Рекуперативный нагревательный колодец Российский патент 2024 года по МПК C21D9/70 

Изобретение относится к устройствам для нагрева слитков металла перед прокаткой.

Известен рекуперативный нагревательный колодец, состоящий из камеры, выполненный в форме прямоугольного параллелепипеда, ограниченной футерованными стенами, подом, снабженного перемещающейся крышкой и горелкой (Макаров А.Н. Теплообмен в электродуговых сталеплавильных и факельных нагревательных печах, топках паровых котлов, камерах сгорания газотурбинных установок. - Москва, Вологда: Инфра - Инженерия, 2022. 452 с).

Недостатком данной конструкции является неравномерность распределения тепловых потоков и температур, как по длине камеры, так и по высоте слитков. Для выравнивания температуры по высоте слитки выдерживают в камере колодца дополнительное время, что приводит к снижению производительности колодца и дополнительному расходу топлива.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому является рекуперативный нагревательный колодец, содержащий камеру, выполненную в форме прямоугольного параллелепипеда, ограниченную футерованными стенами, подом, перемещающейся крышкой, горелку, поперечные футерованные перегородки (RU, №2786550, КЛ. C21D 9/70, 2022 г.).

Недостатком данного рекуперативного нагревательного колодца является неравномерность тепловых потоков и температур по боковым поверхностям слитков, обращенных к футерованным стенам, футерованным перегородкам и к оси симметрии колодца. На боковые поверхности слитков, обращенных к боковым футерованным стенам и футерованным перегородкам, падают от футеровки стен и перегородок на 70-120% больше тепловые потоки по сравнению с боковыми поверхностями слитков, обращенных к оси симметрии колодца. Температура факела изменяется от 1600°С у горелки до 1400-1300°С у задней футерованной стены. Боковые футерованные стены и футерованные перегородки нагреваются до температуры 1200°С в нижней части и до 1300°С в верхней части. Мощность теплового потока излучения каждой из боковых футерованных стен составляет 85-90% от мощности факела, мощность потока теплового излучения каждой из футерованных перегородок составляет 25-30% от мощности факела, футерованные боковые стены и перегородки излучают эту мощность в виде теплового потока на боковые поверхности слитков, обращенных к футерованным боковым стенам и перегородкам. На боковые поверхности слитков, обращенных к оси симметрии колодца, боковые футерованные стены не излучают. На боковые поверхности слитков обращенных к оси симметрии колодцев, излучает факел и не закрытая слитками часть футерованных перегородок. Тепловые потоки факела на боковые поверхности слитков, обращенных к оси симметрии колодца, в 1,5-2,0 раза меньше по сравнению с потоками теплового излучения боковых футерованных стен на обращенные к ним боковые поверхности слитков.

Две трети части поверхности футерованных перегородок закрыты слитками и на боковую поверхность слитков, обращенную к оси симметрии колодцев, тепловые потоки не излучают. На боковые поверхности слитков, обращенных к оси симметрии колодца, излучают тепловые потоки одна третья часть не закрытой слитками поверхности футерованных перегородок и факел в результате чего тепловые потоки на боковые поверхности слитков, обращенных к оси симметрии колодцев, на 70-120% меньше тепловых потоков, падающих на боковые поверхности слитков, обращенных к боковым футерованным стенам и на боковые поверхности слитков, обращенные к футерованным перегородкам. Боковая поверхность слитков, обращенная к оси симметрии колодцев, вследствие меньших падающих на их поверхности тепловых потоков, нагревается медленнее по сравнению с боковыми поверхностями слитков, обращенными к футерованным стенам и перегородкам.

Неравномерный нагрев боковых поверхностей слитков приводит к увеличению времени выдержки слитков в колодце для выравнивания температур по всем четырем боковым поверхностям слитков и к дополнительному расходу топлива, так как во время выдержки факел не отключается.

Технической проблемой изобретения является разработка новой конструкции рекуперативного нагревательного колодца с возможностью равномерного нагрева слитков.

Техническим результатом является уменьшение времени нагрева слитков в печи, повышение производительности, снижение расхода топлива в результате уменьшения времени пребывания слитков в печи.

Проблема и указанный технический результат достигается тем, что рекуперативный нагревательный колодец содержит камеру, выполненную в форме прямоугольного параллелепипеда, ограниченную футерованными стенами, подом, перемещающейся крышкой, горелку, поперечные футерованные перегородки. Согласно изобретению, камера дополнительно снабжена продольной футерованной перегородкой, установленной вертикально на под камеры и соединенной с перечными футерованными перегородками, причем продольная футерованная перегородка по длине камеры ограничена вертикальными плоскостями, проходящими через боковые поверхности слитков, обращенных к фронтальной и задней сторонам.

