МНОГОСОПЛОВАЯ ГОЛОВКА ГАЗОКИСЛОРОДНОЙ ГОРЕЛКИ

Название	МНОГОСОПЛОВАЯ ГОЛОВКА ГАЗОКИСЛОРОДНОЙ ГОРЕЛКИ
Разработчик (Авторы)	Вунш Ю.В., Парамонов М.Е., Колотов Е.А., Сметанин С.В.
Вид объекта патентного права	Полезная модель
Регистрационный номер	169821
Дата регистрации	03.04.2017
Правообладатель	Акционерное общество "ЕВРАЗ Объединенный Западно-Сибирский металлургический комбинат", АО "ЕВРАЗ ЗСМК"
Область применения (класс МПК)	F23D 14/20 (2006.01) F23D 14/32 (2006.01)

Описание изобретения

Полезная модель относится к металлургии, а именно, к устройствам для переплава металлического лома.

Известно горелочное устройство, содержащее водоохлаждаемую головку с кольцевым рядом кислородных сопел, наклоненных к продольной оси головки под углом 20-55° и охватывающим его кольцевым рядом топливных сопел с углом между поверхностями вращения геометрических осей топливных и кислородных сопел 13-40° с выполнением ступенчатых сопел с площадью выходного сечения каждого сопла, превышающей в 3-4 раза площадь его входного сечения, головка выполнена с центральным кислородным соплом с площадью входного сечения, равной 0,4-0,8 суммарной площади входных сечений кислородных сопел в кольцевом ряду, при этом каждое кислородное сопло в кольцевом ряду выполнено ступенчатым и плоскость, проходящая через его продольную ось и продольную ось головки, расположена между плоскостями, проходящими через продольные оси близлежащих топливных сопел и ось головки (RU, патент 2003926, МПК F23D 14/38, опубл. 30.11.1993 г).

К недостаткам известного устройства относится низкая стойкость лицевой поверхности. Это связанно с тем, что, определив оптимальное соотношение площади входного сечения центрального сопла к суммарной площади входных сечений кислородных сопел в кольцевом ряду, конструктивное исполнение кислородных сопел, а именно, ступенчатый переход сопла с резкими переходами от меньшего цилиндрического участка к большему, способствует тому, что исходящие потоки кислорода испытывают дополнительные сопротивления со значительными потерями энергии. Кроме того, в местах ступенчатых переходов происходит налипание шлака на элементы головки, в результате чего медная лицевая поверхность имеет повышенную температуру и склонность к прогарам.

Известна газовая горелка, содержащая цилиндрический Т-образный воздухонодводящий корпус с выходными воздушными патрубками, соосно установленную в нем Т-образную газовую трубу с выходными газовыми патрубками, на выходных концах которых установлены цилиндрические стабилизаторы с передними и задними торцами и периферийными отверстиями, при этом в стабилизаторах выполнены осевые каналы, имеющие входные конфузорные и выходные диффузорные участки, сопряженные между собой цилиндрическими участками, причем конфузорные участки выполнены в виде усеченных конусов с углом раскрытия, равным 44-46°, передние торцы стабилизаторов выполнены в виде усеченных конусов с углом раскрытия, равным 44-46°, меньшее основания которых обращены к патрубка, периферийные отверстия расположены под углом 29-31° к оси стабилизаторов по ходу движения потока, а суммарная площадь их проходного сечения цилиндрического участка, диаметры выходных патрубков воздухоподводящего корпуса и газовой трубы относится как 2,5:1, а разность длин газового и воздушного выходных патрубков равна двум диаметрам газового патрубка (RU, патент 2016353, МПК F23D 14/20, опубл. 15.07.1994 г.).

К недостатками известного решения относятся относительно низкий коэффициент полезного действия - КПД, обусловленный слабой устойчивостью горения факела и повышенным расходом топлива.

