ДУТЬЕВАЯ ФУРМА ДОМЕННОЙ ПЕЧИ
TUYERE OF BLAST FURNACE

Изобретение относится в основном к черной металлургии, в частности к средствам подачи дутья и природного газа в доменную печь, в особенности с высоким содержанием кислорода в дутье.
Известна дутьевая фурма доменной печи (А.с. СССР №985040, публ. 1982 г.), характеризующаяся отдельным охлаждением различных частей фурмы, например с охлаждением рыльной части струями через сопловую насадку. Это могло быть оправдано в случаях, когда рыльная часть является наиболее напряженной частью фурмы. В настоящее время в связи со значительным увеличением содержания кислорода в дутье (30%) наиболее теплонапряженным участком дутьевой фурмы становится дутьевой канал, окруженный внутренним стаканом, где температура может достигать 2500°С. При таком режиме эксплуатации необходимо обеспечить гарантированное охлаждение, оптимизировать условия горения газа и конструкцию фурмы.
Основным недостатком известной конструкции фурмы является неэффективное охлаждение наиболее теплонапряженных элементов фурмы, а именно дутьевого канала и рыльной части. Из-за подачи воды в большой объем или через рыльную часть скорость воды, омывающей дутьевой канал, не превышает 0,1-0,3 м/с, что не обеспечивает эффективное охлаждение элементов фурмы. При сужении проходного сечения фурмы резко увеличивается гидравлическое сопротивление.
Новый технический результат, достигаемый заявленным изобретением, заключается в повышении стойкости дутьевой фурмы доменной печи путем интенсификации охлаждения всего ее корпуса. Это достигается тем, что корпус фурмы выполнен из цельной конической втулки, в теле корпуса в виде змеевика постоянного сечения просверлен водоохлаждающий канал, соединенный каналами-перемычками в рыльной части и во фланце.
Канал для подачи газа выполнен в теле корпуса путем наклонного сверления с выходным отверстием в дутьевую полость фурмы на расстоянии не более 150 мм от среза рыльной части.
Канал подачи газа также может быть выполнен во фланце в виде кольцевого коллектора, соединенного с полостью дутьевого канала, равномерно распределенными и радиальными отверстиями, выполненными наклонными вперед по отношению к оси дутьевого канала под углом до 90°. Фурма изготовлена из медного сплава марки МСр 0.1 или из любого другого медного сплава с критической температурой разрушения кристаллической решетки в пределах 300-400°С и теплопроводностью, близкой к теплопроводности меди марки M1. Выполнение корпуса фурмы из цельной втулки, а водоохлаждаемых каналов в теле корпуса фурмы методом сверления обеспечивает возможность создания в каналах высокоскоростного потока воды без излишних усложнений самой конструкции внутренней полости фурмы, что обычно ведет к удорожанию изделия и снижению надежности конструкции. Данное изобретение позволяет упростить конструкцию фурмы, т.к. соединение каналов в теле корпуса с каналами-перемычками во фланце и рыльной части позволяет организовать простой змеевик постоянного сечения, скорости в котором могут быть доведены от 5 м/с до 10 м/с при допустимых значениях гидравлического сопротивления и расхода воды. При этом достигаемые коэффициенты теплоотдачи гарантируют охлаждение стенок фурмы без закипания воды, только за счет конвективного теплообмена, без риска перегрева и прогара стенок, а благодаря цельной конструкции корпуса достигается равномерность охлаждения со всех его сторон, что исключает возникновение мощных термических напряжений в отдельных частях фурмы.
Кроме того, цельнотельные медные холодильники при высоких тепловых нагрузках работают значительно надежнее, чем корпусные, со свободной полостью для воды. Конструкция фурмы позволяет обеспечить известный способ подачи газа через один канал, проходящий через фланец и тело корпуса фурмы непосредственно в дутьевой канал с выходом газа на расстоянии не более 150 мм от среза носка фурмы, что обеспечивает горение газа в основном за пределами дутьевой полости фурмы - в фурменном очаге. А это в свою очередь снижает тепловую нагрузку на фурму, если этого требует технология доменного процесса. В то же время изобретение позволяет применить распределенную подачу газа через фланец фурмы, где может быть организован кольцевой коллектор, соединенный радиальными отверстиями с полостью дутьевого канала фурмы, которые, в свою очередь, могут быть просверлены под заданным углом до 90° с целью обеспечения более равномерной тепловой нагрузки на стенки дутьевого канала, что также направлено на увеличение термической стойкости фурмы, в отличие от односторонней одноканальной подачи газа, где могут возникнуть перекосы тепловой нагрузки на стенках дутьевого канала, приводящие к прогару. Изготовление фурмы из медного сплава марки МСр 0.1 позволяет поднять температуру рекристаллизации металла до 300°С без снижения теплопроводности. Однако эту температуру можно поднять и до 400°С, используя другие сплавы, имеющие несколько меньшую теплопроводность.
