ШИБЕРНЫЙ КЛАПАН ДОМЕННЫХ ВОЗДУХОНАГРЕВАТЕЛЕЙ Российский патент 1998 года по МПК C21B9/12 F16K49/00 

Изобретение относится к области черной металлургии и касается оборудования воздухонагревателей доменных печей, а точнее конструкции воздухоохлаждаемых шиберных клапанов горячего дутья.

Конструкции клапанов горячего дутья в отечественной практике и за рубежом совершенствуются в направлении повышения ее надежности, а также снижения тепловых потерь.

Известен воздухоохлаждаемый шиберный клапан [1], в котором зазор для подачи охлаждающего воздуха образован подпружиненной с трех сторон рамкой, размещенной в корпусе клапана и взаимодействующей с соответствующими уплотнительными элементами воздухоохлаждаемого диска.

При открытии клапана из-за разности давления, возникающей при поднятии диска клапана, горячий воздух с большой скоростью проходит сначала через серповидную щель, что может привести к термошоковому эффекту в зоне уплотнительных поверхностей. Недостатком также является то, что для эффективного охлаждения теплонагруженных деталей клапана требуется повышенный расход охлаждающего воздуха. Кроме того, конструкция клапана является очень сложной, громоздкой и дорогостоящей.

Из известных шиберных клапанов доменных воздухонагревателей наиболее близким по технической сущности (прототипом) является шиберный клапан [2]. Этот шиберный клапан содержит воздухоохлаждаемые футерованные запорный диск и корпус с крышкой и кольцевыми уплотнительными упорами, внутри которых размещены кольцевые камеры подачи охлаждающего воздуха, имеющие щели для его истечения во внутреннее пространство корпуса.

В открытом положении клапана поступающий в кольцевые камеры охлаждающий воздух через щели поступает во внутреннее пространство корпуса, за счет чего охлаждается зона уплотнительных кольцевых упоров.

Недостаток известной конструкции шиберного клапана заключается в том, что для эффективного охлаждения кольцевых уплотнительных упоров при истечении охлаждающего воздуха из камер, находящихся внутри упоров, требуется значительный расход охлаждающего воздуха (5-7% от расхода основного потока горячего дутья). Это приводит к значительным тепловым потерям при рассеивании охлаждающего воздуха во внутреннем пространстве клапана за счет существенного снижения температуры дутья (≈ на 80^oC). Кроме того, для обеспечения указанного расхода охлаждающего воздуха требуется создание мощной высоконапорной компрессорной станции, что с экономической точки зрения нецелесообразно. В случае снижения расхода охлаждающего воздуха эффективного охлаждения кольцевых уплотнительных упоров достичь не удается. Истекающие из упоров струи охлаждающего воздуха при малом расходе целиком подхватываются вращающимся вихрем, образующимся на пути основного потока в канале нижней части корпуса, и создают на границе между вихрем и кольцевыми упорами струйную завесу. Однако расположенная под щелью часть кольцевого упора, размещенного со стороны подачи потока горячего дутья, и расположенная над щелью часть кольцевого упора, размещенного с противоположной стороны, остаются незащищенными струйной завесой.

Другим недостатком известной конструкции является то, что форма исполнения футеровки клапана приводит к увеличению степени турбулентности потока дутья при выходе из канала корпуса и, как следствие, к неравномерному распределению коэффициента конвективной теплоотдачи вдоль поверхности футеровки, к увеличению продольного градиента температур в ней, что снижает срок службы футеровки и, следовательно, надежность клапана в целом.

Задача настоящего изобретения состоит в создании конструкции шиберного клапана, позволяющей повысить его надежность при одновременном снижении тепловых потерь.

Поставленная задача достигается тем, что в шиберном клапане доменных воздухонагревателей, содержащем воздухоохлаждаемые футерованные запорный диск и корпус с кольцевыми уплотнительными упорами и кольцевыми камерами подачи охлаждающего воздуха с щелями для его истечения во внутреннее пространство корпуса, кольцевая камера с щелью, находящаяся со стороны подводящего трубопровода, охватывает кольцевой уплотнительный упор с его наружной стороны, а кольцевая камера с щелью, находящаяся с противоположной стороны, примыкает к кольцевому уплотнительному упору с его внутренней стороны, футеровка корпуса со стороны подводящего трубопровода имеет цилиндрическую форму, проходной диаметр которой равен проходному диаметру трубопровода, а с противоположной стороны - выполнена в форме конфузора, наименьший проходной диаметр которого равен проходному диаметру цилиндра, при этом отношение глубины расположения кольцевых уплотнительных упоров к ширине канала между ними равно 1-1,2, а отношение высоты уступа конфузора к проходному диаметру цилиндра составляет 0,2-0,3 ширины канала.

Такое конструктивное выполнение клапана позволит повысить его надежность при одновременном снижении тепловых потерь. Предлагаемое расположение кольцевых камер обеспечивает эффективную тепловую защиту кольцевых уплотнительных упоров при малом расходе охлаждающего воздуха (до 1% от расхода основного потока горячего дутья) за счет создания струйной завесы из охлаждающего воздуха на границе между вращающимся вихрем горячего воздуха, образующимся в канале А корпуса, и кольцевыми уплотнительными упорами, полностью защищающей кольцевые упоры от теплового воздействия потока горячего дутья, а не частично, как в прототипе.

