Кислородная фурма для продувки жидкого металла

 

Использование: изобретение относится к черной металлургии, в частности, к конструкциям водоохлаждаемых фурм для продувки жидкого металла сверху в кислородных конвертерах. Сущность: фурма содержит концентрично расположенные трубы для подвода и отвода охлаждающей воды, подвода кислорода, торцевую головку с соплами для продувки ванны и удаленные от торца фурмы два ряда сопел для дожигания окиси углерода, которые ориентированы относительно друг друга поочередно при проекции на горизонтальную плоскость и выполнены в цельноточенных корпусах в виде двух цилиндрических входного и выходного участков. Выходные участки верхнего и нижнего рядов сопел смещены навстречу друг другу на величину, равную 0,1 - 0,9 диаметра входного участка, при соотношении площадей сечений входного и выходного участков сопел, равном 2 - 10. 7 ил., 1 табл.

Изобретение относится к области черной металлургии, в частности к конструкциям наконечников водоохлаждаемых фурм для продувки металла сверху в кислородных конвертерах.

Известна фурма для продувки жидкого металла, содержащая два яруса выходных сопел различного сечения, расположенных под разными углами к продольной оси фурмы (см. А. с. СССР N 438702, кл.C 21 C 5/48, 1974). Такая конструкция фурмы обеспечивает рассредоточение струи по поверхности ванны при одновременном создании направленного глубинного потока окислителя для интенсивного обезуглероживания расплава, перемешивание металла со шлаком и поддерживание оптимальной окисленности шлака в течение всей продувки, однако не позволяет организовать эффективное дожигание окиси углерода в полости конвертора.

Известна также кислородная фурма, содержащая основные сопла для продувки ванны и дополнительные для дожигания отходящих газов, отличающаяся от известных решений взаимным размещением основных и дополнительных сопел, а также соотношением критических сечений сопел (см. А. с. СССР N 1756364,кл. C 21 C 5/48, 29.05.90 г.). Такая конструкция фурмы позволяет повысить эффективность продувки за счет перераспределения кислорода между основными и дополнительными соплами, а также подачи кислорода из дополнительных сопел радиально или тангенциально направленными струями. Взаимное размещение основных и дополнительных сопел, а также соотношение их критических сечений обеспечивает повышение коэффициента дожигания, однако эффективность передачи тепла дожигания CO до CO₂ непосредственно металлическому расплаву сравнительно невелика, поскольку над ним располагается слой малотеплопроводного вспенившегося шлака. Кроме того конструктивное размещение основных и дополнительных сопел, их взаимная ориентация относительно друг друга усложняет технологичность изготовления фурмы.

Известна кислородная фурма с соплами для продувки ванны и специально выполненными в виде плоских диффузоров соплами для дожигания отходящих газов (см. А. с. СССР N 1330171 кл.C 21 C 5/48, 08.04.85 г.). Такая конструкция фурмы обеспечивает специализацию сопел по функциональному назначению: пространственная ориентация сопел для дожигания CO в сочетании с аэродинамическими характеристиками плоских струй обеспечивает веерообразный характер взаимодействия струй с восходящим потоком CO, что позволяет организовать не только эффективное протекание реакции обезуглероживания, но и дожигание части выделяющегося из ванны CO с эффективной теплопередачей тепла ванне. Однако данное конструктивное решение хотя и позволяет расположить зону дожигания CO до CO₂ в определенной области по высоте конвертера над шлакометаллической ванной, характеризуется низкой эффективностью дожигания окиси углерода в полости конвертера при перекрытии вспенивающимся слоем шлакометаллической эмульсии среза сопел для дожигания CO. В этом случае кислородные струи, истекающие из сопел для дожигания CO, воздействуют на слой шлака, способствуя чрезмерному переокислению последнего, образованию выбросов и износу футеровки.

При расположении в ходе продувки сопел для дожигания над поверхностью шлакометаллической эмульсии ощутимо снижается эффективность передачи тепла дожигания CO до CO₂ непосредственно металлическому расплаву, поскольку над ним располагается слой малотеплопроводного вспенивающегося шлака. Это ограничивает возможности фурмы в снижении расхода чугуна.

