Мультифурма

 
 
 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

 

Содержание.

 

1. ОБЩЕЕ ОПИСАНИЕ.

     В настоящее время существует достаточно много приемов интенсификации плавки в электросталеплавильной печи: ввод дополнительного тепла от сжигания природного газа на стадии плавления шихты (стеновые горелки и оконная горелка на  манипуляторе), технология пенистого шлака (ввод углеродосодержащего порошка), продувка ванны через донные фурмы, предварительный нагрев лома. Кроме этого ускорение плавки достигается путем интенсификации продувки расплава кислородом на окислительной стадии (увеличение скорости ввода кислорода через фурмы), частичного совмещения периодов плавки и пр.

     С начала развития тенденции интенсификации плавки наиболее популярным способом являлась комбинация стеновых горелок и оконной кислородной фурмы, установленной на манипуляторе, совмещенной с инжектором порошка. В ряде случаев использовался только один оконный манипулятор с установленными на нем горелкой и кислородной фурмой.

   Специалистам  Консорциума «Техносталь» впервые в мировой практике удалось совместить в едином устройстве горелку, кислородную фурму и инжектор порошка. Созданное устройство, запатентованное в 1996 году, получило название МУЛЬТИФУРМА. Все технические инновации, использованные в мультифурме, защищены многочисленными авторскими свидетельствами и патентами: 

     Консорциум «Техносталь» имеет пакет лицензий:

1. Лицензия Госгортехнадзора России на проектирование оборудования для объектов газового хозяйства: газогорелочных устройств № 5613П-01/00062.
2. Лицензия Госгортехнадзора России на комплексное проектирование объектов газового хозяйства, КИПиА, АСУ, систем газоснабжения природными

газами  № 5613П-02/00097.

3. Лицензия Госгортехнадзора России на строительство объектов газового хозяйства № 56СТ-000005.
4. Лицензия Госгортехнадзора России на изготовление оборудования для объектов газового хозяйства № 56ИР-000005.
5. Лицензия Госгортехнадзора России на монтаж газогорелочных устройств для нагрева, выплавки и внепечной обработки стали, фурм, ГРУ, систем КИПиА № 56МТ-000242.
6. Лицензия Лицензионной палаты на проектирование зданий и сооружений, инженерных сетей и систем отопления и газоснабжения объектов и сооружений черной металлургии № 78-005794.
7. Лицензия Госстроя  России на осуществление строительной

деятельности  СПБ-И №022955.

8. Лицензия Государственного комитета РФ по строительству зданий и жилищно-коммунальному комплексу на деятельность по строительству зданий  и сооружений  I и II уровней ответственности №ГС-2-47-01-22-0-7806016601-001609-1.
9. Разрешение Госгортехнадзора России на выпуск и применение Горелки газовой вихревой двухступенчатой типа ГВД-4,4.

 

 

     В горелочных и продувочных устройствах  Консорциума «Техносталь» используются ступенчатые сверхзвуковые и трансзвуковые сопла собственной конструкции. Используемые сопла обеспечивают формирование струй с устойчивыми ударно-волновыми структурами, с автоколебательной перестройкой струи кислорода со сверхзвукового на дозвуковой режим истечения и обратно с оптимальными спектрами пульсаций скоростного напора на оси струи.  

     Преимущества  ступенчатых сопел:

• значительное повышение производительности за счет интенсификации теплоотдачи и многорежимности работы указанных устройств;
• повышение дальнобойности струи в 1.5-2 раза по сравнению с традиционными соплами Лаваля;
• повышенная эффективность рафинирования и усвоение кислорода ванной;
• к.п.д. струи оконной мультифурмы до 95%;
• к.п.д. струи стеновых мультифурм 65 - 90%;

2. НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКИЕ  ОСНОВЫ СИСТЕМЫ ИНТЕНСИФИКАЦИИ ПЛАВКИ В ДСП НОВОГО ПОКОЛЕНИЯ.

1. Методы  формирования струйных течений высокой дальнобойности.

