Клапан горячего дутья доменных воздухонагревателей
СОЮЗ СОВЕТСКИХ
СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ
РЕСПУБЛИК
ДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ
t4CTBO СССР
АТЕНТ СССР) ГО У
BE О (ГО П
ИЩу,!) БИБИ К ВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21 (22 (46 (71 по ва де пр ст "Э (72 фе N (56 4847334/02 Об.07,90 07.02,93. Бюл. 1Ф 5 Научно-производственное объединение ащите атмосферы, водоемов, использоию вторичных энергоресурсов и охлажию металлургических агрегатов на дприятиях черной металлургии "Энерголь" и Производственное объединение ектростальтяжмаш" А.М. Брагинский, Л.Б. Иванов, В.А, Алов, Г.И, Мельников, А.И. Толпин и В.И. д Патент ФРГ N. 2364915, кл. С 21 В 9/12, 7.,, Ы,, 1792979 А1 (si)s С 21 В 9/12 2 (54) КЛАПАН ГОРЯЧЕГО ДУТЬЯ ДОМЕННЫХ ВОЗДУХОНАГРЕВАТЕЛЕЙ (57) Сущность изобретения: клапан горячего дутья содержит футерованный запорный диск 1, находящийся в крышке 2 в режиме дутья и опускающийся в корпусе в режиме нагрева. Корпус содержит кольцевые упоры ° 4 с нанесенной на них огнеупорной футеровкой 5 переменной толщины, цилиндрическая часть корпуса выполнена с постоянным диаметром проходного сечения, при этом отношение толщины огнеупорной футеровки на кольцевых упорах со стороны запорного диска к толщине ее со стороны присоединительного фланца составляет 1,4-1,7, а отношение глубины коль- 3 цевого канала к его ширине составляет 1,3-1,5. 5 ил., 2 табл. 1792979 Изобретение относится к металлургическому оборудованию, в частности, к арматуре тракта горячего дутья доменных воздухонагревателей. Наиболее близким по технической сущности и достигаемому положительному эффекту является футерованный клапан горячего дутья доменных воздухснагревателей, содержащий водоохлаждаемый корпус, состоящий из цилиндрической части и горловины с крышкой, внутри которого расположен футерованный запорный диск, при этом корпус включает присоединительные фланцы и элементы для фиксации положения диска, выполненные в виде кольцевых упоров с нанесенной на них огнеупорной футеровкой переменной толщины, и футерованный кольцевой канал между упорными кольцами. Футеровка на кольцевых упорах нанесена на их стороне, обращенной к по- 20 току горячего воздуха, причем имеет со стороны запорного диска большую толщину, чем со стороны присоединительного фланца. Сторона упорных колец, непосредственно контактируюьцая с запорным диском, нефутерована, В рассматриваемом решении также футерована кольцевая часть корпуса за контактной поверхностью упорных колец и горловина (прямоугольная часть) корпуса клапана. 30 В указанном техническом решении металлические собственно кольцевые упоры для фиксации диска выполнены постоянного диаметра, а нанесение на них футеровки переменной толщины приводит к тому, что проходной. диаметр клапана становится переменным, в частности, уменьшенным со стороны запорного диска. При этом не указано, как соотносится этот минимальный проходной диаметр Dmin клапана с диаметром 40 воздухопровода, i,ÿ котором он установлен, В случае, если Dmin меньше проходного диаметра воздухопровода, то происходит интенсивный обогрев "угловой" точки футеровки на упорных кольцах в режиме дутья, 45 что при периодичности обогрева приведет к разрушению футеровки в этой зоне. Другим недостатком описанного устройства является то, что в случае, если Dmin равен или больше диаметра воздухопрово- 50 да, соотношение толщин футеровки на кольцевых упорах выбрано без учета характера распределения коэффициентов конвективной теплоотдачи вдоль ее поверхности. Это, как уже указано выше, приводит к возникнове- 55 йию значительных периодических продольных градиентов температур на ее поверхности и преждевременному выходу ее из строя. Еще одним недостатком описанного устройства является наличие футеровки кольцевого канала в корпусе клапана между упорными кольцами, так как указанный участок корпуса не является интенсивно обогреваемым, В процессе эксплуатации возможно обрушение футеровки с вертикально расположенных стенок кольцевого канала, и, следовательно, частичное засорение в нижней части, что будет препятствовать нормальному закрытию диска, а вследствие этого вызовет разрушение футеровки упорных колец {контактная поверхность диска будет опираться на футеровку упорных колец). Кроме того, температура металла боковых участков кольцевых упоров, на которые опирается диск в режиме нагрева, во время обогрева их потоком горячего воздуха в периоде дутья существенно выше температуры металла кольцевых упоров непосредственно под футеровкой