Наиболее близкой к изобретению по технической сущности является фурма для продува жидкого металла, снабженная несколькими рядами сопел, каждый из которых имеет индивидуальный подвод кислорода (см. А. с. СССР N 203737, кл. C 21 С 5/48, 28.11.66 г.), что позволяет интенсифицировать процесс продувки за счет изменения расхода кислорода на отдельные ряды сопел, создавая благоприятные условия для шлакообразования, однако степень дожигания окиси углерода при этом невелика, что не позволяет значительно снизить расход чугуна на плавку.

Кроме того данное конструктивное решение не обеспечивает достаточную стойкость из-за отсутствия охлаждения торцевой поверхности головки и имеет определенные сложности в технологии изготовления.

Задачей настоящего изобретения являются повышение стойкости фурмы, улучшение технологичности ее изготовления и экономия чугуна за счет повышения эффективности дожигания окиси углерода в полости конвертера.

Поставленная задача достигается тем, что в кислородной фурме для продувки жидкого металла содержатся концентрично расположенные трубы для подвода и отвода охлаждающей воды, подвода кислорода, торцовую головку с соплами для продувки ванны и удаление от торца фурмы для ряда сопел для дожигания CO, последние ориентированы относительно друг друга поочередно при проекции на горизонтальную плоскость и выполнены в цельноточенных корпусах в виде двух цилиндрических входных и выходных участков, при этом выходные участки верхнего и нижнего рядов смещены навстречу друг другу на величину, равную 0,1 0,9 диаметра входного участка сопла при соотношении площадей сечений входных и выходных участков сопел, равном 2 10.

Дутьевой режим плавки с использованием многорядных фурм должен обеспечивать сверхзвуковое "жесткое" истечение основных струй окислителя и низкоскоростное "мягкое" истечение струй последнего из дополнительных сопел.

Характерным при работе конвертера по обычной технологии является увеличение в период максимальных скоростей обезуглероживания расплава уровня ванны до 100.250% в сравнении с начальным состоянием. При этом снижается эффективность дожигания в объеме агрегата отходящих газов. В этот период плавки наконечник верхней фурмы заглублен в шлако-металлический расплав, чем и объясняется более высокая эффективность дожигания CO при использовании двухярусных фурм. Однако это чревато преждевременным износом верхних зон футеровки агрегата. Целесообразна организация дожигания отходящих конвертерных газов в специально создаваемых реакционных зонах выхода CO на поверхность ванны "свищевым" потоком", т.е. локализация данной зоны, что возможно при соприкосновении в глубине расплава струйных участков первичных реакционных зон.

Предлагаемая конструкция кислородной фурмы обеспечивает формирование составных кислородных струй, имеющих в нижнем внутреннем ряду сопел высокоскоростные "жесткие" струи и "мягкие" дозвуковые струи из сопел составных насадок, предназначенных для дожигания выделяющейся из ванны окиси углерода, причем воздействие дозвуковых струй определяется геометрическими параметрами составных сопловых насадок и несоосной ориентацией их относительно ванны.

Предложенная конструкция многорядной фурмы содержит ряд признаков, отличающих ее от известных технических решений (см. А. С. СССР N 438702,кл. C 21 C 5/48, 1974; А. С. СССР N 208737, кл. C 21 C 5/48, 1966; А. С. СССР N 1756364, кл. C 21 C 5/48, 1990; А. С. СССР N 1330171,кл. C 21 C, 5/48, 1985) и соответствует критерию "изобретательский уровень".

Выбранные соотношения смещения несоосно расположенных параллельных цилиндрических частей составных сопловых насадок (0,1.0,9 диаметра входного участка сопла), соотношения площади сечения выходных и входных участков сопел от 2 до 10, направление смещения цилиндрических участков на выходе из насадок по отношению к входным участкам (для верхнего ряда вниз, для нижнего ряда вверх), а также ориентация осей составных сопловых насадок относительно друг друга при проекции на горизонтальную плоскость на угол α/2/2 (где a - угол между соседними составными сопловыми насадками на одном из уровней), иначе говоря поочередно определены экспериментально с точки зрения обеспечения максимального дожигания выделяющейся окиси углерода.

