НАКОНЕЧНИК КИСЛОРОДНО-КОНВЕРТЕРНОЙ ФУРМЫ
OXYGEN CONVERTER LANCE TIP

Область техники
Изобретение относится к области черной металлургии, в частности к производству стали кислородно-конвертерным способом и касается конструкции наконечников кислородно-конверторных фурм.
Уровень техники
Известна фурма для продувки металла (патент № RU 2112048 C1, далее - фурма), состоящая из внутренней тарелки, наружной тарелки, распределителя воды, сопел Лаваля и патрубка. В системе охлаждения такой фурмы имеется недостаток - наличие застойной зоны вокруг патрубка, у поверхности наружной тарелки, обусловлено это тем, что вокруг этого патрубка статическое давление воды будет примерно одинаково, а отсутствие перепада статического давления воды есть отсутствие потока воды, таким образом, вероятен перегрев и прогар центральной части наружной тарелки.
Данное утверждение подтверждается фактическим местом выхода из строя фурм со схожей организацией охлаждения, также, данная застойная зона была выявлена с помощью компьютерного моделирования гидродинамического течения воды в фурме с аналогичной организацией охлаждения.
Известна головка фурмы (патент № RU 2177509 C2, далее - фурма, принято за прототип), состоящая из торцевого днища, перегородки, днища стального, силовой стойки, сопел окислителя и их рубашек - оболочек, образующих соосно-кольцевые каналы отвода и подвода воды. Недостатком такой конструкции является явное наличие застойной области по центру торцевого днища вокруг силовой стойки, т.к. поле статического давления воды вокруг этой силовой стойки будет примерно одинаково, что так же приведет к перегреву и прогару в этой зоне.
В дополнение, в данной фурме охлаждение сварных швов выходных фланцев и торцевого днища организовано путем омывания их потоком воды, направленным параллельно поверхности стенки торцевого днища, что является не самым эффективным способом. В соответствии с теорией теплоотдачи ([1] - Мухачев Г.А., Щукин В.К. Термодинамика и теплопередача: Учеб. для авиац. вузов - 3-е изд., перераб. - М.: Высш. шк., 1991. - 480 с.: ил. ISBN 5-06-001910-1, стр. 291) при омывании стенки жидкостью образуется динамический пограничный слой, содержащий ламинарный пограничный слой (Далее - ЛПС), либо турбулентный пограничный слой с вязким подслоем. В ЛПС, как и в вязком подслое, теплота передается в основном теплопроводностью, а т.к. жидкости имеют небольшую теплопроводность, то это создает большое сопротивление теплоотдаче ([1], рис. 5.2). Для увеличения теплоотдачи необходимо уменьшать толщины ЛПС или вязкого подслоя, путем увеличения нормальной к поверхности составляющей скорости, обеспечивающей конвективный перенос теплоты взамен переноса теплопроводностью ([1], стр. 291, абзац 2). Логично, что наибольший эффект увеличения теплоотдачи достигается тогда, когда вся скорость потока, а не его часть, направлена по нормали к омываемой поверхности.
Наконечник кислородно-конвертерной фурмы (далее - наконечник) эксплуатируется в теплонапряженных условиях, испытывая воздействие температуры до 2600°С (в реакционной зоне конвертера). Исходя из опыта эксплуатации наконечников известно, что, в большинстве случаев, выход их из строя происходит из-за прогара центральной части нижней тарелки и разрушения сварных швов, скрепляющих торцы сопел Лаваля с нижней тарелкой. В связи с этим, стойкость наконечника, как правило, определяется эффективностью охлаждения указанных элементов.
Сущность изобретения
Задачей изобретения является повышение стойкости наконечника кислородно-конвертерной фурмы. Решение данной задачи обеспечено через улучшение охлаждения проблемных зон - центральной части нижней тарелки и элементов крепления сопел Лаваля к нижней тарелке.
Технический результат заявленного изобретения заключается в повышении стойкости наконечника кислородно-конвертерной фурмы путем улучшения эффективности его охлаждения.
Указанный технический результат обеспечивается за счет конструкции наконечника кислородно-конвертерной фурмы, который содержит верхнюю тарелку, разделитель, сопла Лаваля, нижнюю тарелку, индивидуальные кольцевые каналы охлаждения элементов крепления выходных торцов сопел Лаваля к нижней тарелке, выполненные вокруг каждого сопла Лаваля, причем наконечник дополнительно содержит центральную трубу охлаждения, размещенную по вертикальной оси наконечника, и соединяющую полость, образованную между верхней тарелкой и разделителем с полостью, образованной разделителем и нижней тарелкой, при чем центральная труба охлаждения закреплена вплотную к верхней и нижней тарелкам и выполнена перфорированной в верхней и нижней боковых частях или центральная труба охлаждения закреплена вплотную к нижней тарелке и при этом установлена с зазором к верхней тарелке и выполнена перфорированной в нижней боковой части или центральная труба охлаждения закреплена вплотную к верхней тарелке и при этом установлена с зазором к нижней тарелке и выполнена перфорированной в верхней боковой части или центральная труба охлаждения установлена с зазором к нижней и верхней тарелкам и при этом закреплена к разделителю и выполнена сплошной.
