Система подачи газа для металлургических печей и способ ее использования

Изобретение относится к области металлургии, в частности к системе подачи газа в металлургическую печь. Система содержит по меньшей мере одну фурму, расположенную в боковой стенке или днище печи. На трубопроводе для транспортировки газа перед фурмой или на фурме расположено дроссельное устройство, которое уменьшает или прерывает подачу газа внутрь печи через равные промежутки времени. Для обводного трубопровода предусмотрено запорное устройство, обеспечивающее подачу газа через обводные трубопроводы в определенных фазах продувки, в частности в фазах с низкой интенсивностью продувки. Использование изобретения обеспечивает ослабление или подавление "back-attack"-эффект, что проводит к снижению износа огнеупоров и лучшему использованию газа. 2 н. и 4 з.п. ф-лы, 6 ил.

 

Изобретение касается системы подачи газа, а также способа использования такой системы на металлургических печах, в которых дутье подается через боковую стенку или через днище, в частности на конвертерах для выплавки углеродистых или нержавеющих сталей с по меньшей мере одной фурмой, расположенной в боковой стенке и/или в днище печи, при этом газ подается через трубопровод к фурме и через нее направляется внутрь металлургической печи.

Для выплавки нержавеющей стали известен, например, конвертер типа AOD (Argon-Oxygen-Decarburisation) с расположенными сбоку фурмами, в то время как для получения стали другого сортамента применяются конвертеры, в которых фурмы располагаются в днище. В обоих типах конвертеров к фурмам подаются различные смеси из кислорода и аргона. Фурмы при продувке располагаются под зеркалом расплава. При работе подобного типа конвертеров возникает феномен, который в литературе стал известен под названием "back-attack" и был выявлен с помощью высокоскоростной фотографии.

"Back-attack"-феномен описан в статье "Characteristics of Submerged Gas Jets And A New Bottom Blowing Tuyere" Т.Аоки, С.Масуда, А.Хатоно и М.Тага и опубликован в "Injection Phenomena in Extraction and Refining", ed. By A.E. Wrait, April 1982, стр.А1-36. С помощью фиг.5 и 6 этот "back-attack" описывается более подробно.

На фиг.5 показаны 5 стадий отдельных временных этапов при входе газовой струи в металлический расплав и "back-attack"-эффект.

В первой фазе газовая струя 101 выходит почти горизонтально в металлический расплав 103 из горизонтально расположенной фурмы 102 (фиг.5, фрагмент 1). При этом образуется столб пузырьков газа 104. Во второй фазе происходит дальнейшая экспансия газовых пузырьков в расплаве 103 (фрагмент 2). Затем происходит образование шейки 105 «стержня» из пузырьков, а также «опадение» (фрагмент 3) и наконец наступает образование большого пузыря (106) (фрагмент 4). В этот момент газовая струя 101 бьет в стенку образовавшейся в расплаве каверны и отклоняется в направлении стенки конвертера, выполненной из огнеупорного материала 107, что собственно и составляет "back-attack"-эффект. Затем на фрагменте 5 наступает состояние, аналогичное показанному на фрагменте 1, и процесс повторяется.

Этот процесс, названный "back-attack", оказывает многогранное отрицательное воздействие. В частности, стенка конвертера подвергается ударной нагрузке в месте, перпендикулярном оси вращения конвертера, с типовой частотой 2-12 Гц. Это ведет к колебаниям конвертера и его приводных устройств. Вызванные этим микроскопические смещения в опорах конвертера (обычно это конические роликовые подшипники) и между большой и взаимодействующими с ней малыми зубчатыми шестернями в приводе конвертера ведут при недостаточной смазочной пленке к увеличению трения и быстрому износу. Колебания могут привести также к вибрационному разрушению упоров, предотвращающих проворачивание привода конвертера, и фундамента конвертера, если последний выполнен в виде стальной конструкции. При современном уровне техники противостоять этому можно только путем усиления и увеличения опор, а также с помощью специальных фиксирующих устройств на приводе конвертера. Но оба эти мероприятия связаны с большими инвестиционными затратами.