Наиболее близким по технической сущности к заявленному объекту является многосопловой наконечник устройства для плавления, содержащий корпус, выполненный с одним центральным соплом, расположенным вдоль продольной оси, с дополнительными соплами, равномерно расположенными по окружности, и с периферийными наклонными соплами, центральное и дополнительные сопла сообщены с каналом подачи окислителя, дополнительные сопла расположены под углом 10-20° к продольной оси наконечника в направлении от этой оси по ходу движения окислителя, периферийные сопла сообщены с каналом подачи топлива и их выходные отверстия расположены по двум окружностям, при этом диаметр одной из окружностей, на которой расположены выходные отверстия периферийных сопел превышает диаметр окружности, на которой расположены выходные отверстия дополнительных сопел, и периферийные сопла, расположенные на ней, наклонены от продольной оси наконечника по ходу движения топлива на угол до 5° с возможностью охватывания исходящими струями топлива струй окислителя, исходящих из дополнительных сопел, а периферийные сопла, выходные отверстия которых расположены на одной окружности с выходными отверстиями дополнительных сопел, наклонены к продольной оси наконечника по ходу движения топлива на 8°-16° с возможностью схватывания исходящими струями топлива струи окислителя, исходящего из центрального сопла (RU, патент 2186294, МПК F23D 14/20, опубл. 20.10.2001 г.).

Недостатком данной конструкции является нестабильность процесса расплавления металлошихты из-за распыленности факела, получаемого в результате конструктивных особенностей дополнительных и периферийных сопел, а именно значительного угла наклона дополнительных кислородных сопел от оси головки. Выполнение лицевой части наконечника в виде нескольких плоскостей, образующих ступенчатые переходы, способствует налипанию шлака, что снижает эффективность работы устройства и стабильность процесса плавление металлошихты. Конструкция наконечника выполнена как единое целое с элементами системы охлаждения, что в свою очередь является нерациональным решением и в значительной степени усложняет устройство.

Задачей, на решение которой направлена полезная модель, является повышение стабильности процесса нагрева и расплавления металлошихты в электродуговой сталеплавильной печи за счет эффективной и стабильной работы газокислородной горелки, а также снижение трудоемкости при изготовлении и обслуживании устройства.

Технический результат заключается в получении более суженного факела с повышенной проникающей способностью, а также обеспечении отвода факела от лицевой поверхности головки, тем самым добиваясь более эффективного процесса нагрева и плавления металлошихты устройством с повышенными эксплуатационными свойствами.

Указанный технический результат достигается за счет того, что многосопловая головка газокислородной горелки содержит корпус с центральным соплом, расположенным вдоль продольной оси, с дополнительными соплами, равномерно распределенными по окружности и вместе с центральным соплом сообщенными с каналом подачи окислителя, с периферийными наклонными соплами с углом наклона от продольной оси наконечника по ходу движения топлива до 5° и сообщенными с каналом подачи топлива, и выполненную с углублением лицевую часть, при этом центральное и дополнительные кислородные сопла имеют входные конфузорные и выходные диффузорные участки, выполненные в виде усеченных конусов с углами раскрытия для конфузорных участков 13-17° и 3-6° соответственно для центрального и дополнительных сопел, и 4-7° и до 4° для диффузорных участков соответственно для центрального и дополнительных сопел, и соединенных между собой цилиндрическим участком длиной 0,10-0,14 от общей длины многосопловой головки для дополнительных сопел и плавным переходом для центрального сопла, при этом длина конфузорных участков центрального и дополнительных сопел составляет 0,41-0,45 от общей длины сопла, которая составляет 0,83-0,87 от общей длины многосопловой головки, а периферийные сопла, со стороны подачи топлива, имеют канавку в виде цилиндрического желоба, при этом углубление лицевой поверхности головки выполнено в виде усеченного конуса, меньшее основание которого сообщено с выходным участком центрального сопла.

