кислород истекает в ванну металла через сопло 1. На наружную поверхность головки воздействует высокотемпературная среда из раскаленных газов, металла и шлака. В верхнюю камеру головки, образованную частями разделителя 4 и муфты 3, нагнетается вода под давлением 1-1,2 МПа. В отверстии 13 поток охладителя дросселируется с увеличением скорости и течением до 15-30 м/с в зависимости от выбранного диаметра отверстия и направляется на центральную зону днища 2. Затем поток охладителя протекает между соплами 1 и направляется по кольцевому зазору 15 в отводящий тракт. Поскольку нижняя камера головки, образованная между деталями разделителя 4, 5 и днищем 2, сообщается с верхней камерой через отверстие 13, которое дросселирует поток, то статическое давление воды в ней падает. При высокой плотности теплового потока, воздействующего на днище 2 головки в какие-то экспериментальные моменты плавки, снижение статического давления воды приводит к тому, что начало образования режима пузырькового кипения охладителя на горячей медной стенке днища 2 наступает при более низкой температуре стенки. Режим локального пузырькового кипения воды на стенке днища 2 в сочетании с высокой скоростью ее течения приводит к резкому повышению коэффициента теплоотдачи от стенки к воде при пониженной температуре стенки. Вследствие этого уменьшаются термические напряжения в днище 2 и сварных швах 11 и 12, замедляются структурные превращения в материале стенки, понижающие механическую прочность меди, и увеличивается срок службы фурмы. Кроме улучшения режима охлаждение днища 2 за счет резкого дросселирования потока охладителя в отверстии 13, падение статического давления потока охладителя за этим отверстием повышает также надежность работы сварных швов на патрубке 14, так как результирующая сила растяжения, действующая на швы и обусловленная гидравлическим давлением охладителя полости фурмы, снижается при заявленных пределах соотношения площадей в проходных отверстий для охладителя на 10-20 процентов.

Нижний предел отношения площади кольцевого отверстия 13 в разделителе 4 к площади сечения кольцевого зазора 15, равной 0,15, ограничивается общей пропускной способностью гидравлического тракта фурмы. При меньшем соотношении из-за недостаточного расхода воды она нагревается в отводящем тракте до предельной температуры, приводящей к снижению стойкости фурмы из-за возможных прогаров наружной трубы ниже верхней головки. Верхний предел площадей отверстий, равный 0,45, обусловлен низкой эффективностью проявляемых положительных технических результатов при повышении отношения более 0,45. Исследования показали, что при этом статическом давлении воды над и под разделителем отличается на малоощутимую величину, что не дает эффекта повышения стойкости.

В предлагаемой конструкции головки фурмы на составные части разделителя, собранного из деталей 4 и 5, действует значительная механическая нагрузка, обусловленная большим перепадом давления воды. Поэтому на боковой поверхности сопел имеются кольцевые упорные площадки 8 для восприятия гидравлической силы, действующей на составной разделитель. Стойкость центральной части днища повышается также за счет составной конструкции стяжки, в которой медная трубка играет роль теплоотводящегоо шипа.

Патентуемая головка фурмы по сравнению с известными аналогами имеет преимущества, заключающиеся в более высокой стойкости, технологичности изготовления и надежности эксплуатации, допускающей приближение фурмы к зеркалу ванны металла.

Примером конкретного выполнения является наконечник фурмы, состоящий из медного штампованного днища толщиной 8 мм с шестью отверстиями под сопла и выштампованной вогнутостью под центру с расточенным отверстием под пробку. К днищу приварен стальной переходной патрубок высотой 60 мм для обеспечения качественной приварки наконечника к фурме на монтаже. Наружный диаметр головки фурмы составляет 426 мм. Сопла выточены из меди марки МП с формой сопла Лаваля и рассчитаны на расход кислорода до 1500 м³/мин при критическом диаметре сопла 42 мм. Диаметр центрального отверстия, образованного секторными элементами 5, составляет 95 мм, наружный диаметр медной пробки 7-34 мм. Внутренний диаметр переходного патрубка 14 равен 410 мм, а наружный диаметр периферийной части разделителя 4-377 мм. При этих параметрах площадь кольцеобразного отверстия 13 составляет 0,3 от площади кольцевого зазора 15. Расход воды на фурму составлял 500 м³/ч, что обеспечивало скорость струи, направленную на центральную часть днища, порядка 20 м/с. Данные по стойкости фурм, выполненных в различных вариантах, приведены в нижеследующей таблице.

Кислородную фурму с патентуемой головкой рекомендуется применять на 300-тонных конвертерах, работающих на с высокой интенсивностью продувки (более 180 м³/мин на одно сопло). Испытания, проведенные в условиях конвертерного цеха Магнитогорского металлургического комбината, работающего с такой интенсивности продувки, показали повышение стойкости патентуемой головки фурмы по сравнению с прототипом в 5-6 раз.

Формула изобретения

1. МНОГОСОПЛОВАЯ ГОЛОВКА ФУРМЫ, содержащая сопла, расходящиеся от оси головки, медное днище и стальную муфту, соединенные составной стяжкой, выполненной из верхнего и нижнего элементов, переходной патрубок, состыкованный с днищем, и разделитель потока охладителя, отличающаяся тем, что разделитель выполнен составным из периферийной и центральной частей, при этом центральная часть разделителя, сопряженная с соплами, также выполнена составной из секторных элементов, образующих вокруг нижнего элемента стяжки кольцеобразное отверстие с площадью проходного сечения кольцевого зазора между периферийной частью разделителя и переходным патрубком, причем секторные элементы посажены на кольцевые упорные площадки, выполненные на наружной поверхности сопл.

2. Головка по п.1, отличается тем, что нижний элемент составной стяжки выполнен в виде медной глуходонной пробки, установленной в центральном отверстии днища и снабженной резьбовым гнездом, верхний элемент стяжки выполнен в виде стальной шпильки, завинченной в это гнездо.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3