вдувная фурма с камерой для смешивания газа и жидкости (вариант) и способ расширительного охлаждения фурмы

Формула изобретения

1. Способ охлаждения фурмы, предназначенной для введения вещества в расплав и/или для измерения свойств расплава, в котором по контуру охлаждения, закрытому у конца (2) фурмы, расположенного со стороны расплава, подают в качестве охлаждающей среды газ и жидкость под давлением в зону (2) конца фурмы, расположенного со стороны расплава, отличающийся тем, что в зоне конца (2) фурмы, расположенного со стороны расплава, газу и жидкости, подаваемым раздельно, или их смеси дают возможность расширяться, создавая в этой зоне резкое падение давления указанной смеси или ее компонентов, при этом жидкость диспергирует на мелкие капельки и/или испаряется.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что смесь газа и жидкости получают в смесительной камере фурмы, находящейся на расстоянии от конца (2) фурмы, расположенного со стороны расплава.

3. Способ по любому из пп.1 и 2, отличающийся тем, что смесь газа и жидкости подают к концу (2) фурмы, расположенному со стороны расплава, под давлением 2 - 6 бар, предпочтительно около 3 бар.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что газ и жидкость подают к концу (2) фурмы, расположенному со стороны расплава, раздельно и смешивают их в зоне указанного конца фурмы во время расширения.

5. Фурма, содержащая контур охлаждения, закрытый со стороны конца (2) фурмы, расположенного со стороны расплава, отличающаяся тем, что она содержит смесительную камеру для получения смеси газа и жидкости, находящуюся на расстоянии от конца (2) фурмы, расположенного со стороны расплава, и соединенную с контуром охлаждения, причем смесительная камера имеет патрубки (3, 7) для подачи газа и жидкости и соединена посредством напорной трубы (10) по меньшей мере с одним двухкомпонентным соплом (11), расположенным в зоне конца (2) фурмы, расположенного со стороны расплава, и выполненным с возможностью создания в указанной зоне резкого падения давления смеси газа и жидкости.

6. Фурма по п.5, отличающаяся тем, что смесительная камера имеет две соосные кольцевые камеры (5, 6), окружающие внутреннюю трубу фурмы, причем в радиальной разделительной стенке (8) кольцевых камер имеются соединительные отверстия (9).

7. Фурма по любому из пп.5 и 6, отличающаяся тем, что напорная труба представляет собой закрытый кольцевой трубопровод (10), окружающий внутреннюю трубу (1) фурмы и соосный с этой трубой.

8. Фурма по п.7, отличающаяся тем, что для возврата расширенной смеси газа и жидкости из конца (2) фурмы, расположенного со стороны расплава, к выпускному патрубку (16) для выхода смеси из фурмы, она снабжена вторым закрытым кольцевым трубопроводом (14), окружающим напорную трубу (10) и соосным с ней.

9. Фурма, содержащая контур охлаждения, закрытый у ее конца (2), расположенного со стороны расплава, отличающаяся тем, что она содержит две напорные трубы (18, 19), соединенные с патрубками (3, 7) для подачи газа и жидкости и предназначенные для раздельной подачи газа и жидкости к концу (2) фурмы, расположенному со стороны расплава, причем эти напорные трубы оканчиваются в зоне конца (2) фурмы, расположенного со стороны расплава, сопловыми устройствами, которые выполнены с возможностью создания резкого падения давления газа и жидкости в указанной зоне и с помощью которых смесь газа и жидкости образуется на месте.

10. Фурма по п.9, отличающаяся тем, что напорные трубы представляют собой закрытые кольцевые трубопроводы (18, 19), окружающие внутреннюю трубу (1) фурмы и соосные с этой трубой.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к способу охлаждения фурмы, предназначенной для введения в расплав вещества и/или для измерения свойств расплава, и к фурме для осуществления этого способа в соответствии с ограничительными частями пунктов 1 и 5 формулы изобретения.

Известны фурмы, предназначенные для вдувания веществ (в частности, твердых веществ или газов) внутрь металлургических резервуаров типа печей или конвертеров и для использования в качестве держателей приборов для измерения свойств расплава. Такие фурмы применяют, например, для кислородной продувки расплава передельного чугуна, для вдувания веществ в процессе обработки стали (например, вдувания угля для вспенивания шлака) и для измерения температуры расплава.

