Устройство для охлаждения стенки металлургической шахтной печи

 

Использование: изобретение относится к металлургии , в частности к охлаждению стен металлургических печей, преимущественно доменных Сущность изобретения: устройство для охлаждения стенки металлургической шахтной печи содержит расположенные вертикально по периметру стенки со стороны внутренней поверхности кожуха в толще слоя жаростойкого бетона секции из труб водяного охлаждения с поперечными ребрами, вход и выход каждой из которых ориентированы в сторону кожуха Причем трубы водяного охлаждения имеют U-образную форму и снабжены установленными во внутренней их половине турбулизаторами Охватывающие каждую трубу водяного охлаждения поперечные ребра выполнены в виде пластин, которые имеют различные площади и собраны по меньшей мере в один пакет, в порядке убывания площадей указанных ребер от центрального к периферийным ребрам, а размеры и расположение элементов конструкции выбирают из условия обеспечения допустимой температуры на кожухе 3 ил

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ Яю-Щрц ЮТЕь< А

К ПАТЕНТУ

h4

СР

Комитет Российской Федерации по патентам и товарным знакам (21) 4924674/02 (22) 22.02.91 (46) 15.1 0.93 Бюл. Ne 37-38 (76) Занцев Владимир Константинович; Гусев

Владимир Ива ювич (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОХЛАЖДЕНИЯ СТЕНКИ МЕТАЛЛУРГИЧЕСКОЙ ШАХТНОЙ ПЕЧИ (57) Использование: изобретение относится к металлургии, в частности к охлаждению стен металлургических печей, преимущественно доменных

Сущность изобретения: устройство для охлаждения стенки металлургической шахтной печи содержит расположенные вертикально по периметру стенки со стороны внутренней поверхности кожуха в тол(i9) RU (ii) 200Ш4 С1 (51) 5 С21В7 10 F27D9 00 ще слоя жаростойкого бетона секции из труб водяного охлаждения с поперечными ребрами, вход и выход каждой из которых ориентированы в сторону кожуха. Причем трубы водяного охлаждения имеют U — образную форму и снабжены установленными во внутренней их половине турбупизаторами Охватывающие каждую трубу водяного охлаждения поперечные ребра выполнены в виде пластин, которые имеют различные площади и собраны по меньшей мере в один пакет, в порядке убывания площадей указанных ребер от центрального к периферийным ребрам, а размеры и расположение элементов конструкции выбирают из условия обеспечения допустимой температуры на кожухе. 3 ил.

2001114

Изобретение относится к металлургии, в частности к охлаждению стен металлургических печей, преимущественно доменных.

Известно устройство для охлаждения стенки металлургической шахтной печи, в частности доменной, и содержащее расположенные по периметру стенки секции из труб водяного охлаждения, имеющих U-образную форму, установленных на строительнОИ элементе кожуха и встроенных в толщу слоя жаростойкого бетона, вход и выход каждой из которых ориентированы в сторону строительного элемента кожуха.

Недостатком известной конструкции устройства для охлаждения стенки металлургической шахтной печи является недостаточная эффективность охлаждения кожуха стенки печи, так как в этом случае нельзя получить при данном расходе охлаждающего агента максимальный отвод тепла, Наиболее близким к изобретению по технической сущности и достигаемому результату.является устройство для охлаждения стенки металлургической шахтной печи, содержащее расположенные вертикально по периметру стенки со стороны внутренней поверхности кожуха, в толще слоя жаростойкого бетона секции из труб водяного охлаждения с поперечными ребрами, вход и выход каждой из которых ориентированы в сторону кожуха. С целью повышения эффективности теплообмена в этом устройстве теплоотдающая поверхность развивается путем оребрения.

