Доменный высокотемпературный воздухонагреватель Советский патент 1983 года по МПК C21B9/00 

(54) ДОМЕННЫЙ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫЙ ВОЗДУХОНАГРЕВАТЕЛЬ Изобретение относится к оборудованию для высокотемпературного нагрева дутья применяемого в металлургии, и энергетике, а именно для подготовки горячего дутья, подаваемого в шахтные печи, в том числе доменные. / Наиболее близким к изобретению по технической сущности н достигаемому результату является доменный высокоте пературный воздухоншреватель, состоящий из кожуха, футеровки, камеры горения и камеры насадки, разделенных между собой вертикальной стенкой из слоев огнеупорных окатов кирпичей и металлической прокладки, штуцеров газовой горелки и клапана горячего дутья СI . В известном техническом решении изолирование холодной стороны теплоизолчрующего слоя, помещаемого внутри разделительной стенки, отдельными вертикальными прокладками (листами) из жаропрочной стали и заполнение темпера турных швов минеральной огнеупорной ватой обеспвшвает некоторое увеличение СТОЙКОСТИ воздухонагревателей и уменьшение опасности перетоков газовоздушной смеси и дутья. В известном воздухонагревателе покрытие холодной стороны теплоизолирующего слоя отдельными листами хотя и уменьшает опасность .перетока, но полностью их не исключает, так как они могут иметь место в образующихся между отдельньйли листами зазорах. Перетоки могут усугубиться тем, что текте ратурные швы, предусматриваемые 1Три кладке данной конструкции разделительной стенки, могут неполностью закрыться при ее нагревании в период эксплуатации воздухонагревателя. Величины щелей в температурных швах камеры горения и зазоров между отдельными листами мо- . гут иметь разное значение в дутьевой и газовый периоды работы воздухонагревателя вследствие значительных (до 6ОО ° С) колебаний температуры кладки внутреннего оката камеры горения. Металлические листы установлены не по всему периметру камеры горения, а вместе с разлелигельной стенкой, в которой они установлены, входят в температурные швы кладки камеры горения, примыкаюшей к кладке воздухонагревателей. При образовании трещин в кладке в месте температурных швов или даже в случае отхода разделительной от кладки воздухонагревателя установка металлических листов не обеспечивает газоплотности разделительной стенки камеры горения. Пер.етоки, имеющие место на высо котемпературных воздухонагревателях в месте входа штуцеров газовой горелки и клапана горячего дутья, а также дне камеры горения, также не устраняются полностью. Установка металлических листов по этому техническому решению на высоту 3,5 внутреннего диаметра камеры горения выше от штуцера горячего дутья уме шает срок службы их верхних частей вследствие быстрого окисления металла при развиваемых здесь высоких (до 1300-1500 С) температур продуктов горения. Целью изобретения является повышение герметичности камеры горения. Поставленная цель достигается тем, что в доменном высокотемпературном воздухонагревателе, состоящем из кожуха, футеровки, камеры горения и камеры насадки, разделенных между собой верти кальной стенкой из слоев огнеупорных окатов кирпичей и металлической прокладкой штуцеров газовой горелки и клапана горячего дутья, шжняя часть каме ры горения снабжена отлиндрическим бронирующим кессоном из стали с содер жанием хрома до 18%, высотой 1,5 диаметра камеры горения выше штуцера газовой горелки, толщиной до О,1-О,15 толщины кожуха, воздухонагревателя, причем футерованные штуцера газовой горелки и клапана горячего дутья расположены в цилиндрических корпусах, присоединенных к боковой стенке кессона. Стенка кессона выполнена волнообраз ной с соответствующей ей но конфигурации футеровкой. Кожух стенки кессона выполнен рифленым и покрыт торкретмассой, стенка кесс на выполнена разрезной со швом внахлес ку с перекрытием концов на 0,05- 0,08 от диаметра кессона. При теплотехнических исследованиях воздухонагревателей ряда доменньпс печей по результатам газового анализа проб продуктов горения, отобранных одновременно в куполе воздухона ревагеля и в дымовых клапанах, с использованием методики определения величины перетоко дутья, газа и воздуха горения через разделительную стенку камеры горения, установлено , что перетоки отопительного газа в 2-2,5 раза превышакэт перетоки воздуха горения. При этом неплотности в разделительной стенке, через которую наблюаются перетоки, имеют место там, где еще не произошло достаточное смешение потоков