Топливно-кислородная фурма для продувки металла

 

ggт;- - . -", -.ччеои!.ъ :. рц 574475

ОПИСАНИЙ

ИЗОБРЕТЕН ИЯ

Союз Советских

Социалистических

Республик

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (б1) Дополнительное к авт. свид-ву (22) Заявлено 26.03.75 (21) 2116229/02 с присоединением заявки № (23) Приоритет

Опубликовано 30.09.77. Бюллетеш Л 36

Дата опубликования описа|шя 29.09.77 (51) М Кч С 21С 5/48

Гасударственный комитет

Совета Министров СССР ао делам изобретений (53) УДК 669.184.142 (088.8) н открытий (72) Авторы изобретения В. К. Рочняк, С. М. Пивоварова, О. Х. Охримчук, А. И. Мирошниченко и Е. П. Батрак

Институт черной металлургии (71) Заявитель (54) ТОПЛИВНО-КИСЛОРОДНАЯ ФУРМА ДЛЯ ПРОДУВКИ

МЕТАЛЛА

Изобретение относится к сталеплавильному производству, конкретнее к конструкции фурм для одновременной или раздельной подачи твердого, жидкого или газообразного топлива и кислорода, и может быть использована для прогрева и расплавления скрапа и продувки сталеплавильной ванны сверху.

Известна топливно-кислородная фурма для продувки металла, содержащая водоохлаждаемый корпус из концентрично расположенных труб, соединенных с многосопловой головкой, в которой под углом 7 — 15 к оси фурмы расположены сопла типа Вентури и топливоподающие трубки, установленные в соплах и имеющие возможность перемещаться в них (1).

При продольном перемещении центральной трубы фурмы топливоподающие трубки, установленные в соплах, перемещаются в вертикальных плоскостях, проходящих через оси сопл и продольную ось фурмы, вследствие жесткого соединения их с указанной трубой.

В начальный период ось топливоподающей трубки каждого сопла перемещается в указанной плоскости параллельно оси последнего, а в конечный период, когда выходная часть трубки упирается в зауженную часть сопла— все с более возрастающим углом к его оси, до соприкосновения трубки с входной частью сопла.

Такое перемещение трубки в сопле приводит к несоосному вводу топлива в поток кислорода, что не обеспечивает удовлетворительного механического смешения и образования

5 более или менее однородной газовой фазы, а также равномерного заполнения объема сопла распыленным топливом. Ухудшение качества распыливания топлива и смесеобразования в поперечных сечениях реального соп10 ла приводит к химической неоднородности состава газа и его температуры, что не обеспечивает химической и физической полноты горения топлива, а также ухудшает преобразование химической энергии топлива в тепло15 вую, а затем в кинетическую энергию вытекающей струи газа.

Недостаточно хорошее перемешивание топлива с кислородом и неравномерное распределение эмульсии по поперечному сеченшо

20 сопла не позволяет полностью использовать кислород, нарушает аэродинамику факела, затрудняет регулирование соотношения топливо — кислород и приводит к неблагоприятным условиям горения топлива в сопле и рез25 кому искривлению факела.

Подача топлива через трубку, расположенную под некоторым углом к оси сопла у его периферии, приводит к нежелательному эффекту, заключающемуся в том, что поток жид30 кого топлива оказывается направленным на

574475

3 охлаждаемые стенки сопл, где он будет конденсироваться. Это также ухудшает качество распыливания топлива и смесеобразования.

Подача такой химически неоднородной смеси, неодинаково подготовленной к сгоранию, приводит к тому, что первоначальное воспламенение происходит в форме очага там, где местный состав смеси близок к стсхиометрич et<0M) и где внешнего тепла достаточно для развития экзотермнчсских Ilpcä1tëÿ!÷10It««tõ рс акций, На протекание этих подготовительных стадий необходимо время.

Целью изобретения является повышение эффективности работы топливно-кислородной фурмы.

Указанная цель достигается тем, что в известной топливно-кислородной фурме для продувки металла, содержащей водоохлаждаемый корпус из концентрично расположенных труб, соединенных с головкой с соплами, в которых установлены подвижно топливоподающие трубки, каждая топливоподающая трубка выполнена составной из двух прямолинейных частей, соединенных между собой эластичной трубкой, причем часть трубки в сопле установлена с зазором B соосной с соплом направляющей втулке, закрепленной жестко во входной его части, а эластичная трубка в месте изгиба зафиксирована от поперечных смещений криволинейной направляющей втулкой, жестко закрепленной в трубе для подачи кислорода.