Изобретение иллюстрируется рисунками, где на фиг.1 показана фурма по п.1, 3 в осевом разрезе, на фиг.2 - в развертке, на фиг.3 - фурма по п.1, 2.
Фурма состоит из рыльной части 1, корпуса 2, выполненного в виде цельной конической втулки, в которой просверлены отверстия 3, образующие канал в виде змеевика постоянного сечения, фланца 4 с коллектором газа 5, соединенным с соплами 6 и патрубками подвода воды 7, отвода воды 8 и подачи газа 9. Водоохлаждаемый канал 3 соединен каналами-перемычками 10 в рыльной части 1 и во фланце 4. При этом по п.2 канал для подачи газа 9 может быть выполнен в теле корпуса путем наклонного сверления с выходным отверстием в дутьевую полость фурмы на расстоянии не более 150 мм от среза рыльной части. Канал 9 по п.3 может быть выполнен во фланце 4 в виде кольцевого коллектора, соединенного с полостью дутьевого канала равномерно распределенными радиальными отверстиями 6.
Фурма работает следующим образом. Фурма устанавливается в доменную печь (не показана) и подсоединяется патрубками 7 и 8 к системе охлаждения, а патрубком 9 - к системе подачи газа. После установки фурмы и наладки системы охлаждения к фланцу 4 подсоединяется фурменный прибор для подачи воздушного дутья. При включении воды из системы охлаждения вода подается через патрубок 7 и проходит с расчетной скоростью по змеевику, организованному каналами 3 в теле корпуса фурмы, каналами-перемычками 10 рыльной части 1 и фланца 4 и покидает фурму через патрубок 8, возвращаясь в систему охлаждения. После подачи дутья через патрубок подачи газа 9 из системы поступает природный газ, как дополнительное топливо, подогреваясь от горячего фланца и фурмы примерно на 50°С, что обеспечивает более полное сгорание газа в фурме.
В одних случаях, в соответствии с технологией ведения доменного процесса, природный газ должен полностью сгорать еще в полости фурмы, благодаря чему достигается высокая температура дутья, обогащенного кислородом до 30% в пределах до 2500°С. Это приводит к большим тепловым нагрузкам на внутренние стенки полости фурмы, охлаждаемые водой. Охлаждение массива металла (меди) цельнотельной фурмы обеспечивается высокоскоростным (от 5 до 10 м/с в зависимости от расхода) потоком воды, текущей по змеевиковому каналу, пронизывающему все тело фурмы от фланца до рыльной части. За счет высокой интенсивности теплосъема температура стенки канала со стороны воды значительно ниже температуры кипения воды в заданных условиях, а температура меди со стороны дутьевого канала значительно меньше допустимой температуры нагрева меди, которая для меди марки М1Р, используемой в известных фурмах, составляет около 180°С. Благодаря указанным факторам стойкость фурмы увеличивается в разы.
Вообще с теплотехнической точки зрения условия охлаждения рассчитаны на беспрогарную работу фурмы. Кроме того, цельнотельная конструкция фурмы обеспечивает высокую инерционность нагрева массива металла и это является еще одной дополнительной гарантией беспрогарности при значительных пульсациях тепловой нагрузки в фурменном очаге доменной печи. При изготовлении этой конструкции фурмы из медного сплава МСр 0.1, содержащего 0,1% серебра и имеющего благодаря этому более высокую температуру (до 300°С) структурных изменений, приводящих к потере прочности, ее стойкость против прогара и разрушению значительно увеличивается.
Наиболее эффективным для этого является медный сплав с критической температурой разрушения кристаллической решетки 300-400°С, например медный сплав марки МСр 0,1. Применение материала с большой температурой структурных изменений кристаллической решетки, а именно 300-400°С, при сохранении теплопроводности меди позволяет повысить прочностные характеристики конструкционного материала фурмы, что в свою очередь обеспечивает высокую стойкость к механическому разрушению при более высоких тепловых нагрузках.
Преимущества предлагаемого изобретения заключаются в гарантированной поддержке расчетного режима беспрогарного охлаждения фурмы, в отсутствии зауженных критических сечений в канале охлаждения, что гарантирует незабиваемость каналов охлаждения и в заложенной в конструкцию фурмы тепловой инерционности, защищающей от влияния на стойкость фурмы пульсаций тепловой нагрузки.
Известно, что потери, связанные с заменой прогоревших фурм в современных доменных печах, работающих с повышенным содержанием кислорода до 30% и выше, достигают в среднем до 4-5 млн рублей в сутки, что составляет около 1,5 млрд рублей в год. Беспрогарная работа фурм в течение года позволит сэкономить эту сумму ежегодно при их замене в период плановой остановки печи.