фурма для продувки металла

Формула изобретения

Фурма для продувки металла, включающая выходное сопло с конфузором, газоподводящий тракт и струйный резонатор, отличающаяся тем, что струйный резонатор состоит из сопла Лаваля и резонатора колебаний, размещен перпендикулярно оси газоподводящего тракта и выполнен с возможностью создания прямого действия упругих колебаний из зоны их генерации на поток газа в газоподводящем тракте, торцевая часть которого расположена напротив выходного сопла фурмы и выполнена в виде сферического отражателя так, что зона генерации колебаний газа совпадает с фокусом сферического отражателя, причем свободный объем резонатора определяют из соотношения 25d_c² < V_p < 1550 d_c², где V_p - свободный объем резонатора, d_c - выходной диаметр сопла Лаваля, при этом выходное сопло фурмы выполнено кольцевым.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к технике обработки жидкого металла газом и может быть использовано для повышения качества и увеличения выхода годной стали.

В настоящее время получили распространение продувочные фурмы, погружаемые сверху в жидкий металл или устанавливаемые в разливочное отверстие днища ковша. Целесообразно устанавливать фурму со стороны днища ковша, чтобы исключить подвод и отвод хладагента и футеровку ее огнеупорными материалами.

Известна фурма для продувки металла инертным газом [1], содержащая металлическую футерованную трубу, образующую газоподводящий тракт, и наконечник с выходным каналом в виде щели. Фурма [1] имеет конструкцию, которой присущи некоторые недостатки.

Металлическая труба, используемая в качестве тракта для подвода инертного газа, футеруется огнеупорами, что приводит к дополнительным затратам на материалы и на ее изготовление.

Применение защитной огнеупорной футеровки приводит к увеличению поперечных размеров продувочной фурмы. Фурма становится непригодной для ковшей малой емкости.

Газоподводящий тракт на выходе имеет наконечник с каналом в виде щели. Истечение газа через щель приводит к образованию мелких пузырей, которые остаются в металле. Замена выходного канала в виде щели на сопло Лаваля не устраняет образование мелких пузырей в полной мере. Причем возникает новая проблема. В связи с тем, что скорость газа на выходе из сопла Лаваля выше критической, то у выходного отверстия фурмы образуется газовая фурменная зона, которая приводит к нестационарному образованию крупных пузырей и, как результат этого явления, к большему количеству капель и пыли над поверхностью жидкого металла.

Наиболее близкой по технической сущности и достигаемому результату к предлагаемой конструкции следует считать фурму [2], которая и выбрана в качестве прототипа.

Данная продувочная фурма содержит концентрично расположенные трубы, образующие газоподводящий тракт и тракты подвода и отвода хладагента, наконечник с соплами, имеющими диффузоры и конфузоры, а также струйный резонатор, расположенный по центральной оси газоподводящего тракта.

Фурма [2] частично устраняет недостатки описанного выше аналога. Устранение недостатков достигается за счет установки соосно с газоподводящим трактом струйного резонатора. Применение струйного резонатора позволяет исключить образование мелких пузырей за счет их слияния.

Однако конструкция прототипа имеет существенные недостатки. У фурмы возрастает габаритный размер в поперечном сечении и повышается аэродинамическое сопротивление газоподводящего тракта.

Предлагаемое техническое решение позволяет устранить указанные недостатки, а именно, снизить аэродинамическое сопротивление подводящего тракта, что приводит к энергосбережению, уменьшить поперечный размер фурмы, что позволяет вводить фурму через сталеразливочное отверстие днища ковша и эффективнее использовать поток газа для повышения качества металла за счет удаления растворенных в металле газов и неметаллических включений.

Это достигается тем, что струйный резонатор состоит из сопла Лаваля и резонатора колебаний, размещен перпендикулярно оси газоподводящего тракта и выполнен с возможностью создания прямого действия упругих колебаний из зоны их генерации на поток газа в газоподводящем тракте, торцевая часть которого расположена напротив выходного сопла фурмы и выполнена в виде сферического отражателя так, что зона генерации колебаний газа совпадает с фокусом сферического отражателя, причем свободный объем резонатора определяют из соотношения

25d_с² < V_p < 1550 d_c²,

где V_p - свободный объем резонатора;

d_c - выходной диаметр сопла Лаваля, при этом выходное сопло фурмы выполнено кольцевым.