На фиг. 1 изображена нижняя часть топливно-кислородной фурмы в разрезе; на фиг. 2— разрез по А — А на фиг. 1; на фиг. 3 — разрез по Б — Б на фиг. 1.

Топливно-кислородная фурма содержит водоохлаждаемый корпус из концентрично расположенных труб 1 — 4, соединенных с головкой 5 и образующих тракты для подачи топлива, кислорода, охлаждающей воды и отвода последней. Головка имеет несколько сопл 6 типа Лаваля, которые на выходных участках снабжены кольцевыми выточками. Вместо сопл Лаваля могут применяться сопла типа

Вентури.

Для подачи жидкого топлива из центральной трубы в сопла предназначены топливоподающие трубки, которые выполнены составными из двух прямолинейных частей 7 и 8, соединенных между собой эластичной трубкой

9. Части трубок могут быть выполнены из меди или стали, а в качестве эластичных трубок могут использоваться при температуре до 40 С полиэтиленовые трубки толщиной 0,5 — 1,5 мм, при температуре до 135 — резиновые или хлопчатобумажные шланги, которые, в случае необходимости, могут быть упрочнены внешней хлопчатобумажной или металлической оплеткой, а в некоторых случаях— внутренними хлопчатобумажными или металлическими каркасами. Для повышения прочности оплетки и каркасы могут быть многослойными. При температуре до 230 С используются фторопластовые трубки, а при темпе5

4 ратуре до 550 С вЂ” — гибкие металлические герметичные рукава, заключенные, в случае необходимости, в проволочную оплетку. Для изготовления металлических рукавов может быть использована лента из нержавеющей стали 1Х18Н9Т толщиной 0,15 — 0,4 мм, а так «å ленты из углеродистой стали, меди, латуни, бронзы, монель-металла, никеля или титана. В качестве оплетки используют проволоку того же материала диаметром 0,3 — 0,5 мм.

Гибкие металлические рукава соединяются герметично с частями трубок при помощи пайки. По сравнению с резинотканевыми шлангами металлические рукава с трубкой из нержавеющей стали обладают высокой гибкостью и имеют меньший вес. Части 7 топливоподающих трубок герметично соединены с заглушкой 10 центральной трубы, а части 8 установлены с зазором (свободно) в соплах в соосных прямолинейных направляющих втулках

11, которые жестко закреплены во входных частях сопл с помощью ребер-рассекателей 12.

Величина зазора составляет 100 — 500 мкм.

Втулки и ребра-рассекатели изготовлены из того же материала, что и топливоподающие трубки, а толщина стенок не превышает 0,25—

1 мм. Длина втулки составляет 2 — 5 диаметров топливоподающей трубки. При большой длине входной части сопл концентричная установка каждой части 8 топливоподающей трубки осуществляется с помощью двух разнесенных на длину не менее 5 — 8 диаметров трубки соосных с соплом направляющих втулок, длина которых не превышает 0,5 — 1 диаметра указанной трубки. Внутренняя поверхность втулок или наружная поверхность трубки могут быть покрыты фторопластом или графитом для уменьшения коэффициента трения, при этом зазор между частями 8 и втулками может быть уменьшен до 100 — 150 мкм, что уменьшает отклонение от соосности топливоподающих трубок и сопл.

Эластичные трубки в местах пересечения осей прямолинейных участков 7 и 8, т. е. в местах изгиба, зафиксированы от поперечных смещений соответствующими криволинейными направляющими втулками 13, которые жестко закреплены в трубе 2, предназначенной для подачи кислорода, на ребрах-рассекателях

14. Наименьший радиус изгиба криволинейной втулки зависит от материала эластичных трубок и толщины их стенок, а длина изогнутого участка их зависит от угла наклона сопл к продольной оси фурмы и составляет: где л = 3,14; ц — угол наклона сопл и продольной оси фурмы;

Я вЂ” наименьший радиус изгиба втулок в мм;

d„— наружный диаметр втулок в мм.

574475

Во всем остальном втулки 13 аналогичны втулкам 11. Это обеспечивает строгую фиксацию положения топливоподающих трубок.

