Результат интеллектуальной деятельности: ВОЗДУШНАЯ ФУРМА ДОМЕННОЙ ПЕЧИ

Изобретение относится к области металлургии и может быть использовано при подготовке к работе воздушных фурм доменных печей.

Известно, что на воздушные фурмы приходится около 30% всех тепловых потерь в доменной печи. При этом в обычных условиях работы доменной печи, через рыльную часть, наружный и внутренний стаканы фурмы уходит соответственно порядка 18, 36 и 46% тепла, уносимого водой, охлаждающей фурму. Одним из путей снижения данных тепловых потерь является установка теплоизолирующей вставки с низкой теплопроводностью во внутреннем стакане. Трудности эксплуатации фурм с такой вставкой объясняются хрупкостью вставки и большим различием температурных коэффициентов линейного расширения материалов вставки и меди, из которой изготовлена фурма.

Известна воздушная фурма доменной печи, содержащая теплоизолирующую вставку в дутьевом канале, установленную с воздушным зазором по отношению к поверхности дутьевого канала (Патент Японии №2240207, МПК C21B 7/16, 1990).

Недостатками данного технического решения являются то, что не регламентируются толщина керамической вставки и величина воздушного зазора от поверхности дутьевого канала до керамической вставки. Это может приводить к разрушению теплоизолирующей вставки во время ее установки и эксплуатации, а также к повышению тепловых потерь через дутьевой канал фурмы.

Наиболее близкой по своей технической сущности к предлагаемой полезной модели является воздушная фурма доменной печи, содержащая керамическую вставку толщиной не менее 8,0 мм в дутьевом канале, установленную с воздушным зазором по отношению к внутреннему стакану (Патент РФ №144987, МПК C21B 7/16, 2014).

Недостатком данного технического решения является то, что величина воздушного зазора 0,5-0,7 мм между теплоизолирующей вставкой и внутренним стаканом определяется в «холодном состоянии», то есть при установке теплоизолирующей вставки в дутьевой канал.

В процессе эксплуатации фурмы тепловое расширение вставки может превысить тепловое расширение внутреннего стакана на величину более установленного зазора между ними, что приведет к появлению трещин на вставке и преждевременному ее разрушению.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение стойкости теплоизолирующей вставки в процессе эксплуатации фурмы доменной печи.

Технический результат достигается тем, что в воздушной фурме доменной печи, содержащей теплоизолирующую вставку в дутьевом канале, установленную с воздушным зазором по отношению к внутреннему стакану, согласно изобретению наружный радиус вставки определяют с учетом теплового расширения ее и внутреннего стакана по формуле

где r₁ - наружный радиус теплоизолирующей вставки «в холодном состоянии», мм;

r₂ - радиус внутреннего стакана со стороны дутьевого канала в «холодном состоянии», мм;

α₁ - температурный коэффициент линейного расширения материала теплоизолирующей вставки, °C^-1;

α₂ - температурный коэффициент линейного расширения материала внутреннего стакана, °C^-1;

Δt₁ - изменение температуры теплоизолирующей вставки при нагреве, °C;

Δt₂ - изменение температуры внутреннего стакана при нагреве, °C;

b=0,5÷0,7 - требуемый воздушный зазор между теплоизолирующей вставкой и внутренним стаканом в рабочем состоянии, мм.

Расчет наружного радиуса теплоизолирующей вставки «в холодном состоянии» по формуле (1) позволяет установить теплоизолирующую вставку по отношению к внутреннему стакану с зазором, учитывающим последующее тепловое расширение теплоизолирующей вставки и внутреннего стакана в процессе работы (нагрева) фурмы. Кроме того, расчет наружного радиуса теплоизолирующей вставки «в холодном состоянии» по формуле (1) предотвращает динамические нагрузки на вставку при установке фурмы в печь и в процессе эксплуатации, а также способствует снижению тепловых потерь через внутренний стакан.

Изобретение справедливо как для цилиндрического, так и для конического дутьевого канала. Изобретение для цилиндрического дутьевого канала поясняется чертежом, на котором изображено сечение воздушной фурмы доменной печи.

Фурма состоит из наружного (1) и внутреннего (2) стаканов, сваренных по краям с рыльной частью (3) и фланцем (4). В дутьевой канал (5) устанавливают теплоизолирующую вставку (6) с образованием воздушного зазора (7) между внутренним стаканом (2) и теплоизолирующей вставкой (6).

Для конического дутьевого канала необходимо по формуле (1) рассчитать величину наружного радиуса вставки у рыльной части и у фланца фурмы.