Наличие продольной футерованной перегородки расположенной по оси симметрии колодца, позволяет создать тепловые потоки излучения от футерованной продольной перегородки на боковые поверхности слитков, обращенных к оси симметрии колодца. Таким образом, на боковые поверхности слитков, обращенных к боковым стенкам, излучают тепловые потоки боковые футерованные стены, на боковые поверхности слитков, обращенных к поперечным футерованным перегородкам излучают аналогичные тепловые потоки поперечные футерованные перегородки, на боковые поверхности слитков, обращенных к оси симметрии колодца, излучают тепловые потоки продольная футерованная перегородка и факел.

Тепловые потоки, падающие на все боковые поверхности слитков, увеличиваются вследствие излучения поперечных и продольных футерованных перегородок не только на расположенные напротив футерованных перегородок поверхности слитков, но и на поверхности слитков, расположенные перпендикулярно к поперечным и продольной футерованным перегородкам. Поперечные и продольная футерованная перегородки выполняют роль керамических регенераторов, забирающих тепло продуктов сгорания внутри камеры и отдающих его посредством теплового излучения слиткам. Температура газового объема факела, в котором происходит реакция горения топлива, изменяется от 1600°С у горелки до 1400-1300°С у задней стены. Продукты сгорания поступают в нижнюю часть нагревательного колодца и конвекцией и излучением передают тепло как средним и нижним поверхностям слитков, так и поперечным и продольной футерованным перегородкам. Поперечные и продольная перегородки нагреваются факелом и продуктами сгорания до температуры 1200-1300°С и излучают тепловые потоки на боковые поверхности слитков. Таким образом, происходит регенерация тепла отходящих газов внутри колодца поперечными и продольными перегородками и более полное использование тепла топлива при его сгорании в факеле, возрастает коэффициент полезного использования тепла топлива. При регенерации тепла отходящих газов и использовании регенераторов в нагревательном колодце 20% тепла топлива возвращается в камеру и полезно используется для нагрева слитков.

При отсутствии поперечных и продольных футерованных перегородок коэффициент полезного использования топлива составляет 25-45%. Коэффициент полезного использования тепла топлива максимален в начале нагрева слитков, когда температура слитков минимальна и составляет 20°С. В этом случае разность температур факела, продуктов сгорания и слитков максимальна и на поверхность слитков падает максимальная плотность конвективного и лучистого тепловых потоков, а коэффициент полезного использования тепла топлива составляет 45%. По мере нагрева слитков разность температур факела, продуктов сгорания и слитков снижается и при температуре слитков 900-1100°С коэффициент полезного использования тепла топлива составляет 25%.

При использовании в нагревательном колодце поперечных и продольной футерованных перегородок последние регенерируют тепло отходящих газов и излучают его на все четыре боковые поверхности слитков в результате чего увеличиваются результирующие тепловые потоки на поверхности слитков от факела, отходящих газов, продольной и поперечных перегородок и коэффициент полезного использования тепла топлива возрастает на 20% и составляет 65% в начале нагрева и 45% в конце нагрева слитков. Такой совместный нагрев всех четырех боковых поверхностей слитков боковыми стенами, факелом, поперечными и продольной футерованными перегородками обеспечивает равномерность нагрева по высоте и периметру слитков и приводит к уменьшению времени нагрева слитков, повышению производительности, снижению расхода топлива.

Для уменьшения аэродинамического сопротивления прохождения продуктов сгорания в нижней части камеры продольная футерованная перегородка не соединена с фронтальной и задней футерованными стенами. Продольная футерованная перегородка по длине камеры ограничена вертикальными плоскостями, проходящими через боковые поверхности слитков, обращенных к фронтальной и задней стенам. Продольная футерованная перегородка начинается около фронтальной стены и заканчивается около задней стены и по длине камеры ограничена вертикальными плоскостями, проходящими через боковые поверхности слитков, обращенных к фронтальной и задней стенам. При ограничении продольной футерованной перегородки по длине камеры вертикальными плоскостями не проходящими через боковые поверхности слитков, обращенных к фронтальной и задней стенам, и расположенными между фронтальной и задней стенами и обращенными к ним боковыми поверхностями слитков возрастает аэродинамическое сопротивление проходящих в сборный канал продуктов сгорания, возрастает расход электроэнергии на электропривод вентилятора, удаляющего продукты сгорания из камеры.

