Плитовый холодильник для металлургических печей и охлаждающий змеевик плитового холодильника

 

Изобретение относится к металлургии, в частности к способам и устройствам для охлаждения шахт металлургических печей, и могут использоваться в системах водяного и испарительного охлаждения кожухов шахт доменных печей или вагранок. Сущность изобретения: устройство содержит плитовый холодильник с чугунной плитой и залитые в чугунную плиту охлаждающие змеевики с патрубками подвода и отвода охладителя, охлаждающие змеевики выполнены из высокопрочного чугуна с шаровидным графитом. Чугунная плита и охлаждающие змеевики выполнены из чугуна с шаровидным графитом, содержащего помимо других ингредиентов по массе 2,7 - 3,2% углерода, 1,0 - 2,0% кремния и 0,001 - 0,01% алюминия. Охлаждающие змеевики выполнены из чугуна с шаровидным графитом, содержащего помимо железа по массе 2,7 - 3,2% углерода, 1,0 - 2,0% кремния, 0,5 - 1,0% никеля, 0,1 - 0,7% церия, 0,03 - 0,09% ниобия, 0,01 - 0,08% молибдена, 0,005 - 0,015% кальция и 0,001 - 0,01% алюминия. Использование изобретения позволяет повысить эксплуатационную стойкость плитового холодильника. 2 с. и 16 з.п.ф-лы, 11 ил.

Изобретения относятся к металлургии, в частности к способам и устройствам для охлаждения шахт металлургических печей, и могут использоваться в системах водяного и испарительного охлаждения кожухов шахт доменных печей или вагранок.

Известна холодильная плита доменной печи, состоящая из охлаждающих труб, залитых чугуном, в который на защитных кожухах выводных частей охлаждающих труб, расположенных в плите, установлены металлические кольца, температура плавления которых ниже температуры плавления плиты (см. авторское свидетельство СССР N 280501, МПК 2 C 21 B 7/10, публ. 1978 г., Бюл. N 6). Такая холодильная плита имеет невысокую эксплуатационную надежность, т.к. колебания температуры чугунной плиты вызывают термические напряжения в охлаждающих трубах в местах выводов, величина которых может превышать предел прочности.

Плитовый чугунный ребристый холодильник для доменной печи, описанный в авторском свидетельстве СССР N 662585, МПК 2 C 21 B 7/10 публ. 1980 г., за счет наличия ребер, пазы между которыми залиты огнеупорным кирпичом, отличается более высокой надежностью, т.к. ребра препятствуют быстрому разрушению рабочей поверхности плиты. Однако и этот холодильник часто выходит из строя из-за разрушения охлаждающих труб, установленных в теле плиты, вследствие их невысокой усталостной прочности.

Авторским свидетельством СССР N 872553, МПК 3 C 21 B 7/10, публ. 1981 г. , Бюл. N 38, защищен холодильник доменной печи, содержащий охлаждающие трубы, установленные в теле холодильника, с патрубками подвода и отвода охладителя и тепловые трубки, выполненные в виде замкнутых кольцевых элементов, расположенных в поперечной секции под углом 10...15^o к горизонтальной плоскости, и верхние участки которых расположены поперек полости охлаждающей трубки. В этом холодильнике не обеспечивается надежный тепловой контакт между телом плиты, охлаждающими и тепловыми трубками, в результате чего возникает резко переменный температурный режим работы холодильника с появлением трещин, приводящих к разрушению плиты.

Из описания изобретения к авторскому свидетельству СССР N 1115470, МПК 5 C 21 B 7/10, публ. 1990 г., Бюл. N 43, известен плитовый холодильник для металлургических печей, состоящий из чугунной плиты с залитыми в нее охлаждающими змеевиками и огнеупорным кирпичом, отличающийся тем, что в нем чугунная плита выполнена со сквозными проемами и лабиринтовой формы, проемы расширены в направлении к тыльной поверхности плиты и зафутерованы огнеупорным клиновидным кирпичом.