При недостаточном наружном радиусе теплоизолирующей вставки (менее чем рассчитанным по формуле (1)) величина воздушного зазора между ней и внутренним стаканом велика, что приводит к преждевременному разрушению вставки, так как возрастают динамические нагрузки на вставку при установке фурмы в печь и в процессе эксплуатации.

Превышение необходимого наружного радиуса теплоизолирующей вставки (более чем рассчитанного по формуле (1)) недопустимо сокращает величину воздушного зазора между ней и внутренним стаканом, что приводит к значительному увеличению тепловых потерь через внутренний стакан и преждевременному разрушению вставки, так как вставка упирается во внутренний стакан из-за разницы их теплового расширения.

Пример 1.

В цилиндрический дутьевой канал воздушной фурмы требовалось установить корундовую теплоизолирующую вставку толщиной 8,0 мм с воздушным зазором по отношению к медному внутреннему стакану.

Радиус внутреннего стакана со стороны дутьевого канала (r₂) составил 81,5 мм. Температурные коэффициенты линейного расширения корунда и меди составили α₁=6,5⋅10^-6 °С^-1 и α₂=16,6⋅10^-6 °C^-1 соответственно. Средние температуры теплоизолирующей вставки и внутреннего стакана фурмы, в рабочем состоянии, приняли 1010°C и 85°C соответственно (определены на основании работы предыдущей фурмы до ее замены). Начальные температуры теплоизолирующей вставки и внутреннего стакана составили 30°C. Следовательно, Δt₁=980°C, a Δt₂=55°C. Величину требуемого воздушного зазора между теплоизолирующей вставкой и внутренним стаканом в рабочем состоянии приняли b=0,5 мм.

Наружный радиус теплоизолирующей вставки определили по формуле (1)

r₁=(81,5⋅(1+16,6⋅10^-6⋅55)-0,5)/(1+6,5⋅10^-6⋅980)≈80,6 мм.

Теплоизолирующую вставку толщиной 8,0 мм изготовили с наружным радиусом 80,6 мм. Зазор между теплоизолирующей вставкой и внутренним стаканом выставили с помощью металлических прокладок толщиной 0,9 мм.

Фурму с теплоизолирующей вставкой установили в печь. Срок службы фурмы составил 163 дня (до использования указанного технического решения срок службы теплоизолирующей вставки не превышал 132 суток). Причина замены фурмы - прогар рыльной части. Вставка после замены фурмы осталась целой.

Пример 2.

В конический дутьевой канал воздушной фурмы требовалось установить корундовую теплоизолирующую вставку толщиной 8,0 мм с воздушным зазором по отношению к медному внутреннему стакану.

Радиус внутреннего стакана со стороны дутьевого канала у рыльной части (г₂р) составил 90,0 мм, у фланца (r_2Ф) составил 115,0 мм. Температурные коэффициенты линейного расширения корунда и меди составили α₁=6,5⋅10^-6 °C^-1 и α₂=16,6⋅10^-6 °C^-1 соответственно.

Средние температуры теплоизолирующей вставки и внутреннего стакана фурмы, в рабочем состоянии, приняли 1030°C и 90°C соответственно (определены на основании работы предыдущей фурмы до ее замены).

Начальные температуры вставки и внутреннего стакана составили 30°C. Следовательно, Δt₁=1000°C, a Δt₂=60°C. Величину требуемого воздушного зазора между теплоизолирующей вставкой и внутренним стаканом в рабочем состоянии приняли b=0,7 мм.

Наружный радиус вставки определяли по формуле (1)

у рыльной части

r_1Р=(90⋅(1+16,6⋅10^-6⋅60)-0,7)/(1+6,5⋅10^-6⋅1000)≈88,8 мм;

у фланца

r_1Ф=(115⋅(1+16,6⋅10^-6⋅60)-0,7)/(1+6,5⋅10^-6⋅1000)≈113,7 мм.

Теплоизолирующую вставку толщиной 8,0 мм изготовили с наружными радиусами 88,8 мм у рыльной части и 113,7 мм у фланца. Зазор между теплоизолирующей вставкой и внутренним стаканом выставили с помощью металлических прокладок толщиной 1,2 мм у рыльной части и толщиной 1,3 мм у фланца.

Фурму с теплоизолирующей вставкой установили в печь. Срок службы фурмы составил 177 сут (до использования указанного технического решения срок службы теплоизолирующей вставки не превышал 132 сут). Причина замены фурмы - прогар рыльной части. Вставка после замены фурмы осталась целой.

Таким образом, предложенное изобретение позволяет повысить срок службы теплоизолирующей вставки в процессе эксплуатации фурмы доменной печи.