Концевая зона такой фурмы, обращенная к расплаву, подвергается большому температурному напряжению. Из практики известно использование стальных трубчатых фурм, у которых конец, расположенный со стороны расплава, постепенно сгорает в процессе работы, при этом необходимо обеспечить соответствующее продвижение фурмы. Известны также охлаждаемые фурмы с закрытым контуром водяного охлаждения. Использование таких фурм опасно, поскольку при наличии в контуре охлаждения течи контакт расплава с охлаждающей водой может вызвать взрывы. Если расплав окружает воду, то в результате расширения и испарения воды, окруженной расплавом, может происходить взрывоподобное разрушение расплава. Не исключается также вероятность химического разложения воды и последующая реакция кислородно-водородной газовой смеси.

В связи с этим было предложено (DE 3543836 С2) использовать две фурмы, перемещаемые поочередно в рабочее положение. Фурму, находящуюся в рабочем положении, охлаждают газом. Поскольку при этом не удается добиться необходимого охлаждения, по окончании заданного рабочего периода фурму выводят из печи на значительное расстояние от расплава и дополнительно охлаждают водой. В это время продолжает работать вторая фурма. Такая поочередная работа двух фурм требует больших затрат.

Из WO-A-92/07965 известна фурма, имеющая закрытый контур охлаждения, в который подают двухфазную смесь.

Целью изобретения является создание способа и фурмы типа описанных во вступительной части, которые обеспечивают возможность ее эффективного и надежного охлаждения.

Указанная цель достигается тем, что в способе охлаждения фурмы, предназначенной для введения вещества в расплав и/или для измерения свойств расплава, в котором по контуру охлаждения, закрытому у конца фурмы, расположенного со стороны расплава, пропускают в качестве охлаждающей среды газ и жидкость под давлением в зону конца фурмы, расположенного со стороны расплава, согласно изобретению в зоне конца фурмы, расположенного со стороны расплава, газу и жидкости, подаваемым раздельно, или их смеси дают возможность расширяться, создавая в этой зоне резкое падение давления указанной смеси или ее компонентов, при этом жидкость диспергирует на мелкие капельки и/или испаряется.

Под концом фурмы, расположенным со стороны расплава, понимается тот конец, который во время работы может быть обращен к расплаву или, по выбору, погружен в него. Этот конец фурмы подвергается большому температурному напряжению. У этого конца фурмы контур охлаждения закрыт, так что охлаждающая среда не имеет здесь выхода и возвращается в ту часть фурмы, которая удалена от расплава и где охлаждающая среда выводится из фурмы. Контур охлаждения в целом может быть полностью замкнут, однако возможно также использовать разомкнутый контур охлаждения, где нагретая охлаждающая среда, выходящая из фурмы и удаленная от ее конца, расположенного со стороны расплава, больше не используется.

В смеси, используемой согласно изобретению, газовым компонентом предпочтительно является воздух или инертный газ (например, азот или аргон), а жидким компонентом предпочтительно является вода.

Термин "зона конца фурмы, расположенного со стороны расплава," означает зону, находящуюся вблизи этого конца фурмы и подвергаемую во время работы большим температурным напряжениям. Поскольку в этой зоне происходит резкое падение давления смеси газа и жидкости или ее компонентов, реализация изобретения зависит только от соответствующей разности давлений и не зависит от абсолютных значений давления. Расширение смеси (предпочтительно путем обеспечения выхода из соответствующего сопла в зону меньшего давления) приводит к тому, что жидкая фаза смеси диспергирует на мелкодисперсные капельки и/или испаряется. Эти два фактора существенно увеличивают эффект охлаждения, так как, с одной стороны, процесс испарения сопровождается значительным поглощением тепла, а с другой стороны, наличие мелкодисперсных капелек, имеющих большую поверхность, позволяет быстро и эффективно отводить дополнительное тепло (при испарении). Поэтому предусмотренное в изобретении расширение охлаждающей смеси или ее компонентов в зоне конца фурмы, расположенного со стороны расплава, обеспечивает большее охлаждение по сравнению с известными способами. В то же время повышается безопасность работы устройства, поскольку в результате расширения смеси в указанной зоне фурмы жидкость скапливается в малом количестве или вообще отсутствует. Следовательно, в случае нарушений рабочего режима и проникновения расплава в эту зону не может возникнуть ситуация, когда расплав окружает большое количество воды и тем самым вызывает термические взрывы.