Все описанные выше плитовые холодильники металлургических печей имеют общий недостаток. При их изготовлении охлаждающие трубы, выполненные из стали, заливаются жидким чугуном. При заливке происходит науглероживание стали, в результате чего существенно ухудшаются ее пластические свойства, что приводит к преждевременному выходу из строя охлаждающих труб и разрушению холодильника.

В качестве прототипа принят плитовый холодильник для металлургических печей, известный из описания к авторскому свидетельству СССР N 1115470, МПК 5 C 21 B 7/10, публ. 1990 г., Бюл. N 43.

Общими признаками прототипа и заявляемого плитового холодильника для металлургических печей являются: - наличие чугунной плиты; - наличие охлаждающих змеевиков, залитых в чугунной плите; - наличие патрубков подвода и отвода охладителя.

Недостаток прототипа - невысокая эксплуатационная стойкость холодильника из-за низкой усталостной прочности охлаждающих труб.

Техническая задача - повышение эксплуатационной стойкости плитового холодильника для металлургических печей.

Решение указанной технической задачи достигается тем, что в плитовом холодильнике для металлургических печей, содержащем чугунную плиту и залитые в чугунную плиту охлаждающие змеевики с патрубками подвода и отвода охладителя, охлаждающие змеевики выполнены из высокопрочного чугуна с шаровидным графитом. Чугунная плита и охлаждающие змеевики выполнены из чугуна с шаровидным графитом, содержащего помимо других ингредиентов по массе 2,7...3,2% углерода, 1,0...2,0% кремния и 0,001...0,01% алюминия. Охлаждающие змеевики выполнены из чугуна с шаровидным графитом, содержащего помимо железа по массе 2,7. ..3,2% углерода, 1,0...2,0% кремния, 0,5...1,0% никеля, 0,1...0,7% церия, 0,03...0,09% ниобия, 0,01...0,08% молибдена, 0,005...0,015% кальция и 0,001. . .0,01% алюминия. Чугунная плита имеет прямоугольную форму. Чугунная плита имеет S-образную форму. Чугунная плита на рабочей поверхности имеет горизонтальные выступы (ребра). Ребра выступают над рабочей поверхностью плиты на величину, равную 0,1...0,5 толщины плиты. Охлаждающие змеевики размещены в чугунной плите с обеспечением восходящего движения охладителя, при этом патрубки подвода охладителя расположены снизу плиты, а патрубки отвода охладителя - сверху плиты. Охлаждающие змеевики расположены в чугунной плите в разных плоскостях по толщине плиты. Горизонтальные участки охлаждающих змеевиков соосны с горизонтальными выступами (ребрами) на рабочей поверхности плиты. Горизонтальные участки охлаждающих змеевиков, соосных с ребрами на рабочей поверхности плиты, выполнены с большим внутренним поперечным сечением, чем сечение участков, их соединяющих, при этом отношение большего сечения к меньшему не превышает величины 1,7. Охлаждающий змеевик содержит верхний горизонтальный трубный участок (сумматор) с патрубком отвода охладителя, нижний горизонтальный трубный участок (разветвитель) с патрубком подвода охладителя и несколько вертикальных труб, соединяющих разветвитель с сумматором, при этом суммарная площадь внутренних сечений вертикальных труб равна или больше внутреннего сечения сумматора, а также равного ему внутреннего сечения разветвителя. Охлаждающий змеевик имеет внутренний диаметр трубы, равный 0,1...0,33 толщины плиты.

Заявленный плитовый холодильник для металлургических печей соответствует критериям изобретения "новизна" и "изобретательский уровень", т.к., во-первых, отсутствует источник информации, в котором был бы описан холодильник доменной печи или какой-либо другой охлаждающий агрегат с змеевиками или охлаждающими трубами из высокопрочного чугуна с шаровидным графитом; во-вторых, задача повышения эксплуатационной стойкости холодильников для металлургических печей из чугуна существует не один десяток лет, а альтернативы змеевикам из стальных труб не найдено.