Выполнение футеровки на входе в клапан в форме цилиндра, а на выходе - в форме конфузора за счет образующегося уступа h дает возможность плавного, без возмущения, выхода основного потока горячего дутья из канала А корпуса, что снижает степень турбулентности потока дутья и, следовательно, снижает интенсивность эрозионного износа футеровки в этом наиболее опасном для перегрева месте, т.е. увеличивает срок службы футеровки клапана. Повышение надежности футеровки клапана, в свою очередь, способствует снижению тепловых потерь.

Для подтверждения оптимальности выбранных диапазонов геометрических соотношений глубины расположения l кольцевых уплотнительных упоров и ширины В канала между ними, а также высоты уступа h конфузора и ширины B упомянутого канала была проведена широкая серия экспериментальных исследований.

Для воздухоохлаждаемого клапана косвенными показателями, характеризующими надежность его конструкции, а также уровень тепловых потерь в нем, служат температура кольцевых уплотнительных упоров корпуса и расход вдуваемого охлаждающего воздуха.

Исследования проводили на специальной установке, оснащенной расходомерами, комплектом термопар и трубкой Пито для измерения скорости основного потока горячего дутья. Задача решалась в инверсной постановке. Основной поток воздуха имел температуру ≈20-25^oC, а компрессионный воздух, идущий на охлаждение кольцевых упоров, соответственно - ≈80^oC.

Результаты экспериментов приведены в табл. 1 и 2.

Как следует из приведенных в табл. 1 данных, температура кольцевых уплотнительных упоров наиболее близка к температуре охлаждающего воздуха в диапазоне отношений глубины расположения кольцевых уплотнительных упоров к ширине канала между ними l/B от 1,0 до 1,2.

В реальном клапане при вдувании охлаждающего воздуха в канал между кольцевыми уплотнительными упорами указанный диапазон эффективности сохраняется, поскольку физический механизм воздействия охлаждающего воздуха один и тот же: образование вокруг основного вихря тонкой прослойки из охлаждающего воздуха.

В диапазоне расходов охлаждающего воздуха от 0,2 до 1% физическая картина течений воздуха в канале практически не меняется. Изменение же относительной глубины расположения кольцевых уплотнительных упоров l/B нарушает устойчивость структуры течений в виде вихря, окруженного прослойкой из охлаждающего воздуха. При уменьшении относительной глубины расположения кольцевых уплотнительных упоров l/B картина течений воздуха в канале из области упомянутой устойчивой структуры (вихрь + прослойка из охлаждающего воздуха вокруг него) смещается в область более интенсивного турбулентного обмена с основным потоком, а при увеличении отношения l/B - в область, где значительное влияние начинают оказывать приданные вторичные турбулентные вихри. И то, и другое существенно снижает эффективность тепловой защиты кольцевых уплотнительных упоров.

Как следует из табл. 2, наиболее эффективным диапазоном относительной высоты уступа h/B конфузора является диапазон, равный 0,2-0,3. При меньших величинах относительных высот уступа h/B не происходит плавного сужения основного потока и это обусловливает значительное количество беспорядочных турбулентных вихрей вокруг него. Они, в свою очередь, интенсифицируют обмен тепловой энергией между основным потоком и вихрем, вследствие чего для достижения оптимальной температуры кольцевых уплотнительных упоров потребуется значительное увеличение расхода охлаждающего воздуха, что приводит к увеличению тепловых потерь. С другой стороны, увеличение относительной величины уступа h/B конфузора сверх 0,3 приводит к дополнительному торможению периферии основного потока на входе в конфузор, а значит, также к турбулизации, увеличению расхода охлаждающего воздуха, увеличению тепловых потерь.

Для пояснения изобретения ниже приводится конкретный пример выполнения изобретения со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых на фиг. 1 изображен шиберный клапан в разрезе (с опущенным запорным диском); на фиг. 2 - нижняя часть корпуса шиберного клапана (без запорного диска).