Данная конструкция фурмы позволяет эффективно использовать отражатель, так как зона генерации упругих колебаний совпадает с фокусом сферического отражателя.

На чертеже представлена продувочная фурма, поперечный разрез. Фурма содержит кольцевое выходное сопло 1, включающее стержень 2 и конфузор 3, газоподводящий тракт 4, штуцер 5, струйный резонатор содержит сопло Лаваля 6 и резонатор 7, сферический отражатель 8.

Данная фурма работает следующим образом. Рабочая среда - инертный газ под давлением 0,59 МПа - подается в сопло 6 через штуцер 5 и поступает в резонатор 7. Сверхзвуковая струя газа генерирует упругие колебания газовой среды в резонаторе 7, частота которых изменяется в зависимости от его свободного объема V_p. Газоподводящий тракт 4 фурмы без всякого сопротивления заполняется газом, поток которого испытывает прямое действие упругих колебаний из зоны их генерации и действие отраженных упругих колебаний, поступающих от сферического отражателя. В данном случае отражатель способствует созданию направленных упругих колебаний на газ, двигающийся в сторону конфузора 3 и выходного отверстия сопла 1. В сопле 1 поток газа из сплошного по поперечному сечению становится кольцевым благодаря стержню 2. На выходе из сопла 1 газовый поток дробится на отдельные самостоятельные объемы, которые становятся пузырями в жидком металле. Размер диаметров пузырей при этом зависит от свободного объема резонатора 7.

Если V_p < 15d_c², образуются пузыри с диаметрами менее или соизмеримыми 50 мкм. Движение таких пузырей отмечается близким к линейному, что приводит к минимальному результату повышения качества металла.

При V_p > 1550 d_c² пузыри становятся более 5000 мкм. Движение крупных пузырей становится опять же близким к линейному с существенной деформацией их формы. Усреднение температуры и химического состава металла в ковше улучшается, в то же время отмечается ослабление в удалении неметаллических включений и газов из жидкого металла.

Оптимальным соотношением размеров объема резонатора и выходного диаметра сопла Лаваля необходимо считать условие, когда

25 d_c² < V_p < 1550 d_c².

При соблюдении этого условия на выходе из сопла продувочной фурмы образуются пузыри, движение которых в жидком металле становится колебательным и, как результат такого режима движения, отмечается улучшение качества металла и увеличение выхода годного.

Заявленную продувочную фурму предлагается использовать следующим образом. С наружной стороны днища в отверстие сталеразливочного ковша устанавливается продувочная фурма. Газ подают в фурму с момента заполнения ковша металлом. Всплывание пузырей указанного в тексте диапазона диаметров обеспечивает снижение брака и увеличивает выход годного металла.

Статистические характеристики по суммарному количеству дефектов (внутренние плены, раковины, наружные плены на трубах) определялись с помощью пакета прикладных программ "DSTAT" и "STATGRAPH". Результаты анализа показывают, что применение продувочной фурмы предложенной конструкции позволяет получить снижение количества дефектов на 0,35% и увеличить выход годного на 3,6 кг/т стали при производстве горячекатаных труб.

Данная конструкция продувочной фурмы работает в мартеновском цехе Северского трубного завода с января 1999 года.

ЛИТЕРАТУРА

1. Г. Н. Камышев, О.В. Дробышевский, В.Г. Востриков, В.П. Лузгии, И.В. Зинковский, А.М. Борисов. Фурма для продувки металла инертным газом. Патент 203697, Патенты РФ на изобретения, N 43-44, 1993. C. 89.

2. Г. А. Тарновский, Л.А. Смирнов, Б.А. Темирбулатов, А.М. Сизов, С.И. Жигач, Н.М. Савина, В.П. Яшина, B.C. Щерба, В.И. Богомяков, Т.Д. Заурбеков, В. И. Лаукарт, И. А. Сихиди. Фурма для нестационарной продувки. Патент 2025498. Патенты РФ на изобретения, N 24, 1994. С. 104.