Охлаждающий змеевик из высокопрочного чугуна с шаровидным графитом для чугунного плитового холодильника является самостоятельным объектом изобретения.

Известные охлаждающие змеевики холодильников доменных печей содержат стальную гнутую охлаждающую трубу и стальные или медные патрубки подвода и отвода охладителя.

Различают следующие виды конструктивного исполнения охлаждающих змеевиков холодильников доменных печей, изображенные на рисунках и описанные в тексте книги Кудинова Г.А. Охлаждение современных доменных печей. М. Металлургия, 1988 г.: - Г-образные - охлаждающая труба изогнута под прямым углом (стр. 61, рис. 22а); - петлевые с подъемно-опускным движением охладителя, прямые участки охлаждающих труб расположены вертикально, а изгибы на 180^o - горизонтально (стр. 36, рис. 12); - петлевые с восходящим движением охладителя, прямые участки охлаждающих труб расположены горизонтально, а изгибы на 180^o - вертикально (стр. 62, рис. 22в, стр. 121, рис. 42); - радиаторные, две горизонтальные охлаждающие трубы соединены между собой вертикальными охлаждающими трубами (стр. 134, 135, рис. 48, 49).

Охлаждающие трубы выполняются с круглым или прямоугольным поперечным сечением.

Общим недостатком охлаждающих змеевиков чугунных холодильников, содержащих стальные охлаждающие трубы, является их неудовлетворительная совместимость с чугунной плитой, в результате чего существенно снижается эксплуатационная стойкость охлаждающих змеевиков.

Техническая задача - повышение эксплуатационной стойкости охлаждающего змеевика чугунного холодильника доменной печи.

Решение указанной технической задачи достигается тем, что в охлаждающем змеевике чугунного холодильника доменной печи, содержащем изогнутую охлаждающую трубу и патрубки подвода и отвода охладителя, охлаждающая труба выполнена сварной из трубных элементов из высокопрочного чугуна с шаровидным графитом. Изогнутая охлаждающая труба, сваренная из трубных элементов из чугуна с шаровидным графитом, содержит колено с углом 90^o. Изогнутая охлаждающая труба, сваренная из трубных элементов из чугуна с шаровидным графитом, содержит колено с углом 180^o. Изогнутая охлаждающая труба, сваренная из трубных элементов из чугуна с шаровидным графитом, содержит прямые отрезки труб, сваренные между собой под углом 90^o через переходник с плоскостями сварного соединения под углом 22,5^o к оси трубного отрезка. Внутренняя поверхность изогнутой охлаждающей трубы, сваренной из прямых трубных отрезков через переходники, снабжена завихрителями в виде спиральных канавок глубиной 0,1...0,3t и шириной 0,3...5,0 t, где t - толщина стенки трубы.

Заявленный охлаждающий змеевик для чугунного холодильника соответствует критериям изобретения "новизна" и "изобретательский уровень", т.к. в известных источниках информации отсутствуют сведения о возможности изготовления изогнутой охлаждающей сварной трубы из трубных элементов, изготовленных из высокопрочного чугуна с шаровидным графитом, хотя задаче повышения эксплуатационной стойкости охлаждающих змеевиков в чугунных холодильниках доменных печей свыше пятидесяти лет.

Изобретения поясняются чертежами.

На фиг. 1 приведена конструкция плитового холодильника с гладкой рабочей поверхностью.

На фиг. 2 изображен плитовый холодильник, в котором на рабочей поверхности имеются выступы (ребра), пазы между ребрами заполнены огнеупорным кирпичом, а охлаждающие змеевики размещены в двух плоскостях по толщине плиты.

На фиг. 3 изображен плитовый холодильник S-образной формы.

На фиг. 4 приведена конструкция плитового холодильника, в котором охлаждающий змеевик содержит сумматор и разветвитель.

На фиг. 5 изображен плитовый холодильник с опорным выступом ("зубом") и ребрами на рабочей поверхности.

