Устройство для охлаждения стенки металлургической шахтной печи

 

Сущность изобретения: устройство содержит расположенные вертикально по периметру стенки со стороны внутренней поверхности кожуха в толще слоя жаростойкого бетона 2 секции охлаждающих элементов. Каждая секция включает сборную конструкцию и не менее двух труб водяного охлаждени 3, имеющих V-образную форму, вход 4 и выход 5 каждой из которых ориентированы в сторону кожуха 1. Причем сборная конструкция выполнена в виде параллелепипеда по форме секции из поперечных 6 и по крайней мере двух продольных пластин 7, образующих решетку с прямоугольными ячейками, соединенную крепежными элементами 10 с наружной поверхностью труб водяного охлаждения. При этом в каждой секции толщину продольных и поперечных пластин решетки, длину и ширину ячейки, диаметр крепежного элемента, а также расстояние между соседними крепежными элементами вдоль продольной оси шахтной печи и в поперечном направлении выбирают из условия обеспечения допустимой температуры на кожухе. 2 ил

(19) R (51) 5 С 21 В 7 10

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К ПАТЕНТУ

Комитет Российской Федерации по патентам и товарным знакам (21) 4924826/02 (22) 22.0291 (46) 15.10.93 Бюп Йа 37 — 38 (76) Занцев Владимир Константинович; Гусев

Владимир Иванович (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОХЛАЖДЕНИЯ СТЕНКИ МЕТАЛЛУРГИЧЕСКОЙ ШАХТНОЙ ПЕЧИ (57) Сущность изобретения: устройство содержит расположенные вертикально по периметру стенки со стороны внутренней поверхности кожуха в толще слоя жаростойкого бетона 2 секции охлаждающих элементов. Каждая секция включает сборную конструкцию и не менее двух труб водяного охлаждени 3, имеющих Ч-образную форму, вход 4 и выход 5 каждой из которых ориентированы в сто— рону кожуха 1. Причем сборная конструкция выполнена в виде параллелепипеда по форме секции из поперечных 6 и по крайней мере двух продольных пластин 7, образующих решетку с прямоугольными ячейками, соединенную крепежными элементами 10 с наружной поверхностью труб водяного охлаждения. При этом в каждой секции толщину продольных и поперечных пластин решетки, длину и ширину ячейки, диаметр крепежного элемента, а также расстояние между соседними крепежными элементами вдоль продольной оси шахтной печи и в поперечном направлении выбирают из условия обеспечения допустимой температуры на кожухе. 2 ил.

2001115

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

Известно устройство для охлаждения стенки металлургической шахтной печи, в частности, доменной, используемое в а.с. М

1370413 кл. F 27 0 1/08, 1986 и содержащее расположенные по периметру стенки секции иэ труб водяного охлаждения, имеющих О-образную форму, установленных на стро ительном 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 охлаждающих элементов, включающие сборную конструкцию и не менее двух труб водяного охлаждения каждая, имеющих U-образную форму, вход и выход каждой из которых ориентированы в сторону кожуха. Сборная конструкция имеет вафельную структуру и предста ляет собой пересекающиеся продольные и поперечные пазы различной формы, например квадратной, трапецеидальной. При этом продольные пазы BblllollHGHbl параллельно вертикальной рабочей части трубы водяного охлаждения, В поперечные пазы установлены вставки соответствующей трапецеидальной формы, Охлаждающая жидкость циркулирует по трубам водяного охлаждения, которые расположены параллельно друг другу, вдоль продольной оси доменной печи, и проходят через сборную конструкцию. Со стороны сборной конструкции, обращенной к внутренней поверхности строительного элемента кожуха, имеют место выступы, посредством которых каждый охлаждающий элемент устанавливается на последнем.

Недостатками устройства являются наличие температурных градиентов по объему бетона и, как следствие, наличие термонапряжений, ведущее к возможному развитию растрескивания футеровки доменной печи, снижение ресурса и надежности работы; не5

55 высокая эффективность теплоотвода от бетона (футеровки) вследствие того, что сборная конструкция расположена лишь в приграничной зоне, также ведет к возможности перегрева участков тепловоспринимающей поверхности бетона. ускорению износа футеровки печи; трубы водяного охлаждения проходят через сборную конструкцию, поэтому они подвержены большей опасности разрушения; сложность технологии изготовления известного устройства и невозможность его многократно использовать.