Шиберный клапан доменных воздухонагревателей содержит футерованные корпус 1 с крышкой 2 и запорный диск 3, находящийся в крышке 2 в режиме дутья и опускающийся в корпус 1 в режиме нагрева. Корпус 1 включает кольцевые уплотнительные упоры 4 и 5, приваренные к присоединительным фланцам 6 и 7. Со стороны подачи потока горячего дутья в корпусе 1 расположена кольцевая камера 8 с щелью "а" для истечения охлаждающего воздуха во внутреннее пространство корпуса 1, охватывающая кольцевой уплотнительный упор 4 с наружной стороны. Со стороны, противоположной подаче потока горячего дутья, расположена кольцевая камера 9 с щелью "б" для истечения охлаждающего воздуха во внутреннее пространство корпуса 1 и примыкает к кольцевому уплотнительному упору 5 с его внутренней стороны. Охлаждающий воздух подается в камеру 8 через соответствующие штуцеры 10 внешнего подвода и в камеру 9 - через штуцеры 11 и отверстия "b" в кольцевом упоре 5. Отношение глубины расположения l кольцевых уплотнительных упоров 4 и 5 в канале A нижней части корпуса к ширине B канала между кольцевыми уплотнительными упорами 4 и 5 выбирают равным 1-1,2 (l/B = 1-1,2). Поверхность огнеупорной футеровки 12 корпуса 1, образующая проходное сечение клапана со стороны подачи потока горячего дутья, имеет цилиндрическую форму с диаметром D₀, равным диаметру проходного сечения воздухопровода. Поверхность огнеупорной футеровки 13 корпуса 1, образующая проходное сечение клапана со стороны, противоположной подаче потока горячего дутья, выполнена в форме конфузора с диаметром наименьшего сечения D₀. Высота уступа h, образованного разницей между наибольшим D и наименьшим D₀ диаметрами конфузора, по отношению к диаметру D₀ цилиндрической поверхности футеровки составляет 0,2-0,3 ширины B канала между кольцевыми уплотнительными опорами 4 и 5 (h=D-D₀/2 = (0,2-0,3) В).

Для охлаждения запорного диска 3 в нем предусмотрен спиралевидный канал (не показан), в который подается охлаждающий воздух через штуцеры 14.

Клапан работает следующим образом.

В режиме дутья запорный диск 3 поднят и через клапан движется разогретый в воздухонагревателе воздух с температурой 1300^oC и выше. При этом происходит интенсивный обогрев элементов корпуса 1, в первую очередь кольцевых уплотнительных упоров и канала А. Охлаждающий воздух, проходящий во внутреннее пространство корпуса через щели "a" и "b" кольцевых камер 8 и 9, подхватывается вращающимся в канале A вихром горячего воздуха и образует струйную завесу на границе между вихрем и кольцевыми упорами, защищая их от теплового воздействия потока горячего дутья. Выход потока горячего дутья из центрального канала A корпуса 1 осуществляется через конфузорный участок футеровки 13 корпуса 1, что создает более оптимальные тепловые условия работы футеровки клапана.

В режиме нагрева запорный диск 3 опущен, перекрывает воздухопровод. Обогрев элементов корпуса клапана происходит в основном только за счет излучения от футеровки. Тепловая нагрузка при этом существенно снижается. Подачу охлаждающего воздуха в камеры 8 и 9 корпуса прекращают. Подача же охлаждающего воздуха в канал запорного диска продолжается.

Предложенная конструкция шиберного клапана по сравнению с известными позволяет обеспечить более высокую надежность и, следовательно, повысить срок службы, а также значительно снизить тепловые потери.

Изобретение относится к металлургии, конкретно к оборудованию воздухонагревателей доменных печей. Шиберный клапан доменных воздухонагревателей содержит воздухоохлаждаемые футерованные корпус и запорный диск. Корпус имеет кольцевые уплотнительные упоры с кольцевыми камерами подачи охлаждающего воздуха с щелями для его истечения во внутреннее пространство корпуса. При этом кольцевая камера, находящаяся со стороны подводящего трубопровода, расположена с охватом кольцевого уплотнительного упора с его наружной стороны, а кольцевая камера, находящаяся с противоположной стороны, расположена с примыканием к кольцевому уплотнительному упору с его внутренней стороны. Поверхность футеровки корпуса со стороны подачи потока горячего дутья имеет цилиндрическую форму с диаметром, равным проходному сечению трубопровода. С противоположной стороны поверхность футеровки выполнена в форме конфузора с диаметром наименьшего сечения, равным проходному диаметру цилиндрической футеровки. При этом высота уступа конфузора по отношению к проходному диаметру цилиндрической поверхности составляет 0,2-0,3 ширины канала между кольцевыми уплотнительными упорами. Отношение глубины расположения кольцевых уплотнительных упоров к ширине канала между ними выбирают равным 1-1,2. 2 табл., 2 ил.

Шиберный клапан доменных воздухонагревателей, включающий воздухоохлаждаемый футерованный запорный диск, соединенный с подводящим и отводящим воздухопроводом футерованный воздухоохлаждаемый корпус с кольцевыми уплотнительными упорами, расположенными с образованием канала между ними, и кольцевыми камерами подачи охлаждающего воздуха с щелями для его истечения во внутреннее пространство корпуса клапана, отличающийся тем, что кольцевая камера с щелью, расположенная со стороны подводящего трубопровода, охватывает кольцевой уплотнительный упор с его наружной стороны, а кольцевая камера с щелью, расположенная с противоположной стороны, примыкает к кольцевому уплотнительному упору с его внутренней стороны, футеровка корпуса со стороны подводящего трубопровода выполнена в виде цилиндра, проходной диаметр которого равен проходному диаметру трубопровода, футеровка корпуса со стороны отводящего трубопровода выполнена в виде конфузора, наименьший проходной диаметр которого равен проходному диаметру цилиндра, при этом отношение глубины расположения кольцевых уплотнительных упоров к ширине канала между ними равно 1,0 1,2, а отношение высоты уступа конфузора к проходному диаметру цилиндра составляет 0,2 0,3 ширины канала.