Подача кислородного дутья в конвертер осуществляется вертикальной водоохлаждаемой фурмой, имеющей возможность перемещаться по высоте конвертера в ходе плавки. Тело фурмы изготовлено из трех концентрически расположенных стальных цельнотянутых труб. Внутренняя труба служит для подвода кислорода, средняя — для отвода воды. По наружной трубе подводится охлаждающая вода. Наиболее важной частью фурмы, определяющей условия формирования окислительной газовой струи и ее воздействия на металл, является сопло одноструйной или сопла многоструйной фурмы (рис 1) Сопла выполняются в медной головке, которая герметично соединена путем сварки с наружной и внутренней трубами фурмы.
Рис. 1 – Типы сопел кислородных фурм
а – цилиндрическое или суживающееся, б – цилиндрическое с винтовой нарезкой, в – сопло Лаваля , г – трехсопловая фурма с соплами Лаваля
Тип сопла и диаметр выходного сечения определяются технологическими условиями процесса и требуемым минутным расходом кислорода. Диаметр выходных сечений одноструйных фурм варьируется в пределах от 40 до 100 мм. Расходы кислорода составляют до 500 m3/мин.
Применение интенсивного дутья, особенно в конвертерах большой емкости, требует рассредоточения дутьевого потока во избежание сильных выбросов и выносов металла. Эффективным средством является переход на работу с трех-, четырехструйными фурмами. В этом случае создаются отдельные очаги воздействия дутья с общим увеличением площади реакционной зоны, появляется возможность работы с большими расходами кислорода (500— 700m3/мин), уменьшаются потери металла и несколько возрастает производительность конвертеров.
В настоящее время накоплен экспериментальный материал по структуре свободной струи, истекающей из сопел различного профиля и сечения при разных расходах кислорода.
При уменьшении расстояния от фурмы до ванны происходит более глубокое внедрение струи в расплав. С увеличением этого расстояния или возрастанием диаметра сопла при неизменном расходе кислорода глубина внедрения струи становится меньше.
При истечении струи дутья из фурмы, находящейся в полости конвертера, вследствие турбулентного массообмена вблизи внешних границ струи с движущимися вверх от ванны реакционными газами происходит вовлечение в струю частиц окружающей ее среды. Это приводит к возрастанию массы движущегося газа и дополнительному увеличению поперечного сечения , струи. Ее общее количество движения при этом остается постоянным. По мере удаления от выхода из сопла увеличивается доля газа, вовлеченная в струю, и уменьшается доля остающегося свободного кислорода. Поскольку в окружающей среде реакционных газов главным компонентом является окись углерода, образующаяся при обезуглероживании расплава, вовлечение ее в струю дутья приводит к реакции взаимодействия с кислородом. Последнее должно существенно изменять окислительные свойства дутья до его контактирования с поверхностью ванны Равновесные характеристики предполагают установление парциальных давлений кислорода в соответствии с соотношениеями дисоциаций С02; 2С02 ↔ 2С0 + О2.
Очевидно, равновесные давления СО при наличии избыточного кислорода должны быть очень низкими. Однако практически в струе могут наблюдаться значительные содержания окиси углерода, не перемешиваемой полностью в микрообъемах и не прореагировавшей с кислородом подаваемого дутья. В зоне встречи струи с расплавом происходит прямое (без эжектирования) разбавление дутья отходящими от ванны реакционными газами с высоким содержанием окиси углерода. Следовательно, состав и свойства дутья, контактирующего с расплавом, в сильной степени зависят от гидродинамики струи и химических процессов в ее объеме, а также от интенсивности отвода газообразных продуктов реакций с поверхности расплава.
Изменяя расстояние фурмы от поверхности ванны, можно управлять глубиной погружения струи, и тем самым регулировать зону ее контакта со шлаком и металлом. Типичные конфигурации зоны контакта при обычном и высоком положении фурмы над зеркалом ванны показаны на рис. 2.
Рис. 2. Схема реакционной зоны при обычном (а) и высоком (б) положении фурмы
Изменяя высоту кислородной фурмы над ванной и расход кислорода, можно регулировать соотношения процессов догорания окиси углерода в струе дутья, образования окислов железа в шлаке, развития реакций на поверхности шлак—металл, особенно процесса дефосфорации металлического расплава, и объемной реакции обезуглероживания конвертерной ванны.
Конфигурация реакционной зоны взаимодействия дутья с расплавом, а также ее объем зависят от ряда других важных факторов, главными из которых являются ассимиляция окислителя расплавом и выделение в объем зоны и в изолированные пузыри газообразных продуктов обезуглероживания. При малом погружении струи и образовании незамкнутой зоны эти процессы оказывают меньшее влияние, чем при образовании заглубленной в ванну реакционной зоны. Современное конвертерное производство с повышенными расходами кислорода на единицу массы металла для интенсификации процесса ведется обычно с заглубленной реакционной зоной.
Получению закрытой реакционной зоны способствует значительный подъем конвертерной ванны вследствие образования большого количества пузырей газообразных продуктов обезуглероживания металла по всему объему расплава.
При реагировании струи окислителя с поверхностью металлического расплава в реакционной зоне возникают высокие локальные температуры. Уровень достигаемых температур, по результатам непосредственных оптических измерений через кислородный канал фурмы, составляет приблизительно 2200—2400° С. Это приводит к сильному испарению железа, образованию больших количеств бурого дыма — продукта окисления железа — и необходимости очистки отходящих из конвертера газов.