При превышении значений верхних пределов величины смещения в вертикальной плоскости осей цилиндрических частей насадок переменного сечения (более 0,9 диаметра входного участка) и соотношения площадей сечений выходных и входных участков (более 10) снижается эффективность дожигания окиси углерода в полости конвертера, поскольку не обеспечивается оптимальная подача встречных и сопровождающих окислительных потоков через насадки переменного сечения в направлении потока выделяющейся из ванны окиси углерода, организация дожигания CO в специально создаваемых реакционных зонах выхода ее на поверхность ванны, происходит переокисление шлака, что приводит к образованию выбросов к износу футеровки, также увеличивает поднос газо-шлако-металлической эмульсии в выходные отверстия сопел для дожигания.

При уменьшении значений нижних пределов величины смещения в вертикальной плоскости осей цилиндрических частей насадок переменного сечения (ниже 0,1 диаметра входного участка) и соотношения площадей сечений выходных и входных участков (менее 2), также снижается эффективность дожигания окиси углерода в полости конвертера, т. к. вокруг основных сверхзвуковых струй формируются близкие по истечению к скорости звука струи кислорода нижнего и верхнего рядов насадок, воздействующие на ванну аналогично основным потокам, окисляя примеси металлического расплава.

Предусмотренное смещение осей параллельных цилиндрических частей насадок переменного сечения для выходных отверстий верхнего ряда вниз, а нижнего - вверх (навстречу друг другу) способствует турбулизации потока, его закручиванию, улучшая условия встречи и смешивания кислорода с выделяющимися из ванны объемами окиси и углерода.

С целью полного и гарантированного перекрытия (экранизации) кислородными струями выделяющихся объемов окиси углерода, составные сопловые насадки, расположенные на разных уровнях по высоте фурмы, смещены на угол a относительно друг друга при проекции их на горизонтальную плоскость (где a угол между соседними составными сопловыми насадками на одном из уровней), т.е. ориентированы относительно друг друга поочередно при проекции на горизонтальную плоскость.

На фиг. 1 представлен продольный разрез описываемой фурмы; на фиг. 2, 3 поперечные разрезы фурмы по B-B и C-C фиг. 1 и величина смещения на угол a/2/2/2/2 относительно друг друга составных сопловых насадок, расположенных на разных уровнях по высоте фурмы и при проекции их на горизонтальную плоскость; на фиг. 4, 5- вид составных сопловых насадок по стрелкам F и G, на фиг. 6, 7 сечение нижних (D-D) и верхних (E-E) составных сопловых насадок.

Фурма состоит из трубы 1 подвода основного потока кислорода и концентрично расположенных относительно нее коаксиальных труб 2 4. Концентрично расположенные тракты между трубами 1 и 2, 3 и 4 предназначены соответственно для подвода и отвода воды. В нижней части коаксиальных труб расположена головка, состоящая из штампованной чаши 5 и цельноточеного корпуса 6. Имеется несколько рядов сопел, расположенных по окружности: 7 для подачи основного потока кислорода на продувку; 8 и 9 для подачи кислорода на дожигание окиси углерода.

Сопла 8, 9 выполнены в цельноточеных корпусах 6, 10 соответственно в виде составных сопловых насадок переменного сечения, состоящих из двух несоосно расположенных параллельных цилиндрических частей со смещением их осей в вертикальной плоскости, проходящей через эти оси, причем выходные отверстия сопел 8 смещены вверх (фиг. 4, вид G), а сопел 9 вниз (фиг. 4, вид F). Цельноточеный металлический корпус 6 имеет проточки 11 для прохода охлаждающей воды. Корпус 10 имеет проточки 12 и 13 для прохода соответственно кислорода из кольцевого зазора 14 и охлаждающей воды.

Выполнение сопел 8 и 9 в цельноточеных корпусах 6, 10 позволяет обеспечить упрощение конструкции фурмы и технологичность ее изготовления за счет уменьшения числа сварных швов, а предусмотренные проточки 11, 13 для прохода охлаждающей воды в цельноточеных корпусах 6, 10 способствуют улучшению охлаждения межсоплового пространства головки и повышению стойкости фурмы.

Опробование фурмы проводится при продувке металла в 150-килограммовом лабораторном конвертере.

