Многосопловой наконечник устройства для плавления

 

Изобретение относится к металлургии, а именно к устройствам для переплава металлического лома. В многосопловом наконечнике устройства для плавления центральное и дополнительные сопла сообщены с каналом подачи окислителя, дополнительные сопла расположены под углом 10-20^o к продольной оси наконечника в направлении от этой оси по ходу движения окислителя, периферийные сопла сообщены с каналом подачи топлива, и их выходные отверстия расположены по двум окружностям, при этом диаметр одной из окружностей, на которой расположены выходные отверстия периферийных сопел, превышает диаметр окружности, на которой расположены выходные отверстия дополнительных сопел, и периферийные сопла, расположенные на ней, наклонены от продольной оси наконечника по ходу движения топлива на угол до 5^o с возможностью схватывания исходящими струями топлива струй окислителя, исходящих из дополнительных сопел. Изобретение обеспечивает эффективную работу горелки в период разогрева металлического лома, использование кислородной струи с повышенной проникающей способностью для подрезки и осаждения шихты и снижение уровня шумового давления. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к металлургии, а именно к устройствам для переплава металлического лома.

Известна газовая горелка, содержащая цилиндрический Т-образный воздухоподводящий корпус с выходными воздушными патрубками, соосно установленную в нем Т-образную газовую трубу с выходными газовыми патрубками, на выходных концах которых установлены цилиндрические стабилизаторы с передними и задними торцами и периферийными отверстиями, при этом в стабилизаторах выполнены осевые каналы, имеющие входные конфузорные и выходные диффузорные участки, сопряженные между собой цилиндрическими участками, причем конфузорные участки выполнены в виде усеченных конусов с углом раскрытия, равным 44-46^o, передние торцы стабилизаторов выполнены в виде усеченных конусов с углом раскрытия, равным 44-46^o, меньшие основания которых обращены к патрубкам, периферийные отверстия расположены под углом 29-31^o к оси стабилизаторов по ходу движения потока, а суммарная площадь их проходного сечения цилиндрического участка, диаметры выходных патрубков воздухоподводящего корпуса и газовой трубы относятся как 2,5:1, а разность длин газового и воздушного выходных патрубков равна двум диаметрам газового патрубка (RU, патент 2016353, МПК F 23 D 14/20, приоритет 04.10.91).

К недостаткам известного решения относятся относительно низкий коэффициент полезного действия - КПД, обусловленный слабой устойчивостью горения факела и повышенным расходом топлива.

Известен многосопловый наконечник устройства для плавления, содержащий корпус, выполненный с одним центральным соплом, расположенным вдоль продольной оси, с дополнительными соплами, равномерно расположенными по окружности, и с периферийными наклонными соплами (SU, патент 1330408, МПК F 23 D 14/20, приоритет 31.03.86).

Известное устройство при использовании не обеспечивает полное сжигание топлива в режимах изменения соотношения газ - воздух от 1:4 до 1. Это приводит к снижению КПД, сокращает объем теплоносителя, а также увеличивает содержание угарного газа в продуктах сгорания.

Задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является ускорение нагрева и расплавления металлического лома в электродуговой печи за счет эффективного сжигания топливо, в частности газообразного, в различных режимах работы горелки и использования энергии жесткой режущей струи кислорода. Технический результат заключается в обеспечении эффективной работы горелки в период разогрева металлического лома, использовании кислородной струи с повышенной проникающей способностью для подрезки и осаждения шихты и снижения уровня шумового давления.

