4.2.2. Продувочные устройства кислородных конвертеров
Используемые в кислородно-конвертерных процессах продувочные устройства по выполняемым функциям подразделяют на окислительные и специальные, а по способу подвода дутья к металлу – на верхние, донные и боковые.
Верхние водоохлаждаемые фурмы представляют собой наиболее широко использованную группу окислительных продувочных устройств, т.е. устройств, с помощью которых подают кислород в сталеплавильную ванну для осуществления окислительных реакций (рис. 4.2)
Такая фурма обычно состоит из трех концентрически расположенных труб, имеющих в верхней части патрубок для соединения с кислородной и водной магистралями. По способу подачи охлаждающей воды различают фурмы с центральным и периферийным охлаждением наконечника.
Рис. 4.2. – Наконечник двухрядной продувочной фурмы.
При периферийном подводе воды кислород подают по центральной трубе. Вода при этом поступает по кольцевому зазору между центральной и промежуточной трубами, а отводится по зазору между промежуточной и наружной трубами.
При центральном подводе вода к наконечнику поступает по центральной трубе, отводится по зазору между промежуточной и наружной трубами, а кислород подают по зазору между центральной и промежуточной трубами.
Для компенсации различного температурного расширения отдельных частей фурмы используют сальниковые, сифонные, мембранные и другие компенсаторы.
С теплотехнической и технологической точек зрения наиболее ответственным элементом является наконечник фурмы, так как он расположен в непосредственной близости к ванне.
По способу изготовления наконечники бывают сварные, литые и цельноточеные.
Преимуществом цельноточеных и литых наконечников перед сварными является отсутствие швов на наиболее теплонапряженной лобовой части.
В настоящее время 50% работающих в мире фурм оснащены литыми наконечниками, что обусловлено их большей по сравнению со сварными, стойкостью при меньших материалоемкости и сложности изготовления по сравнению с цельноточеными.
Стойкость литых наконечников достигает 1000 и более плавок, стойкость цельноточенных – 600 – 1000 плавок, сварных – 100 – 150 плавок.
Конструирование фурм – это, прежде всего, определение количества сопел и угла их наклона к вертикальной оси.
От количества сопел зависит вынос металла из конвертера, выбросы по ходу продувки, основность и окисленность шлака. При однорядном расположении сопел по окружности наконечника фурмы их число не превышает семи, при двухрядном достигает – 8 – 12.
Сопла имеют профиль сопла Лаваля, которое обеспечивает истечение газа со звуковой и сверхзвуковой скоростью. Для продувки с переменным расхода кислорода по ходу плавки критический диаметр сопла определяют из условия максимального расхода кислорода, а за критическую и докритическую части рассчитывают таким образом, чтобы сопло работало в расчетном режиме при номинальном расходе кислорода.
Другой важный конструктивный параметр кислородной фурмы (угол наклона к вертикали) выбирают, стремясь достигнуть достаточной степени разобщенности струй. Степень рассредоточения дутья при однорядном расположении сопел выражается посредством угла α, зависящего от числа сопел К и угла их наклона к вертикали β:
Sin(α/2) = Sinβ Sin (180/к) (4.5)
С увеличением степени рассредоточения дутья сокращается продолжительность наводки шлака, повышается его основность, снижается износ футеровки.
Увеличение интенсивности продувки требует большего рассредоточения дутья, поэтому были созданы двухрядные фурмы (рис.4.2), что способствовало оптимизации технологии плавки. Однако стойкость этих фурм не превышает обычно 40 плавок.
Перемещение верхней продувочной фурмы осуществляется с помощью специальной машины для подачи кислорода в конвертер (рис. 4.3).
Назначение машины – ввести в конвертер фурму и осуществить при этом ее перемещение в горизонтальной и вертикальной плоскостях.
Все современные машины, установленные на конвертерах 350 – 400 т, снабжены двумя фурмами (одна рабочая, другая резервная) и двумя механизмами перемещения (рис. 4.3).
Рис. 4.3. – Машина для подачи кислорода:
1-кислородная фурма; 2-направляющая; 3-каретка; 4-механизм перемещения платформы; 5-механизм перемещения фурмы; 6-резервная фурма; 7-платформа.
Такая конструкция позволяет произвести быструю смену вышедшей из строя фурмы с минимальными потерями производительности агрегата. Машина представляет собой платформу, перемещающуюся по ходовым балкам вдоль пролета цеха, на платформе смонтированы две каретки для фурм, которые двигаются в вертикальном направлении. На платформе же находится лебедка механизма подъема и опускания каретки с фурмой. Работа механизма осуществляется следующим образом. Платформа, перемещаясь вдоль пролета, останавливается над конвертером так, чтобы первая или вторая фурма располагалась над отверстием в камине. Подают кислород и фурму вводят в конвертер.
В случае, если одна фурма вышла из строя, ее поднимают, платформу перемещают так, что над конвертером устанавливается вторая фурма, и плавка продолжается. Масса фурмы составляет несколько тонн, и при продувке вследствие небольшой жесткости возбуждаются значительные колебания фурмы. Для снижения амплитуды колебаний и жесткого центрирования фурмы над отверстием в кессоне устанавливают специальное фиксирующее устройство с механическим или гидравлическим приводом.
С целью увеличения поверхности взаимодействия кислородного факела с металлом и повышения эффективности использования кислорода в настоящее время разработаны машины, использование которых позволяет перемещать фурму во время продувки по различным траекториям, совершать колебательные движения и вращаться вокруг собственной оси.
В ряде случаев на машинах монтируют третью фурму - для торкретирования футеровки.
К специальным дутьевым или продувочным устройствам относят те, которые применяют для решения не только основной задачи – окисления примесей, но и для вдувания порошкообразных материалов, дожигания оксида углерода и т. д.
Для дожигания оксида углерода в верхней части фурмы устанавливают дополнительные сопла, расположенные на определенном расстоянии от наконечника фурмы. Кислород, вдуваемый через эти сопла, расходуется на дожигание монооксида углерода.
Сопла второго яруса, как правило, цилиндрические, расположены под углом 30 - 45˚ к вертикале, через них подают от 10 до 30% общего расхода кислорода, за счет этого количество лома в шихте увеличивается на 2 -7%. Однако несколько повышается износ футеровки в цилиндрической и верхней конической частях конвертера.
В конвертерах с донной и комбинированной продувкой для дожигания монооксида углерода применяют дополнительные стационарные боковые фурмы, установленные в верхней конусной части. Огнеупоры от разгара защищает углеводородная оболочка, образующаяся при подаче жидкого или газообразного топлива по кольцевой щели вокруг кислородного сопла. Через боковые фурмы подают до 30 – 40% общего расхода кислорода, что позволяет увеличить расход лома на 60 – 80 кг/т.
Отличительной особенностью фурм, используемых для вдувания порошкообразных материалов в металл, например, известь в процессе
ЛД – АС, является наличие в их составе четвертой трубы, по которой с помощью газа-носителя подают порошкообразный материал к соплам.
К специальным дутьевым устройствам следует отнести верхние кислородно-топливные фурмы-горелки, служащие для подогрева лома и последующей продувки металла.