Смесь газа и жидкости можно получать в смесительной камере фурмы, находящейся на расстоянии от конца фурмы, расположенного со стороны расплава.

При этом смесь газа и жидкости можно подавать к концу фурмы, расположенному со стороны расплава, под давлением от 2 до 6 бар, предпочтительно около 3 бар.

Альтернативно газ и жидкость можно подавать к концу фурмы, расположенному со стороны расплава, раздельно и смешивать их в зоне указанного конца фурмы во время расширения. При этом газ и жидкость могут смешиваться друг с другом незадолго до расширения либо расширяться с помощью отдельных сопел, расположенных так, что смесь газа и жидкости образуется на месте во время расширения. Например, отдельные сопла могут быть расположены таким образом, что выходящая из них жидкость будет захватываться расширяющимся газом и диспергировать с образованием мелкодисперсного аэрозоля.

Для осуществления предлагаемого способа необходимо значительно меньшее количество охлаждающей жидкости по сравнению с известными способами водяного охлаждения. Поток газа и жидкости регулируют так, что в результате расширения в зоне конца фурмы, расположенного со стороны расплава, которая особенно подвергается температурному напряжению, происходит испарение большей части или всей жидкости. Это дает два преимущества. Во-первых, при таком способе охлаждения используется не только теплоемкость жидкости (воды), но и существенно большая теплота парообразования для фазового превращения жидкости в пар, при этом даже при относительно малых потоках жидкости достигается хорошее охлаждение. Если же при нарушениях рабочего режима в зоне конца фурмы, расположенного со стороны расплава, в канале с охлаждающей средой образуется течь, то благодаря большой поверхности смеси газа и жидкости, подаваемой в виде аэрозоля, в любом случае происходит очень быстрое испарение жидкости и расплав не успевает окружить капли жидкости.

Согласно изобретению жидким компонентом охлаждающей среды является вода. Если выбирают такой режим работы, что испаряется большая часть воды или вся вода, находящаяся в зоне конца фурмы, расположенного со стороны расплава, то в контур охлаждения подают предпочтительно деминерализованную воду, что позволяет избежать образования известковых отложений в соответствующей части зоны охлаждения. Если нет деминерализованной воды и в контур охлаждения нужно подавать обычную водопроводную воду или неочищенную воду, то поток газа и жидкости регулируют предпочтительно так, чтобы в зоне конца фурмы, расположенного со стороны расплава, испарялась меньшая часть воды, а остальная часть присутствовала в виде мелкодисперсного аэрозоля. Таким образом можно избежать образования нежелательных известковых отложений. В результате расширения скорость потока двухфазной смеси будет большой и она не захватывает испарившуюся воду, поэтому в зоне кончика фурмы не будет скапливаться неподвижная вода, что могло бы привести к опасности взрывов в случае попадания в эту зону расплава.

Смесь газа и жидкости может быть образована вне фурмы и поступать в нее уже в виде готовой смеси. Однако в настоящем изобретении предпочтительно использовать фурму, имеющую контур охлаждения, закрытый со стороны конца фурмы, расположенного со стороны расплава, которая содержит смесительную камеру для получения смеси газа и жидкости, соединенную с контуром охлаждения и находящуюся на расстоянии от конца фурмы, расположенного со стороны расплава, причем смесительная камера имеет патрубки для подачи газа и жидкости и соединена посредством напорной трубы по меньшей мере с одним двухкомпонентным соплом, расположенным в зоне конца фурмы, расположенного со стороны расплава, и выполненным с возможностью создания в указанной зоне резкого падения давления смеси газа и жидкости.

Смесительная камера находится предпочтительно в части фурмы, выступающей из печи или конвертера.