Угол наклона сопл к продольной оси фурмы составляет 0 — 90, т. е. сопла могут быть установлены как параллельно продольной оси, так и перпендикулярно, а также под любым необходимым углом в этом диапазоне. Центральная труба 1 выполнена подвижной относительно продольной оси фурмы, а вследствие соединения ее с топливоподающими трубками последние могут перемещаться в соплах вдоль их осей, причем величина продольного (соосного) перемещения частей 8 топливоподающих трубок всегда равна величине продольного перемещения центральной трубки 1, независимо от угла наклона сопл, что упрощает контроль положения и перемещения частей

8 в соплах, а также механизм перемещения центральной трубы.

Такое конструктивное выполнение топливоподающих трубок и указанное расположение их в фурме обеспечивает строгую концентричность их с соплами, а также синхронное и соосное продольное перемещение прямолинейных участков 8 в соплах, независимо от угла наклона последних и величины продольного перемещения центральной трубы, что исключает несоосное впрыскивание топлива в поток кислорода и попадание его на охлаждаемые стенки сопл.

Фурма работает следующим образом.

После завалки скрапа и заливки жидкого чугуна, например, в конвертор для сокращения продолжительности прогрева и расплавления твердой шихты продувку осуществляют топливно-кислородным факелом. жидкое топливо подается в необходимом количестве по центральному тракту, а затем равномерно через топливоподающие трубки — в полость сопл 6, где оно распыляется потоком кислорода, подаваемым по кольцевому тракту. Охлаждаемая вода подается по кольцевому тракту в межсопловую полость и далее отводится на слив. Конструкция фурмы предусматривает рациональную организацию потока воды в головке фурмы. Пережим канала подвода охлаждающей воды у головки увеличивает скорость и способствует срыву паровой пленки на днище при локальных перегревах головки. Это обеспечивает интенсивное охлаждение поверхности теплообмена и повышение стойкости фурмы.

Фурма обеспечивает получение короткого, хорошо рассредоточенного факела с высокой тепловой интенсивностью.

Изменяя положение топливно-кислородных трубок относительно оси сопл, регулируют в необходимых пределах степень перемешивания топлива с кислородом, длину и температуру факела, что позволяет оперативно управлять работой фурмы. Подача жидкого топлива регулируется таким образом, чтобы обеспечить полное его сгорание. При необходимости подача топлива может быть прекращена, 5

95 зо

I 3 ) 6 а фурма использована только для подачи в сталеплавильную ванну кислорода. Кроме того, рафинирование может производиться без отключения подачи топлива, при этом не происходит окисления металла с выделением бурого дыма, что уменьшает запыленность отходящих газов и резко снижает требования к газоочистке.

Концентричное расположение топливоподающих трубок в соплах, а также продольное и соосное перемещение пх частей 8 в последних позволяет осуществить центральный соосный ввод топлива в кольцевой поток кислорода при любой величине указанного перемещения и угла наклона сопл, что обеспечивает хорошее механическое их смешивание и равномерное распределение эмульсии по поперечному сечению сопл с образованием однородной газовой фазы.

Распыление топливной струи в этом случае осуществляется в результате активного воздействия кольцевой струи кислорода, имеющей высокие скорости истечения и большую кинетическую энергию, которая может быть IIcпользована также для пнжскции топлива.

При этом, кроме достаточно хорошего перемешивания кислорода с топливом, улучшается качество распыливанпя топлива и смесеобразования в поперечных сечениях реального сопла. Этим достигается химическая однородность состава газа и его температура, что обеспечивает химическую и физическую полноту горения топлива, а также улучшает преобразование химической энергии топлива в тепловую, а затем в кинетическую энергшо вытекающей струи газа.

Кроме того, высокие скорости истечения кислорода создают по периферии факела рецпркуляционные вихри, которые способствуют стабилизации горсния у поверхности головки и уменьшению шума горящего факела.

Равномерное заполнение объема сопла распыленным топливом улучшает условия горения топлива в сопле, повышает степень использования кислорода, улучшает аэродинамику факела, облегчает регулирование соотношения топливо — кислород и состава продуктов сгорания, а также обеспечивает создание устойчивого факела и возможность регулирования длины факела и его температуры без проскоков и отрыва пламени.