На фиг. 6 изображен охлаждающий змеевик, в котором сварная охлаждающая труба содержит колено с углом 90^o.

На фиг. 7 изображен охлаждающий змеевик, в котором сварная охлаждающая труба содержит колено с углом 180^o.

На фиг. 8 изображен охлаждающий змеевик, в котором сварная охлаждающая труба содержит прямые отрезки труб, сваренные под углом 90^o через переходник с плоскостями сварного соединения под углом 22,5^o к оси трубного отрезка.

На фиг. 9 приведена конструкция сварного соединения двух трубных отрезков под углом 90^o.

На фиг. 10 изображено колено с углом 90^o.

На фиг. 11 изображено колено с углом 180^o.

На фигурах 1...11 цифрами обозначены: 1 - чугунная плита; 2 - охлаждающий змеевик;
3 - патрубки подвода и отвода охладителя;
4 - бобышка;
5 - ребра с пазами, заполненными огнеупорным кирпичом;
6 - опорный выступ (зуб);
7 - сумматор;
8 - разветвитель;
9 - вертикальная труба;
10 - колено с углом 90^o;
11 - прямой отрезок трубы;
12 - колено с углом 180^o;
13 - переходник с плоскостями сварного соединения под углом 22,5^o к оси отрезка трубы;
14 - прямой отрезок трубы;
15 - сварной шов;
16 - завихрители.

Заявленный плитовый холодильник для металлургических печей (фиг. 1...5) содержит чугунную плиту 1, в которой залит охлаждающий змеевик 2 с патрубками 3 подвода и отвода охладителя, обрамленными бобышками 4. Охлаждающий змеевик 2 выполнен из высокопрочного чугуна с шаровидным графитом. Состав чугуна для плиты и охлаждающего змеевика может быть либо одинаковым, либо охлаждающий змеевик может быть выполнен из чугуна с более высокими пластическими свойствами, содержащего дополнительно ряд ингредиентов.

Чугунная плита 1 может быть выполнена с гладкой рабочей поверхностью (фиг. 1) или с ребрами 5 (выступами на рабочей поверхности), заполненными огнеупорным кирпичом, и иметь прямоугольную (фиг. 1, 2, 4, 5) или S-образную форму (фиг. 3). Охлаждающий змеевик 2 может содержать изогнутые охлаждающие трубы Г-образной (фиг. 1), спиралевидной (фиг. 2), S-образной формы (фиг. 3), или же содержать горизонтальную трубу 7 (сумматор) с патрубком 3 отвода охладителя, горизонтальную трубу 8 (разветвитель) с патрубком 3 подвода охладителя и несколько вертикальных труб 9, соединяющих разветвитель 8 с сумматором 7 (фиг. 4). В верхней части чугунной плиты 1 может быть опорный выступ ("зуб") 6 (фиг. 5). Горизонтальные выступы 5 (ребра) могут выступать на величину, равную 0,1...0,5 толщины чугунной плиты 1. Охлаждающие змеевики 2 могут быть размещены в чугунной плите 1 в разных плоскостях по толщине плиты. Горизонтальные участки охлаждающих труб ближнего к рабочей поверхности плиты охлаждающего змеевика 2 размещены напротив ребер и могут иметь поперечное сечение в 1,1...1,7 раз больше сечения вертикальных участков. Диаметр охлаждающих труб равен 0,1...0,33 толщины плиты.

Охлаждающий змеевик плитового холодильника доменной печи (фиг. 6...8) содержит изогнутую сварную трубу из трубных элементов, изготовленных из высокопрочного чугуна с шаровидным графитом, и патрубки подвода и отвода охладителя, которые также могут быть чугунными.