Недостатком устройства являешься недостаточн я эффективность охлаждения кожуха стенки печи из-за отсутствия непосредственной зависимости размеров и расположения труб водяного охлаждения, а также размеров и расположения поперечных ребер относительно наружной поверхности трубы от особенностей эксплуатации и тепловых нагрузок. Этот вопрос может быть разрешен путем математического моделирования для увеличения охлаждающего эффекта. Кроме того, в конструкции этого устройства для охлаждения стенки металлургической шахтной печи охлаждающая вода используется недостаточно эффективно. Основная масса воды проходит через центральную часть поперечного сечения трубы водяного охлаждения, не участвуя активно в теплообмене. Здесь поток воды имев более высокую скорость, чем на периферии сечения, где сказывается "пристеночный эффект" понижения скорости. У стен трубы происходит повышение температуры воды, сопровождающееся выпадением солей времен.ной жесткости и образованием на стенах накипи, нарушающей теплопередачу.

В результате снижается стойкость футеровки печи и самого устройства для охлгж5 дения стенки печи.

Целью изобретения является повышение эффективности охлаждения кожуха стенки печи и сокращение расхода воды.

Указанная цель достигается тем, что в

10 предлагаемом устройстве для охлаждения стенки металлургической шахтной печи, содержащем расположенные вертикально по перимегру стенки со стороны внутренней поверхности кожуха, в толще слоя жаро15 стойкого бетона секции из труб водяного охлаждения с поперечными ребрами, вход и выход каждой из которых ориентированы в сторону кожуха, согласно изобретению трубы водяного охлаждения имеют U-образную

20 форму и снабжены установленными во внутренней их полости турбулизаторами, охватывающие каждую трубу водяного охлаждения поперечные ребра выполнены в виде пластин круглой формы, имеют различные площади, собраны по меньшей мере в один пакет в порядке убывания площадей указанных ребер от центрального к периферийным ребрам, длину колена и расстояние между входом и выходом трубы водяного

30 охлаждения, расстояние между соседними трубами водяного охлаждения вдоль продольной оси шахтной печи и в поперечном к ней направлении, а также высоты центрального поперечного ребра в каждом пакете

35 над наружной поверхностью трубы и слоя ж:.ростойкого бетона от наружной поверхности трубы выбирают из условия:

Тс " = To+ Pсо" "-To) (8o+

m m

4г) + gaiP+g ai)9pj)

i =1 1=1

J =!

J Ф! где Тс " — максимальная температура на кожухе шахтной печи;

To — температура окружающей среды;

Тг., " — максимальная температура на кожухе шахтной печи без труб водяного охлаждения; а,, аь а ) — коэффициенты регрессии;

p i, p) — базисная функция при р1 = 1,2- —;

2d.

3 р 2 = 24,86 — 40.67 —;

$

55 дз = 3,83-6,54 —;

$ ф1= 4,53 — 7,34 —; г

2001114 т/7 5 0,5 10 -10

R R С„""".G

Лтепл р; = 091 — 1,5 — —,„„: тгт7 = Л оет (1 0.67 — ) + Лмет 0,67—

m m

+ 033 )

С" и" 6

Ре = — — т-т- — критерий Пекле;

d Л при Л ) =-Л. когда в устройстве нет турбуЛ( лизатора; при g = 0 023 g (46 ) О,В. (М СР " ) О,ЗЗ 700 когда в устройстве есть турбулизатор. где d — диаметр трубы водяного охлажде ния, S — расстояние между соседними трубами в поперечном направлении;

1 — расстояние между входом и выходом трубы водяного охлаждения;

L — длина колена (изогнутой части) трубы водяного охлаждения; г — расстояние между соседними трубами вдоль продольной оси шахтной печи; тепл

Ср — теплоемкость теплоносителя;

G — расход теплоносителя через трубу водяного охлаждения; тепл.

Л вЂ” теплопроводность для теплоносителя;

)жет — теплоп роводность бетона;

p — вязкость теплоносителя; а — высота центрального поперечного ребра в каждом пакете над наружной поверхность о трубы;

m — высота слоя жаростойкого бетона от наружной поверхности трубы;

Л ет — теплопроводность материала, иэ которого изготовлены поперечные ребра.

Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявляемое устройство отличает;я тем, что трубы водяного охлаждения имеют U-образную форму и снабжены установленными во внутренней их полости турбулизаторами, охватывающие каждую трубу водяного охлаждения поперечные ребра выполнены в виде пластин круглой формы, имеют различные площади, собраны по меньшей мере в один пакет в порядке убывания площадей укаэанных ребер от центрального к периферийным ребрам, причем размеры и расположение элементов конструкции устройства выбирают иэ условия.

Таким образом, заявляемое устройство соответствует критерию изобретения "новизна

Сравнение заявляемого решения с дру5 гими техническими решениями показывает, что использование в технике с целью интенсификации процесса теплообмена оребренных труб и турбулиэаторов известно..

В результате анализа известных реше10 ний выявлено, что отличительный признак, — охватывающие каждую трубу водяного охлаждения поперечные ребра выполнены в виде пластин круглой формы, имеют различные площади, собраны по меньшей мере в

15 один пакет, в порядке убывания площадей указанных ребер от центрального к периферийным ребрам — не известен. Кроме того, в результате анализа выявлено, что заявляемое устройство проявляет техническое

20 свойство, которое не проявляется ни в одном иэ известных технических решений, содержащих отличительные признаки отдельно или в сочетании. Новое техническое свойство позволяет повысить и опти25 мизировать удельный теплосъем с единицы объема. создать систему стабилизации градиентов температур по объемам, что приводит к повышению термостойкости бетонной футеровки. Это позволяет сделать вывод о

30 соответствии технического решения критерию "существенные отличия".

На фиг. 1 изображена секция устройства для охлаждения стенки металлургической шахтной печи, общий вид, 35 продольно-вертикальный разрез; на фиг. 2 — турбулиэатор. размещенный в трубе водяного охлаждения; на фиг. 3 — график функХ2 ции у = а (— + 1), являющийся параболой, 40 Ь проходящей через точки середины ширины поперечного сечения поперечных ребер пакета.

Устройство для охлаждения стенки ме45 таллургической шахтной печи представляет собой расположенные по периметру стенки печи секции (на чертеже не показаны). Каждая секция (фиг. 1) включает не менее двух труб 1 водяного охлаждения, имеющих 0образную форму, установленных на строительном элементе кожуха 2, вход 3 и выход

4 каждой из которых ориентированы в сторону последнего. Встроенные в толщу слоя

5 жаростойкого бетона трубы 1 водяного охлаждения снабжены поперечными ребрами 6, расположенными на их наружной поверхности. Поперечные ребра 6. приваренные к трубе 1 водяного охлаждения, охватывают последнюю по всей ее окружности и собраны, по меньшей мере. в

2001114

Гр. условия: у - Н, Т - Tw

Т для участка кожуха — Л grad а (Tc To) для участка теплоносителя

Т - Tp- на входе

", il grad Т = 0 — на выходе. у-0 один пакет 7 из расположенных в порядке убывания от центрального 8 поперечного ребра к периферии, При этом поперечные ребра 6 в пакете 7 контактируют между собой торцевыми поверхностями. Исходя иэ технологии изготовления ребер в данном примере могут применяться ребра 6 с поперечным сечением, выполненным в виде прямоугольника, состоящего из двух частей (на чертеже не показаны), или ребра 6 в виде колец, выполненные, например, из Ст.20.

Во внутренней полости каждой трубы 1 водяного охлаждения установлен турбулизатор (фиг. 2), выпрлненный, например в виде ленты 9, имеющей по краям прорези 10, образующие лепестки,(на фиг. 2 не показаны), каждый из которых повернут вокруг своей оси. Лента 9 свернута по винтовой линии.

На строительном элементе кожуха 2 вырезают отверстия (на чертеже не показаны) для установки труб 1 водяного охлаждения с предварительно приваренными ребрами

6, образующие единую систему.