Смесь газа и жидкости выходит из смесительной камеры предпочтительно под давлением от 2 до 6 бар, затем под давлением предпочтительно около 3 бар подается через напорную трубу к концу фурмы, расположенному со стороны расплава. У этого конца расположено двухкомпонентное сопло, выходя из которого смесь расширяется в зоне охлаждения, находящейся у самого кончика фурмы. В данном изобретении термин "двухкомпонентное сопло" относится к любому устройству, пропускающему смесь жидкости и газа и создающему перепад давлений между впускной и выпускной сторонами так, что в области более низкого давления, расположенной за соплом, происходит дробление поступающей смеси. После выхода из сопла жидкий компонент смеси диспергирует на мелкие капельки. Расширенная и нагретая смесь отводится от конца фурмы, расположенного со стороны расплава, по второй трубе и выводится из фурмы через соединительный элемент, расположенный предпочтительно вне конвертера. Давление смеси после ее выхода из двухкомпонентного сопла или сопел предпочтительно несколько больше атмосферного давления. Если во время работы фурму погружают в расплав, то указанное давление должно быть больше противодавления, действующего со стороны жидкого расплава, окружающего кончик фурмы. Если в результате нарушений рабочего режима происходит оплавление кончика фурмы и попадание расплава в зону охлаждения, то преобладающее в ней избыточное давление препятствует дальнейшему проникновению расплава и возможно шлака.

Смесительная камера имеет предпочтительно две соосные кольцевые камеры, окружающие трубу фурмы, причем в радиальной разделительной стенке этих кольцевых камер имеются соединительные отверстия. Термин "труба фурмы" относится к внутренней трубе, входящей в общий узел фурмы. Эта труба предназначена для введения в расплав газа и/или твердых веществ. Во внутреннюю кольцевую камеру может подаваться вода, например, с ее торцевой стороны, а во внешнюю кольцевую камеру - сжатый воздух со стороны периферийной поверхности. Благодаря отверстиям в радиальной разделительной стенке сжатый воздух смешивается с водой. Полученная смесь выходит из смесительной камеры у ее торца, обращенного в сторону расплава, и подается дальше.

Напорная труба для соединения смесительных камер и двухкомпонентного сопла предпочтительно представляет собой закрытый кольцевой трубопровод, окружающий внутреннюю трубу фурмы и соосный с этой трубой. Расширенная смесь возвращается от конца фурмы, расположенного со стороны расплава, предпочтительно по второму закрытому кольцевому трубопроводу, окружающему напорную трубу и соосному с ней.

Целесообразно, чтобы для возврата расширенной смеси газа и жидкости из конца фурмы, расположенного со стороны расплава, к выпускному патрубку для выхода смеси из фурмы имелся второй закрытый кольцевой трубопровод, окружающий напорную трубу и соосный с ней.

Согласно второму варианту выполнения фурма, имеющая контур охлаждения, закрытый у ее конца, расположенного со стороны расплава, содержит две напорные трубы, соединенные с патрубками для подачи газа и жидкости и предназначенные для раздельной подачи газа и жидкости к концу фурмы, расположенному со стороны расплава, причем эти напорные трубы оканчиваются в зоне конца фурмы, расположенного со стороны расплава, сопловыми устройствами, которые выполнены с возможностью создания резкого падения давления газа и жидкости в указанной зоне и с помощью которых смесь газа и жидкости образуется на месте.

Газ и жидкость, выходящие из сопловых устройств, на месте, т.е. в процессе расширения, смешиваются с образованием мелкодисперсного аэрозоля. Благодаря всасывающему эффекту при расширении газа он захватывает жидкость и разбивает ее на мелкие капельки. Скорость потока аэрозоля, образованного на месте, настолько высока, что в зоне конца фурмы, расположенного со стороны расплава, не остается какого-либо значительного количества воды. Поэтому в случае попадания в фурму расплава опасность возникновения взрывов отсутствует или ее вероятность минимальна. Рабочие давления в такой фурме могут быть явно меньше 3 бар. Необходимое избыточное давление в газовом канале (в канале со сжатым воздухом) равно, например, от 1 до 2 бар, предпочтительно около 1,5 бар. Для подачи жидкости (воды) необходимо лишь незначительное избыточное давление менее 1 бар, предпочтительно около 0,5 бар, поскольку при образовании аэрозоля жидкость захватывается расширяющимся сжатым воздухом и дробится.