Технический результат достигается за счет конструктивных особенностей строения центрального и дополнительных кислородных сопел, в виде конфузорных и диффузорных участков. Кислородный поток, проходящий через особый профиль сопла, начинает разгоняется и, в случае с центральным соплом, скорость потока достигает сверхзвуковой. На начальном этапе кислород, проходящий по сужающемуся конфузорному участку, имеет дозвуковые скорости, но по мере приближения к участку плавного перехода, соединяющего конфузорный и диффузорный участки, скорость начинает увеличиваться и уже проходя через него, скорость движения потока достигает сверхзвуковой, Далее по мере продолжения движения потока по диффузорному участку, скорость начинает плавно спадать с постепенным увеличением давления. Это способствует тому, что кислород не успевает передать стенкам сопла какое либо значительное количество своей тепловой энергии, и в результате чего образуются кислородные струи с адиабатическими характеристиками. При этом, подобный профиль центрального сопла способствует удалению режущей струи на большее расстояние от лицевой поверхности многосопловой головки, что в значительной степени увеличивает ее стойкость.

Технический результат достигается за счет того, что исполнение центрального сопла длиною 0,83-0,87 от общей длины многосопловой головки в совокупности с выполнением углубления лицевой поверхности головки в виде усеченного конуса способствует тому, что выходные отверстия периферийных сопел лежат на поверхности усеченного конуса, что позволяет дополнительно регулировать направленность потока топлива. Кроме того, обеспечивается оптимальный отвод режущей струи центрального потока от лицевой поверхности головки, достигается более полное смешивание исходящий струй природного газа и кислорода.

При выполнении длины центрального сопла с соотношением менее 0,83 от общей длины многосопловой головки, приведет к уменьшению угла раскрытия усеченного конуса и увеличению глубины лицевой поверхности. Подобное исполнение негативно скажется на стойкости периферийной кромки лицевой поверхности, повысив склонность к прогарам.

При выполнении длины центрального сопла с соотношением более 0,87 от общей длины многосопловой головки, приведет к уменьшению угла раскрытия усеченного конуса и уменьшению глубины лицевой поверхности. Подобное исполнение в значительной степени увеличит потери тепла от внезапного расширения на центральном сопле и в целом ухудшит процесс смешивания.

Технический результат достигается за счет соотношений длин конфузорных и диффузорных участков, определенных из тех соображений, что для соблюдения адиабатических процессов при сжатии потока в конфузорном участке необходимо, чтобы он был короче, чем диффузорный участок, на котором происходит изотермическое расширение. В связи с этим была определена зависимость длин конфузорных и диффузорных участков, составляющая 0,41-0,45 от общей длины сопла, которая составляет 0,83-0,87 общей длины многосопловой головки.

При выполнении длины конфузорного участка с соотношением менее 0,41 от общей длины сопла повышается вероятность отрыва потока от стенок диффузорного участка с последующим возникновением обширных вихревых зон у краев из-за его удлинения. При выполнении длины конфузорного участка с соотношением более 0,45 от общей длины сопла, появляется вероятность отдачи части тепловой энергии кислородного потока стенкам сопла.

Технический результат достигается за счет сопряжений конфузорных и диффузорных участков в виде плавного перехода для центрального сопла и цилиндрическим участком длиной 0,10-0,14 от общей длины головки для дополнительных сопел, тем самым существенно уменьшая потери энергии и дополнительно разгоняя движущейся поток.

При выполнении цилиндрического участка длиной менее 0,10 от общей длины головки, не обеспечивается оптимальная скорость проходящего по нему потока. При выполнении длины цилиндрического участка более 0,14 от общей длины головки, приведет к уменьшению длины диффузорного участка дополнительных сопел, что способствует резкому возрастанию давления с нежелательными потерями энергии.