и металла под футеровкой кольцевого канала, что приводит к появлению периодических деформаций и разрушению футеровки кольцевых упоров и кольцевого канала, Целью изобретения является снижение потерь тепла и увеличение срока службы клапана эа счет повышения стойкости огнеупорной футеровки. Поставленная цель достигается тем, что в клапане горячего дутья доменных воздухонагревателей, содержащем футерованный запорный диск, размещенный внутри водоохлаждаемого корпуса, состоящего из горловины с крышкой, присоединительных фланцев и цилиндрической части, внутри которой с образованием кольцевого канала расположены кольцевые упоры с огнеупорной футеровкой переменной толщины, нанесенной на них со стороны оси цилиндрической части корпуса, согласно изобретению цилиндрическая часть корпуса выполнена с постоянным диаметром проходного сечения, при этом отношение толщины огнеупорной футеровки на кольцевых упорах со стороны запорного диска к толщине ее со стороны присоединительного фланца составляет 1,4-1,7, а отношение глубины кольцевого канала к его ширине составляет 1,3 — 1,5.. Выполнение клапана горячего дутья таким, чтобы с учетом толщины слоя футеровки на кольцевых упорах его проходной диаметр был постоянным, позволяет уменьшить неравномерность обогрева огнеупорной футеровки в режиме дутья и, таким образом; неравномерность колебаний ее температуры при переходах с режима дутья на режим нагрева, а следовательно, повысить срок ее службы, При этом, в первую очередь, уменьшается амплитуда колеба1792979 ний температуры "угловой" точки футеровки, обращенной к запорному диску, т. к. с уменьшением угла атаки — фзначительно снижается коэффициент конвективной теплоотдачи а» в режиме дутья именно к этому уч стку клапана, достигая своего минимума пр угле атаки P = О. При этом характер об грева поверхности футеровки клапана не изменяется при увеличении проходного ди метра клапана сверх значения равного пр ходному диаметру канала в довольно ш роких йределах. Для подтверждения оптимальных толщ н футеровки на элементах клапана была пр ведена серия экспериментов по определе ию коэффициентов конвективной теплоот ачи а» к различным участкам клапана го ячего дутья. На фиг. 1 показаны результаты — распределение коэффициентов конвективной теплоотдачи к кольцевым упорам к орпусу клапана в режиме дутья, когда ди к поднят и через клапан движется раэогр тый в воздухонагревателе воздух. Напр вление потока воздуха указано стрелкой на схеме клапана горячего дутья. Нумераци участков клапана принята возрастающ и в направлении движения потока во духа: . l — участок кольцевого упора, первого по хо у потока, обращенный к присоедините ьному фланцу; И вЂ” участок того же кольцевого упора, об ащенный к оси корпуса клапана, непосре ственно обогреваемый основным патако воздуха; ill — участок того же кольцевого упора, I обращенный к диску во время его закрытия; lV — участок корпуса между кольцевыми уп рами; V — участок кольцевого упора (второго по ходу потока), обращенный к диску; I Vl — участок кольцевого упора (второго по ходу потока). обращенный к оси корпуса кл пана, непосредственно обогреваемым ос овным потоком воздуха; Vll — участок того же кольцевого упора, об ащенный к присоединительному фланцу. Представленные результаты экспериментов легли в основу совершенствования койструкции футерованного клапана горячего дутья. Так, установлено, что максима льные значения коэффициентов конвектйвной теплоотдачи а» наблюдаются на участке кольцевых упоров, обращеннь х к оси клапана и непосредственно обогреваемых основным потоком горячего во духа. В кольцевом канале значения а» езко уменьшаются с увеличением глубины участка h от уровня упорных колец, максимум Qy, наблюдается в точках с минимальным заглублением. В кольцевом канале между упорными кольцами обнаружены 5 вторичные вихревые течения, характер которых иллюстрирует фиг. 2. Выполнение клапана горячего дутья таким, что при условии постоянного проходного диаметра толщина слоя огнеупорной 10 футеровки на кольцевых упорах со стороны запорного диска 8> превосходит толщину футеровки со стороны фланцев Oz, позволяет: - значительно снизить неравномер1 ность обогрева металла по периметру кольцевого канала, поскольку максимум коэффициентов конвективной теплоотдачи а» в режиме дутья приходится на участки с минимальным заглублением h (фиг. 1), вы20 полненные 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 сни:;<ается 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 а» к режиме дутья, обеспечив более равномерное распределение температур вдоль поверхности футеровки, 35 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 40 стороны присоединительных фланцев с лихвой может быть компснсировано увеличением толщины футеровки на кольцевых упорах со стороны диска. В основу расчетов было положено рас45 пределение коэффициентов конвективной теплоотдачи в режиме дутья по элементам клапана, полученное экспериментально в лабораторных условиях и подверженное данными промышленных испытаний (фиг. 50 1) Результаты расчетов представлены в табл. 1 (приведены результаты для значений Re = 1,42х10 ; ?» 