ФУРМА ДЛЯ ПРОДУВКИ МЕТАЛЛА
TUYERE FOR BLAST OF METAL

Изобретение относится к черной металлургии, в частности к конструкции фурм для продувки жидкого металла кислородом, и может быть использовано при конвертерном производстве стали.
Известна фурма для продувки металла, содержащая наконечник с дутьевым и наклонными соплами и циркуляционной охлаждающей камерой, при этом в зоне расположения дутьевых сопл наконечник выполнен двустенным, а тракт подвода охлаждающей воды сообщен с циркуляционной камерой посредством патрубков, причем дутьевые сопла установлены с минимальным зазором относительно вертикального участка внутренней стенки (1).
Недостатком известного устройства является перемешивание металла в конвертере при продувке, так как в круговой циркуляции участвуют только верхние слои металла.
Наиболее близким по своей технической сущности является фурма для продувки металла в конвертере, содержащая три концентрические трубы с головкой на их торцах, которая состоит из наружной и внутренней тарелки и сопел, установленных в них и наклонных под углом к продольной оси фурмы. Входной торец каждого сопла выступает над поверхностью внутренней тарелки на 0,05…0,3 наименьшего диаметра сопла Лаваля, при этом ось входного участка каждого сопла Лаваля наклонена в сторону продольной оси фурмы под углом к оси его входного участка, равным 0,5…10°, а торец входного участка выполнен с углом наклона к оси выходного участка, равным 75…85° (2). Данное устройство принято за прототип.
Недостатком известного устройства является плохое перемешивание металла в конвертере во время продувки ввиду отсутствия циркуляции металла в горизонтальной плоскости, особенно в нижних слоях ванны.
Задачей, на решение которой направлено изобретение, является создание интенсивной циркуляции жидкой металлической ванны во время продувки по всей глубине в вертикальной и горизонтальной плоскостях.
Поставленная задача достигается тем, что в фурме для продувки металла, содержащей концентрически расположенные трубы, образующие тракты для подачи кислорода, подвода и отвода охлаждающей воды и закрепленную на торце труб головку с соплами Лаваля, согласно изобретению сопла в головке фурмы повернуты в двух плоскостях относительно оси фурмы, при этом в одной плоскости, проходящей через диаметр фурмы, ось сопла повернута относительно оси фурмы с центром вращения в точке пересечения осей фурмы и сопел, а в другой плоскости, проходящей через ось сопла перпендикулярно диаметральной плоскости фурмы, сопла повернуты вокруг оси, проходящей через торец суживающейся части сопла Лаваля, в плоскости перпендикулярной оси сопла, причем в плоскости, проходящей через диаметр фурмы, сопла Лаваля повернуты относительно оси фурмы на угол 10…25°, а в плоскости, проходящей через ось сопла перпендикулярно диаметральной плоскости фурмы, сопла повернуты на угол 15…25° по часовой стрелке, кроме того, головка фурмы дополнительно снабжена цилиндрическими соплами малого диаметра, расположенными между соплами Лаваля и ориентированным аналогично этим соплам, при этом диаметр цилиндрических сопел составляет 25…35% от диаметра узкого сечения сопла Лаваля, а их количество соответствует количеству сопел Лаваля.
На фиг.1 - общая схема головки фурмы,
На фиг.2 - вид В на фиг.1,
На фиг.3 - поворот сопла Лаваля в плоскости сопла,
На фиг.4 - то же в изометрии.
Решение поставленной задачи обеспечивается тем, что в головке для фурмы для продувки металла кислородом сопла Лаваля повернуты в двух плоскостях. В плоскости, проходящей через диаметр фурмы, сопла Лаваля повернуты относительно оси фурмы на угол 10…25°, а в плоскости, проходящей через ось сопла перпендикулярно диаметральной плоскости фурмы, - на угол 15…25°, при этом сопла повернуты вокруг оси, проходящей через торец суживающийся части сопла Лаваля по часовой стрелке.
Технический результат от использования изобретения достигается тем, что при внедрении газовых струй, истекающих из таких сопел, повышается интенсивность перемешивания металлической ванны за счет ее циркуляции кроме вертикальной еще и в горизонтальной плоскости, это снижает локальный износ футеровки конвертера и сокращает продолжительность плавки.
Фурма для продувки металла включает концентрически расположенные трубы 1-3, образующие тракты для подачи кислорода, подвода и отвода охлаждающей воды и закрепленную на торце труб головку 4 с соплами Лаваля 5. Сопла Лаваля расположены по окружности 6 и в головке фурмы повернуты в двух плоскостях.