С учетом имеющегося соотношения длин конфузорных и диффузорных участков центрального и дополнительных сопел, были определены оптимальные углы раскрытия. Для центрального и дополнительных сопел, оптимальными углами раскрытия конфузорных участков, при которых обеспечивается более плавное течение потока кислорода и отсутствуют нежелательные завихрения, являются углы 13-17° и 3-6° соответственно. При выполнении углов раскрытия меньше 13° для центрального и меньше 3° для дополнительных сопел, появляется вероятность повышенного вихреобразования, что в свою очередь приводит к нежелательным потерям энергии. При выполнении углов раскрытия больше 17° для центрального сопла и больше 6° для дополнительных сопел увеличивается коэффициент местного сопротивления и появляется вероятность образования застойных зон с вихрями.

Для диффузорных участков центрального и дополнительных сопел оптимальными углами, при которых обеспечивается постепенное уменьшение скорости и постепенное восстановление давления при наименьших потерях, являются углы 4-7° и до 4° соответственно. При выполнении углов раскрытия меньше 4° для центрального сопла имеется тенденция к трансформации диффузорного участка в цилиндрический, с появлением дополнительных сопротивлений. При выполнении углов раскрытия больше 7° для центрального сопла и больше 4° для дополнительных сопел, увеличивается вероятность отрыва потока от стенок, со значительным ростом коэффициента сопротивления.

Технический результат достигается за счет того, что на входном участке периферийных сопел имеется канавка в виде цилиндрического желоба, которая способствует подводящему потоку природного газа испытывать наименьшее сопротивление при равномерном распределении по периферийным соплам.

На фиг. 1 изображен продольный разрез наконечника; на фиг. 2 - вид А по фиг. 1.

Медная многосопловая головка 1 (Фиг. 1, 2) содержит центральное сопло 2, расположенное вдоль продольной оси, дополнительные сопла 3 равномерно распределенные по окружности, наклонные периферийные сопла 4, лежащие на одном диаметре. Входные участки периферийных сопел 4 со стороны подачи топлива имеют канавку 5 в виде цилиндрического желоба. Лицевая поверхность 6 многосопловой головки выполнена с углублением в виде усеченного конуса. Центральное сопло 2 и дополнительные сопла 3 сообщены с каналом подачи окислителя -кислорода. Центральное сопло 2 имеет входной конфузорный участок 7 с углом раскрытия α₁=13-17° и выходной диффузорный участок 8 с углом раскрытия ϕ₁=4-7°, сообщенные между собой плавным переходом 9. Дополнительные сопла 3 так же имеют входные конфузорные участки 10 с углом раскрытия α₂=3-6° и выходные диффузорные участки 11 с углом раскрытия ϕ₂ до 4°, сопряженные между собой цилиндрическим участком 12.

Газокислородная горелка применяется на АО «ЕВРАЗ ЗСМК» в электросталеплавильном цехе.

Газокислородная горелка с многосопловой головкой длиной 82 мм и диаметром 115 мм установлена на поворотно-качающем узле манипулятора, который позволяет перемещать сопло горелки в вертикальной и горизонтальной плоскостях, обеспечивая тем самым необходимое направление факела в пределах рабочего пространства печи. Подвод природного газа, кислорода и охлаждающей воды к горелке осуществляется через узел подвода энергоносителей металлорукавами.

Кислород, проходя по центральному каналу горелки, разделяется на два потока. Первый поток истекает из центрального сопла 2 длиной 70 мм, что составляет 0,85 от длины головки, второй поток - из 8-и дополнительных сопел 3. При этом, проходя через конфузорные участки 7 и 10 длиной 30 мм, что составляет 0,43 от общей длины центрального сопла 2, с углами раскрытия 15° и 4° соответственно для центрального сопла и дополнительных сопел, скорость потока значительно увеличивается. Своих максимальных значений скорость потока достигает на участке плавного перехода 9 диаметром 28 мм центрального сопла 2 и на цилиндрическом участке 12 диаметром 12,5 мм и длиной 10 мм, что составляет 0,12 от общей длины головки, для дополнительных сопел. Таким образом, выдерживается оптимальное соотношение площади центрального сопла 2 к суммарной площади дополнительных сопел 3, равное 0,63. По мере продвижения по диффузорномым участкам 8 и 11 с углами раскрытия 6° и 2°, скорость начинает замедляться с плавным изменением давления.