В частном случае реализации заявленного технического решения наконечник дополнительно содержит центральный силовой стержень, расположенный во внутренней полости центральной трубы охлаждения соосно ей и закрепленный к верхней и нижним тарелкам.
Краткое описание чертежей
Детали, признаки, а также преимущества настоящего изобретения следуют из нижеследующего описания вариантов реализации заявленного технического решения с использованием чертежей, на которых показано:
на фигуре 1 показан пример реализации наконечника, в котором центральная труба охлаждения выполнена перфорированной в верхней и нижней боковых частях и закреплена вплотную к верхней и нижней тарелкам;
на фигуре 2 показан пример реализации наконечника, в котором центральная труба охлаждения закреплена вплотную к нижней тарелке и при этом установлена с зазором к верхней тарелке и выполнена перфорированной в нижней боковой части;
на фигуре 3 показан пример реализации наконечника, в котором центральная труба охлаждения закреплена вплотную к верхней тарелке и при этом установлена с зазором к нижней тарелке и выполнена перфорированной в верхней боковой части;
на фигуре 4 показан пример реализации наконечника, в котором центральная труба охлаждения установлена с зазором к нижней и верхней тарелкам, при этом закреплена к разделителю и выполнена сплошной;
на фигуре 5 показан пример реализации наконечника, в котором центральная труба охлаждения установлена с зазором к нижней и верхней тарелкам, при этом закреплена к разделителю и выполнена сплошной, при этом дополнительно содержит центральный силовой стержень, расположенный во внутренней полости центральной трубы охлаждения;
на фигуре 6 показаны размеры элементов наконечника, подлежащих подбору путем проведения тепло-гидравлического расчета исходя из конкретных условий эксплуатации наконечника;
на фигуре 7, в качестве демонстрации результатов проведенного тепло-гидравлического расчета, показаны траектории потоков охлаждающей воды - вид снизу, со стороны выходных торцов сопел Лаваля (нижняя тарелка (5) скрыта).
На фигурах цифрами обозначены следующие позиции:
1 - верхняя тарелка; 2 - разделитель; 3 - сопла Лаваля; 4 - кольцевые каналы; 5 - нижняя тарелка; 6 - центральная труба охлаждения; 7 - труба отвода охлаждающей воды; 8 - труба подвода охлаждающей воды; 9 - труба подачи кислорода; 10 - центральный силовой стержень; 11 - верхняя область перфорации центральной трубы охлаждения; 12 - нижняя область перфорации центральной трубы охлаждения; 13 - зазор между центральной трубой охлаждения и верхней тарелкой; 14 - зазор между центральной трубой охлаждения и нижней тарелкой.
Раскрытие изобретения
В основном варианте исполнения наконечник включает: верхнюю тарелку (1), разделитель (2), сопла Лаваля (3), кольцевые каналы (4), нижнюю тарелку (5), центральную трубу охлаждения (6) с верхней и нижней областями перфорации (11) и (12), трубы (7), (8) и (9).
На верхней тарелке (1) закреплена труба подачи кислорода (9), входные торцы сопел Лаваля (3) и центральная труба охлаждения (6). Центральная труба охлаждения (6) направляет поток воды перпендикулярно к фронтальной проекции центральной части нижней тарелки (5).
На разделителе (2) закреплена труба (8), в отверстия разделителя (2) установлены сопла Лаваля (3), оснащенные кольцевыми каналами (4), которые закреплены на разделителе (2). Труба (8) и труба (9) образуют канал подачи воды в полость, образованную разделителем (2) и верхней тарелкой (1). На нижней тарелке (5) закреплены выходные торцы сопел Лаваля (3), центральная труба охлаждения (6), размещенная по вертикальной оси наконечника, и труба (7). Трубы (8) и (7) образуют канал отвода воды из полости, образованной разделителем (2) и нижней тарелкой (5).
Центральная труба охлаждения (6) выполнена таким образом, что соединяет полость, образованную верхней тарелкой (1) и разделителем (2) с полостью, образованной разделителем (2) и нижней тарелкой (5).
Предложенное техническое решение обеспечивает улучшение охлаждения проблемных зон - центральной части нижней тарелки (5) и элементов крепления сопел Лаваля (3) к нижней тарелке (5). В качестве таких крепежных элементов может выступать, например, сварной шов или болтовое соединение. Предложенное решение интенсифицирует теплоотдачу указанных элементов, предотвращая их перегрев и прогар.
В варианте реализации заявленного технического решения центральная труба охлаждения выполнена перфорированной в верхней и нижней боковых частях и закреплена вплотную к верхней и нижней тарелкам.