Указанный технический результат достигается за счет того, что в многосопловом наконечнике устройства для плавления, содержащем корпус, выполненный с одним центральным соплом, расположенным вдоль продольной оси, с дополнительными соплами, равномерно расположенными по окружности, и с периферийными наклонными соплами, центральное и дополнительные сопла сообщены с каналом подачи окислителя, дополнительные сопла расположены под углом 10-20^o к продольной оси наконечника в направлении от этой оси по ходу движения окислителя, периферийные сопла сообщены с каналом подачи топлива и их выходные отверстия расположены по двум окружностям, при этом диаметр одной из окружностей, на которой расположены выходные отверстия периферийных сопел превышает диаметр окружности, на которой расположены выходные отверстия дополнительных сопел, и периферийные сопла, расположенные на ней, наклонены от продольной оси наконечника по ходу движения топлива на угол до 5^o с возможностью охватывания исходящими струями топлива струй окислителя, исходящих из дополнительных сопел, а периферийные сопла, выходные отверстия которых расположены на одной окружности с выходными отверстиями дополнительных сопел, наклонены к продольной оси наконечника по ходу движения топлива на 8-16^o с возможностью схватывания исходящими струями топлива струи окислителя, исходящего из центрального сопла.

Кроме того, лицевая поверхность наконечника может быть выполнена с кольцевым углублением, образованным двумя коническими поверхностями и плоской кольцевой поверхностью, расположенной между коническими поверхностями, при этом выходные отверстия периферийных сопел, расположенных на окружности с большим радиусом, расположены на плоской поверхности углубления, а выходные отверстия других периферийных сопел и дополнительных сопел расположены на конической поверхности углубления, расположенной ближе к продольной оси наконечника, при этом периферийный участок лицевой поверхности выступает за пределы расположения ее центрального участка, на котором размещено выходное отверстие центрального сопла.

Кроме того, периферийные наклонные сопла могут быть выполнены одинакового или разного диаметра.

На фиг. 1 изображен продольный разрез наконечника; на фиг.2 - вид А по фиг.1.

Многосопловой наконечник (фиг.1,2) имеет одно центральное сопло 1, выполненное коническим и расположенное по оси горелки с площадью сечения, составляющей 1/4-1/3 от общей площади кислородных отверстий, дополнительными соплами 2, выполненными цилиндрическими и равномерно расположенными по окружности под углом 10-20^o относительно продольной оси наконечника в направлении от этой оси по ходу движения среды и сообщающимися с каналом подачи окислителя, и периферийными соплами 3 для топлива, выходные отверстия которых попарно расположены над выходными отверстиями дополнительных сопел 2 на диаметре, превышающем диаметр окружности выходных отверстий дополнительных сопел 2, и периферийными соплами 4 для топлива, выходные отверстия которых расположены по диаметру выходных отверстий дополнительных сопел 2.

При достаточном избыточном давлении в коническом центральном сопле 1 образуется поток со скоростью, превышающей скорость звука. Заданное сечение сопла позволяет обеспечить режущую способность центрального потока на большем расстоянии от среза наконечника. При увеличении площади сечения центрального сопла 1 более 1/3 от общей площади кислородных отверстий уменьшится поток окислителя, поступающего к периферийным соплам 3, выходные отверстия которых расположены на большем диаметре, предназначенном для подачи топлива для разогрева лома вокруг режущей струи, и резка будет происходить с меньшей эффективностью.

Дополнительные сопла 2 выполнены цилиндрическими, количество их выбрано из конструктивных условий, они равномерно расположены по окружности и наклонены под углом 10-20^o относительно продольной оси наконечника в направлении от этой оси по ходу движения среды. При выполнении дополнительных сопел 2 под углом наклона менее 10^o факел удлиняется за счет ухудшения смешения топлива и окислителя, в результате чего уменьшается площадь сечения факела и, как следствие, площадь нагреваемого лома. При увеличении угла наклона более 20^o при высоких скоростях истечения окислителя нарушается взаимодействие между струями из-за увеличения расстояния между ними. Факел по периферии укорачивается за счет увеличения площади взаимодействия с кислородом окружающей среды, и разбивается на отдельные струи. Дополнительные сопла 2 выполнены цилиндрическими для лучшей организации смешения за счет более низких, до звуковых скоростей истечения потоков.

