ПРОДУВОЧНАЯ ФУРМА ДЛЯ КИСЛОРОДНОГО КОНВЕРТЕРА
BLOW-DOWN LANCE FOR BASIC OXYGEN FURNACE

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к продувочной фурме для основного кислородного конвертера.
Уровень техники
При производстве стали в кислородном конвертере с помощью продувочной фурмы на находящийся в корпусе конвертера металлический расплав выдувают кислород. При этом в головке продувочной фурмы обычно находятся несколько сужающихся-расширяющихся сопел Лаваля, которые ускоряют кислород до сверхзвуковой скорости. Затем кислород попадает на поверхность расплава и создает там осциллирующую каверну. Подаваемый так на поверхность расплава кислород обеспечивает интенсивную реакцию обезуглероживания в расплаве. При этом из расплава вырываются металлические капли и в корпусе конвертера образуется вспененный шлак.
Для выполнения соответствующего конвертерного процесса имеет значение состояние, а также высота шлака в корпусе конвертера. Кроме того, необходимо распознавать возможные образования настылей на продувочной фурме. Необходимо распознавать выброс шлаков из корпуса конвертера с целью его последующего предотвращения.
Состояние шлаков является существенной для выполнения конвертерного процесса величиной, поскольку образование хорошей эмульсии из расплава и шлаков в кислородном конвертере имеет решающее значение для массопереноса. За счет реакции удаления углерода увеличивается объем шлака, иногда вплоть до выброса шлаков из корпуса конвертера. В то время как определенное увеличение объема шлака является предпочтительным для процесса, необходимо предотвращать выброс шлака.
До настоящего времени известно измерение состояния шлаков с помощью колебаний продувочной фурмы, при этом на салазках продувочной фурмы, соответственно, на шлеме самой верхней продувочной фурмы конвертера предусмотрен обычный датчик колебаний, с помощью которого измеряются колебания фурмы. Из характера колебаний фурмы делается заключение о степени образования шлаков и о степени склонности к выбросу шлаков. Описание соответствующего способа приведено, например, в публикации ”Walker, Chemeny, Johnes: Vessel Slopping Detection”, AIS TECH 2005, Proceedings-Volume 1, стр. 711-720.
В известном способе осуществляется измерение колебаний на салазках продувочной фурмы, поскольку датчики колебаний защищены там термически, и можно выполнять замену продувочной фурмы без замены датчиков, то есть можно выполнять быструю и простую замену фурмы. С помощью различных методов можно за счет измерения отклонения фурмы над шлемом продувочной фурмы измерять снаружи, например, механически, гидравлически или с помощью ультразвука колебания фурмы.
Недостатком известного решения является то, что измеряемые на салазках фурмы колебания имеют относительно небольшую амплитуду и, соответственно, является небольшим отношение сигнала к шуму. Кроме того, измеряемые на салазках фурмы колебания подвергаются влиянию независимых от процесса величин, например, характеристик колебания шлема продувочной фурмы, а также характеристик колебания салазок фурмы. Соответственно, точность, а также информативность колебаний на салазках продувочной фурмы меньше, поскольку они подвергаются влиянию различных факторов. В противоположность этому, расположенные вблизи шлема продувочной фурмы измерительные датчики подвергаются опасности повреждения за счет высокой температуры и пыли и, соответственно, быстрее изнашиваются.
Из публикаций JP Н04 301028 А, JP H05 255726 A, JP S57 43918 A, US 2006/157899 A1 и ЕР 0 215 483 А2 известно применение продувочных фурм для конвертера при производстве стали.
Сущность изобретения
В соответствии с этим, задачей данного изобретения является дальнейшее улучшение точности при выполнении конвертерного процесса.
Задача решена с помощью продувочной фурмы для кислородного конвертера с признаками пункта 1 формулы изобретения. Предпочтительные модификации следуют из зависимых пунктов формулы изобретения.
В соответствии с этим предусмотрена продувочная фурма для кислородного конвертера, при этом, согласно изобретению, датчик колебаний для обнаружения колебаний фурмы предусмотрен внутри продувочной фурмы.
За счет размещения датчика колебаний внутри продувочной фурмы можно исключать помеховые величины, которые при наружном измерении колебаний оказывают влияние на результаты измерения. Кроме того, за счет расположения датчика колебаний внутри продувочной фурмы можно осуществлять позиционирование датчика колебаний в любом месте вдоль продувочной фурмы, так что можно достигать оптимального места измерения, которое дополнительно улучшает точность измерения колебаний. За счет этого может быть улучшено выполнение конвертерного процесса.