В каждую трубу 1 водяного охлаждения устанавливают турбулизатор — ленту 9, которую у входа 3 и выхода 4 трубы 1 закрепляют сваркой. Затем с помощью опалубки (на чертеже не показана) наносят слой 5 жаростойкого бетона по обычно применяемой технологии. По периметру строительного элемента кожуха 2 каждой секции предлагаемого устройства оставлен зазор 11 в виде свободной от футеровки части кожуха для возможности производства сварки стыков между сэседними строительными элементами и незаменяемыми частями шахты печи, Рассматривается охлаждаемая бетонная конструкция (фиг. 1). Требуется оценить величину Тс в зависимости от S, I, h, r, Л тепл

Лоет, d, G, A мет, а, пт, То, Тти, т.е. найти

Гс = f(S, !, h, г, Л "" Л бет,d, 6, Л мет, а, е, Т,Т ).

Будем искать Тс в виде: и

Т вах-а + Х alp где р — некоторые комбинации параметров (Тс " — гпах температура на кожухе), Основные уравнения: теплопроводности для бетона и кожуха о!ч(Лgrad Т) = а, теплопроводности для теплоносителя:

dlv (0 Ср "" 0Т) - dlv (Л rad Т), е в

Пусть определяющие параметрьi изменяются в следующих диапазонах:

G= 0,001 — 5кг/с; d=3 10 — 11 10 м; ! =03-22 м; h= 007 — 03 м; г=005-015м;

5 S = 0,05 0,15 м; Лоет = 0,1 1 Вт/мк

Введем допущения: 1. Неравномерность потока по z не влияет на Тс ", 2. Переменность теплофизических характеристик не влияет на Т, ", 10 Эти допущения позволяют выделить для рассмотрения часть конструкции с одним охлаждающим элементом.

Введем линейный масштаб zp = S и запишем безразмерные переменные

15 S 0, I h

S===1;d= —;l= —;h= —;

>о о Zo zo

S — г, 5 . я — Лтепл

zo zo

Введем масштаб скорости бо и масштаб

20 теплопроводности Л о.Определим темпераT — To туру как О-Т вЂ” Т . Так как S всегда = 1

Тти — То и, согласно допущениям, запишем основные уравнения в виде:

- дгт дгт

Л(+ — )=0

Ф Ф дТ дТ д Т дгТ

Cq (u +V — ) =Л(— + ) дУ Ф дуг или в безразмерной форме: (О+ ) =0 г дх2 дуг

35 -«-Л (— + — ) = 0; дгО дгО дхг

cqu. (-" — — (u вв+иф = ъ..) дх ду л т.,в в в в

40 8 2+ 2 дО дО Л дгО дгО U — +V = (— + — )

r3x бу со Оооо

Введем Gp = qUpdzp — масштаб приве45 денного расхода.

Тогда О

Go

4 о

Вводя число Пекле Pe = ВеРя =

С(1Г42 GpCqzp Срб

50 Л ЧМ d

Степл, G т.е. Pe—

d Л

Л(= Л, когда в устройстве нет турбули(")

55 затвор о -+ч- = — (— + — ) дО дО 1 дгО дгО

Ре дхг д„г

Ст-л л< =о.огз лф)" (-- ф > "

2001114

10 — когда в устройстве есть турбулизатор.

Таким образом безразмерные уравнения не зависят от zo.

Интервалы варьирования безразмерных переменных:

d = 0,2-2,2; = 3,3-44; h = 0,46-6; Pe =

100-10; ). ьет = 0,166-1,66; r = 0,3-3.

Ищем исходную функцию отклика в виде уравнения регрессии рпах

,„= а, +, ) . а1т1+7, а11Ы1, t — фактор, варьируемый на двух уровнях.

Построим ортогональный план и проведем вычислительный эксперимент а(0) = 3.6562 а(1) = .59251 а(2) = 1.6880 а(3) = .33790 а(4) = .65365 а(5) = -1.6872 а(6) = 1.9393 а(7) = 2,2820 а(8) = -.20500 а(9) = .43171 а(10) = .32283 а(11) = .63193 Š— 02

a(12) = .23070Е-01 а(13) =,36617Е-01 а(14) = .39473 Е-01

a(15) = .14321 Е-01 а(16) = .43803Š— 01 а(17) = .12479 Š— 01 а(18) = -98996Е-01 а(19) =,71441 Е-С1 а(20) = .75266Е-02 а(21) = .49462 Е-02 а(22), 18745 Š— 04 а(23) =,23546Е-02 а(24) = .30053 Е-02 а(25) =,25111 Е-02 а(26) =,24625Š— 02 а(27) = .27820Е-02 а(28) =,35486 Е-02 а(29) = -.29678Е-02 а(30) = .2826 ГЕ-02 а(31) =,36125E — 02 а{32) = -.30317Š— 02 а(33) = -.50761 Е-02 а(34) =,11209Е-02 а{35) =,73179 Е-02 а(36) =-,41815 Š— 03 а(37) = .36704Е-ОЗ.

