Результат интеллектуальной деятельности: ФУРМА ДЛЯ ДОННОЙ И БОКОВОЙ ПРОДУВКИ

Изобретение относится к металлургии, в частности к устройствам для продувки окислительным дутьем сульфидного медного расплава или полиметаллического сырья и может быть использовано в цветной и черной металлургии.

При продувке сульфидного медного расплава в области факела дутья развиваются высокие температуры и вследствие этого высокие тепловые нагрузки, что приводит к прогару охлаждаемого элемента. Поэтому при продувке сульфидного расплава (штейна) охлаждаемые фурмы не используются, так как их использование может привести к прогару и вследствие этого - к взрыву.

Известно из авторского свидетельства SU 1667920 и патента RU 2152441, что для снижения теплового воздействия на рыльную (торцевую) часть фурмы используют фурмы с коаксиальными трубами (фурма с защитной оболочкой). По основному каналу подают окислительное дутье, а по защитному - слабоокислительное, инертное или восстановительное дутье.

Однако фурма с защитной оболочкой снижает уровень теплового воздействия на рыльную поверхность фурмы, но не защищает ее от прогара.

Известно также, что для защиты торцевой поверхности фурмы от прогара используют насадки, описанные в патенте RU 2235789. Насадки на торцевую поверхность защищают рыльную часть фурмы в течение определенного времени.

Однако из-за низкой теплопроводности насадки не обеспечивают образование на насадке устойчивого слоя гарнисажа, что приводит к прогару насадки и рыльной поверхности фурмы.

Наиболее близким аналогом заявляемого устройства является решение фурмы доменной печи, известное из патента RU 2299243. Каналы для охлаждения образованы залитой трубой, при этом интенсивность охлаждения достигается путем использования в рыльной части змеевика с заданным сечением канала охлаждения. Основным параметром интенсивности охлаждения является скорость движения теплоносителя, т.е. расход теплоносителя и поддержание заданного расхода на должном уровне.

Однако при отсутствии обеспечения заданного расхода сохранение стенки рыльной части в целостности невозможно при тепловых нагрузках >1000 кВт/м².

Наиболее близким аналогом заявляемого способа является техническое решение из патентной заявки US 5989488, в котором для защиты торцевой поверхности фурмы используют охлаждение торцевой поверхности.

Однако нерегламентация расхода теплоносителя на площадь рыльной поверхности не может защитить ее при зависании факела дутья у поверхности фурмы, что приводит к ее прогару несмотря на то, что боковая поверхность защищена керамической вставкой.

Техническая проблема, на решение которой направлена заявляемое изобретение, заключается в создании фурмы для донной и боковой продувки сульфидного медного расплава окислительным дутьем в защитной оболочке при высоких тепловых нагрузках в области факела дутья и возможность длительной эксплуатации фурмы.

Техническим результатом заявляемого изобретения является повышение эксплуатационных характеристик фурмы для донной и боковой продувки, заключающихся, в том числе, в повышении надежности и срока эксплуатации фурмы, повышении эффективности охлаждения фурмы при высоких тепловых нагрузках.

Указанный технический результат достигается за счет того, что фурма для донной и боковой продувки сульфидного медного расплава окислительным дутьем содержит тело фурмы с каналом для охлаждения, трубу для основного дутья, трубу для защитного дутья, рыльную часть фурмы, охлаждаемый элемент и керамометаллическую насадку, причем труба для основного дутья и труба для защитного дутья расположены коаксиально относительно друг друга, керамометаллическая насадка расположена с рыльной части фурмы и выполнена из материала со средней теплопроводностью не менее 30 Вт/м °С и скрытой теплотой фазового перехода не менее 1000 кДж/кг, а охлаждаемый элемент выполнен полым.

Длина керамометаллической насадки может быть определена по формуле:

где L - длина насадки в миллиметрах,

P_o2 - парциальное давление кислорода основного дутья в МПа.

Заявляемое изобретение предусматривает охлаждаемую от взрывобезопасной системы охлаждения фурму с защитной оболочкой из воздушного или других видов дутья, а торцевая поверхность (рыльная часть) фурмы и коаксиальных труб защищена насадкой соприкасающейся со взрывоопасным в отношении воды расплавом.