Охлаждающая изогнутая труба может содержать колено 10 с углом 90^o (фиг. 6), колено 12 с углом 180^o (фиг. 7) или прямые отрезки труб 11 и 14, соединенные под углом 90^o через переходник 13 с плоскостями сварного соединения под углом 22,5^o к оси трубного отрезка (фиг. 9). Внутренняя поверхность охлаждающей изогнутой трубы с прямыми отрезками труб, соединенных под углом 90^o, могут иметь завихрители 16 в виде спиральных канавок глубиной 0,1... 0,3t и шириной 0,3...5,0t, где t - толщина трубы, и наклоном спирали 15... 30^o к оси трубы.

Заявленный плитовый холодильник изготавливается следующим образом. В литейную форму помещается охлаждающий змеевик и закрепляется с помощью чугунных проволочных растяжек. К патрубкам подвода и отвода охладителя подключается система воздушного охлаждения. Форма заливается расплавленным чугуном, одновременно змеевик охлаждается воздухом таким образом, чтобы температура внутренней стенки трубы при заливке чугуном не превышала 650...850^oC. Охлаждение отливки чугунной плиты холодильника осуществляется по режиму, обеспечивающему одинаковую структуру чугунной отливки по всему объему, включая область контакта плиты с трубой змеевика. В результате охлаждающий змеевик и чугунная плита составляют единое целое и исключается возможность разрушения плитового холодильника из-за термических напряжений, вызванных различными коэффициентами плиты и охлаждающих трубок, существенно улучшаются условия отбора тепла охладителем, резко снижается вероятность возникновения микротрещин в зоне контакта охлаждающей трубы с плитой. Все это приводит к повышению эксплуатационной стойкости плитового холодильника.

Выполнение рабочей поверхности ребристой с заливкой пазов огнеупорным кирпичом позволяет дополнительно повысить срок службы холодильника за счет лучшего сцепления с гарнисажем.

Охлаждающий змеевик плитового холодильника доменной печи изготавливается сваркой трубных заготовок из высокопрочного чугуна с шаровидным графитом. Трубы диаметром 50. ..70 мм из высокопрочного чугуна с шаровидным графитом изготавливаются центробежным литьем с последующей прокаткой до номинального диаметра и толщины стенки. Колена с углом 90^o или 180^o получают гнутьем. Сварку колена с прямым отрезком можно осуществить трением. Соединение остальных трубных элементов осуществляется аргонодуговой сваркой с использованием специальных чугунных электродов или электродов на никелевой основе.

Для достижения требуемых прочностных и пластических характеристик трубные элементы изготовляются из чугуна, содержащего по массе 2,7...3,2% углерода, 1,0. ..2,0% кремния, 0,5...1,0% никеля, 0,1...0,7% церия, 0,03... 0,09% ниобия, 0,01...0,08% молибдена, 0,005...0,015% кальция, 0,001...0,01% алюминия, остальное железо. Труба из чугуна такого состава может быть изогнута с радиусом изгиба 2,0...3,0 наружного диаметра, отличается высокой термостойкостью к циклическим нагрузкам, имеет высокие механические свойства. Все это позволяет повысить эксплуатационную стойкость охлаждающего змеевика чугунного холодильника доменной печи.

Формула изобретения

1. Плитовый холодильник для металлургических печей, содержащий чугунную плиту и залитые в чугунную плиту охлаждающие змеевики с патрубками подвода и отвода охладителя, отличающийся тем, что охлаждающие змеевики выполнены из высокопрочного чугуна с шаровидным графитом.

2. Плитовый холодильник по п.1, отличающийся тем, что чугунная плита и охлаждающие змеевики выполнены из чугуна с шаровидным графитом, содержащего помимо остальных ингредиентов по массе 2,7 - 3,2% углерода, 1,0 - 2,0% кремния и 0,001 - 0,01% алюминия.

3. Плитовый холодильник по п.2, отличающийся тем, что охлаждающие змеевики выполнены из чугуна с шаровидным графитом, содержащего помимо железа по массе 2,7 - 3,2% углерода, 1,0 - 2,0% кремния, 0,5 - 1,0% никеля, 0,1 - 0,7% церия, 0,03 - 0,09% ниобия, 0,01 - 0,08% молибдена, 0,005 - 0,015% кальция и 0,001 - 0,01% алюминия.