Предпочтительно, датчик колебаний расположен на нижнем конце продувочной фурмы, при этом продувочная фурма имеет участок для присоединения головки продувочной фурмы, и датчик колебаний предпочтительно расположен вблизи участка присоединения внутри продувочной фурмы.
Понятие «нижний конец продувочной фурмы» означает подлежащий введению в конвертер конец продувочной фурмы. «Верхний конец» продувочной фурмы расположен противоположно нижнему концу.
За счет того, что датчик колебаний для приема колебаний фурмы расположен на нижнем конце продувочной фурмы и предпочтительно в зоне участка для присоединения головки фурмы к продувочной фурме, измеряются значительно более высокие амплитуды колебаний. Таким образом, может быть улучшено отношение сигнала к шуму. Кроме того, характеристики колебаний продувочной фурмы у головки фурмы подвергаются максимально, соответственно, полностью лишь влиянию окружающих шлаков, соответственно, осажденной настыли, но не других, не относящихся к собственно подлежащему выполнению конвертерному процессу величин. В соответствии с этим, можно с помощью измерения характеристик колебаний фурмы у головки фурмы обеспечивать значительно более точное измерение колебаний, за счет чего можно достигать лучшего и более точного выполнения конвертерного процесса.
В частности, за счет более точного измерения характеристик колебаний у головки фурмы можно из колебаний продувочной фурмы достигать особенно точного определения состояния шлаков, что приводит к возможности особенно точного выполнения конвертерного процесса.
Взаимосвязь между соответствующим колебанием продувочной фурмы и уровнем шлаков в конвертере следующая: если уровень шлаков низкий, то в колебаниях продувочной фурмы доминируют собственные колебания самой продувочной фурмы. Эти колебания являются, в основном, гармоническими колебаниями. При более высоком уровне шлаков, соответственно, при высоком уровнем шлаков, при котором продувочная фурма по меньшей мере частично окружена шлаками, к преобладающим гармоническим составляющим собственных колебаний продувочной фурмы добавляются колебания, которые вызваны силами турбулентных шлаков, так что в этом случае имеются более сильные и стохастические составляющие колебаний. Они являются мерой уровня шлаков.
За счет того, что колебания продувочной фурмы измеряются внутри продувочной фурмы, максимально исключаются другие мешающие факторы, которые получаются при обычном наружном измерении колебаний.
В одной предпочтительной модификации продувочной фурмы датчик колебаний расположен во внутренней фурме, которая служит для направления кислорода через продувочную фурму.
За счет того, что датчик колебаний расположен во внутренней фурме, через которую проходит также поток кислорода, достигается его хорошее охлаждение. Таким образом, в частности, датчик колебаний лежит внутри зон водяного охлаждения и дополнительно постоянно обдувается кислородом, так что могут быть уменьшены, соответственно, исключены температурные повреждения датчика колебаний.
Предпочтительно, по меньшей мере один измерительный провод для контактирования датчика колебаний проходит внутри продувочной фурмы. За счет того, что измерительный провод проходит внутри продувочной фурмы, обеспечивается то, что в этом случае предусмотрена надежная передача данных между датчиком колебаний и соответствующим устройством оценки. Кроме того, измерительные провода хорошо защищены от преобладающих в конвертере условий.
В этой связи особенно предпочтительно, когда предусмотрен герметичный проход измерительного провода в верхнем конце продувочной фурмы, предпочтительно в виде штекерного соединения в зоне кислородного патрубка. Герметичное прохождение измерительных проводов через фурму обеспечивает прохождение измерительного провода действительно внутри продувочной фурмы, предпочтительно внутри внутренней фурмы, через которую проходит поток кислорода, и одновременно сохранения давления кислорода внутри продувочной фурмы.
В одной предпочтительной модификации предусмотрен по меньшей мере один оптоволоконный проводник в качестве измерительного провода для контактирования датчика колебаний. Таким образом, обеспечивается передача измерительных значений без приложения напряжения, за счет чего дополнительно улучшается рабочая безопасность.
Для обеспечения соответствующий оценки может быть предпочтительно предусмотрен блок оценки и регулирования для оценки характеристик колебаний продувочной фурмы с целью, предпочтительно, идентификации наличия настыли и/или определения уровня шлаков в корпусе конвертера.
В другой предпочтительной модификации, наряду с датчиком колебаний, внутри продувочной фурмы предусмотрены термические и/или оптические датчики, которые принимают существенные для работы продувочной фурмы параметры. За счет дополнительных, предусмотренных внутри продувочной фурмы, соединенных проводами или световодами оптических и термических датчиков можно измерять другие релевантные состояния у головки фурмы, соответственно, в непосредственной близости от головки фурмы. При этом для передачи данных предпочтительно используется гибридная оптоволоконная система, с целью обеспечения возможности одновременной передачи различных физических величин.