Выходные отверстия периферийных сопел 3 попарно расположены над выходными отверстиями дополнительных сопел 2 на диаметре, превышающем диаметр окружности, на которой расположены выходные отверстия дополнительных сопел 2, наклоненные от продольной оси наконечника по ходу движения топлива до 5^o. Угол выбран из условия, что угол атаки топливных струй, исходящих из периферийных сопел 3, выходные отверстия которых находятся на большем радиусе, и кислородных струй, исходящих из дополнительных сопел 2, должен соответствовать 10-20^o, при этом достигается оптимальная длина и ширина периферийной части факела.

Периферийные сопла 4, выходные отверстия которых расположены на меньшем радиусе, предназначены для подведения энергоносителя к центральной струе кислорода в соотношении 1:2 в период нагрева шихты и увеличения дальнобойности кислородной сверхзвуковой струи в период резки лома. Увеличение дальнобойности происходит за счет уплотнения жесткой струи кислорода горячими продуктами горения топлива, подаваемого с относительно низкой скоростью через периферийные сопла 4, образующимися на границе высокоскоростной струи кислорода. Из опыта эксплуатации устройств мощностью 10 МВт в качестве дверной горелки, используемой в составе энергетического режима электросталеплавильного производства, дальнобойность режущей струи кислорода с сохранением режущих свойств достигнет 1-1,3 м. Периферийные сопла 4, выходные отверстия которых расположены на меньшем радиусе, наклонены к продольной оси горелки под углом 8-16^o. При уменьшении угла менее 8^o ухудшается смешение топлива и окислителя, факел удлиняется в период нагрева шихты, что при близком расположении шихты от среза горелки приводит к повышенному химическому недожогу топлива. При увеличении угла более 16^o происходит дробление режущей струи кислорода струями газа, истекающими из сопел 4 в период резки предварительно разогретого лома. Использование устройства в составе вспомогательного оборудования электродуговой сталеплавильной печи позволяет активизировать темп проведения плавки за счет организации факельного подогрева и плавления металлошихты (топливный режим), а также периода дожигания углеродсодержащих составляющих в шихте или продуктов окисления углерода в расплаве (окислительный режим).

Устройство устанавливается стационарно на стеновой панели, например электродуговой печи (стеновая горелка), или в рабочем окне (дверная горелка) на управляемом манипуляторе. В случае установки горелки на манипуляторе она перемещается в горизонтальном и вертикальном направлениях. В зависимости от назначения устройства оно может быть различной тепловой мощности. В частности, в условиях 120 т электродуговой сталеплавильной печи Молдавского металлургического завода оптимальной величиной тепловой мощности стеновой газокислородной горелки признано 3,6-4 МВт, дверной - 7-10 МВт.

Факельный режим работы устройства осуществляется в начальный период плавки - при нагреве холодной металлошихты и ее плавления (резки). Для работы в режиме нагрева холодной шихты необходимо получить укороченный, высоко температурный факел с достаточно высокой, но ограниченной условиями расположения устройств в непосредственном контакте с холодной шихтой скоростью, т.к. при этом возможно повреждение панелей водоохлаждаемой системы 5 отраженными струями. Кроме этого, при близком расположении шихты от среза горелки не происходит полного смешения газа и кислорода и, как следствие, повышается химический недожог топлива со снижением температуры факела. Скорость факела в режиме разогрева поддерживается на заданном уровне для получения струй с адиабатическими характеристиками, близкими к характеристикам идеального газа. Максимальная температура факела достигается при соотношении газ - кислород, близком к стехиометрическому (1:2,4-2,7). Длина факела регулируется за счет обеспечения оптимального распределения скоростей истечения газовых и кислородных струй и углов их атаки.