4. Плитовый холодильник по одному из пп.1 - 3, отличающийся тем, что чугунная плита имеет прямоугольную форму.

5. Плитовый холодильник по одному из пп.1 - 3, отличающийся тем, что чугунная плита имеет S-образную форму.

6. Плитовый холодильник по одному из пп.1 - 5, отличающийся тем, что чугунная плита на рабочей поверхности имеет горизонтальные выступы (ребра).

7. Плитовый холодильник по п.6, отличающийся тем, что ребра выступают над рабочей поверхностью чугунной плиты на величину, равную 0,1 - 0,5 толщины плиты.

8. Плитовый холодильник по одному из пп.1 - 7, отличающийся тем, что охлаждающие змеевики размещены в чугунной плите с обеспечением восходящего движения охладителя, при этом патрубки подвода охладителя расположены снизу плиты, а патрубки отвода охладителя - сверху плиты.

9. Плитовый холодильник по одному из пп.1 - 8, отличающийся тем, что охлаждающие змеевики расположены в чугунной плите в разных плоскостях по толщине плиты.

10. Плитовый холодильник по п.6 или 7, отличающийся тем, что горизонтальные участки охлаждающих змеевиков соосны с горизонтальными выступами (ребрами) на рабочей поверхности плиты.

11. Плитовый холодильник по п.10, отличающийся тем, что горизонтальные участки охлаждающих змеевиков, соосных с ребрами на рабочей поверхности плиты, выполнены с большим внутренним поперечным сечением, чем сечение участков, их соединяющих, при этом отношение большего сечения к меньшему не превышает величины 1,7.

12. Плитовый холодильник по одному из пп.1 - 4, 6 - 8, отличающийся тем, что охлаждающий змеевик содержит верхний горизонтальный участок (сумматор) с патрубком отвода охладителя, нижний горизонтальный трубный участок (разветвитель) с патрубком подвода охладителя и несколько вертикальных труб, соединяющих разветвитель с сумматором, при этом суммарная площадь внутренних сечений вертикальных труб равна или больше внутреннего сечения сумматора, а также равного ему внутреннего сечения разветвителя.

13. Плитовый холодильник по одному из пп.1 - 11, отличающийся тем, что охлаждающий змеевик имеет внутренний диаметр трубы, равный 0,1 - 0,33 толщины плиты.

14. Охлаждающий змеевик плитового холодильника, содержащий изогнутую охлаждающую трубу и патрубки подвода и отвода охладителя, отличающийся тем, что охлаждающая труба выполнена сварной из трубных элементов из высокопрочного чугуна с шаровидным графитом.

15. Охлаждающий змеевик по п.14, отличающийся тем, что изогнутая охлаждающая труба, сваренная из трубных элементов из высокопрочного чугуна с шаровидным графитом, содержит колено с углом 90^oС.

16. Охлаждающий змеевик по п.14 или 15, отличающийся тем, что изогнутая охлаждающая труба, сваренная из трубных элементов из высокопрочного чугуна с шаровидным графитом, содержит колено с углом 180^oС.

17. Охлаждающий змеевик по п.14, отличающийся тем, что изогнутая охлаждающая труба, сваренная из трубных элементов из чугуна с шаровидным графитом, содержит прямые отрезки труб, сваренные между собой под углом 90^o через переходник с плоскостями сварного соединения под углом 22,5^o к оси трубного отрезка.

18. Охлаждающий змеевик по п.17, отличающийся тем, что внутренняя поверхность изогнутой охлаждающей трубы, сваренной из прямых трубных отрезков через переходники, выполнена с завихрителями в виде спиральных канавок глубиной 0,1 - 0,3 t и шириной 0,3 - 5,0 t, где t - толщина стенки трубы.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8, Рисунок 9, Рисунок 10, Рисунок 11