Одновременно с кислородом в зону горения подается природный газ, который подводится к периферийным соплам 4 по кольцевому зазору, образованному между центральной кислородной трубой и водоохлаждаемым корпусом горелки. Периферийные сопла 4 диаметром 7,5 мм в количестве 24 штук выполняются с наклоном 5° к продольной оси головки по ходу движения топлива и размещены на одном диаметре на образующей усеченного конуса лицевой поверхности головки, обеспечивая подачу и смешивание сред в оптимальном соотношении.

Работа газокислородной горелки осуществляется в три этапа. На первом этапе горелка работает только в условиях горячей печи, в режиме зажигания. Время работы ограничено 60 секундами. Средний расход подводимого по центральному каналу горелки кислорода составляет порядка 300 м³/час. Средний расход подводимого природного газа по кольцевому зазору составляет 150 м³/час.

Второй этап является промежуточным. Время работы остается в тех же интервалах, однако расходы кислорода и природного газа увеличиваются до 800 м³/час и 400 м³/час соответственно.

На заключительном, третьем этапе, горелка работает в режиме максимальной мощности. Сверхзвуковая струя кислорода, истекающая из центрального сопла 2, эффективно прорезает металлический лом, при этом потоки, исходящие из периферийных сопел 4, одновременно расширяют зону плавления. По сравнению с промежуточным режимом, расходы кислорода и природного газа увеличиваются вдвое и достигают максимальных значений в 800 м³/час и 1600 м³/час соответственно. Рабочее давление кислорода составляет 12-16 кг/см², природного газа - 4-6 кг/см². На данном этапе время работы горелки зависит от качества и состава металлошихты и определяется непосредственно сталеваром.

На всех этапах газокислородная горелка работает в стехиометрическом соотношении кислорода к газу (2:1).

Таким образом, полезная модель обеспечивает эффективную работу газокислородной горелки в период разогрева металлического лома, а так же повышенную проникающую способность для подрезки и осаждения металлошихты при максимальном режиме работы.

Формула полезной модели

Многосопловая головка газокислородной горелки, содержащая корпус с центральным соплом, расположенным вдоль продольной оси, с дополнительными соплами, равномерно распределенными по окружности и вместе с центральным соплом сообщенными с каналом подачи окислителя, с периферийными наклонными соплами с углом наклона от продольной оси наконечника по ходу движения топлива до 5° и сообщенными с каналом подачи топлива, и выполненную с углублением лицевую часть, отличающаяся тем, что центральное и дополнительные кислородные сопла имеют входные конфузорные и выходные диффузорные участки, выполненные в виде усеченных конусов с углами раскрытия для конфузорных участков 13-17° и 3-6° соответственно для центрального и дополнительных сопел, и 4-7° и до 4° для диффузорных участков соответственно для центрального и дополнительных сопел, и соединенных между собой цилиндрическим участком длиной 0,10-0,14 от общей длины многосопловой головки для дополнительных сопел и плавным переходом для центрального сопла, при этом длина конфузорных участков центрального и дополнительных сопел составляет 0,41-0,45 от общей длины сопла, которая составляет 0,83-0,87 от общей длины многосопловой головки, а переферийные сопла, со стороны подачи топлива, имеют канавку в виде цилиндрического желоба, при этом углубление лицевой поверхности головки выполнено в виде усеченного конуса, меньшее основание которого сообщено с выходным участком центрального сопла.

Изобретение "МНОГОСОПЛОВАЯ ГОЛОВКА ГАЗОКИСЛОРОДНОЙ ГОРЕЛКИ" (Вунш Ю.В., Парамонов М.Е., Колотов Е.А., Сметанин С.В.) отмечено юбилейной наградой (25 лет Российской Академии Естествознания)
Медаль Альфреда Нобеля

Оформление наградных документов и заказ каталога