газа и воздуха горения, т. е. в районе, близком к газовой горелке. Экспериментальное обнаружение йеплотностей в разделительной стенке камеры горения остановленных воздухонагревателей с помощью трассировки потоков воздуха дымом от специального исгочншса и визуальный осмотр камеры,горения по всей высоте подтверждают, что в нижней части камеры горения на высоту не более 1,5 ее внутреннего диаметра выше от штуцера газовой горелки имеются сквозные трещины. Особенно большое количество трещин наблюдается в месте ) входа штуцеров газовой горелки и клапана горячего дутья. Имеются трещины и в дне камеры горения. Поэтому кессон из жаростойкой стали должен быть выполнен с днищем, которое помещается под огнеупорной кладкой нижней части камеры горения, а верхний край его выполняется на высоту до 1,5 диаметра выше оси штуцера газовой горелки. Эта высота выбирается, с одной стороны, из результатов обследования камер горения воздухонагревателей, в которых обнаружены визуально трещины на высоте до 1,5 диаметра выще штуцера газовой горелки или штуцера патрубка горячего дутья, с другой стороны, на этой высоте температ ра листа достигает, как показывают измерения в воздухонагревателе, С, т. е. не превышает опасных значений для его службы в окислительной среде при изготовлении кессона й:з стали с содержанием хрома до 18%. Для предотвращения разрушения огнеупорной кладки в разделительной стенке камеры горения вследствие коробления металлических листов кессона из-за различных температурных нагфяжений как по. периметру, так и по высоте кессона, он выполйен из листа толщиной 3 мм. Для уменьшения коробления можно его вьшолнить гофрированным или рифленым. Для защиты от прямого действия продуктов сгорания топлива кессон футеруется с наружйой и внугренней стороны огнеупорным кигягачом с прокладыванием между кирпичной кладкой и поверхностью керсона рулонного огнеупорного материала, В случае применения рифленого кессона огнеупораая защита на его поверхность мокет наноситься торкретированием, Минимальная толщина листа определяется из условия : еспечения его службы в течеяяе всего меяфемонтного периода { tO лет). Согласно ойытных данных при 900-950 С окисление листа толщи ной 3 мм из жаростойкой стали с содержанием зфома до 18% происходит на всю толщину приблизительно за Ю пет, Более высокое содержание хрома удорожает стоимость кессона, а меньшее содержание приводит к необходимости существенного увеличения толщины листа что, как было указано выше, опасно по iусловиям коробления, . . ; Корпус воздухонагревателя обычно выполняется из стальных листов толщиной , поскольку он работает на повышенных давлениях дутья и вьщ живает давление кладки при ее расширении. Кессон же служит для ликввдации прямых перетоков через кладку и практически не несет нагрузки, В связи с этю его толщина, как показано выше, определяется из условия окисления за межремонтный срок и составляет от тол шины основного кожуха О,,15; меньшая толщина приводит к более быстрому его окислению, чем указанный срок служ бы, большая - к излишнйуду удорожанию кессона и возникновению опасных напряжений в кладке вследствие его возможного коробления. Для предотвращения разрыва листа кессона при расширении внутреннего ока та камеры горения при нагревании он вьшолнен с продольным разрезным швом внахлестку с заходом одного конца на , другой на 0,О5-О,О8 диаметра кессона. Опыты показывают, что нижняя часть кессона имеет температуру около 40О.° а верхняя около 9ОО° С, Это приводит к разности удлинений верхнего и нижне. го периметров кессона и сдвигу кромок разреза на величину J oO/lt J- e-10 500X0,03, 9 3 где ct 18 10 1/1 рад-коэффициент линейного расщир шя стали Х18Н9Т. Учитывая колебания коэффициентов расширения и свойства материалов клйдки и листов, рекомендуется нахлест О,О5-. О,08 диаметра кессона. Выполнение нахлеста меньшей величины может привести к раскрытию шва и потере газоплотносги, БОЛЬШИЙ указанного верхнего предела нахлест делать не рекомендуется, так как это приведет к лишнему расходу материала без повьпп ия гаасилотности. Прикрепленные к металлическому кессону патрубки, покрывающие штуцера газовой горелки и клапана горячего дутья, имеют длину до внешней поверхности наружного оката камеры горения. Меньшая длина снижает эффективноеть их установки, большая нецелесообразна из-за опасности обрезания патрубков вследствие . неодинакового температурного расширения огнеупорной кладки разделительной стенкв и воздухонагревателя,; На