Кольцевая выточка на выходном участке сопла позволяет стабилизировать интенсивный факел на выходе из сопла благодаря созданию рециркуляцпп продуктов сгорания при внезапном адпабатном расширении топливнокислородной смеси пз-за уменьшения давления и температуры. Кольцевая выточка способствует внезапному расширению потока и возникновению ударной волны.

Область низкого давления, возникающая у .стья сопла, заставляст часть TQIlëèâIID-кислородного потока подсасываться обратно, образуя рециркуляцию по кольцевой форме. Сгорание начинается на неоольшом расстоянцц от

574475 сопла, так что рециркуляционный поток состоит из распыленного топлива, кислорода и раскаленных продуктов сгорания.

Топливно-кислородная фурма обеспечивает также сравнительно низкий уровень шума, поскольку топливо смешивается с кислородом до выхода из сопл и поскольку предусмотрены меры по стабилизации фронта пламени. Устранение беспорядочных проскоков, срывов пламени, раздвоение факела на зоны горящего и еще не воспламенившегося газа, увеличение разности скоростей истечения топлива и кислорода, улучшение перемешивания компонентов смеси, обеспечение рециркуляции продуктов горения и пропорциональной подачи топлива и кислорода приводят к резкому снижению шума, что улучшает условия труда и снижает механические напряжения в соплах.

Предлагаемая топливно-кислородная фурма позволяет повысить гибкость процесса в смысле увеличения доли лома в металлической части шихты в результате компенсации недостающего тепла теплом дополнительно подаваемого теплоносителя. Такая фурма позволяет быстро и хорошо разогревать огнеупорную футеровку конверторов, а также регулировать температуру жидкого металла в конце продувки.

Таким образом, использование топливнокислородной фур мы позволяет осуществить центральное впрыскивание топлива в поток кислорода при углах наклона сопл Π— 90, улучшить механическое перемешивание топлива с кислородом, качество распылевания и смесеобразования по всему объему реального сопла, обеспечить химическую однородность состава газа и его температуру, химическую и физическую полноту горения топлива, улучшить преобразование химической энергии топлива в тепловую, а затем в кинетическую энергию вытекающей струи газа, сократить затраты времени на подготовительные стадии для развития экзотермических предпламенных реакций, улучшить условия горения топлива, повысить степень использования кислорода, регулирования соотношения топливо — кислород и состава продуктов сгорания, обеспечить создание устойчивого факела и возможность регулирования длины факела и его температуру без проскоков и отрыва пламени, улучшить аэродинамику факела, обеспечить стабилиза5 цию фронта пламени, низкий уровень шума, осуществить нагрев и расплавление холодной шихты без химического недожога смеси, улучшить охлаждение выходных частей сопл и головки фурмы, улучшить условия труда, что

10 повышает эффективность работы фурмы.

Ф о р мул а изобретения

1. Топливно-кислородная фурма для про15 дувки металла, содержащая концентрично расположенные трубы, соединенные с головкой с соплами, в которых подвижно установлены топливоподающие трубки, о т л и ч а ющ а я с я тем, что, с целью повышения эффек20 тивности работы фурмы, каждая топливоподающая трубка выполнена составной из двух прямолинейных частей, соединенных между собой эластичной трубкой, при этом фурма снабжена прямолинейной направляющей втул25 кой, жестко закрепленной во входной части сопла, и криволинейной направляющей втулкой, жестко закрепленной в кислородной трубе.

2. Фурма по п. 1, отличающаяся тем, д0 что длина криволинейной направляющей втулки равна

1= 9+ —" мм, где и — угол наклона сопл к продольной оси фурмы;

Л вЂ” наименьший радиус изгиба втулки, мм;

d„„— наружный диаметр втулки, мм.

40 3. Фурма по п. 1, отличающаяся тем, что эластичная трубка в прямолинейной направляющей втулке установлена с зазором.

Источники информации, прппятыс Во внимание при экспертизе

1. Патент СССР М 464129, кл. С 21с 5/48, 1967.

574475

А-A

Pg2. 2

Составитель В. Кохов

Корректор Н. Аук

Редактор Е. Дайч

Техред И. Михайлова

Типография, ир. Сапунова, 2

Заказ 2136/6 Изд. ¹ 802 Тираж 693 Подписное!

-1ПО Государственного комитета Совета Министров СССР но делам изобретении If открытий! 13035, Москва, Ж-35, Раушская Баб., д. 4/5