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

Указанная цель достигается тем. что в предлагаемом устройстве для охлаждения стенки металлургической шахтной печи, содержащем расположенные вертикально по периметру стенки со стороны внутренней поверхности кожуха в толще слоя жаростойкого бетона секции охлаждающих элементов, включающие сборную конструкцию и не менее двух труб водяного охлаждения каждая, имеющих U-образную форму, вход и выход каждой из которых ориентированы в сторону кожуха, согласно изобретению, сборная конструкция выполнена в виде параллелепипеда по форме секции из поперечных и по крайней мере двух продольных пластин, образующих решетку с прямоугольными ячейками, соединенную крепежными элементами с наружной поверхностью труб водяного охлаждения секции, при этом в каждой секции толщину продольных и поперечных пластин решетки, длину и ширину ячейки, диаметр крепежного элемента, высоты поперечной пластины решетки и каждого крепежного элемента, а также расстояния между соседними крепежными элементами вдоль продольной оси шахтной печи и в поперечном направлении выбирают из условия

Тс = Tp + (Тсо "-Tp) (Bp + а1 ф1 + а2 (02

+ а12 p1p), где Т " — максимальная температура на кожухе шахтной печи, Tp — температура окружающей среды, Тс " — максимальная температура на кожухе шахтной печи без труб водяного охлаждения; ф 1 и p2 — базисная функция ао, а, аг, а — коэффициенты регрессии. при

1 Н вЂ” — f

Р! Б Ь

4ag Ь + d С + — С Г 5ет) +Acr

2001115

Л - (И обет) + ter р 1 (Н вЂ” — < 29 hier +

--й— — d I Р» — Q,,i

+ + — +

kiter + (+ Д„,)

1 — df df — 1

er

2gH ао = 2,453 а1 = 2,049 а2 = 2,25 а12 = 0,212, где d — толщина продольной и поперечной пластины решетки;

С вЂ” длина ячейки;

Ь вЂ” ширина ячейки;

0 — диаметр крепежного элемента;

I — высота поперечной пластины решетки;

f — высота крепежного элемента; а — расстояние между соседними крепежными элементами вдоль продольной оси шахтной печи;

g — расстояние между соседними крепежными элементами в поперечном направлении; о бет — теплопроводность бетона:

А м — теплопроводность материала, из которого изготовлена решетка;

Н вЂ” толщина стенки шахтной печи.

Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявляемое устройство отличается выполнением сборной конструкции и соединением последней посредством крепежных элементов с наружной поверхностью труб водяного охлаждения секции, а также тем. что размеры и расположение элементов сборной конструкции выбирают из условия, Таким образом, заявляемое устройство соответствует критерию изобретения "новизна". Сравнение заявляемого решения с другими техническими решениями показывает, что использование в технике армированного бетона (усиление бетона стальной арматурой при изготовлении железобетона) известно (см„например, Погребный Я.В.

Изготовление и монтаж предварительно напряженных железобетонных конструкций,—

М„Стройиздат, 1963 г,).

В результате анализа выявлено, что заявляемое устройство проявляет техническое свойство, которое не проявляется ни в одном из известных технических решений, содержащих отличительные признаки отдельно или в сочетании. Новое техническое

10

15 свойство позволяет повысить и оптимизировать удельный теплосъем с единицы объема, создать систему стабилизации градиентов температур по объемам, что приводит к повышению термостойкости бетонной футеровки, Это позволяет сделать вывод о соответствии технического решения критерию "существенные отличия".

На фиг. 1 изображена секция устройства для охлаждения стенки металлургической шахтной печи, общий вид; на фиг, 2— часть решетки с прямоугольными ячейками.

Устройство для охлаждения стенки металлургической шахтной печи представляет собой расположенные вертикально по периметру стенки со стороны внутренней поверхности кожуха 1 в толще слоя 2 жаростойкого бетона секции охлаждающих элементов (на чертеже не показаны). Каж20 дая секция (фиг. 1) включает сборную конструкцию и не менее двух труб 3 водяного охлаждения. имеющих U-образную форму, вход 4 и выход 5 каждой иэ которых ориентированы в сторону кожуха 1. Сборная кон25 струкция выполнена в виде параллелепипеда по форме секции, например, из поперечных 6 и по крайней мере двух продольных 7 пластин, образующих решетку 8 с прямоугольными ячейками 9 (фиг.

