Клапан горячего дутья доменных воздухонагревателей Советский патент 1993 года по МПК C21B9/12 

ний температуры угловой точки футеровки, обращенной к запорному диску, т. к. с уменьшением угла атаки -/ значительно снижается коэффициент конвективной теп- лобтдачи а, в режиме дутья именно к этому учг стку клапана, достигая своего минимума

1 угле атаки fi 0. При этом характер )грева поверхности футеровки клапана изменяется при увеличении проходного шетра клапана сверх значения равного

пр

об

не

ди

проходному диаметру канала в довольно

широких пределах.

Для подтверждения оптимальных толщин футеровки на элементах клапана была проведена серия экспериментов по опреде- лению коэффициентов конвективной теплоотдачи ак к различным участкам клапана горячего дутья. На фиг. 1 показаны результаты - распределение коэффициентов конвективной теплоотдачи к кольцевым упорам к корпусу клапана в режиме дутья, когда ди Ж поднят и через клапан движется разогретый в воздухонагревателе воздух. Напр деление потока воздуха указано стрелкой на схеме клапана горячего дутья. Нумера- ци участков клапана принята возрастаю- ще и в направлении движения потока воздуха:

.; I - участок кольцевого упора.первого по ходу потока, обращенный к присоедините/ ьному фланцу;

. II. - участок того же кольцевого упора, обращенный к оси корпуса клапана, непосредственно обогреваемый основным потоком воздуха;

III - участок того же кольцевого упора, обращенный к диску во время его закрытия;

IV - участок корпуса между кольцевыми упорами;

V - участок кольцевого упора (второго по ходу потока), обращенный к диску;

VI - участок кольцевого упора (второго по ходу потока), обращенный к оси корпуса клапана, непосредственно обогреваемым основным потоком, воздуха;

| VII - участок того же кольцевого упора, обращенный к присоединительному фланЧУ -п

, Представленные результаты экспериментов легли в основу совершенствования конструкции футерованного клапана горячего дутья. Так, установлено, что макси- ма льные значения коэффициентов конвективной теплоотдачи Ок наблюдаются на участке кольцевых упоров, обращен- нМх к оси клапана и непосредственно

o6i

во

Ok

эгреваемых основным потоком горячего здуха. В кольцевом канале значения эезко уменьшаются с увеличением глуби0

5 0 5

0

5

0

5

0

5

ны участка h от уровня упорных колец, максимум GK наблюдается в точках с минимальным заглублением. В кольцевом канале между упорными кольцами обнаружены вторичные вихревые течения, характер которых иллюстрирует фиг. 2.

Выполнение клапана горячего дутья таким, что при условии постоянного проходного диаметра толщина слоя огнеупорной футеровки на кольцевых упорах со стороны запорного диска 5i превосходит толщину футеровки со стороны фланцев & . позволяет:

- значительно снизить неравномерность обогрева металла по периметру коль- цевого канала, поскольку максимум коэффициентов конвективной теплоотдачи OK в режиме дутья приходится на участки с минимальным заглублением h (фиг. 1), выполненные в предлагаемом решении из огнеупорной футеровки. При этом не только уменьшаются потери тепла при охлаждении участка корпуса клапана между упорными кольцами в режиме дутья, но и заметно снижается амплитуда колебаний температуры незащищенных футеровкой контактных участков кольцевых упоров в режимах дутья и нагрева, что способствует повышению ресурса работы клапана;

- скомпенсировать неравномерность распределения коэффициента конвективной теплоотдачи я к режиме дутья, обеспечив более равномерное распределение температур вдоль поверхности футеровки, уменьшить амплитуду колебаний ее температуры в режимах - дутья и нагрева и, следовательно, увеличит срок службы. При этом некоторое увеличение интенсивности передачи тепла к охлаждающей среде, со стороны присоединительных фланцев с лихвой может быть компенсировано увеличением толщины футеровки на кольцевых упорах со стороны диска.

В основу расчетов было положено распределение коэффициентов конвективной теплоотдачи в режиме дутья по элементам клапана, полученное экспериментально в лабораторных условиях и подверженное данными промышленных испытаний (фиг.

