ВИХРЕВАЯ ФУРМА ДЛЯ ПРОДУВКИ РАСПЛАВА МЕТАЛЛА
VORTEX TUYERE FOR BLOWING MOLTEN METAL

Изобретение относится к черной металлургии, в частности к сталеплавильному производству, а именно к конструкции фурм для подачи реагентов в расплав, например подачу реагентов в кислородный конвертор.
Известна вихревая фурма, содержащая многосопловую головку с тангенциально-наклонными соплами, наружную и внутреннюю тарелки с разделителем и центральной стержневой стяжкой. Головка фурмы посредством соответствующих переходников подсоединена к трактам подачи реагентов и подвода и отвода воды (патент России №2058398; С21С 5/48).
Недостатком известной фурмы является сложность изготовления. Кроме того, такая схема подключения сопел ограничивает возможность варьирования их положением, например, исключено наклонное расположение сопел в плоскости, параллельной оси фурмы.
Наиболее близким аналогом является фурма для продувки расплава металла, содержащая концентрично расположенные трубы, образующие тракты для подачи продувочного агента, подвода и отвода охлаждающей воды, и закрепленный на трубах посредством переходников наконечник с дутьевыми наклонными соплами и циркуляционной охлаждающей камерой, образованной внутренней и наружной тарелками и размещенным между ними разделителем, при этом в зоне расположения дутьевых сопел наконечник выполнен двустенным с внешней стенкой в виде наружной тарелки и внутренней в виде разделителя, причем сопла установлены с минимальным зазором относительно вертикального участка внутренней стенки разделителя (Патент России №2181384, С21С 5/48). По этому патенту обеспечивается выполнение фурмы с наклонными соплами, оси которых расположены в плоскостях, параллельных центральной оси фурмы.
Недостатком описанной конструкции является ее недолговечность из-за достаточно быстрой разгерметизации сварных швов, связывающих устья сопел с наружной медной тарелкой и расположенных в агрессивной высокотемпературной зоне.
Технической задачей, на решение которой направлено изобретение, является повышение стойкости и долговечности (срока службы) фурмы путем создания конструкции, позволяющей вывести сварные швы из реакционной высокотемпературной зоны. Кроме того, предлагаемая конструкция позволяет создать оптимальную систему охлаждения наконечника, придать прочность конструкции, упростить технологию изготовления фурмы, расширить ее технологические возможности и повысить интенсивность продувки.
Решение поставленной задачи обеспечивается тем, что вихревая фурма для продувки расплава металла, содержащая концентрично расположенные трубы, образующие тракты для подачи продувочного реагента, подвода и отвода охлаждающей воды и закрепленный на трубах посредством переходников двустенный наконечник с наклонными сопловыми каналами, оси которых расположены в плоскостях, параллельных центральной оси фурмы, при этом двустенный наконечник снабжен проточной охлаждающей камерой, образованной внешней тарелкой и внутренней тарелкой-разделителем, согласно изобретению проточная охлаждающая камера расположена внутри тела внешней тарелки, выполненной в виде диска, и содержит центральную и кольцевую периферийную полости, соединенные между собой проточными каналами, имеющими форму желобов, проходящих между сопловыми каналами, выполненными в теле внешней тарелки, а внутренний разделитель установлен на внешнюю тарелку, перекрывая в ней сверху русла проточных каналов.
В предпочтительных вариантах исполнения русло каждого из проточных каналов имеет параллельные боковые стенки, межу которыми выполнена перегородка по центру канала, причем боковые поверхности стенок и перегородок выполнены параллельно осям наклонных сопловых каналов, а в выходной части русла каналов могут быть выполнены с изгибом в сторону наклона сопловых каналов. Кроме того, в сопловые каналы могут быть герметично установлены сопловые вставки, расположенные с минимальным зазором относительно внутренней стенки разделителя, причем верхняя часть соплового канала, выполненного в медной внешней тарелке, имеет диаметр, равный наружному диаметру сопловой вставки, а нижняя его часть имеет диаметр, равный внутреннему диаметру сопловой вставки.
Внутри наружной медной тарелки в центре может быть выполнен цилиндрический выступ с сопловым каналом, ось которого совпадает с осью фурмы и в котором герметично установлена центральная сопловая вставка, причем верхняя часть соплового канала имеет диаметр, равный диаметру наружной части сопловой вставки, а нижняя часть канала имеет диаметр, равный внутреннему диаметру сопловой вставки. Кроме того, центральная сопловая вставка может иметь индивидуальный тракт для подвода реагента.