Краткое описание чертежей
Другие предпочтительные варианты выполнения и аспекты данного изобретения поясняются более подробно в приведенном ниже описании со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых схематично изображено:
фиг. 1 - разрез конвертера на виде сбоку и
фиг. 2 - нижний конец продувочной фурмы в частичном разрезе.
Подробное описание предпочтительных примеров выполнения
Ниже приводится описание предпочтительных примеров выполнения со ссылками на фигуры. При этом одинаковые, аналогичные или одинаково действующие элементы обозначены одинаковыми позициями, и повторное описание этих элементов не приводится с целью исключения избыточности в описании.
На фиг. 1 показан корпус 1 конвертера, который выполнен со стенкой 10 конвертера. Внутренняя сторона стенки 10 конвертера покрыта огнеупорным материалом 12.
В корпус 1 конвертера введена продувочная фурма 2, которая направляется в шлеме 3 продувочной фурмы. Продувочная фурма 2 имеет головку 20 фурмы, которая на лежащем у нижнего конца продувочной фурмы 2 соединительном участке 22 соединена с продувочной фурмой 2. В соответствии с этим, головка 20 фурмы предусмотрена на самом нижнем конце продувочной фурмы 2 и погружается, соответственно, наиболее глубоко в корпус 1 конвертера. Головка 20 соединена неподвижно с продувочной фурмой 2.
В корпусе 1 конвертера находится схематично изображенный металлический расплав 14. Для вызывания интенсивной реакции удаления углерода с помощью продувочной фурмы 2 на поверхность расплава 14 подается с большим импульсом кислород. Для этого кислород подается под давлением через кислородный патрубок 4 в продувочную фурму, и он выходит на головке 20 фурмы через соответствующие сверхзвуковые сопла со сверхзвуковой скоростью так, что в расплаве 14 возникает колеблющаяся дутьевая каверна 16. Струи кислорода, которые выходят из головки 20 фурмы, обеспечивают интенсивную реакцию удаления углерода в расплаве 14.
3
3
Обычно продувочная фурма 2 имеет диаметр до 40 см и длину примерно 20 м. Объем кислорода, который обычно выдувается через продувочную фурму на расплав 14, лежит обычно в диапазоне объемного потока от 400 Нм/мин до 1000 Нм/мин при давлении от 8 до 13 бар.
Реакция обезуглероживания расплава 14 приводит к образованию шлака 18 на поверхности расплава 14. При этом уровень шлака 18 в корпусе 1 конвертера является индикатором прохождения процесса удаления углерода. Как показано схематично на фиг. 1, продувочная фурма 2 погружается в шлак 18, как только шлак достигает определенного уровня в корпусе 1 конвертера.
За счет выхода кислорода под большим давлением и со сверхзвуковой скоростью в продувочной фурме 2 возбуждаются колебания. Особенно на нижнем конце продувочной фурмы 2 в зоне головки 20 фурмы продувочная фурма 2 выполняет обозначенные обеими стрелками колебания. Сначала в колебаниях продувочной фурмы 2 преобладают собственные колебания продувочной фурмы 2, так что в этом случае распознаются по существу гармонические колебания. На собственные колебания продувочной фурмы 2 могут оказывать влияние настыли на продувочной фурме 2, которые могут возникать за счет брызг расплава 14. Выполняемые продувочной фурмой 2 гармонические колебания имеют в этом случае доминирующую частоту. Однако, как только продувочная фурма 2 начинает погружаться в шлак 18 из-за повышения уровня шлака, то дополнительно появляются другие составляющие колебаний, в частности стохастические и негармонические составляющие колебаний, которые возникают, среди прочего, за счет соударения продувочной фурмы 2 со шлаком 18 и турбулентной динамики шлаков.
Датчик 5 давления расположен внутри продувочной фурмы 2 с целью обнаружения колебаний продувочной фурмы 2. Для обеспечения возможности измерения как можно большей амплитуды и, возможно, меньшего влияния удерживающих продувочную фурму держателей, датчик 5 колебаний расположен на нижнем конце продувочной фурмы 2 внутри продувочной фурмы 2 и, соответственно, предусмотрен в зоне участка 22 присоединения головки 22 продувочной фурмы 2. Датчик 5 колебаний может быть выполнен в виде обычного датчика колебаний. Соответствующий измерительный провод 50 проходит через продувочную фурму 2 от датчика 5 колебаний вплоть до расположенного в верхней зоне продувочной фурмы 2 прохода 52 для измерительного провода 50, который выполнен герметичным. Предпочтительно, герметичный проход 52 выполнен в виде штекерного соединения, так что при замене продувочной фурмы 2 можно осуществлять простое контактирование датчика 5 колебаний.
