Фурма

Фурма — это устройство для подачи дутья (воздуха, кислорода, обогащённой смеси или инертных газов) в металлургические, химические и энергетические агрегаты. Основное назначение фурмы — обеспечение контролируемого ввода газообразного реагента в зону высоких температур для интенсификации процессов горения, окисления, восстановления или перемешивания расплава. Конструкция и материал фурмы зависят от типа агрегата, температуры процесса и состава подаваемого газа.

История развития

Первые прототипы фурм применялись в сыродутных горнах и кричных печах для подачи воздуха в очаг горения. В древности и средневековье использовались керамические или каменные трубки, вдувающие воздух с помощью мехов. С развитием доменного производства в XV—XVI веках в Европе начали применять чугунные и медные фурмы, способные выдерживать высокие температуры.

В XIX веке, с внедрением горячего дутья и паровоздушных машин, конструкция фурм усложнилась. Появились водоохлаждаемые фурмы, что позволило значительно увеличить срок их службы. В XX веке, с развитием кислородно-конвертерного производства стали, были разработаны специальные кислородные фурмы, работающие в условиях сверхзвукового истечения газа. В СССР и России значительный вклад в теорию и практику фурменных устройств внесли учёные и инженеры металлургических институтов (например, МИСиС, Уральский политехнический институт).

Классификация фурм

Фурмы классифицируются по нескольким основным признакам.

По типу подаваемого газа

• Воздушные — для подачи атмосферного или подогретого воздуха (доменные печи, вагранки).
• Кислородные — для подачи технически чистого кислорода (конвертеры, сталеплавильные агрегаты).
• Кислородно-топливные — для подачи смеси кислорода с газообразным или жидким топливом (для дополнительного нагрева).
• Инертные — для подачи аргона, азота (для продувки расплава с целью дегазации или перемешивания).

По конструктивному исполнению

• Односопловые — имеют одно выходное отверстие (сопло). Используются в небольших агрегатах или для локального вдува.
• Многосопловые — имеют несколько сопел, расположенных по кругу или в определённой конфигурации. Обеспечивают равномерное распределение газа по сечению печи или расплава.
• С водяным охлаждением — наиболее распространённый тип для высокотемпературных процессов. Внутри фурмы циркулирует вода, отводящая тепло от стенок.
• С испарительным охлаждением — используется в особо жарких зонах, где вода испаряется, отводя тепло с высокой эффективностью.
• С комбинированной подачей — позволяют одновременно подавать разные газы (например, кислород и природный газ) через разные каналы.

По месту установки

• Нижние (донные) — устанавливаются в днище конвертера или печи для продувки расплава снизу.
• Верхние — опускаются сверху в расплав (например, в кислородных конвертерах).
• Боковые — встраиваются в стенки агрегата (доменные печи, вагранки, печи цветной металлургии).

Устройство и принцип действия

Основными элементами любой фурмы являются:

1. Корпус — наружная оболочка, обычно из стали или меди, выдерживающая механические нагрузки и перепады температур.
2. Внутренний канал — труба или система труб для подачи газа. Внутренняя поверхность часто изготавливается из жаропрочных сплавов.
3. Сопло (насадка) — выходное устройство, формирующее струю газа. Форма сопла (цилиндрическая, коническая, сопло Лаваля) определяет скорость истечения и дальнобойность струи.
4. Система охлаждения — каналы для циркуляции воды или другой охлаждающей жидкости. Водоохлаждаемые фурмы имеют двойные стенки, между которыми движется вода.
5. Запорная и регулирующая арматура — клапаны, задвижки, расходомеры, обеспечивающие дозированную подачу газа.

Принцип действия основан на истечении газа под давлением через сопло. В зависимости от конструкции сопла и давления газа, струя может быть дозвуковой, звуковой или сверхзвуковой. Сверхзвуковые струи (например, в кислородных фурмах конвертеров) обеспечивают глубокое проникновение в расплав, интенсивное перемешивание и ускорение химических реакций.