Выполнение внешней медной тарелки наконечника фурмы в виде сплошного диска позволит придать прочность конструкции и, за счет размещения в его теле каналов охлаждения, создать оптимальную систему охлаждения наконечника. Так как стенки сопловых отверстий в диске образуют собой непосредственно устья сопловых каналов, то сварные швы переносятся из агрессивной высокотемпературной зоны в зону верхней части тарелки. Выполнение проточных каналов в виде желоба с параллельными боковыми стенками облегчает технологию выполнения каналов методом фрезеровки и обеспечивает создание максимальной поверхности охлаждения. Выполнение перегородки в каждом из каналов позволяет усилить эффект охлаждения за счет увеличения охлаждаемой поверхности, а выполнение боковых стенок канала и перегородки параллельно осям наклонных сопловых каналов позволяет максимально приблизить охладитель к зоне истечения реагента из наконечника.
Выполнение выходной части канала с изгибом в сторону наклона сопловых каналов позволяет создать циркуляционный поток в кольцевой периферийной полости, что улучшает охлаждение боковой стенки медной тарелки и сварного шва между медной тарелкой и стальным переходником.
Для обеспечения сверхзвукового истечения реагента и повышения интенсивности продувки установлены сверхзвуковые сопловые вставки, расположенные с минимальным зазором относительно участка внутренней стенки разделителя, чем обеспечивается вихревая продувка с максимальным плечом закрутки. Выполнение верхней части соплового канала, куда установлены сопловые вставки с диаметром, равным наружному диаметру сопловой вставки, а нижней его части с диаметром, равным внутреннему диаметру сопловой вставки, позволяет вывести сварные швы из агрессивной высокотемпературной зоны в благоприятную зону верхней части внешней медной тарелки. Выполнение цилиндрического выступа в центре внешней тарелки с сопловым каналом позволяет установить дополнительную центральную сопловую вставку, чем обеспечивается повышение интенсивности продувки и производительности процесса.
Центральная сопловая вставка может быть снабжена индивидуальным трактом подвода реагента, например подводом природного газа, что позволяет расширить технологические возможности продувки.
Сущность предлагаемой конструкции фурмы поясняется чертежами, где на фиг.1 показан общий вид наконечника (продольный разрез), на фиг.2 - разрез по А-А, на фиг.3 - разрез по Б-Б, на фиг.4, 5 - варианты выполнения проточных каналов, на фиг.6 - вариант выполнения (общий вид, продольный разрез), на фиг.7 - разрез по Д-Д, на фиг.8 и 9 - варианты выполнения.
Вихревая фурма для продувки расплава металла содержит концентрично расположенные трубы 1, 2 и 3, образующие тракты для подачи продувочного агента, подвода и отвода охлаждающей воды, и закрепленный на трубах посредством переходников 4, 5, 6 двустенный наконечник, состоящий из внешней медной тарелки 7, выполненной в виде диска, и внутреннего разделителя 8, выполненного в виде тарелки с плоским днищем. Проточная охлаждающая камера включает центральную полость 9 и кольцевую периферийную полость 10, которые расположены внутри внешней тарелки 7 и соединены между собой проточными каналами 11. Внутренний разделитель 8 установлен плоским днищем на внешнюю тарелку 7 и перекрывает сверху русла проточных каналов 11. При этом наклонные отверстия в наконечнике образуют собой сопловые каналы 12.
В варианте исполнения каналов фурмы (см. фиг.4), в центре каждого из проточных каналов 11 выполнена перегородка 13, а русло каждого из проточных каналов имеет параллельные боковые поверхности стенок, которые параллельны осям сопловых каналов 12 (см. фиг.5). Перегородки 13 на фиг.5 условно не показаны.
В варианте исполнения (см. фиг.6) в сопловые каналы 12 установлены сопловые вставки 14 с минимальным зазором относительно стенки разделителя. В этом случае верхняя часть соплового канала 12 имеет диаметр, равный наружному диаметру сопловой вставки, а нижняя его часть имеет диаметр, равный внутреннему диаметру сопловой вставки (см. фиг.7).
В варианте исполнения внутри внешней тарелки 7 выполнен цилиндрический выступ 15 с сопловым каналом 16, ось которого совпадает с осью фурмы, в который герметично установлена центральная сопловая вставка 17, причем диаметр верхней части соплового канала 16 равен наружному диаметру сопловой вставки, а диаметр нижней его части равен внутреннему диаметру сопловой вставки (см. фиг.8).