Это коэффициенты регрессии для уравнения эт ,„= а, +, . а1р о 1=1 или в размерной форме:

Тс "= То+(Тсо " То)(ао+ >, al у11+

l =1

+, )„а11 P P), 5 l =1

j =I

1Ф1

Здесь Т, — температура окружающей среды, Тс,m " — максимальная температура на кожухе шахтной печи без труб водяного охлаждения, 2d

Р1= 1,2- —, S

pz = 24,86-40,67 —, 1

S р - 3,83 — 6,54 —, h

S у14 - 4,53 — 7,34 —, Г

20 05.108 108 CP "" 6 . geon о уъ - 0,91 — 1,5

25 Pl = kjат (1 0,67 — ) Л мат 0.67— т Ъ - (-(— + 1,Э4 — - — + О,ЗЗ ) х

Зададимся функцией у а (— + 1), графиком

30 Ь которой является парабола, проходящая через точки середины ширины поперечного сечения поперечных ребер 6 пакета 7, убывающих по высоте от центра к периферии, 35 Это позволяет регулировать теплосьем вдоль трубы водяного охлаждения параллельно образующей (фиг. 3), На фиг, 3 иэох2 бражен график функции у = а (— + 1), вид

b кривой которого позволяет судить о плавном регулировании объемного теплосьема.

Устройство работает следующим образом.

Охлаждающая среда (техническая вода) поступает в трубы 1 водяного охлаждения.

Отбирая тепло от газового потока и шихтовых материалов, охлаждающая среда нагревается и в виде пароводяной смеси поступает, пройдя по трубам 1, в наружные коммуникации, Металлические поперечные ребра 6 являются охлаждающей арматурой для жаростойкого бетона 5, что позволяет значительно уменьшить его износ. Наличие секций, объединяющих по несколько труб 1 водяного охлаждения, позволяет предельно сократить расстояние между трубами, что обеспечит надежное охлаждение кожуха печи, Поток охлаждающей среды, двигаясь по трубе 1, взаимодействует с лентой 9 и при2001114

12 обретает вращательное движение вокруг оси трубы 1. При этом в пограничном слое этот поток дополнительно турбулизируется за счет взаимодействия с лепестками (на фиг. 2 не показаны) расположенными вбли- 5 зи внутренней поверхности трубы 1. При этом интенсифицируется теплообмен потока со стенкой трубы 1. Турбулизатор. закручивая поток технической воды с целью лучшего охлаждения, вэмучивает шлам, вы- 10 падающий на внутренней полости трубы 1.

Взмученная часть шлама уносится потоком воды.

Результаты модельного расчета для выбранных условий показывают, что по срав- 15 нению с прототипом эффективность теплосъема за период функционирования в печи предлагаемого устройства возрастает примерно на 80 — 100, что позволяет в та20

Формула изобретения

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОХЛАЖДЕНИЯ СТЕНКИ МЕТАЛЛУРГИЧЕСКОЙ ШАХТНОЙ ПЕЧИ, СОДЕРжаЩЕЕ расположенные вертикально по периметру стенки со стороны внутренней поверхности кожуха в толще слоя жаростойкого бетона секции из труб водяного охлаждения с поперечными ребрами, вход и выход каждой из которых ориентирован в сторону кожуха, отличающееся тем, что трубы 30 водяного охлаждения выполнены 0-образными и снабжены установленными во внутренней полости турбулиэаторами, а поперечные ребра выполнены в виде пластин, имеющих разные площади и собран- 35 ных по меньшей мере в один пакет в порядке убывания площадей от центрального к периферийным ребрам, причем диаметр d. длину h колена и расстояние между входом и выходом трубы водяного 40 охлаждения, расстояние между соседними трубами водяного охлаждения вдоль продольной оси шахтной печи r и в поперечном к ней направлении S, а также высоту а центрального поперечного ребра в каждом 45 пакете над наружной поверхностью трубы и высоту m слоя жаростойкого бетона от наружной поверхности трубы выбирают из условия