30 2). В практически реализуемом конструктивном варианте существуют крепежные элементы 10 решетки 8 и труб 3 водяного охлаждения, что определяет наличие теплового контактного сопротивления между ни35 ми. Для учета его влияния на эффективность разработки введены крепежные элементы

10, являющиеся элементами модели данного процесса и

40 Р =, Ср ЛТ6, i =1 где q — удельный тепловой поток, отдаваемый теплоносителем;

G — секундный массовый расход тепло45

Ср и ЛТ вЂ” теплоемкость и температура теплоносителя. (см., например, Авдуевский В.С., Галицейский Б.М., Кошкин В.К. и др. Основы теплопередачи в авиационной и ракетнокосмической технике. М. Машиностроение, 1975, стр. 599), Анализ проведенных научно-технических исследований показал, что предлагаемая конструкция устройства для охлаждения стенки металлургической шахтной печи позволяет балансировать термическое расширение бетонной массы и арматуры, Это достигается выбором соответствующей тепловой схемы.

2001115

На строительном элементе ко:куха 1 вырезают о-верстиг (на чертеже не показань) для установки труб 3 водяного Охлаждения, К наружной поверхности труб 3 водяного охлаждения приваривают крепежные эле- 5 менты 10, выполненные, например, из труб, изготовленных из Ст,20. Затем предварительно сваpeHHv(Q из продольньlõ 7 и поперечных 6 пластин решетку 8 приларива(от к крепежным элементам 10, Продольные 7 и 10 поперечные б пластины могут б(! T(изготовлены, например, из Ст. 20. Далее с помощью опалубки (на чертеже не показана) наносят слой 2 жаростойкого бетона по обычаю применяемой технологии. По периметру строи- 15 тельного элемента кожуха 1 каждeé секции предлагаемого устройства оставлен зазор

11 в виде свободной от футе(,)()ки части кожуха для возможности производства сварки стыков между соседними строитель- ?0 ными элементами и незаменяемы(ли частями шахты печи, Рассматривается охлаждае(лая теплоносителем бетонная конструкция (фиг. 1), Требуется оценить величину То в зависимо- 2 "> сти От Н, I, f. а, а, Ь, с, d, Лг>о«,Л(л. (, То, т.е, найти

Т, = f(H, I, f, а, (j, Ь, с, d, it Г (, Л (, с.>, Tp).

Будем искать Т„- в аиде: (> 30

<ПЛХ вЂ” ао " аl

= 1 где p — некоторые комбинации параметров (Т;. "— л)ах температура на кож:.хс).

Осно"<н(ie уран(ae(l(nsl . теплопpG»CÄHОГТ(> д((л бетона (4 ".О с«/ха

<)! (Л с)(ао T) — 0:

ГЕПЛОЦО««ВО<«с(«э«СТ(> ДЛ ) > ЕПЛО((О<зс",ТОДД

div (q .C!> (! Т) == div (сЛ g(od !).

I p :,лт(учаГтка кожуха

-.Л 0га<1 Т вЂ” г((Т--То), у =- 0, для УчаГтка тГпл ">и< >си ("! l Т .. 1 о —,> QI Bd Т 0 — H<) выходе, Пусть опреде (яю(цие пзра(e(I),-i и";I«(e

4 няю)с; в -.Леду(ощих д()с(паз >4;, 0,3

2,2 м; = 0,06-2,2 м; f О,пт ),3 (..„;

0,05-0,1 м; а = 0,05-0 15 м; Г,: !О - !1 10 (JI d.—:;0 - 11 10 м, с, :.i(5!i, !)

== 0,1 — 0,15 (о:. .,,-, -= !),1- Вт/мо(;,„30>-00

В т/l.(о К.

В ведз(л допущения: 1, (-tl вт(о мер т о(м нос(ь потока по z не влияе(на Т, <

2. Переменность теплофиз(>ческих xamax рактеристик не влияет на Т, ЭТИ ДОПУЩЕНИЯ ПОЗВОЛЯ ОТ ()((ДЕЛИТЬ для рассмотрения часть ко(.(с (>у> ции с од:.(л((охлажда(ощим элементом, Введ< (i линейный масштаб г ° — <) ((запише(«(б")ðeç(.;e«>III»(e перемен(fI - (,/Г I — (/cj; f у/Ч; а,) j, Я—

1; (> !)//<) .