фиг, I изображена нижвяя часта. доменного высокотемпературного i воздухо нагревателя с условным . соылещением . осей штуцеров газовой горетши и клапана горячего дутья, вертикальный разрез; на фиг, 2 - ось штуцера газовой го1релки, горизонтальный разрез. Доменный высокотемпературной возду хонагреватель имеет цилиадрический фу- : терованный изнутри огнеупорной кладкой I стальной кокух 2, расположенйые внутри его несимметрично относительно вертикальной оси огнеупорные камеру 3 горения со штуцерами газовой горелки 4 и клапаном горячего дутья 5 и камеру насадки 6 отбора тепла с поднасадочным устройством 7, штуцерами клапана холодного дутья 8 и дымовыми патрубками 9, разделенные между собой вертикальной стенкой, состоящей из внутреннего 1О и наружного II окатов и помещенных между ними по всему ее периметру изоляционного слоя 12, и бронированного жаростойкого кессона 13, Причем его днище 14 размещено полностью под огнеупорной кладкой дна 15 камеры горения. На всю высоту устанавливаемого кессона камера горения футерована дополнительным защитным окатом t6. Устройство работает следующим образом, В период нагрева воздухонагревателя газовоздушная смесь через штуцер газовой горелки 4 поступает в нижнюю часть камеры горения 3, воспламеняется и его- раег. Продукты неполного сгорания под ним ею гея под купол воздухойагревагеля, где происходит их полное горение и раэвивается максимальная температура. Далее продукты сгорания идут вниз черва каналы насадки 6, Отдавая насадке свое тепло, они охлаждаются и аат&л отводяг ся через поднасадочное устройство 7 в дымовые патрубки 9, боров и дымовую тру в атмосферу. Металлический кессон 13 препятствует протеканию газовоэдушной смеси и продуктов неполного горения через трещины, образующиеся во внутрен нем Ю и наружном II окатах разделительной стенки камеры горения, ее дне 15 и в месге входа в нее штуцеров газовой горелки 4 и клапана 5 горячего дутья, непосредственно из нижней части камеры горения 3 в нижнюю часть насад ки 6, йоднасадочное устройство 7, дымо вые па1рубки 9 и дымовую трубу. В этом случае при прежних установленных по проекту максимальных значениях температуры купола и дымовых газов снижается расход отопительного газа и увеличивается тепловая мощность воздухонагревателя за счет увеличения полноты сжигания топлива. В дутьевой период через штуцер клапана холодного дутья 8, поднасадочное устройство 7, насадку и камеру 3 горения в обратном газу направлении подается воздух, который нагревается, проходя через горячую насадку, и затем через штуцер клапана горячего дутья 5 Воздухопроводу горячего дутья поступаеТ в доменную . Металлический кессон 13 в этот период работы воздухонагревателя препятствует протеканию в обрат ном направлении (по сравнению с периодом нагрева) холодного или недостаточно прогретого дутья через трещины непосредственно из поднасадочного пространства и нижней части насадки в камеру 3 горения и далее в штуцер 5 горячего дутья. В этом случае не снижается температура горячего дутья, поступающего Вдоменную печь, вследствие разбавления -горячего дутья, прошедшего всю насадку снизу вверх, частью холодного или недостаточно прогретого, прошедшего из поднасадочного пространства или нижней части иасадки через тронины, образующиеся в дне камеры горения, ее разделительной стенке и в месте входа в нее штуцеров газовой горелки и клапана горячего дутья. Установка кессона может быть осуществлена как на реконструируемых, так и на вновь строящихся воздухонагревателях. При этом соединение отдельных листов в сплошной кессон (за исключением одного продольного разрезного шва) должно производиться по месту после соответствующей разметки и заготовки листов заранее перед выполнением огнеулорнЬй кладки внутреннего оката и дна камеры горения. Для соединения, отдельных листов кессона может быть использована элеастросварка. Предлагаемый кессон установлен на одном КЗ воздухонагревателей доменного цеха ММК в период его ремонта после разборки внутреннего оката и дна камеры горения, находившихся в неудовлетвори - тельном состоянии, особенно в нижней ее части. Использование предлагаемого доменного высокотемпературного воздухонагревателя позволяет поднять температуру горячего дутья .и снизить расход отопи тельного газа. В таблице представлены результаты обследования всех четьшвх воздухонагревателей с внутренней несимметричной камерой горения доменной печи № 5 ММК до и одного ,из них после установки на нем металлического кессона.