Trllax T +(Trna% T )(d +

m m

+, ), alps+ g а ) р pJ ) .

I=1 1=1

J= --i

Jw}

55 где Т "" — - максимальная температура на кожухе шахтной печи;

Т, — температура окружающей среды;

Т,";" — - максимальная температура на ких же пределах сократить расход охлаждающей среды. Применение предлагаемого устройства позволяет увеличить удельный теплосъем с единицы объема, создать систему стабилизации градиентов температур по объемам, повысить термостойкость бетонной конструкции печи, а также увеличить кампанию печи за счет исключения ремонтов печи, связанных с заменой холодильников, увеличить производительность печи за счет интенсификации процесса теплообмена.

Предполагаемый экономический эффект от предложенного устройства выражается в резком сокращении затрат на обслуживание и ремонт печи, поскольку увеличивается межремонтный пробег печи. (56) Патент США М 4559011, кл. С 21 В 7/10, 1985. кожухе шахтной печи без труб водяного охлаждения; ао, аь aJ — коэффициенты регрессии;

pi (р) - базисная функция

2d при р1=1,2- —, S (рг = 24,86 — 40,67 —, 1 (рз=3,83 — 6,54 — .

p4=4,53 — 7,34 —, pe=0,5 10 — 10 Ре, р6=0,91 — 1,5 — —, обет renn гОегл(1 0 67 )+ гм и О 67

m — а а

1РЭ=(— +1,34 +

6em "бс п+ oem

+0,33 — )

"мет с"" "" с

° р I а г(с)

- критерий Пекле;

0.8 .с" о,зз,(()=о,огз,( (nd иJ где CTpenn - теплоемкость теплоносителя;

G - расход теплоносителя через трубу водяного охлаждения;

krenn - теплопроводность для теплоносителя;

leer - теплопроводность бетона;

p - вязкость теплоносителя;

1мет - теплопроводность материала. из которого изготовлены поперечные ребра.

2001114

Составитель В. Занцев

Техред M.Моргентал Корректор О. Кравцова

Редактор

Заказ 3112

Тираж Подписное

НПО "Поиск" Роспатента

113035 Москва. Ж-35. Раушская наб., 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент" г. Ужгород, ул.Гагарина, 101

Устройство для охлаждения стенки металлургической шахтной печи Устройство для охлаждения стенки металлургической шахтной печи Устройство для охлаждения стенки металлургической шахтной печи Устройство для охлаждения стенки металлургической шахтной печи Устройство для охлаждения стенки металлургической шахтной печи Устройство для охлаждения стенки металлургической шахтной печи Устройство для охлаждения стенки металлургической шахтной печи 

 

Похожие патенты:

Изобретение относится к термообработке металлических изделий в среде инертного газа

Изобретение относится к металлургической теплотехнике

Изобретение относится к оборудованию нагревательных печей, в частности к конструкциям встроенных труб для охлаждения

Изобретение относится к цветной металлургии , в частности к конструкции фурменных кессонов, работающих на испарительном охлаждении и предназначенных для охлаждения фурменного пояса шлаковозгоночных печей, а также других плавильных печей шахтного типа

Изобретение относится к устройствам для охлаждения вращающихся печей, например, для обжига строительных материалов , которое является усовершенствованием авт.св

Изобретение относится к области металлургий , а именно к конструкции плитовых холодильников доменной печи; Цель изобретения - повышение надежности работы холодильников

Изобретение относится к области металлургии, преимущественно к устройству стеновой крупноблочой панели шахтной печи
Наверх