Измерительные сигналы, которые исходят от датчика 5 колебаний, усиливаются в измерительном усилителе 60 и оцениваются в блоке 62 оценки и регулирования.
На фиг. 2 схематично показана в увеличенном масштабе головка 20 продувочной фурмы, а также соединительный участок 22 продувочной фурмы 2. В головке 20 фурмы показаны сопла 200 Лаваля, через которые кислород ускоряется со сверхзвуковой скоростью на расплав 14.
3
В сечении продувочной фурмы 2 в зоне наружной стенки показаны два охлаждающих канала для водяного охлаждения 202 продувочной фурмы 2, через которые проходит поток охлаждающей воды и которые обеспечивают длительный срок службы продувочной фурмы 2. Применяемое при этом количество охлаждающей воды составляет примерно 250 м/час при давлении 8 бар.
Во внутренней зоне 204 продувочной фурмы проходит кислород от показанного на фиг. 1 кислородного патрубка 4 до головки 20 фурмы. В соответствии с этим предусмотрена внутренняя труба 206, через которую проходит поток кислорода и которая также охлаждается по существу с помощью водяного охлаждения 202, соответственно, экранируется от преобладающих в корпусе 1 конвертера условий.
Датчик 5 колебаний расположен, соответственно, на внутренней стороне внутренней трубы 206, а именно в зоне 22 присоединения головки внутри продувочной фурмы 2.
Соответственно, датчик 5 колебаний расположен недалеко над головкой 20 фурмы, так что он при замене головки 20 продувочной фурмы может быть просто осмотрен, проверен и при необходимости заменен.
Осуществляемый с помощью измерительного усилителя 60 и блока 62 оценки и регулирования анализа колебаний продувочной фурмы 2, которые принимаются датчиком 5 колебаний, можно выполнять посредством точного анализа собственных частот продувочной фурмы 2. Этот анализ обеспечивает возможность получения информации о возникновении настыли на конце продувочной фурмы во время конвертерного процесса, поскольку при изменении массы продувочной фурмы 2 изменяется также ее собственная частота. За счет предложенного позиционирования датчика колебаний внутри продувочной фурмы 2 в зоне конца фурмы достигается, соответственно, высокое отношение сигнала к шуму, так что в данном случае можно выполнять особенно точное измерение.
Высокое отношение сигнала к шуму получается вообще за счет позиционирования датчика 5 колебаний у конца продувочной фурмы 2, поскольку на колебания продувочной фурмы 2 в этой зоне оказывает влияние лишь уровень шлака. Другие, не относящиеся к процессу величины, влияют на колебания продувочной фурмы 2 на ее конце менее сильно, соответственно, совсем не влияют.
Посредством анализа колебаний продувочной фурмы 2 можно, наряду с возникновением настыли на продувочной фурме 2 или определения уровня шлака 18, также распознавать угрожающий или уже происходящий выброс шлака и, соответственно, управлять процессом.
Датчик 5 колебаний, который расположен внутри продувочной фурмы 2 в полностью кислородной атмосфере, может быть по причинам безопасности либо полностью электрически изолированной проводящей ток системой, либо можно применять также полностью свободную от электрического тока оптоволоконную систему. Для такой оптоволоконной системы также предпочтительно обеспечивать герметичное прохождение в зоне прохода 52, и можно использовать соответствующие штекерные соединения.
Соответствующие измерительные провода 50 к датчику 5 колебаний предпочтительно проложены внутри внутренней фурмы 206 и, соответственно, они также все время омываются потоком кислорода и, соответственно, также охлаждаются им.
Дополнительно к этому можно применять не изображенные здесь проводные или соединенные с помощью световодов оптические и термические датчики с целью измерения релевантных для управления состояний на головке продувочной фурмы, соответственно, в непосредственной близости головки фурмы. Для этого пригодны, в частности, гибридные оптоволоконные системы, с помощью которых можно определять, соответственно, одновременно передавать различные физические величины в одном световоде.
Если это применимо, то можно все отдельные признаки, которые указаны в отдельных примерах выполнения, комбинировать друг с другом и/или заменять друг другом без выхода за объем изобретения.
Перечень позиций
1 Корпус конвертера
10 Стенка корпуса
12 Огнеупорный материал
14 Расплав
16 Колеблющаяся каверна
18 Шлак
2 Продувочная фурма
22 Соединительный участок
200 Сверхзвуковое сопло
202 Водяное охлаждение
204 Внутренняя зона для подачи кислорода
206 Внутренняя труба
3 Шлем продувочной фурмы
4 Кислородный патрубок
5 Датчик колебаний
50 Измерительный провод
52 Герметичный проход
60 Измерительный усилитель
62 Блок оценки и регулирования.