Запуск горелки в период нагрева осуществляется при тепловой мощности, составляющей 50% от максимальной, и принятом соотношении энергоносителей. При соблюдении заданных условий, например при использовании горелки мощностью 10 МВт, смещение адиабатических струй кислорода и газа, истекающих при скорости 150-170 и 70-80 м/с соответственно, образует равномерный факел с углом раскрытия 35-40^o, длиной 1,5-1,7 м и с температурой более 3000^oС.

По мере разогрева шихты (обеспечивается переход к режиму плавления (резки) с увеличением тепловой мощности и длины факела за счет наращивания расхода энергоносителей до максимальных значений при поддержании заданного соотношения газ - кислород. Скорость истечения энергоносителей увеличивается: кислорода - до критической, топлива - до 150-170 м/с. На центральном сопле 1 в силу его конической формы образуется сверхзвуковая жесткая режущая струя. Топливно-кислородная смесь, поступающая из периферийных сопел 3 и дополнительных сопел 2, при сгорании образует короткий высокотемпературный факел, позволяющий разогреть шихту в зоне ее контакта с факелом. Центральная сверхзвуковая струя кислорода проплавляет в предварительно нагретом ломе отверстие и в него направляются потоки из периферийной части горелки, одновременно расширяя зону плавления.

Период окисления осуществляется после образования в массе металлошихты проплавленной полости, при полном внедрении в нее факела посредством снижения расхода газа через периферийные сопла 3 и 4 до обеспечения соотношения газ - кислород 1:4-1:7 при постоянном расходе кислорода через сопла 1 и 2.

Устройство работает следующим образом.

В штатном режиме разогрева по центральному каналу горелки подводится окислитель и разделяется на два потока. Первый поток истекает из центрального сопла 1, расположенного по оси наконечника, второй поток - из, например, шести дополнительных сопел 2, расположенных под углом 10-20^o к продольной оси. При этом скорости истечения при максимальной (расчетной) нагрузке распределяются следующим образом: скорость потоков, истекающих из дополнительных сопел 2, близка к критической и, в зависимости от температуры среды, равна 240-280 м/с, скорость потока, истекающего из центрального сопла 1, равна 1,8 дробленных на отдельные струи для улучшения смешения топлива и окислителя.

Одновременно с окислителем в зону горения подается топливо. Природный газ к сопловому наконечнику подводится по кольцевому зазору, образованному между центральной кислородной трубой и водоохлаждаемым корпусом горелки, и истекает через периферийные сопла 3, выходные отверстия которых расположены на большом радиусе под углом до 5^o к продольной оси наконечника и периферийные сопла 4, выходные отверстия которых расположены на меньшем радиусе под углом 8-16^o к центральной оси горелки (по ходу). Скорость истечения топливных потоков одинаковая и составляет 150-170 м/с. Площадь периферийных сопел 1 обеспечивает подачу топлива к центральной струе кислорода с установленной скоростью в количестве, соответствующем количеству кислорода, исходящего из центрального сопла 1 при соотношении 1:2,4-1:2,7. Суммарная площадь периферийных сопел 3 и дополнительных сопел 2 должна обеспечить подачу сред в заданном соотношении.

При использовании устройства в факельном режиме организуемые периферийными соплами 3 составляющие топливного потока, взаимодействуя с окислителем печной атмосферы и с частью кислорода, направляемого через сопла 2, формируют внешнюю поверхность факела, характеризующуюся преимущественной тепловой мощностью. Сжигание топлива, направляемого из периферийных сопел 4, обеспечивается за счет окислителя из дополнительных сопел 2 (с относительно низкой скоростью) и сверхзвуковой центральной струи, направляемой из сопла 1. Продукты сжигания вторичного потока топлива обеспечивают условия для уплотнения центрального потока окислителя, что позволяет обеспечить увеличение дальнобойности факела в целом.

Изменение содержания топлива в составе факела позволяет регулировать температурные и аэродинамические свойства факела, обеспечивая при этом топливный или окислительный режим его использования.