 

    Консорциумом  « Техносталь» разработаны теоретически и реализована гамма многофункциональных  горелочных и продувочных устройств  для реализации энерго- и ресурсосберегающих технологий выплавки стали.

    Разработки  основаны на применение управляемых, оптимально структурированных струйных течений и факелов, формируемых  соплами специальной конструкции.

С точки зрения современной газовой динамики, сверхзвуковая  струя представляет собой нестационарное, пространственно неоднородное, неустойчивое газовое образование. Взаимодействие струи с окружающей атмосферой приводит к возникновению акустического поля и спиралевидным колебаниям струи. Струя является мощным усилителем акустического поля, и течение газа в струе не может  рассматриваться и рассчитываться  отдельно от собственного акустического поля струи.

       Исследования ученых и специалистов  Консорциума, выполненные с помощью  высокоскоростной киносъемки  убедительно  показали, что сверхзвуковые струи,  истекающие из традиционных сопел Лаваля, совершают сложные пространственные спиралевидные высокоамплитудные колебания. При фиксированном давлении газа в ресивере мгновенное значение угла между осями двух следующих  друг за другом бочек струи может достигать 80°, а мгновенное значение угла между геометрической осью сопла Лаваля и направлением течения струи - 15°. При этом колеблется количество бочек на начальном участке струи в два – три раза. Сечение струи, в котором скорость газа изменяется со сверхзвуковой на дозвуковую, и где начинается основной участок струи, блуждает в пространстве.  Скорость газа в начальном сечении основного участка, которая зависит от волновой структуры струи, предшествующей сечению перехода на дозвуковую  скорость струи, изменяется случайным образом.

       Следует отметить низкий коэффициент полезного действия струи, истекающей из сопла Лаваля и неупорядоченный характер взаимодействия струи кислорода с расплавом, приводящий к неорганизованным выбросам, всплескам металла и неэффективной гидродинамики расплава.

     Исследования показали два типа акустического разрушения струи.

     Первый  тип обусловлен излучением спиралевидных  акустических волн  третьей бочкой струи. Акустические волны доходят  до среза сопла и возбуждают струю. Струя усиливает эти волны, и  возникает сложное спиралевидное автоколебательное движение, разрушающее струю.

     Второй  тип связан с возбуждением акустических волн при обтекании торца сопла  эжектируемым газом из окружающего  пространства, так называемый  эжекционный  звук.

     Специалистами Консорциума разработаны методы устранения аэроакустического разрушения струи.

     Для устранения второго типа колебаний  струю необходимо окружить спутной  струей. Это метод успешно применялся специалистами Консорциума  в  течение многих лет при разработке и реализации струйных устройств. Способ был разработан в России гораздо раньше, чем за рубежом, защищен рядом авторских свидетельств на изобретение

( например:  А.С  № 1440934 на многосопловую фурму  для продувки металла, 

авт.: Жигач С.И., Никольский В.Е. и др.). Спутный поток  оказывает стабилизирующее влияние на струю  за счет изменения эжекционных потоков.

Но при этом не исчезают причины вызывающие колебания  первого типа, причиной которых является дискретное, бочечное строение струи.

     Для устранения колебаний первого типа Консорциумом разработан ряд способов, основанных на воздействии на внутреннюю цепь обратной акустической связи.

     Одним из способов является измельчение масштаба дискретности бочек  генерацией дополнительных газодинамических разрывов в струе  с помощью ступенчатых сопел или стержней,  генерирующих стабилизированные газодинамические разрывы или вырезов в стенках сопла генерирующих  нестационарные газодинамические разрывы. Эти способы устраняют причины, вызывающие дискретный тон струи.

     Способы  защищены авторскими свидетельствами и патентами. Дальнобойность струи при этом повышается из-за устранения спиралевидных колебаний струи и за счет того, что дополнительные косые скачки уплотнения,  генерированные в  струе, значительно уменьшают число Маха перед завершающем сверхзвуковой участок прямым скачком уплотнения. Это позволяет увеличить воздействие потока на расплав в два раза.