)

Результаты расчетов представлены в

табл. 1 (приведены результаты для значений Re 1,42x106; IK - 1300°C (для других значений технологических параметров картина распределения температур полностью аналогична).

Как следует из данных табл. 1, оптимальное собтношение толщины футеровки на упорных кольцах со стороны запорного

диска 5i к ее толщине со стороны присоединительных фланцев & составляет от 1,4 до 1,7 и определяется следующими соображениями. При отношении толщин футеровки меньше 1,4, т. е. меньше оптимального диапазона, величина разности температур Тф в режиме дутья велика, что отрицательно скажется на сроке службы футеровки. При значении более 1,7 величина т.ф опять значительно возрастает, при этом At также увеличивается в режиме дутья и нагрева. Указанный диапазон отношений толщин футеровки 1,4 61/62 1,7 позволяет также минимизировать перепад температур в металле кольцевого упора клапана At. Все это, вместе взятое, позволяет повысить надежность и долговечность футе: ровки и клапана горячего дутья в целом.

Выполнение кольцевого канала между кольцевыми упорами корпуса с определенным соотношением глубины к ширине(с учетом толщины футеровки на кольцевых упорах) позволяет за счет регулирования структуры вторичного течения в нем минимизировать конвективную теплоотдачу к незащищенным футеровкой участкам кольцевых упоров и корпуса (фиг. 2).

Результаты экспериментального исследования влияния глубины кольцевого канала между кольцевыми упорами - h (с учетом толщины слоя огнеупорной футеровки) к его ширине - b : h/b на конвективную теплоотдачу к кольцевым упорам клапана и участку корпуса между ними приведены в табл. 2,

Критерием оптимизации в проведенных исследованиях является величина коэффициента конвективной теплоотдачи ак в режиме дутья, поскольку она определяет уровень температур металла указанных участков клапана. Чем ниже величина коэффициента конвективной теплоотдачи в режиме дутья, тем ниже температуры металла в режиме дутья, тем ниже размах колебаний температуры дутье-нагрев, тем выше ресурс работы клапана.

Минимизация коэффициентов конвективной теплоотдачи в режиме дутья позволяет также снизить разность температур металла кольцевых упоров, незащищенного футеровкой, и металла под футеровкой и, как указывалось выше, продлить срок службы футеровки.

Как следует из табл. 2, оптимальное значение отношения глубины кольцевого канала (с учетом футеровки) к его ширине должно составлять от 1,3 до 1,5, поскольку при этих значениях коэффициенты теплоотдачи в режиме дутья к участкам кольцевого канала минимальны.

При этом, при отношении глубины канала h k его ширине b : h/b 1,2 в канале существует один устойчивый вихрь.

При 1 h/b 1,6 существует помимо

одного устойчивого вихря в верхней части камеры довольно неустойчивая структура в нижней ее части, что позволяет минимизировать обогрев нижней части камеры в режиме дутья и снизить амплитуду колебаний

температур в режимах дутья и нагрева. Дальнейшее увеличение отношения h/b 1,5-1,6 приводит к исчезновению неустойчивой структуры, представляющей значительное термосопротивление, появлению двух устойчивых вихрей одного над другим, при этом интенсивность передачи тепла от основного потока к нижним участкам кольцевого канала увеличивается.

Сочетание известного способа уменьшения тепловых потерь в клапане горячего дутья - нанесение на поверхность кольцевых упоров огнеупорной футеровки с оптимизацией соотношения толщин наносимой футеровки и обеспечение постоянного проходного диаметра клапана позволяет получить новый технический эффект - уменьшение амплитуды колебаний температуры футеровки, что обеспечивает увеличение ее долговечности.

Сочетание перечисленных отличительных признаков позволяет также за счет оптимизации геометрических размеров элементов клапана отказаться от применения огнеупорной футеровки кольцевого канала корпуса. И, тем самым, упростить конструкцию клапана и повысить его эксплуатационную надежность.