Кроме того, ударная нагрузка вызывает значительную эрозию огнеупорной стенки конвертера в области фурмы. Этот эффект также был смоделирован (см. названную выше статью "Injection Phenomena in Extraction and Refining"). При этом в модели конвертера в качестве огнеупорного материала применяли строительный раствор, сам же расплав моделировали разжиженной соляной кислотой. Продувка осуществлялась через фурмы в днище. Как при давлении продувки 4, так и 50 кг/см² вокруг фурмы возникала типичная вогнутая эрозионная впадина, которая при меньшем давлении была больше.

Ускоренный износ в этой зоне ограничивает время компании конвертера в пределах 80-100 плавок. После этого требуется замена всей футеровки конвертера, хотя вне области фурмы она остается пригодной для использования. Это обстоятельство отрицательно сказывается на экономичности конвертерного процесса.

Кроме того, большой объем оторвавшегося газового пузыря ведет к неблагоприятному, то есть уменьшенному соотношению поверхности контакта к объему пузырьков. В связи с этим реакция между газом и металлическим расплавом идет медленнее, использование кислорода становится хуже, уменьшается перемешивание металла и поверхностного шлака. В результате увеличивается количество газа, необходимого для ведения процесса, и, следовательно, затраты на производство возрастают.

Из литературы известны различные методы, направленные на ослабление и по возможности устранение "back-attack"-эффекта и снижение описанных выше его отрицательных последствий. Одним из подобного рода методов является метод (см. названную выше статью в "Injection Phenomena in Extraction and Refining"), заключающийся в том, чтобы отказаться от фурм круглого сечения и вместо них применять фурмы, имеющие форму поперечного сечения в виде шлица. Однако эти фурмы более трудны в изготовлении и их сложнее устанавливать. При этом практически невозможно изготовить шлицевые фурмы с кольцевой щелью. Разность давления во внутренней трубе и кольцевой щели самым различным образом воздействует на растяжение внутренней трубы, в результате чего происходит непроизвольное и неравномерное изменение поперечного сечения кольцевой щели. В связи с этим подобный метод не нашел применения.

При упомянутых исследованиях на модели давление продувки было повышено с обычных 15 атм (при котором ударная нагрузка была максимальной) до значений 80 кг/см² (см. упомянутую выше статью в "Injection Phenomena in Extraction and Refining). Получившиеся соотношения представлены на фиг.6. Здесь же показано влияние повышающегося давления продувки на "back-attack"-эффект при применении фурмы круглого сечения с внутренним диаметром 1,7 мм, при этом по условиям моделирования азот вдувался в воду. При увеличении давления продувки отчетливо наблюдается снижение частоты "back-attack", так как в этом случае пузырь газа простирается на большее расстояние. Суммарный импульс струи первоначально повышается с увеличением давления продувки, чтобы потом снизиться при давлении продувки примерно 15 кг/см².

Другим методом для влияния на "back-attack"-эффект является применение кольцевой фурмы с или без завихряющей насадки, имеющей спиральную форму (см. "Back-attack of Gas Jets wiht Submerged Horizontally Blowing and lts Effects on Erosion and Wear of Refractory Lining", J.-H. Wei, J.-C. Ma, Y.-Y. Fan, N.-W.Yu, Yang и S.-H. Xiang, 2000 Ironmaking Conference Proceedings, стр. 559-569). Здесь потоку газа с помощью спиральной насадки придается вращательное движение, которое в итоге должно привести к лучшему перемешиванию ванны, меньшему размеру пузырьков и таким образом к снижению "back-attack"-эффекта, что, в свою очередь, приводит к снижению износа огнеупоров и лучшему использованию газа. Недостатком этого метода является более высокие потери давления в фурмах со спиральными насадками. Это, в свою очередь, требует более высокого начального давления газа, которое можно обеспечить не во всех случаях.

В связи с этим задачей изобретения является уменьшение или устранение "back-attack"-эффекта в металлургических печах при отсутствии названных выше недостатков.

Решение этой задачи заключается в системе подачи газа с признаками пункта 1 и в способе с признаками пункта 7 формулы изобретения.

Предлагается, что система подачи газа металлургической печи имеет расположенное перед или приданное фурме дроссельное устройство, которое периодически снижает или прерывает подачу газа в полость печи. Таким образом достигается то, что пузырьки газа отрываются от края фурмы со значительно более короткими временными промежутками, по сравнению с общепринятым непрерывным газовым потоком. Благодаря этому с самого начала образуются небольшие пузырьки газа, и отрицательное воздействие "back-attack" на стенку печи многократно уменьшается. Одновременно обеспечивается повышение соотношения поверхности контакта к объему пузырьков.