     Соединения  первого и второго типов способов стабилизации струи: дополнительной кольцевой  или составной струями  и системой дополнительных скачков уплотнения позволило разработать принципиально новые дутьевые устройства для металлургических агрегатов, генерирующие  стабилизированные струи, обладающие высокой дальнобойностью и стационарным характером взаимодействия кислородных струй с расплавом, высокоэффективной гидродинамикой  расплава и малым брызгообразованием.

При расходе  кислорода 2500 – 3500 нм³/час и давлении перед соплом 0,8 – 1,2 МПа  эффективная  дальнобойность струи составляет 2,8 – 3,1 м при упорядоченном взаимодействии с расплавом.

     Ступенчатые сопла в отличие от сопел Лаваля позволяют обеспечить многорежимность безотрывного истечения  на целом спектре режимов:

• при докритическом перепаде давления на сопле:
• с дозвуковой скоростью;
• при критическом перепаде давления на сопле:
• со скоростью звука;
• при сверхкритическом перепаде давления на сопле:
• в виде струи со сверхзвуковым ядром, окруженным дозвуковым потоком;
• в виде пульсирующей струи с автоколебательной перестройкой со сверхзвуковой скоростью на дозвуковую и обратно;
• со сверхзвуковой скоростью, в виде дальнобойной стабилизированной струи с индуцированной стенками ступенчатого сопла оптимальной системой конических газодинамических разрывов;

      Перечисленные выше режимы истечения струй необходимы для управления процессами истечения, смешения и горения компонентов, формирования многорежимного газокислородного факела и кислородных струй и позволяют на принципиально новом технологическом уровне интенсифицировать процессы нагревы, плавления лома и рафинирования расплава. 

2. Методы  формирования высокоэффективных факелов.

    В горелках применены новые принципы формирования факела.

Для генерации  струй  компонентов: кислорода,  природного газа, угольного порошка и порошкового  флюса -  применены ступенчатые  сопла. Ступенчатые сопла позволяют  обеспечить многорежимность истечения струй. При сверхзвуковом перепаде давления на сопловом аппарате  из ступенчатых сопел струи истекают со сверхзвуковой скоростью, с дозвуковой скоростью и в автоколебательном режиме с переходом со сверхзвуковой скоростью на дозвуковую и обратно. Многообразие режимов позволяет получить объемный греющий  окислительный или восстановительный факел, кинжальный режущий факел, пульсирующий факел с высоким коэффициентом теплоотдачи. В зависимости от типа режима,  разности температур факела и нагреваемой шихты, а также угла атаки  изменяется коэффициент полезного действия факела. Следует различать динамический и тепловой коэффициент полезного действия факела.

     Нагреваемый лом покрыт оксидной пленкой, теплопроводность которой в 10 раз меньше теплопроводности металла. При воздействии на поверхность лома окислительного факела происходит наращивание оксидной пленки, своеобразной брони металла, пленка нагревается, замедляя передачу тепла от факела к металлу. Уменьшение разности температур между факелом и оксидной пленкой приводит к снижению тепла, полученного ломом и следовательно, к  резкому снижению коэффициента полезного действия факела. Для ликвидации этого недостатка, присущего горелкам большинства зарубежных и отечественных фирм,  горелки Консорциума «Техносталь» на стадии нагрева лома генерируют объемный локально-восстановительный пульсирующий или стабильный  факел, который разрушает оксидную пленку и с высоким коэффициентом полезного действия  (0,87-0,92) нагревает лом до температуры, при которой включается режим режущего факела.

       Динамический коэффициент полезного  действия режущего факела (0,85 –  0,90) обеспечивается генерацией  в  кислородных струях системы конических  газодинамических разрывов.

     Горелки снабжены температурным сенсором, по показаниям которого система автоматического управления выбирает оптимальный режим факела в зависимости от того, как близко расположен лом относительно горелки. В зависимости от расположения  лома горелка генерирует или пульсирующий факел, в котором изменяются динамический напор, протяженность локально-восстановительной и окислительной зон, или кинжальный факел, или объемный факел.