При переходе на окислительный режим (при соотношении составляющих газ - кислород 1: 4-1: 7) в зависимости oт требований технологии плавки обеспечивается сжигание органических соединений в составе металлошихты или дожигания выделяющейся из расплава окиси углерода, повышая энергоемкость процесса плавления за счет использования альтернативного топлива непосредственно в рабочем пространстве печи.

Лицевая поверхность наконечника, в условиях дверной газокислородной горелки, выполняется с кольцевым углублением, образованным двумя коническими поверхностями и плоской кольцевой поверхностью, расположенной между коническими поверхностями. Назначением установленной экспериментальным путем фронтальной поверхности, выступающей за пределы центрального участка, является отражение механических колебаний, возникающих при выходе высокоскоростных струй из сопла в сторону развития факела.

Высокочастотные звуковые волны, характерные для истечения высокоскоростного газового потока, фокусируются поверхностью наконечника и отражаются в зону рыхлой структуры проплавляемой шихты, где гасятся. На практике достигается снижение уровня шумового давления с 146 дБ до 124 дБ, что соответствует общему шумовому фону дуговой сталеплавильной печи, отличаясь от него только по частотным характеристикам.

Периферийные наклонные сопла могут быть выполнены одинакового или разного диаметра.

Изобретение соответствует условию охраноспособности "промышленная применимость", поскольку осуществимо с использованием существующих средств производства, применяемых по известным технологическим процессам. Применение изобретения позволяет повысить эффективность работы горелки в период разогрева металлического лома, а также использовать кислородную струю с повышенной проникающей способностью для подрезки и осаждения шихты и снижения уровня шумового давления.

Формула изобретения

1. Многосопловой наконечник устройства для плавления, содержащий корпус, выполненный с одним центральным соплом, расположенным вдоль продольной оси, с дополнительными соплами, равномерно расположенными по окружности, и с периферийными наклонными соплами, отличающийся тем, что центральное и дополнительные сопла сообщены с каналом подачи окислителя, дополнительные сопла расположены под углом 10-20^o к продольной оси наконечника в направлении от этой оси по ходу движения окислителя, периферийные сопла сообщены с каналом подачи топлива и их выходные отверстия расположены по двум окружностям, при этом диаметр одной из окружностей, на которой расположены выходные отверстия периферийных сопел, превышает диаметр окружности, на которой расположены выходные отверстия дополнительных сопел, и периферийные сопла, расположенные на ней, наклонены от продольной оси наконечника по ходу движения топлива на угол до 5^o с возможностью охватывания исходящими струями топлива струй окислителя, исходящих из дополнительных сопел, а периферийные сопла, выходные отверстия которых расположены на одной окружности с выходными отверстиями дополнительных сопел, наклонены к продольной оси наконечника по ходу движения топлива на 8-16^o с возможностью схватывания исходящими струями топлива струи окислителя, исходящего из центрального сопла.

2. Многосопловой наконечник по п. 1, отличающийся тем, что лицевая поверхность наконечника выполнена с кольцевым углублением, образованным двумя коническими поверхностями и плоской кольцевой поверхностью, расположенной между коническими поверхностями, при этом выходные отверстия периферийных сопел, расположенных на окружности с большим радиусом окружности, расположены на плоской поверхности углубления, а выходные отверстия других периферийных сопел и дополнительных сопел расположены на конической поверхности углубления, расположенной ближе к продольной оси наконечника, при этом периферийный участок лицевой поверхности выступает за пределы расположения ее центрального участка, на котором размещено выходное отверстие центрального сопла.

3. Многосопловой наконечник по п. 1, отличающийся тем, что периферийные наклонные сопла выполнены одинакового или разного диаметра.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2

MM4A Досрочное прекращение действия патента из-за неуплаты в установленный срок пошлины заподдержание патента в силе

Дата прекращения действия патента: 31.12.2010

Дата публикации: 10.12.2011

---