Л,с/

В;:::де(1 мас((> (аб скорости LI > и (. лсп>т; б

ТЕПЛ ОП рСс «(Од<(ОС с И Л о --- л(о ОП рв>,.-«Лii(Л; em

Т- Т, ператур у, к-(I< ==. — — — — . I,>(. кдк с> все(-! а< То да = 1 и, согласно допущениям, запишем

O C I. I 0 e H I >, > а В Н (. Н И Я R В И Д Е: (дх.:;>у сс! (u — + (/ — =Л(4--- —;) . Т Т д2T г)у д-2,-@2 или в безразмерной форме:

Л Ло (Tw — Tp) (д (/ д 0

-с 2 2

/о (ду > . <г ) <(с>

n.(4-- —,— ) =0 . у 2

„-„-„-о. ),„+, (Т;, — To ) йО <)(? ду <(>< (", — Т„) ((2f) д2() с д 2 -„ 2, Ж it. до(<, i)2(>I, (У CЧ () ozо дх2,у2Введе ((quodlzo — масштаб приве(>о денногс> п; схода. Тогда Uo — -- — —,Вводя

gd1zo сиe(I<> I -: (.qi.! -г боСГ(7о С, с)с! > л .

Г. - - - — - -:: ) .— + V - — =- - — (-- - + — — )

Сс с- ЙО М 1 <"() дО.

<, «

«<((<> >;с <л ;,: ip>i ><ле!)и((с «,, <((< ((с>ñ((ie с (1: -;-„.,,(,"<((ВэрЬИроааиия I-><-:.-.:;,за(с(С)О-!

,>, = 0,4 — 45; f = 0,-1! -Л(; Г) =

G.2- ..:, с! (.(,2-2.2, с = 0,бо-3 . О.(;> 3>--",,. :.>>- iсi:К) yH <.I.ti«>(<) (".. I:((- O В(:, ЛЕ Vl(,(. I -., ПЕСГИИ с

< < с <« (! "«. "

« —:! Лл <)((. (.1р:.:;руЕМЫй НЛ ., урОВ(!.->Х

I )<л«< («)<",,((Ортогонал ьныи и с : (и г; !)Оп(. д<- м вычис, т .л;,ный зкспе(>I>! I (el(1 а,О) - 2 .. = 3>0 ((> О с<- <> ,() ),1 г,30 г(, 4) — 2, ><с>. <0

2001115!

Ям Ъет) + 6 я урав+ aZ т/т2 среды, тура на

oro ox50

a(5) — -2. 4530 а(6) =- 2,0497 а(7) = 2.2487 а(8) = -0.21220 а(9) = 2.4530 а(10) = 2.4530 а(11) = 2.4530 а(12) = 2.4530

a(13) = -2.0497 а(14) = -2.2487 а(15) = 0.21220 а(16) = 2.4530 а(17) =- 2.4530 а(18) = 2.4530

a(19) = -2.0497 а(20) = -2.2487 а(21) = 0.21220 а(22) = 2.4530 а(23) = 2.4530 а(24) = -2.0497 а(25) = -2.2487 а(26) = 0.21220 а(27) = 2.4530 а(28) = -2.0497 а(29) = -2.0497 а(30) = 2.4530 а(31) = -2.0497 а(32) = -2.0497 а(33) = -2.2487 а(34) = 0.21220 а(35) = 1.8956 а(36) = -0.20213 а(37) = -0.19760

Это коэффициенты регрессии дл нения бтпех 37 с ,„= а, +,> ар

Юо" =1 или в размерной форме

Т " = Т, + (Тсо "-Т,) (а, + а 1 1

+ а12 Р1 т Ъ)

Здесь Т, — температура окружающей

Тсоm " — максимальная темпера кожухе шахтной печи без труб водян лаждения.