В части способа предлагается, что поток газа в полость печи периодически уменьшается или прерывается с частотой выше 5 Гц, и таким образом весь поток разделяется на малые единичные объемы. Установлено, что начиная с частоты около 5 Гц, частота включений дроссельного устройства дает отчетливое уменьшение максимальной амплитуды давления при примерно равной частоте. Подобное благоприятное уменьшение амплитуды давления может быть усилено при увеличении частоты включений, и наилучшие результаты получаются при частоте включений, например, 20 Гц и выше.

Дроссельное устройство расположено в газопроводе для подвода газа к фурме и по возможности ближе к выходу фурмы.

Принципиально речь может идти о любом виде дроссельных устройств или агрегатах для газовых потоков. В частности, предлагается применение устройства механического типа, предпочтительно магнитного или сервоклапана.

Расположение дроссельных устройств должно выбираться преимущественно таким образом, чтобы их можно было обойти трубопроводом. Для этой цели система имеет запираемые обводные трубопроводы, которые приданы действующим трубопроводам с интегрированным дроссельным устройством. В этом случае появляется возможность в определенных фазах продувки, например, в фазах с низкой интенсивностью, в которых "back-attack"-эффект почти не проявляется, осуществлять подачу газа только через обводные трубопроводы и не использовать регулирование с помощью дроссельных устройств. Одновременно подобное устройство позволяет вести работу на выбор с одним или несколькими дроссельными устройствами.

Далее предлагается согласовывать рабочие режимы нескольких дроссельных устройств друг с другом. Несколько дроссельных устройств в комбинации с соответствующими фурмами должны работать с одинаковым или переменным тактом. Для этой цели предусмотрено соответствующее устройство для управления дроссельными устройствами.

Изобретение ниже более подробно поясняется с помощью чертежей. На них представлены:

фиг.1 - схематическое изображение металлургической печи с системой подачи газа согласно изобретению;

фиг.2 - график изменения давления в зависимости от времени для системы подачи газа с фурмой без клапана в соответствии с уровнем техники;

фиг.3 - соответствующий график изменения давления в зависимости от времени для системы подачи газа согласно изобретению с пульсацией, обеспечиваемой магнитным клапаном;

фиг.4 - график изменения давления в зависимости от времени для системы подачи газа согласно изобретению с пульсацией, обеспечиваемой сервоклапаном;

фиг.5 - схематическое изображение механизма возникновения эффекта "back-attack";

фиг.6 - кривые зависимости частоты появления эффекта "back-attack" от давления продувки согласно "Injection Phenomena in Extraction and Refining", ed. by A.E. Wraith, April 1982, стр. А1-36.

На фиг.1 дано в качестве примера схематическое изображение конвертера 1 с огнеупорной футеровкой 2 и с системой 3 подачи газа в соответствии с изобретением для уменьшения или устранения "back-attack"-эффекта. В конвертере с боковыми фурмами на его стенке расположено несколько (погружных) фурм, эти фурмы расположены при вертикальном положении конвертера 1 под поверхностью 4 расплава. На фиг.1 в качестве примера показана только одна фурма 5. Фурма 5 проходит горизонтально через огнеупорную футеровку 2 печи. Фурма 5 представляет часть системы 3 подачи газа, которая содержит также трубопроводы 6 для газа, в которые интегрированы дроссельные устройства 7, в данном случае магнитный или сервоклапан. Это дроссельное устройство 7 расположено по возможности близко к выходу из фурмы. С помощью дроссельного устройства 7 подача газа во внутреннюю полость печи и, соответственно, в металлический расплав может периодически или регулярно уменьшаться или совсем прерываться на короткое время. Параллельно с трубопроводами 6 для газа система 7 подачи газа имеет обводные трубопроводы 8. С помощью запорного устройства 9 каждый обводной трубопровод может быть закрыт или открыт. В открытом положении дроссельное устройство 7 или запорное устройство 9 закрыто. Управление клапаном и запорным устройством 9 осуществляется с помощью устройства 10 управления, которое соединено с клапаном, а также с запорным устройством 9 с помощью линий 11 управления. С помощью устройства 10 управления осуществляется управление согласованной работой отдельных клапанов соответствующих трубопроводов, подающих газ для нескольких фурм, а также запорных устройств в обводных трубопроводах.