При ограничении продольной футерованной перегородки по длине камеры вертикальными плоскостями, не проходящими через боковые поверхности слитков, обращенных к фронтальной и задней стенам, и расположенными между боковой поверхностью слитков, обращенных к фронтальной и задней стенам, и рядом установленными поперечными футерованными перегородками, длина продольной футерованной перегородки уменьшается. При уменьшении длины продольной футерованной перегородки ее тепловое излучение на обращенные к ее поверхности боковые поверхности слитков, расположенных у фронтальной и задней стен, уменьшается, равномерность нагрева слитков снижается, увеличивается время нагрева слитков и расход топлива.

Устройство поясняется чертежами, где на фиг. 1 представлена схема рекуперативного нагревательного колодца; на фиг. 2 - вид сверху в разрезе А-А; на фиг. 3 - вид сбоку в разрезе В-В; на фиг. 4 изображено распределение тепловых потоков по высоте боковых поверхностей слитков колодца устройства - прототипа (а - распределение тепловых потоков по высоте боковых поверхностей слитков, обращенных к поперечным футерованным перегородкам; б - распределение тепловых потоков по высоте боковых поверхностей слитков, обращенных к оси симметрии печи; в - распределение тепловых потоков по высоте боковых поверхностей слитков, обращенных к боковым стенам); на фиг .5 - распределение тепловых потоков по высоте боковых поверхностей слитков предлагаемого колодца, камера дополнительно снабжена продольной футерованный перегородкой, установленной вертикально на под камеры и соединенными поперечными футерованными перегородками, ограниченной по длине камеры вертикальными плоскостями, проходящими по длине камеры вертикальными плоскостями, проходящими через боковые поверхности слитков, обращенных к фронтальной и задней стенам (а - распределение тепловых потоков по высоте боковых поверхностей слитков, обращенных к поперечным футерованным перегородкам; б - распределение тепловых потоков по высоте боковых поверхностей слитков, обращенных к продольной футерованной перегородке; в - распределение тепловых потоков по высоте боковых поверхностей слитков, обращенных к боковым стенам, фронтальной и задней стенам).

Рекуперативный нагревательный колодец состоит из камеры 1, выполненной в форме прямоугольного параллелепипеда, камера 1 с боков ограничена футерованными стенами: фронтальной 2, двумя боковыми 3, задней 4. Сверху камера 1 ограничена перемещающейся крышкой 5, снизу подом 6. В фронтальной стене 2 в верхней части камеры 1 колодца установлена горелка 7, которая создает над нагреваемыми слитками 8 факел 9. Камера 1 разделена на секции поперечными футерованными перегородками 10, установленными на под 6 и соединенными с боковыми стенами 3. На под 6 камеры 1 установлена продольная футерованная перегородка 11, соединенная с поперечными футерованными перегородками 10 и ограниченная по длине камеры 1 вертикальными плоскостями, проходящими через боковые поверхности слитков 8, обращенных к фронтальной 2 и задней 4 стенам. В поперечных футерованных перегородках 10 предусмотрены каналы 12 для удаления продуктов сгорания. В нижней части фронтальной стены 2 расположен канал 13 для сбора и удаления продуктов сгорания из камеры 1 колодца.