Температура купола воздухонагревателя в дутьевой период i n Температура горячего дутья перед кольцевым воздухопроводом tOf 1180

1300

1340

135О

1140

124О

1270

-9 Из таблицы видно, что перетоки холодного дутья через трещины в разделительной стенке и дне .камеры горения, а также в месте входа в нее штуцеров газовой горелки и клапана горячего дутья для воздухонагревателей №N918, 17 бис, 19 и 17 составляют 5,3; 7,1; II и 12,3% соответственно общего колиJчесТВа дутья, проходящего через воздухонагреватель. Вследствие разбавления горячего дутья, прошедшего через насадку, холодным, прошедшим через трешины, минуя насадку, температура горячего дутья перед входом в доменную печь понижается. Поэтому увеличивается разность температур купола воздухонагреват еля ( Д-t ) соответственно величине перетока на воздухонагревателях до ЮО 13О, 16О к 180° С. Установка металлического кессона на воздухонагревателе № 19, как показы вают проведенные после этого теплотехнические исследования, исключает перето ки. В результате все дутье, поступающее в воздухонагреватель, проходит через на садку снизу доверху. Вследствие отсутст

(16О - 8О) + (1ОО - 85) + (180 - 90) + (13О 95)

4t Экономический эффект от внедрения изобретения для доменной печи объемом 137Ом составляет 371 тыс. руб. в Устранение перетоков г азовоздушной смеси в период нагрева воздухонагревателей, ( i они составляют по данным экспе риментальных исследований, проведенных на доменной печи № 5 ММК, ) ликвидирует потери газа и повышает КПД воздухонагревателей. Суммарный экономический эффект будет выше вследствие увеличения межремонтного сроки службы высокотемпературных воздухонагревателей и сокра10

994563 Продолжение таёлицы

55 С ия перетоков нагретое дутье, не рвзбавпяется холодным и температура его не снижается (об Э.ТОМ свидетельствует сни жеиие величины /j-t с 16О до 80° С); она повышается на 8О С. . Из таблицы видно что фактическое повышение температуры дутья составяявг несколько большую величину ,( ЗО G). Остальное (сверх SO°C) повышешсе температуры горячего дутья происходиг за счет увеличения расхода отопительного газа и повышения температуры кутюла воздухонагреватели. Понимая, чго установка кессонов на других аппарагах блока снижает разность ui. на воадухонагревателях 18, 17 и 17 бис. на 85, 9О и 95 С соответственно (в перечисленной последовательности аппара- ты располагаются от печи и, следовательно, потери тепла по тракту горячего дутья и разность flt возрастают), можйо подсчитать, что общее повышоаие температуры горячего дутья на доменной печи после реконструкции всех четырех воздухонагревателей Jvfojvfe 19, 18, 17 и 17 бис составляет щения из-за этого затрат на капитальные ремонты. В целом по отрасли внедрение предлагаемого изобретения позволяет получить существенный экономический эффект, таК как перетоки имеют место на большом числе воздухонагревателей. Так, например, исследованиями на всезс 32 работающих воздухонагревателях доменного пеха ММК установлено, что перетоки имеют место на 15 аппаратах. Формула изобретения 1. Доменный высокотемпературный воздухонагреватель, содержащий кожух, , li футеровку, камеру горения и камеру насадки, разйеленных меншу собой вергика йой с Генкой из споев огнеупорных окагов кирпичей н мегаплической прокладкой, штуцера газовой горелки и клапана горячего дугья, отличающийся Tewr, что, с целью повышения герметичное гаг камеры горения, нижняя часть камеры горения снабжена бронирующим цилиндрическим кессоном из стали с содержанием хрома до 18%, высотой 1,5 диаметра камеры горения выше штуцера газовой горелки толщиной 0,1-0,15 толщины кожуха воздухонагревателя, при чем футерованные штуцера газовой горел ки и клапана горячего дутья расположены в цилиндрических корпусах, присоединенных к боковой стенке кессона. ffc6 a/ffr e/ ff 2i7jff J ОУ eff/7e/Mff ffcf eff/r iff/off fl ffffff-(... w gff/ fefff ffc6 a//rrff e/yff ffof/ff o 0 JVffгe (/776

0w. 3 2,Воздухонагреватель по п. I, о г личающийся тем, что кессона вьтолнена волнообразной с соответствующей ей по конфигурации футеровкой. 3,Воздухонагреватель по п. I, о тличаюшийся тем, что кожух стенки кессона вьшолнен рифленым и покрыт торкретмассой, 4,Воздухонагреватель по пп, 1-3 отличающийся тем, что стенка кессона вьтолнена разрезной со швоМ внахлестку с перекрытием концов на 0,05-0,08 диаметра кессона. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1, Энгель К, и др. - Черные металлы, 1975, № 17, с. 29.