В варианте реализации заявленного технического решения центральная труба охлаждения закреплена вплотную к нижней тарелке и при этом установлена с зазором к верхней тарелке и выполнена перфорированной в нижней боковой части.
В варианте реализации заявленного технического решения центральная труба охлаждения закреплена вплотную к верхней тарелке и при этом установлена с зазором к нижней тарелке и выполнена перфорированной в верхней боковой части.
В варианте реализации заявленного технического решения центральная труба охлаждения установлена с зазором к нижней и верхней тарелкам, при этом закреплена к разделителю и выполнена сплошной.
В варианте реализации заявленного технического решения центральная труба охлаждения установлена с зазором к нижней и верхней тарелкам, при этом закреплена к разделителю и выполнена сплошной, при этом дополнительно содержит центральный силовой стержень, расположенный во внутренней полости центральной трубы охлаждения соосно ей и закрепленный к верхней (1) и нижним (5) тарелкам. Силовой стержень (10) может быть необходим для компенсации осевой силы, возникающей от действия давления воды.
В любом из перечисленных вариантах реализации заявленного технического решения обеспечивается улучшение охлаждения проблемных зон - центральной части нижней тарелки и элементов крепления сопел Лаваля к нижней тарелке за счет адресного подвода потоков воды к проблемным зонам и более эффективного разрушения ЛПС или вязкого подслоя в этих зонах. Охлаждение наконечника работает следующим образом: в наконечник подается вода через канал подачи воды, образованный трубами (8) и (9), которая попадает в полость, образованную верхней тарелкой (1) и разделителем (2). Далее, поток воды разделяется: часть воды подается на кольцевые каналы (4), а часть - на центральную трубу охлаждения (6) через области перфорации (11, 12) и/или через зазоры (13) и (14). Стрелками, на фиг. 1-5 показаны потоки движения охлаждающей воды во внутренней полости наконечника.
Соотношение этих потоков подбирается тепло - гидродинамическим расчетом в специализированном программном обеспечении в зависимости от конкретного конвертора и конкретной фурмы путем подбора размеров следующих элементов наконечника:
- внутреннего диаметра центральной трубы охлаждения (6);
- внутреннего диаметра кольцевых каналов (4);
- длины кольцевого канала (4), обуславливающего зазор, образующийся между торцом кольцевых каналов (4) и крепежными элементами сопел Лаваля (3) к нижней тарелке (5).
При этом, проходное сечение верхней (11) и/или нижней (12) областей перфорации центральной трубы охлаждения и/или проходного сечения зазора между центральной трубой охлаждения и верхней тарелкой (13) и/или зазора между центральной трубой охлаждения и нижней тарелкой (14), как правило, должно составлять 30% от проходного сечения центральной трубы охлаждения (6).
Данные рассчитываемые элементы наконечника обозначены на фигуре 6. Расчет выполняется из условия обеспечения необходимой температуры стенки у торцов сопел Лаваля (3), крепежных элементов торцов сопел Лаваля (3) к нижней тарелке (5) и наружной поверхности самой нижней тарелки (5), с учетом доступного напора воды в системе охлаждения.
3
В качестве демонстрации результатов такого расчета, приведем рассчитанные значения указанных на фигуре 6 элементов: a=6,6 мм, b=∅48 мм, с=∅42 мм. Значения рассчитаны для следующих условий системы охлаждения: поток воды 380 м/ч, доступный перепад напора воды на наконечнике - 0,1 МПа. На фигуре 7 приведены траектории потоков охлаждающей воды - вид снизу, со стороны выходных торцов сопел Лаваля (нижняя тарелка (5) скрыта).
Далее, вода, проходя в канале, образованным наружной поверхностью сопел Лаваля (3) и внутренней поверхностью кольцевых каналов (4) бьет фронтально в область крепежных элементов торцов сопел Лаваля (3) и нижней тарелки (5), тем самым наиболее эффективно разбивая ЛПС или вязкий подслой, максимально увеличивая теплоотдачу и снижая температуру крепежных элементов. Затем, эти потоки расходятся радиально, часть потоков направлена к центральной части нижней тарелки. Параллельно этому, вода, проходящая через центральную трубу охлаждения (6), также бьет перпендикулярно фронтальной проекции центральной части нижней тарелки (5), эффективно охлаждая эту зону, и выходит через нижнюю область перфорации (12). Далее, потоки воды из центральной трубы охлаждения (6) расходятся радиально и встречаются с частью потоков, вышедшими из кольцевых каналов (4) в сторону центра нижней тарелки (5), столкнувшись, потоки создают зону высокой турбулентности, что также хорошо разрушает ЛПС или вязкий подслой, увеличивая теплоотдачу и снижая температуру стенки нижней тарелки (5). Далее, потоки воды направляются в канал отвода воды, образованный трубами (7 и 8). В вариантах исполнения наконечника охлаждение работает аналогичным образом, только верхняя и/или нижняя область перфорации (11) и (12) заменяется, соответственно, на зазоры (13) и (14).