Напорные трубы предпочтительно представляют собой закрытые кольцевые трубопроводы, окружающие внутреннюю трубу фурмы и соосные с этой трубой.

Предпочтительной областью использования изобретения является обработка металлургических расплавов, например передельного чугуна или стали, или измерение их свойств. Однако изобретение может использоваться не только для металлических расплавов, но и для других высокотемпературных расплавов (например, расплавов стекла).

Далее в качестве примеров описаны варианты выполнения изобретения со ссылками на прилагаемые чертежи, где

фиг.1 изображает в продольном разрезе предлагаемую фурму,

фиг.2 - разрез в плоскости А-А на фиг.1,

фиг. 3 - продольный разрез второго варианта выполнения предлагаемой фурмы,

фиг.4 - разрез в плоскости А-А на фиг.3.

Согласно фиг. 1 и 2 предлагаемая фурма имеет внутреннюю трубу 1, через которую в расплав подают твердые и/или газообразные вещества. Эти вещества подаются в расплав через конец 2 фурмы, расположенный со стороны расплава. Труба 1 находится внутри охлаждающего устройства, описанного ниже более подробно.

В кольцевую камеру 4, окружающую трубу 1, через патрубок 3 подают охлаждающую воду. Торцы кольцевой камеры 4 и внутренней камеры 5 смесительной камеры соединены друг с другом, так что вода поступает из кольцевой камеры 4 во внутреннюю кольцевую камеру 5, окруженную внешней кольцевой камерой 6, в которую через патрубок 7 подают сжатый воздух. Между кольцевыми камерами 5 и 6, образующими смесительную камеру, находится разделительная радиальная стенка 8, имеющая соединительные отверстия 9. Сжатый воздух и вода смешиваются друг с другом и полученная смесь пропускается через закрытый кольцевой трубопровод (напорную трубу) 10, соединенный в осевом направлении с внутренней кольцевой камерой 5, к концу фурмы, расположенному со стороны расплава. Давление смеси в напорной трубе 10 составляет около 3 бар.

В зоне конца 2 фурмы, расположенного со стороны расплава, на закрытой трубе 10 имеется шесть двухкомпонентных сопел 11, распределенных равномерно по окружности фурмы. Выходя из этих сопел в кольцевую зону 12 охлаждения, смесь воды и газа расширяется и вода диспергирует, образуя очень мелкие капельки. Большая площадь поверхности воды, поступающей в зону охлаждения, способствует быстрому поглощению тепла, а значит и эффективному охлаждению. Наличие на закрытом трубопроводе 10 шести двухкомпонентных сопел 11 позволяет фурме работать с водопроводной или технической водой в качестве компонента охлаждающей среды. Внутренний диаметр двухкомпонентных сопел 11 делает возможным прохождение примесей и частиц, которые могут присутствовать в технической воде. При работе фурмы с деминерализованной водой закрытый трубопровод 10 может быть сужен в охлаждающей камере зоны 12 охлаждения с образованием кольцевого зазора с внутренним диаметром около 0,5 мм, осесимметричного по отношению к трубе 1 и окружающего ее. Этот кольцевой зазор представляет собой одинарное двухкомпонентное сопло. В этом случае нет необходимости в наличии нескольких отдельных двухкомпонентных сопел 11.

У противоположного (расположенного со стороны расплава) торца охлаждающей камеры 12 смесь, выходящая из двухкомпонентных сопел 11, наталкивается на искривленную охлаждающую поверхность 13 и в результате отклоняется так, что попадает в канал для удаления охлаждающей среды, образованный вторым закрытым кольцевым трубопроводом 14. Водный компонент смеси испаряется в охлаждающей камере 12 предпочтительно полностью. В особых рабочих условиях, когда в охлаждающей камере 12 создаются чрезмерно высокие температуры, охлаждение может дополнительно обеспечиваться благодаря по существу эндотермическому делению части воды на молекулярный водород и кислород.

