Исследование и разработка конструкции наконечника фурмы

 

      1.3.1 Требования к конструкции наконечника

     Изменяя форму сопла, количество сопел, положение наконечника фурмы над условным уровнем ванны, количество вдуваемого кислорода, можно, при удовлетворительном шлакообразовании, добиться такого положения, когда процесс будет идти ровно, без выбросов.

     Учитывая, что для каждого сопла или  фурмы существует некоторый оптимальный расход кислорода, превышение которого связано с неблагоприятными последствиями, расход кислорода через сопло или фурму на конвертерах любой емкости должен быть примерно постоянным. Сохранение удельной интенсивности продувки должно достигаться за счет соответствующего увеличения числа сопел и фурм при неизменном количестве дутья, вдуваемого через каждое сопло или фурму.

     Использование одинаковых фурм, но в большем их количестве позволяет сохранить  выход годного в большегрузных  конвертерах на уровне, отвечающем конвертерам меньшей садки, и создает возможность повышения удельной интенсивности продувки и соответствующего повышения производительности конвертеров.

     Изложенные  соображения позволяют сформулировать требования, которые необходимо учитывать при организации дутьевого режима и конструировании фурм.

     1. Ванну необходимо продувать хорошо  организованными струями кислорода,  аэродинамические параметры которых  удовлетворяют технологическим  требованиям. Важнейшим из этих  требований является обеспечение надлежащей глубины проникновения. В наибольшей мере этим условиям удовлетворяют фурмы с соплами Лаваля, применение которых обеспечивает достаточное заглубление струи в ванну, относительно небольшое среднее давление струи на поверхность ванны, рассредоточенную поверхность контакта и максимально возможное по сравнению с другими конструкциями сопел расстояние от уровня зеркала металла, что создает благоприятные условия для повышения их стойкости.

     2. Дутьевые устройства должны обеспечить  рассредоточенную подачу кислорода в ванну. Этому требованию отвечают многосопловые фурмы. Для конвертеров большой емкости целесообразно применение нескольких таких фурм. Две фурмы и более могут быть применены и на конвертерах средней емкости при повышении интенсивности продувки свыше 5 м³/(т*мин).

     3. Конструкция фурмы должна обеспечить  сохранение аэродинамических характеристик  струй по ходу кампании (от  плавки к плавке), что требует  минимального изменения геометрических  размеров и формы сопел в  процессе эксплуатации. Это может быть достигнуто за счет применения жесткой конструкции наконечника и равномерного его охлаждения.

     4. Учитывая колебания расхода кислорода,  вызванные технологической необходимостью, для продувки ванны наиболее  целесообразно применять специальные сопла Лаваля, обеспечивающие возможность работы их в расчетном режиме при любых давлениях (расходах) кислорода.

     5. При увеличении числа сопел  в фурме относительное расстояние  ее от ванны в калибрах должно  сохраняться постоянным, что влечет  за собой уменьшение абсолютной высоты подъема фурмы над ванной. Уменьшение абсолютного расстояния между фурмой и ванной при переходе от одно- к многосопловым фурмам будет сопровождаться утяжелением условий службы наконечника фурмы, что должно быть учтено при выборе системы и параметров охлаждения.

     Указанные положения носят во многом качественный характер и не исчерпывают в полной мере всех вопросов, связанных с  проектированием рациональных конструкций  фурм и способами подвода дутья  к ванне. Однако широкое развитие конвертерного процесса и многообразие конструкции фурм и дутьевых режимов уже ставят в повестку дня формулировку, хотя бы и в качественном виде, основных положений, которыми следует руководствоваться при выборе режимов и устройств для подачи кислорода. Такая попытка дает начало систематизации накопленных материалов, без чего нельзя решить проблему создания дутьевых устройств, отвечающих требованиям современного кислородно-конвертерного процесса. 

     1.3.2 Разработка метода расчета конструкции наконечника кислордной фурмы

     Метод позволяет определить диаметр поверхности контакта с ванной конвертера кислородной струи, истекающей из одного сопла, кроме того дает возможность оценить взаимное расположение всех струй многосопловой фурмы в точке соприкосновения с уровнем спокойной ванны при разной высоте фурмы.

     Входными  параметрами служат конструктивные параметры фурмы, такие как диаметр  сопла на выходе, угол наклона и  угол раскрытия сопла, высота фурмы  над ванной.

     В основу метода положено, по существу, геометрическое определение проекции струи на плоскость.