1 Н вЂ” — f т" = ъ —., — r;,— 4ag (b

Формула изобретения

УСТРОИСТБО ДЛЯ ОХЛАЖДЕНИЯ СТЕНКИ МЕТАЛлувгической шАхтнОй печи, содержащее расположенные вертикально по периметру стенки со стороны внутренней поверхности кожуха в толще слоя жаростойкого бетона секции охлаждающих элементов, включающие сборную конструкцию и не менее двух труб водяного охлаждения каж7СО (м Йет) + Йет

nip —,)+4„+(+<) );

ao = 2,453, а1 = 2,049, а2 = 2,25, а12 =

0,212.

Устройство работает следующим образом.

Охлаждающая среда (техническая вода) поступает в трубы 3 водяного охлаждения, Отбирая тепло от газового потока и шихто15 вых материалов, охлаждающая среда нагревается и s виде пароводяной смеси поступает, пройдя по трубам 3, в наружные коммуникации, Решетка 8 является охлаждающей арматурой длч жаростойкого бетона 2, что позволяет значительно уменьшить его износ. Наличие се ций, объединяющих по несколько труб водяного охлаждения, позволит предельно сократить расстояние между трубами, что обеспечит надежное охлаждение кожуха печи.

Результаты модельного расчета для выбранных условий показывают, что по сравнению с прототипом эффективность теплосьема в данном случае возрастает примерно на 20 — 25%, что позволяет в таких же пределах сократить расход охлаждающей среды. Применение предлагаемого устройства позволяет увеличить удельный теплосьем с единицы объема, создать систе35 му стабилизации градиентов температур по обьемам, повысить термостойкость бетонной конструкции печи, а также увеличить кампанию печи, сократить простой при ремонтах, увеличить производительность печи за счет интенсификации процесса

40 теплообмена.

Предполагаемый экономический эффект от предложенного устройства выражается в резком сокращении затрат на

45 обслуживание и ремонт печи, поскольку увеличивается межремонтный пробег печи. (56) Патент США 1ч . 4437651, кл. С 21 В 7/10, 1984. дая, имеющих V - образную форму, вход и выход каждой из которых ориентированы в

55 сторону кожуха, отличающееся тем, что, с целью повышения эффективности охлаждения кожуха стенки печи и сокращения расхода воды, сборная конструкция выполнена в виде параллелепипеда по форме секции из поперечных и по крайней мере

11 2001115 двух продольных пластин. образующих решетку с прямоугольными ячейками, соединенную крепежными элементами с наружной поверхностью труб водяного охлаждения секции, при этом в каждой секции толщину продольных и поперечных пластин решетки, длину и ширину ячейки, диаметр крепежного элемента, высоты поперечной пластины решетки и каждого крепежного элемента, а также расстояния между соседними крепежными элементами вдоль продольной оси шахтной new и в поперечном направлении выбирают иэ ус-. ловия

12! г= — бет

29х

4 !(Лм — Лб )+

2 хН

2,Н т lll1X=T,+(T fIOX-ò„)

f — 1

+ г

n D (Лм Л бет)+Лбет

Риа Г,У (Составитель В, Занцев

Техред M.Ìîðãåíòàë Корректор Н. Ревская

Редактор

Заказ 311Ф, Тираж Подписное

НПО "Поиск" Роспатента

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

Производственно-издательский кбмбинат "Патент", г, Ужгород. ул.Гагарина, 101 х(ао+ а 1у1+ агни+ вар . yг), где Т,""" - максимальная температура на кожухе шахтной печи;

То - температура окружающей среды;

Т„ " - максимальная температура на кожухе шахтной печи без труб водяного охлаждения; р! и рг - базисная функция; 25 ао, а1. аг, а1г - коэффициенты регрессии, (и-<-/ п н р! — — -! — +

-1

I

4ag (b+d)(c+d)-bc Лм-Лбет)+Лбет 30 ао = 2,453, a! = 2,049, аг =2,25, an = 0,212, где d - толщина продольной и поперечной пластины решетки; с - длина ячейки;

Ь - ширина ячейки:

О - диаметр крепежного элемента;

I - высота поперечной пластины решетки;

f - высота крепежного элемента; а - расстояние между соседними крепежными элементами вдоль продольной оси шахтной печи;

g - расстояние между соседними крепежными элементами в поперечном направлении;

Лб„- теплопроводность бетона;

Лм - теплопроводность материала, из которого изготовлена решетка;

Н - толщина стенки шахтной печи.