Раскрытие заявляемого изобретения показано с помощью фигуры на которой изображен продольный разрез фурмы и позициями 1-7 обозначены:

1 - тело фурмы;

2 - канал;

3 - труба для основного дутья;

4 - труба для защитного дутья;

5 - рыльная часть фурмы;

6 - охлаждаемый элемент;

7 - керамометаллическая насадка.

Фурма для донной и боковой продувки содержит тело фурмы 1 с каналом 2 для охлаждения, трубу 3 для основного дутья, трубу 4 для защитного дутья, рыльную часть 5 фурмы, полый охлаждаемый элемент 6 и керамометаллическую насадку 7.

Труба 3 для основного дутья и труба 4 для защитного дутья расположены коаксиально относительно друг друга.

Охлаждаемый элемент 6 выполнен в виде залитых труб или канала щелевидного вида.

Керамометаллическая насадка 7 расположена с рыльной части 5 фурмы для защиты поверхности рыльной части 5 фурмы и носок труб 3-4 и выполнена из материала со средней теплопроводностью не менее 30 Вт/м °С и скрытой теплотой фазового перехода не менее 1000 кДж/кг.

Уменьшение теплопроводности насадки 7 приводит к невозможности образования защитного гарнисажа и к износу насадки 7 и фурмы. Уменьшение скрытой теплоты фазового перехода насадки 7 приводит к снижению времени теплового воздействия факела дутья на насадку 7, что обуславливает расплавление защитного гарнисажа, перегрев насадки 7 и фурмы. Керамометаллическая насадка 7 выполнена из слоев различного материала: с низкой теплопроводностью и высокой температурой плавления; и высокой теплопроводностью и температурой плавления около 1100°С.

Длина керамометаллической насадки определяется парциальным давлением кислорода основного дутья по формуле:

где L - длина керамометаллической насадки в миллиметрах,

P_o2 - парциальное давление кислорода в МПа.

Теплопроводность керамометаллической насадки определяется как среднее суммы произведений массовой доли слоя на теплопроводность для поперечного сечения керамометаллической насадки. Теплота фазового перехода или скрытая теплота плавления определяется для конкретной керамометаллической насадки. Для определения параметров керамометаллической насадки в ее рабочую поверхность со стороны сульфидного расплава зачеканивают термопары. За момент расплавления защитного гарнисажа принимается температура 960°С эквивалентная температуре плавления гарнисажа. Коэффициент теплоотдачи от стенки охлаждаемого элемента к теплоносителю составил около 3700 кВт/м² °С. Эксперименты показали, что снижение средней теплопроводности керамометаллической насадки менее 30 Вт/м °С приводит к повышению температуры поверхности насадки более 980 С, что свидетельствует о расплавлении гарнисажа. На основании данных температуры поверхности насадки отводимого теплового потока и подводимого количества тепла к поверхности насадки математически определяют влияние скрытой теплоты фазового перехода в сравнении с опытными данными на время затухания теплового потока на поверхность насадки. Математическим моделированием установлено, что использование насадки с величиной скрытой теплоты фазового перехода более 1000 кДж/кг обуславливает увеличение времени воздействия теплового потока на гарнисаж насадки от 0 до 60 с, и за это время не происходит расплавление гарнисажа.

Проверка работоспособности фурмы проводилась на агрегате типа «Норанда». Указанная фурма была установлена в фурменном поясе агрегата и в донной части агрегата. Поверхность насадки соприкасалась с медным сульфидным расплавом. На поверхности насадки фурмы образовывался слой защитного гарнисажа. По центральному каналу подавалось кислородное основное дутье. По защитной оболочке подавалось воздушное дутье. Фурмы в донной и боковой части агрегата эксплуатировались длительное время. Износ и перегрев фурмы не происходил, что подтвердили полученные параметры фурмы.

Приведенные примеры являются частными случаями и не исчерпывают всех возможных реализаций заявляемого изобретения.

Специалисту в данной области техники должно быть понятно, что различные вариации заявляемых устройства и способа не изменяют сущность изобретения, а лишь определяют его конкретные воплощения.