В плоскости, проходящей через диаметр фурмы (фиг.1), ось сопла повернута относительно оси фурмы на угол α с центром вращения в точке пересечения осей фурмы и сопла, а в плоскости, проходящей через ось сопла перпендикулярно диаметральной плоскости фурмы, сопла повернуты на угол β вокруг оси, проходящей через торец суживающейся части сопла Лаваля в плоскости, перпендикулярной оси сопла (фиг.2), причем сопла повернуты вокруг оси поворота сопла по часовой стрелке (фиг.3).
Головка фурмы дополнительно снабжена цилиндрическими соплами 7, расположенными по окружности фурмы 6 между соплами Лаваля и ориентированными аналогично этим соплам, при этом диаметр цилиндрических сопел составляет 25…35% от диаметра узкого сечения сопла Лаваля, а их количество соответствует количеству сопел Лаваля.
Фурма для продувки металла в конвертере работает следующим образом. Подача кислорода к соплам 5, 7 осуществлена по внутренней трубе 1. Охлаждающая вода по кольцевому пространству между трубами 1 и 2 поступает в головку 4, омывает сопла 5, 7 и отводится по кольцевому пространству между трубами 2 и 3. Через центральную трубу 1 кислород подводится к соплам 5 и 7, откуда струя газа внедряется в жидкую металлическую ванну. В связи с тем, что сопла Лаваля повернуты на угол α в плоскости, проходящей через диаметр фурмы, струи, истекающие из каждого сопла, рассредоточиваются по всей поверхности металлической ванны и, внедряясь в нее, перемешивают ванну в вертикальной плоскости (3).
Поворот сопла на угол β вокруг оси, проходящей через торец суживающейся части сопла Лаваля, позволяет направить истекающие из сопла струи под острым углом к горизонтальной плоскости и придать ванне дополнительное перемешивание в горизонтальной плоскости, что с одной стороны интенсифицирует перемешивание, удаление примесей и сокращает продувку и плавку в целом, а с другой стороны устраняет локальные размывы футеровки сталеплавильного агрегата и увеличивает срок ее службы.
Величина угла раскрытия сопел α=10…25° обусловлена тем, что при угле раскрытия сопел α меньше 10° струи отдельных сопел при внедрении в металлическую ванну сливаются и теряется эффект рассредоточения струи. При угле α больше 25° струи кислорода очень близко подходят к футеровке стен конвертера, приводя к их преждевременному износу.
Величина угла поворота сопел Лаваля вокруг оси, проходящей через торец суживающейся части сопла Лаваля β=15…25°, обусловлена тем, что при угле поворота β меньше 15° не достигается достаточно эффективного движения металлической ванны в горизонтальной плоскости, а при угле поворота β больше 25° истекающие из сопла струи кислорода очень близко подходят к футеровке стен конвертера, расположенных перпендикулярно к вектору истечения этих струй.
Поворот сопел Лаваля вокруг оси, проходящей через торец суживающей части этого сопла по часовой стрелке, обусловлен тем, что при движении материальных тел в любой вращающейся системе кроме центробежной силы действует сила Кориолиса F=2m(v·w) (4), где m - масса; v - линейная скорость частиц; w - угловая скорость вращения. При вращении Земли в Северном полушарии эта сила направлена по часовой стрелке. Поэтому для привлечения этой силы в процесс перемешивания металлической ванны и ее лучшего усреднения сопла в фурме направлены по часовой стрелке.
2
В головке фурмы между соплами Лаваля дополнительно по окружности размещены цилиндрические сопла малого диаметра 7, которые ориентированы аналогично соплам Лаваля. Диаметр этих сопел составляет 25…35% от диаметра узкого сечения сопла Лаваля, а их количество соответствует количеству сопел Лаваля. Такое соотношение диаметров позволяет пропускать через эти сопла 8…10% кислорода, расходуемого на продувку, для дожигания части CO и CO в объеме конвертера с целью улучшения теплового баланса плавки и уменьшения степени заметалливания головки фурмы.
Использование предложенной фурмы обеспечивает более интенсивную циркуляцию жидкой металлической ванны во время продувки в двух плоскостях, в результате интенсифицируется процесс продувки, сокращается плавка и повышается стойкость футеровки конвертера за счет устранения зон локального износа.
Источники информации
1. Фурма для продувки расплава металла. Патент РФ №2181384, кл. C21C 5/48, пр. 27.12.2007 г.
2. Фурма для продувки металла. Патент РФ №2083682, кл. C21C 5/48, пр. 21.12.94 г.
3. Токовой O.K. и др. К гидродинамике конвертерной ванны при продувке кислородом. Извести ВУЗов, Черная металлургия, 1971, №1, с.48-51.
4. Савельев И.В. Курс общей физики, т.1. Учебник, М., Наука, 1977, с.414.