Если при нарушениях нормального рабочего режима фурма обгорает на конце 2, расположенном со стороны расплава, и охлаждающая камера 12 оказывается открытой со стороны расплава, то благодаря использованию в качестве охлаждающей среды мелкодисперсного аэрозоля практически исключается опасность того, что вода, находящаяся еще в жидком состоянии, окажется окруженной расплавом и в дальнейшем будет взрывообразно испаряться. В зоне 12 охлаждения предпочтительно создают избыточное давление, достаточное для того, чтобы при погружении фурмы предотвратить возможное проникновение расплавленного металла или шлака в охлаждающую камеру 12 и дальше в фурму.

Охлаждающая среда, текущая в обратном направлении по закрытому кольцевому трубопроводу 14, выводится из фурмы через кольцевую камеру 15 и патрубок 16. Охлаждающую среду можно либо удалить (в случае разомкнутого контура охлаждения), либо возвратить в контур охлаждения.

Кольцевая камера 15 имеет второй патрубок 17, соединенный с предохранительным клапаном, регулирующим давление (не показан).

Фурма может использоваться не только для введения веществ в расплав, но и для измерения свойств расплава. Для этого в зоне конца 2, расположенного со стороны расплава, могут быть установлены измерительные приборы (не показаны). Например, температуру расплава можно измерять радиационным пирометром. Для расплава стали может выполняться многоэлементный анализ, например, посредством эмиссионной лазерной спектроскопии. Благодаря этому, например, процесс доводки стали может быть выполнен под метрологическим контролем и завершен при достижении необходимого состояния стали.

Для выполнения таких измерений фурму с установленным на ней измерительным прибором вводят в зону поверхности стальной ванны. Через трубу 1 фурмы вдувают предпочтительно сжатый воздух или инертный газ, например азот, что, с одной стороны, позволяет сохранять открытым отверстие фурмы, а с другой стороны, освободить поверхность стальной ванны от шлака.

Фурму согласно изобретению вводят в конвертер или печь через отверстие в стенке или крышке. Патрубки для подачи и отвода охлаждающих сред и смесительная камера предпочтительно расположены снаружи конвертера в соответствующей области охладителя.

На фиг. 3 и 4 показан второй вариант выполнения изобретения, в котором газ и жидкость подают к концу 2 фурмы, расположенному со стороны расплава, раздельно, а смесь газа и жидкости образуется в процессе расширения только на месте. Элементы, функционально идентичные элементам на фиг.1 и 2, имеют те же цифровые позиции.

Существенное отличие этого варианта от варианта, показанного на фиг.1 и 2, состоит в том, что здесь вокруг внутренней трубы 1 фурмы расположены три соосных закрытых кольцевых трубопровода. Через внутренний закрытый трубопровод 18 к концу 2 трубы, расположенному со стороны расплава, подают охлаждающую воду. Для этого трубопровод 18 соединен с кольцевой камерой 4. В средний закрытый кольцевой трубопровод 19 подают сжатый воздух через патрубок 7 и кольцевую камеру 6, имеющую соединительные отверстия 9. Как и в первом варианте, внешний закрытый кольцевой трубопровод 14 служит для возврата нагретой охлаждающей среды в кольцевую камеру 15, снабженную патрубком 16.

Вода и газ (сжатый воздух) поступают раздельно по закрытым кольцевым трубопроводам 18 и 19 к концу 2 фурмы, расположенному со стороны расплава. Выходя в кольцевую камеру 12, сжатый воздух расширяется и захватывает поступающую в эту камеру охлаждающую воду, разбивая ее с образованием мелкодисперсного аэрозоля. Таким образом, двухфазная смесь, используемая согласно изобретению, образуется непосредственно на месте.

Оказалось неожиданным то, что в этом варианте выполнения фурмы рабочее давление может быть заметно меньше по сравнению с вариантом, показанным на фиг. 1 и 2. Таким образом, для получения мелкодисперсного аэрозоля, который проходит с большой скоростью через кольцевую камеру 12 и затем выводится из нее, достаточно подавать воду в закрытый кольцевой трубопровод 18 с избыточным давлением 0,5 бар и сжатый воздух в закрытый кольцевой трубопровод 19 с избыточным давлением 1,5 бар.