В таблице приведены данные опробования известной фурмы и предлагаемой при различных значениях смещения осей параллельных цилиндрических частей сопловых насадок k 0,1.0,9, где значения k выходят и за заявленные граничные условия; при различных значениях соотношения площадей сечений выходных и входных участков S_вых/S_вх 2.10, где значения S_вых//S_вх выходят и за заявленные граничные условия. Угол между соседними составными насадками на каждом уровне выполняется одинаковым и равным 45^o. При этом фурма с двумя рядами цилиндрических сопел для дожигания, является базовым вариантом.

Данная фурма за счет обеспечения одновременного интенсивного протекания процессов шлакообразования и обезуглероживания при оптимальной окисленности шлака в течение всей продувки металла, а также ориентации встречных и сопровождающих потоков кислорода, истекающих из составных сопловых насадок, позволяет более эффективно дожигать CO до CO₂, способствуя интенсивному перемешиванию кислорода и окиси углерода во встречных потоках, в пределах образующихся реакционных зон с непосредственной передачей тепла металлическому и шлаковому расплаву.

Во всех вариантах расход технологического кислорода, подаваемого на продувку, составлял 4,5 м³/т·мин, на дожигание окиси углерода 1,8 м³/т·мин. Продувался чугун, содержащий 4,2% C, 0,60% Si, 0,42% Mn, 0,043% S и 0,068% P. Температура чугуна при заливке составляла 1350^oC. Во всех случаях охлаждение ванны осуществляли металлическими шарами, загружаемыми в конвертер до и в ходе продувки. В качестве углеродсодержащих материалов использован антрацит марки AC, который присаживали после заливки чугуна в количестве 0,5% отвеса металлошихты. Известь и плавиковый шпат задавали двумя порциями по ходу продувки в количестве соответственно 7,1 и 0,25% от веса металлошихты. Продувку вели до момента падения факела, что соответствовало содержанию 0,05 0,08% C.

Эффективность предложенной фурмы оценивается по продолжительности продувки, содержанию CO₂ в отходящих газах, доле лома в металлозавалке, выходу жидкой стали, температуре металла на повалке, содержанию FeO в конечном шлаке, степени десульфурации и дефосфорации металла.

Наилучшие технологические результаты получены при испытании фурм 2 4 (оптимальный вариант). В случае превышения или уменьшения конструктивных параметров относительно заявляемых значений (фурмы 5, 6) наблюдалось существенное снижение технологических показателей, в частности доли лома в металлозавалке и выхода жидкой стали, наблюдалось переокисление шлака, уменьшение степени десульфурации и дефосфорации металла.

Использование предлагаемой конструкции кислородной фурмы обеспечивает по сравнению с известной (базовой) фурмой следующие преимущества: повышение эффективности дожигания окиси углерода в полости конвертера; увеличение доли перерабатываемого лома в металлической части шихты и соответственно снижение расхода жидкого чугуна; увеличение выхода жидкой стали; сокращение продолжительности продувки; повышение степени десульфурации и дефосфорации металла.

По сравнению с базовой фурмой (см. прототип) эта фурма позволяет увеличить расход лома на 2,2 3,2 и соответственно снизить расход жидкого чугуна на плавку.

При одинаковом режиме охлаждения вид отработанных головок известной и заявляемой фурм показал, что уменьшение числа сварных швов в случае заявляемой фурмы способствовало существенному увеличению стойкости головки фурмы. Стойкость головок фурм 2 4 превышает аналогичный показатель эксплуатации фурм 5 6 предотвращается возникновение застойных зон в межсопловом пространстве, не происходит заметалливания наружной трубы из-за меньшего агрессивного воздействия брызг металла и шлака, что объясняется лучшей организацией дутьевого режима. 2 4

Формула изобретения

Кислородная фурма для продувки жидкого металла, содержащая расположенные трубы для подвода и отвода охлаждающей воды, подвода кислорода, торцевую головку с соплами для продувки ванны и удаленные от торца фурмы два ряда сопл для дожигания окиси углерода, отличающаяся тем, что сопла для дожигания окиси углерода ориентированы относительно друг друга поочередно при проекции на горизонтальную плоскость и выполнены в цельноточенных корпусах в виде двух цилиндрических входного и выходного участков, при этом выходные участки верхнего и нижнего рядов смещены навстречу друг другу на величину, равную 0,1-0,9 диаметра входного участка сопла, при соотношении площадей сечений входных и выходных участков сопл, равном 2-10.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8