Центральная сопловая вставка может быть снабжена индивидуальным трактом подвода реагента посредством трубы 18 (см. фиг.8).
Вихревая фурма может быть выполнена как с центральным подводом воды (фиг.1, 9), так и с помощью переходников с боковым подводом (фиг.6, 8). В варианте фиг.9 вихревая фурма выполнена со всеми главными элементами фурмы по фиг.8, но с центральным подводом воды к наконечнику по типу фурмы фиг.1. В таком варианте фурма может использоваться в качестве продувочной фурмы с центральным сопловым каналом и применяться, например, в конверторе. Кислород для центрального сопла можно подавать по трубе 18. Если по трубе 18 подавать вместо кислорода природный газ или углеродсодержащие порошковые материалы, то такая фурма обеспечит более безопасную работу за счет того, что труба, подводящая горючий газ, полностью отделена от кислородного тракта водяной рубашкой.
Во всех вариантах выполнения монтаж наконечника на трубы 1, 2, 3 производится посредством сварки. Стенки сопловых отверстий разделителя также посредством сварки соединены с кромками наклонных отверстий внешней тарелки, образуя сопловые каналы, герметичные относительно охлаждающей камеры. В вариантах сопловые вставки запрессованы в сопловые каналы и сварены с внешней тарелкой на ее внутренней стороне. Таким образом, все сварные швы выведены из реакционной высокотемпературной зоны.
Устройство работает следующим образом.
Подача продувочного реагента к сопловым каналам осуществляется по кольцевому пространству между трубами 1 и 2 (фиг.1) или по трубе 1 (фиг.6). Подача воды в центральную полость 9 охлаждающей камеры наконечника осуществляется по внутренней трубе 1 и переходнику 4 (фиг.1) или по кольцевому зазору между трубами 1 и 2 (фиг.6), далее, проходя через переходник 5 в проточные каналы 11, попадает в кольцевую периферийную полость 10 и отводится по кольцевому пространству между трубами 2 и 3. При этом тепловой поток от внешней медной тарелки наконечника отводится охлаждающей водой посредством высокоразвитой поверхности охлаждения.
В варианте исполнения (фиг.6) подача продувочного реагента к сопловым вставкам 14 осуществляется по внутренней трубе 1, через переходник.
В варианте (фиг.8) вихревая фурма может работать с подачей реагентов в центральный сопловой канал, что дает возможность повысить интенсивность и эффективность продувки расплава или выполнить конструкцию фурмы с индивидуальным трактом подачи реагента на сопловой канал посредством трубы 18. При этом можно вдувать в расплав через сопловой канал 16 другие разнообразные реагенты, такие например, как природный газ, порошки, инертный газ и прочие материалы, расширяя технологические возможности процесса. При определенном соотношении реагентов и высоте расположения наконечника фурмы над уровнем расплава возможно осуществлять наряду с окислительной и восстановительную продувку расплава. Такими же возможностями обладает и фурма по варианту фиг.9.
Предложенная конструкция вихревой фурмы позволяет повысить ее стойкость, создать оптимальную систему охлаждения, упростить технологию изготовления, расширить технологические возможности и интенсивность продувки, а в случае применения ее в конверторе создать более интенсивную круговую циркуляцию расплава. Это снижает вибрацию конвертора и повышает стойкость футеровки. Кроме того, интенсивная круговая циркуляция расплава вблизи наконечника фурмы способствует охлаждению реакционной зоны за счет разбавления продуктов реакции относительно холодным окружающим расплавом. Это приводит к тому, что существенно снижается парообразование расплава в реакционной зоне и вынос из нее пыли. Снижение температуры реакционной зоны приводит также к снижению поглощения азота расплавом и уменьшению его содержания в продутом расплаве. Повышение стойкости фурмы способствует также уменьшению числа случаев работы фурмы с утечками воды и статистическому снижению вследствие этого содержания водорода в конечной продукции. Улучшение перемешивания металла и шлака при вихревой продувке увеличивает коэффициенты распределения серы и фосфора между металлом и шлаком и обеспечивает снижение вредных примесей в рафинируемом расплаве.
В итоге за счет применения предлагаемой конструкции вихревой фурмы снижается удельный расход огнеупоров, повышается выход годного, качество конечного продукта и улучшается экология.