Изобретение поясняется фиг. 3, 4 и 5 и состоит из запорного диска - 1, находящегося в крышке 2 в режиме дутья и опускающегося в корпусе 3 в режиме нагрева. Корпус содержит кольцевые упоры 4 с нанесенной на них огнеупорной футеровкой 5 переменной толщины, причем отношение

толщины слоя огнеупорной футеровки со стороны запорного диска д к ее толщине со стороны присоединительного фланца 62 составляет 1,4-1,7. В корпусе расположен также кольцевой канал с отношением глубины h к ширине b : h/b 1,3 - 1,5 : присоединительные фланцы - 7, рубашка 8 корпуса 3, образующего вместе с корпусом 3 охлаждаемый объем 9, а также содержит патрубки 10 подвода и отвода хладагента.

-Работа устройства осуществляется следующим образом.

В режиме нагрева диск 1 опущен, перекрывает воздухопровод, и обогрев элементов клапана горячего дутья происходит в

основном за счет излучения футеровки воз- дух|опровода. Интенсивность обогрева кольцевых упоров 4 клапана и кольцевого канала 6 между ними невелика. В режиме дутья диск 1 поднят, и через клапан движется разогретый в воздухонагревателе воздух с тзмпературой 1300°С и выше. При этом происходит интенсивный, но не равномерны i обогрев элементов корпуса 3 клапана горячего дутья, в первую очередь, кольце- вы:с упоров 4 и кольцевого канала 6 между ними, При этом наличие футеровки переменной толщины на кольцевых упорах 4. постоянный проходной диаметр клапана и оптимальные размеры кольцевого канала 6 позволяет свести к минимуму неравномер- ность обогрева указанных элементов клапа: на и снизить тепловые потери в нем на более продолжительное время.

Ожидаемый экономический эффект от применения клапанов горячего дутья предлагаемой конструкции составит -около 30 - 40 тыс. руб. в год для одной доменной .

, Формула изобретения

Клапан горячего дутья доменных возду- хо нагревателей, содержащий футерованный запорный диск, размещенный внутри водоохлаждаемого корпуса, состоящего из горловины с крышкой, присоединительных фланцев и цилиндрической части, внутри которой с образованием кольцевого канала

:положены кольцевые упоры с огнеупорй футеровкой переменной толщины, нара

но

несенной на них со стороны оси

цилиндрической части корпуса, отличаюРезультаты расчетного определения температур кольцевых упоров клапана

предлагаемой конструкции

щи и с я тем, что, с целью снижения потерь тепла и увеличения срока службы клапана, за счет повышения стойкости огнеупорной футеровки, цилиндрическая часть корпуса выполнена с постоянным диаметром проходного сечения, при этом отношение толщины огнеупорной футеровки на кольцевых упорах со стороны запорного диска к толщи-0 не ее со стороны-присоединительного фланца составляет 1,4-1,7, а отношение глубины кольцевого канала к его ширине составляет 1,3-1,5.

Т а б л и ц а 1

Но/иеро участков клапана по ходу горячего боздухо / - Re -f,, клапан ф 1100 мм-,-Re Ч,8-Ю клапан Р№ОО/им; 3-Re {,55Ю6, клапанФ2ССОмм

Фиг.1

Таблица 2

ire.

. j A

Ґ --ro.- v.:-- .. .. ;.

. . ..#V . f

т &/

: v. -. ; ,- -f v :. .- v|V J,S V iv ;. - &VV- -«:

. ,.

-. -«sZ I i . : ...... Т ..:. :

$- -: - -v ./

:l;:r :.-.-- :4.v-- ;-;-V.

Ч:. j..V

-,;.j

I I,-

H,- }.- j- , .

M-vt

:

. v У j. , y-. , ./ . s

.. „f«...

,.1Й f|.

., 5;

.-;VS:;S.

.v-- -V.

;;«4

-,;.j.

I,-- --t-:: : :r

- .,.. ;;f t

. J&; .. . fa $

4 J / V Ч I ll

« - ,J; Г --)

i 4 ,. « j f. 5,:Й . .

W ,M 4 &Ј j

&

.,. V f....v

6 626AL

Редактор С.Кулакова

Составитель Т.Королева

Техред М.МоргенталКорректор С.Пекарь