На фиг.2-4 представлены результаты исследований на моделях, проведенных в круглом резервуаре для воды, при которых проводилась регистрация изменения давления (в атм) на стенку резервуара во времени с помощью специального сенсора. Во всех опытах применяли круглое сопло с диаметром 6 мм при угле наклона сопла равным 0°. На малых фрагментах фигур показано сопло с его радиальными зонами воздействия на стенку резервуара. Измерительный сенсор находится в месте V1. Сопла без клапана сначала показывают типичную картину появления "back-attack" (см. фиг.2). Уже начиная с частоты переключений магнитного клапана 5 Гц возникает заметное уменьшение максимальной амплитуды давления при примерно равной частоте, на фиг. 3 частота пульсации 7 Гц. Лучшие результаты достигаются при частоте переключений 20 Гц, которая одновременно является максимальной частотой переключений для использованного магнитного клапана. В целом с увеличением частоты пульсации становится меньше амплитуда воздействия при эффекте "back-attack".

Таким образом благодаря пульсации газового потока может быть существенно уменьшен "back-attack-эффект. В результате этого могут быть ослаблены или подавлены существующие в настоящее время механические колебания конвертера, у которого при выплавке углеродистых или нержавеющих сталей применяется продувка сбоку или через днище. Также снижается износ огнеупорной футеровки в зоне фурм. При этом улучшается массообмен между газом и расплавом в конвертере.

Перечень позиций

1. Конвертер.

2. Огнеупорная футеровка.

3. Система подачи газа.

4. Поверхность расплава.

5. Фурма.

6. Трубопровод для газа.

7. Дроссельное устройство (клапан).

8. Обводной трубопровод.

9. Запорное устройство.

10. Устройство управления.

11. Линии управления.

101. Струя газа.

102. Фурма.

103. Металлический расплав.

104. Столб из пузырьков.

105. Сужение.

106. Пузырек газа

107. Стенка конвертера

1. Система подачи газа для металлургической печи, в которой предусмотрена по меньшей мере одна фурма, расположенная в боковой стенке и/или в днище печи для боковой и/или донной продувки, содержащая трубопровод для транспортировки газа к фурме и через фурму внутрь печи с образованием на выходе пузырьков газа, отличающаяся тем, что она снабжена по меньшей мере одним дроссельным устройством, расположенным на трубопроводе для транспортировки газа перед фурмой или присоединенным к фурме, уменьшающим или прерывающим подачу газа внутрь печи через равные промежутки времени, обводными трубопроводами, присоединенными к трубопроводам для транспортировки газа, и запорными устройствами для обводных трубопроводов, обеспечивающими подачу газа через обводные трубопроводы в определенных фазах продувки, в частности фазах с низкой интенсивностью продувки.

2. Система по п.1, отличающаяся тем, что частота переключений дроссельного устройства между открытой позицией при беспрепятственном подводе газа и частично или полностью закрытой позицией при уменьшенном или прекращенном подводе газа составляет выше 5 Гц.

3. Система по п.1 или 2, отличающаяся тем, что дроссельное устройство расположено на конце фурмы вне металлургической печи.

4. Система по п.1 или 2, отличающаяся тем, что дроссельное устройство выполнено в виде магнитного клапана или сервоклапана.

5. Система по п.1 или 2, отличающаяся тем, что она имеет управляющее устройство для дроссельных устройств для согласования режима работы по меньшей мере двух фурм с одним или переменным циклом.

6. Способ подачи газа для металлургической печи, в котором предусмотрена боковая или донная продувка через по меньшей мере одну фурму, расположенную в боковой стенке и/или в днище печи, включающий подачу газа по трубопроводу системы подачи газа через фурму внутрь металлургической печи с образованием на выходе пузырьков газа, отличающийся тем, что поток газа во внутреннюю полость периодически уменьшают или прерывают с частотой выше 5 Гц, причем в определенных фазах продувки, в частности фазах с низкой интенсивностью продувки, продувку осуществляют без уменьшения или прерывания потока газа.