Рекуперативный нагревательный колодец работает следующим образом. Нагревательные слитки 8 при открытой перемещающейся крышке 5 устанавливают на под 6 камеры 1 между поперечными футерованными перегородками 10, продольной футерованной перегородкой 11, фронтальной стеной 1 и задней стеной 4, после чего крышкой 5 закрывают камеру 1 колодца. Газ и воздух поступают в установленную на фронтальной стене 2 камеры 1 горелку 7. В горелке 7 формируется газовоздушная смесь, которая истекает из горелки 7, зажигается и создает над слитками 8 факел 9. Факел 9 нагревает верхнюю часть слитков 8 (фиг. 4), верхнюю часть фронтальной стены 2, боковых стен 3, задней стены 4, поперечных футерованных перегородок 10, продольной футерованной перегородки 11. Продукты сгорания из факела 9 устремляются через каналы 12 для удаления продуктов сгорания в поперечных футерованных перегородках 10 в нижней части камеры 1 и нагревают нижнюю часть слитков 8, нижнюю часть задней стены 4, боковых стен 3, нижние части поперечных футерованных перегородок 10, продольной футерованной перегородки 11 и нижнюю часть фронтальной стены 2. Нагретые факелом 9 и продуктами сгорания боковые стены 3, фронтальная стена 2, задняя стена 4 излучают тепловые потоки на боковые поверхности слитков 8, обращенные к боковым стенам 3, фронтальной стене 2, задней стене 4, увеличивая тепловые потоки от факела 9 и создавая суммарные тепловые потоки на боковые поверхности слитков 8, обращенные к боковым стенам 3, фронтальной стене 2, задней стене 4 (фиг. 5, в), от факела 9 и боковых стен 3, фронтальной стены 2, задней стены 4. Продукты сгорания и факел 9 нагревают поперечные футерованные перегородки 10, которые излучают тепловые потоки на боковые поверхности слитков 8, обращенных к поперечным футерованным перегородкам 10 (фиг. 5, а). Продукты сгорания и факел 9 нагревают продольную футерованную перегородку 11, которая излучает тепловые потоки на боковые поверхности слитков 8, обращенных к продольной футерованной перегородке 11. Таким образом, на боковые поверхности слитков 8, обращенных к поперечным футерованным перегородкам 10, продольной футерованной перегородке И, падают суммарные тепловые потоки от факела 9 и поперечных футерованных перегородок 10, продольной футерованной перегородки 11. Поперечные футерованные перегородки 10 часть своего теплового потока излучают на боковые поверхности слитков 8, обращенных к продольной футерованной перегородке 11, создавая совместно с тепловым потоком излучения факела 9 и тепловым потоком излучения продольной футерованной перегородки 11 суммарный тепловой поток на боковые поверхности слитков 8, обращенных к продольной футерованной перегородке 11 (фиг. 5, б). Продольная футерованная перегородка 11 часть своего теплового потока излучают на боковые поверхности слитков 8, обращенных к поперечным футерованным перегородкам 10, создавая совместную с тепловым потоком излучения факела 9 и тепловым потоком излучения поперечных футерованных перегородок 10 суммарный тепловой поток на боковые поверхности слитков 8, обращенных к поперечным футерованным перегородкам (фиг. 5,а).

Таким образом, факел 9 нагревает верхнюю часть слитков 8, боковые стены 3, задняя стена 4, фронтальная стена 2, поперечные футерованные перегородки 10, продольная футерованная перегородка 11 излучают тепловые потоки по высоте всех четырех боковых поверхностей слитков 8, создавая суммарные тепловые потоки, падающие от факела 9, стен, поперечных перегородок 10, продольной перегородки 11, по периметру и высоте боковых поверхностей слитков 8, коэффициент полезного использования тепла топлива возрос на 20%, равномерность нагрева слитков 8 увеличивалась. На фиг. 4, 5 приведены графики распределения тепловых потоков по высоте боковых поверхностей слитков 8 колодца устройства - прототипа и предлагаемого колодца: а - по высоте боковых поверхностей, обращенных к поперечным футерованным перегородкам 10; б - по высоте боковых поверхностей, обращенных к оси симметрии колодца и продольной футерованной перегородке 11; в - по высоте боковых поверхностей, обращенных к боковым стенам 3, фронтальной стене 2, задней стене 4. Из графиков видно, что при одновременном нагреве слитков 8 факелом 9, стенами, поперечными футерованными перегородками 10, продольной футерованной перегородкой тепловые потоки на слитки 8 увеличиваются и они более равномерно распределяются по высоте и периметру слитков 8. При увеличении тепловых потоков и их более равномерном распределении по высоте и периметру слитков 8 значительно уменьшается время их нагрева до необходимой температуры, повышается на 20% коэффициент полезного использования тепла топлива, повышается производительность рекуперативного нагревательного колодца, снижается расход топлива.

В настоящее время изобретение находится на стадии технического предложения.

Изобретение относится к устройствам для нагрева слитков металла перед прокаткой. Рекуперативный нагревательный колодец содержит камеру, выполненную в форме прямоугольного параллелепипеда, ограниченную футерованными стенами, подом, перемещающейся крышкой, горелку, поперечные футерованные перегородки. Камера дополнительно снабжена продольной футерованной перегородкой, установленной вертикально на под камеры и соединенной с перечными футерованными перегородками, причем продольная футерованная перегородка по длине камеры ограничена вертикальными плоскостями, проходящими через боковые поверхности слитков, обращенных к фронтальной и задней сторонам. Техническим результатом является уменьшение времени нагрева слитков в печи, повышение производительности, снижение расхода топлива в результате уменьшения времени пребывания слитков в печи. 5 ил.

Рекуперативный нагревательный колодец, содержащий камеру, выполненную в форме прямоугольного параллелепипеда, ограниченную футерованными стенами, подом, перемещающейся крышкой, горелку, поперечные футерованные перегородки, отличающийся тем, что камера дополнительно снабжена продольной футерованной перегородкой, установленной вертикально на под камеры и соединенной с поперечными футерованными перегородками, причем продольная футерованная перегородка по длине камеры ограничена вертикальными плоскостями, проходящими через боковые поверхности слитков, обращенных к фронтальной и задней стенам.