     Для расчета зададимся такими условными  обозначениями:

     n –число сопел в фурме;

     α – угол наклона сопел к центральной  оси фурмы;

     β – угол раскрытия сопел (принимаем, что используются только сопла Лаваля, их преимущества были описаны выше);

     d_вых – диаметр сопла на выходе;

     d – искомый диаметр поверхности контакта;

       r – расстояние от оси сопла на выходе до оси фурмы (принимается конструктивно);

     H – расстояние от торца фурмы до уровня спокойной ванны.

     Рассмотреть задачу можно так : Точка С – центр конвертерной ванны. Прямая KC соответствует поверхности спокойной ванны. Сопло изображено жирными линиями, отрезок NM=d_вых Тогда точка A – точка пересечения оси сопла с центральной осью фурмы, а отрезок KL – искомый диаметр площади контакта струи с ванной. A' – точка схождения образующих струи, а точка A'' – проекция точки A' на прямую KC. 

     d=KL=KA''-LA''; OO'=A''P=CG=H;  

     отсюда  A'A''=H+A'P;

       A'P=OA'·cosα, где OA'=OM/tg(β/2)= , откуда. 

       

       Тогда . 

     KA''=A'A''·tgδ= ,аналогично: 

     LA''=A'A''·tgγ= , тогда -  

     из  рисунка 2.9 видно, что , а , тогда диаметр поверхности контакта одной струи составит:

       (2.24)  

     Найдем  расстояние от оси фурмы до центра круга контакта струи с ванной.  

     

       (2.25) 

     Таким образом можно найти поверхность  контакта кислородных струй с  ванной на примере пятисопловой фурмы, применяемой в конвертерном цехе комбината «Криворожсталь» с учетом начального и рабочего положения торца фурмы над ванной.

     Исходные  данные:

     n=5, α=20°, β=8°, d_вых=39 мм, r=67,5 согласно технологической инструкции Н_нач=2500-3000 мм, Н_раб=1000 –1200 мм.

     Принимаем Н_нач=2750 мм, Н_раб=1100 мм.

     По  формуле (2.24) находим:

      

     По  формуле (2.25) находим: 

       

     

     Найдём  глубину проникновения кислородной  струи в металл при начальном и рабочем положении фурмы, воспользовавшись формулой (2.1а):

       

     где ω_x, — осевая скорость струи в месте встречи ее с ванной,

     ρ_x, — плотность газа в месте встречи струи с ванной,

     принимаем, что ρ_x= ρ_O2=1,429 кг/м³

     ρ—плотность металла, ρ=7000 кг/м³;

     g — ускорение силы тяжести;

     d_x — диаметр струи в месте встречи ее с ванной, м (расчитан выше).

      Найдём осевую скорость струи кислорода при  контакте её с металлом 

     где ω₀ – начальная скорость струи, по данным цеха

     ω₀=500 м/с (см пункт 2.1).

     x – расстояние от сопла до поверхности ванны. 

     x=OB=H/cos α, откуда

     x_нач=2750/cos 20= 2926,49 мм; 

     x_раб=1100/cos 20= 1170,6 мм; 

     r₀ – радиус начального сечения, 

     r₀=d+d_вых/2=39/2=19,5 мм. 

     a – константа, зависящая от структуры струи,

       а=0,066-0,076; принимаем a=0,072.

      Таким образом, подставив все значения найдём осевую скорость струи при встрече с  ванной в начальном и рабочем  положении фурмы 

     Найдём  глубину проникновения струи  в металл

       
 

     С помщью расчетов,мы увидели результаты расчета поверхности контакта струй многосопловой фурмы с ванной 160 – т конвертера при двух положениях торца фурмы над ванной по данным КГГМК «Криворожсталь». Диаметр рабочего пространства конвертера составляет 4645 мм.

     При даанных углах α и β струи не смешиваются, не перекрвают друг друга, дутье рассредоточено. В начальном положении фурмы над ванной достигается более высокая площадь поверхности контакта кислорода с металлом и низкая глубина проникновения струй в металл, что способствует быстрому наведению FeO и образованию шлака. При этом угле наклона сопел футеровка конвертора не подвергается преждевременному износу.

     В рабочем положении, не смотря на уменьшение площади реакционной зоны, увеличивается  скорость окисления углерода благодаря  более глубокому проникновению  струй кислорода в металл и  интенсивному массообмену.

     Таким образом, данный расчет позволил научно определить конструкцию наконечника  фурмы, обеспечивающую требуемую поверхность  контакта кислорода с металлом, и  оценить рациональность выбора его  конструктивных параметров. Этот метод можно использовать для проектирования новых дутьевых устройств, а также для обоснования и более глубокого исследования уже существующих.