Применение в металлургии

Доменное производство

В доменных печах фурмы (обычно медные, водоохлаждаемые) располагаются в нижней части шахты — в горне. Через них подаётся горячее дутьё (воздух, обогащённый кислородом, часто с добавлением природного газа или пылеугольного топлива). Фурмы обеспечивают горение кокса и образование восстановительных газов (CO, H₂). В современных доменных печах (например, на комбинатах «Северсталь», «Магнитогорский металлургический комбинат») используются фурмы с увеличенным диаметром и улучшенным охлаждением, что позволяет повысить производительность.

Кислородно-конвертерное производство стали

В кислородных конвертерах (например, в конвертерах емкостью 160–350 тонн на Новолипецком металлургическом комбинате) применяются верхние кислородные фурмы. Они представляют собой многосопловые устройства (обычно 4–6 сопел), обеспечивающие сверхзвуковое истечение кислорода. Фурмы опускаются в конвертер через горловину, и кислород вдувается в расплав чугуна, окисляя углерод, кремний, марганец и другие примеси. В некоторых технологиях (например, в процессе с комбинированной продувкой) используются также донные фурмы для подачи инертных газов (аргона, азота) для улучшения перемешивания.

Цветная металлургия

В печах для выплавки меди, никеля, свинца (например, в отражательных или шахтных печах) фурмы применяются для подачи воздуха или кислорода в зону плавки. В автогенных процессах (например, в печах Ванюкова или «Аусмелт») фурмы погружаются непосредственно в шлаковый расплав, обеспечивая интенсивное окисление сульфидов.

Применение в других отраслях

• Химическая промышленность — в реакторах для окисления аммиака (производство азотной кислоты), в печах для сжигания серы, в установках газификации угля.
• Энергетика — в газогенераторах и котлах с кипящим слоем для подачи воздуха или кислорода.
• Стекольная промышленность — в стекловаренных печах для подачи воздуха в горелки.
• Металлообработка — в установках газопламенной резки и сварки (горелки с фурмами для подачи кислорода и горючего газа).

Материалы и эксплуатация

Основные материалы для изготовления фурм:

• Медь — обладает высокой теплопроводностью, что критично для отвода тепла. Медные фурмы (часто с добавлением хрома или циркония для повышения жаропрочности) широко используются в доменных печах и конвертерах.
• Сталь — применяется в менее теплонагруженных узлах (например, в вагранках). Часто используется жаропрочная сталь марок 20Х23Н18, 12Х18Н10Т.
• Чугун — исторически использовался, но в современных агрегатах вытеснен медью и сталью из-за низкой теплопроводности и хрупкости.
• Керамика — применяется в специальных фурмах для агрессивных сред (например, в установках плазменной обработки).

Срок службы фурмы зависит от условий эксплуатации. В доменных печах он составляет от нескольких месяцев до 1–2 лет, в конвертерах — от нескольких сотен до нескольких тысяч плавок. Основные причины выхода из строя: прогорание стенок, эрозия сопла, механические повреждения, забивание каналов. Для продления срока службы применяются защитные покрытия (например, из оксида алюминия или циркония), а также системы автоматического контроля температуры и расхода охлаждающей воды.

Интересные факты

• В доменных печах России и стран СНГ типичное количество фурм — от 12 до 24, в зависимости от диаметра горна.
• В кислородных конвертерах скорость истечения кислорода из сопла может достигать 500–600 м/с (сверхзвуковой режим).
• Разработка фурм с комбинированной подачей (кислород + природный газ) позволила снизить расход кокса в доменных печах на 10–15%.
• В некоторых экспериментальных агрегатах используются плазменные фурмы, где газ нагревается электрической дугой до температур 3000–5000 °C.

Источники

• Металлургические печи: теория и конструкции. — М.: Металлургия, 1985.
• Технология производства стали в кислородных конвертерах. — М.: МИСиС, 2000.
• Доменное производство: справочник. — М.: Металлургия, 1989.
• Материалы для металлургических печей. — М.: Машиностроение, 1991.
• ГОСТ 23118-99 «Фурмы для металлургических печей. Общие технические условия».