1300 С (для других значений технологических параметров картина распределения температур полностью аналогичнаа). Как следует из данных табл. 1, оптимальное соотношение толщины футеровки на упорных кольцах со стороны запорного 1792979 диска hi к ее толщине со стороны присоелинительных фланцев д2 составляет от 1,4 до 1,7 и определяется следующими соображениями. При отношении толщин футеровки д>/д меньше 1,4, т.. е. меньше оптимального диапазона, величина разности температур тф в режиме дутья велика, что отрицательно скажется нэ сроке службы футеровки, При значении д1/д2 более 1,7 величина сф опять значительно возрастает, при этом Лt также увеличивается в режиме дутья и нагрева. Указанный диапазон отношений толщин футеровки 1,4 д>/д2 S 1,7 позволяет также минимизировать перепад температур в металле кольцевого упора клапана At. Все это, вместе взятое, позволяет повысить надежность и долговечность футеровки 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) позволят за счет регулирования структуры вторичного течения в нем минимизировать кон вективную 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 а, в режиме дутья, поскольку она определяет уровень температур металла указанных участков клапана. Чем ниже величина коэффициента кон вективной 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 ре>киме дутья к участкам кольцевого канала минимальны, 10 При этом, при отношении глубины канала h к его ширине Ь: h/Ь 1,2 в канале существует один устойчивый вихрь, При 1 Й/Ь 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, поя влению 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 д1 к ее толщине со стороны присоединительного фланца д2 составляет 1,4 — 1,7, В корпусе расположен также кольцевой канал с отношением глубины h к ширине Ь: h/Ü = 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 1792979 10 основном за счет излучения футеровки возду опровода. Интенсивность обогрева кольцевых упоров 4 клапана и кольцевого ка ала 6 между ними невелика. В режиме дут я диск 1 поднят, и через клапан движет- 5 ся азогретый в воздухонагревателе воздух с т мпературой 1300"С и выше. При этом пр исходит интенсивный, но не равномерны обогрев элементов корпуса 3 клапана ro ячего дутья, в первую очередь, кольце- 10 вы упоров 4 и кольцевого канала 6 между ни и, При этом наличие футеровки переменной толщины на кольцевых упорах 4. постоянный проходной диаметр клапана и оптимальные размеры кольцевого канала 6 позволяет свести к минимуму неравномерность 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 печи. шийся 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,, Формула изобретения Клапан горячего дутья доменных воздухо агревателей, содержащий футерованны запорный диск, размещенный внутри во оохлаждаемого корпуса, состоящего из го ловины с крышкой, присоединительных фланцев и цилиндрической части, внутри кото ой с образованием кольцевого канала ра положены кольцевые упоры с огнеупорно футеровкой переменной толщины, нан сенной на них со стороны оси цилиндрической части корпуса, от л и ч а юТаблица 1 Результаты расчетного определения температур кольцевых упоров клапана предлагаемой конструкции Отношение Тепловая нагрузка кольцевого упора, кВт Максимальная разность Максимальная разность температур A ty футеров температур металла кольки кольцевого упо а, С цевыхупо ов, At, OC т лщин фут ровки, д1/д2 режим дутья режим дутья режим наг- режим дутья режим нагева ева 1,0 1,2 1,4 1,5 1,6 1,7 1,8 2,0 48 22 39 8 16 19 24 28 31 283 271 263 268 284 317 16 16 17 19 23 94 88 82 64 режим нагева 47 43 38 34 28 26 1792979 Таблица 2 Br 45о p spey с7О, 80 Номера учостко6 <Аопоно по ХаУу горячего йодухо /- ik = /,4Р /Ое, кнопок р Иоомм; Р-Яе=Я8 10, клапан 9 pA7wr; 5 — ge =./О 0, кяопон42ССОмя 1792979 с 1 щ,; Щ . « 1 . 4 . ;4 ( > :»:4Г4ф@;„.ф Ф fe > «» с » с> . О сс . ф с . 65 +, »ф .рФ, с сс ВЙ. с всйй1ЙСс4йСсс;сссй4ФЙМЙЙМЙИФМЖ ЫвМ;мй".. с "с Ф сЯс;:" с Д 1 ЩфТ? сФ 4Ч Щ»« сЪ Щ фс».. с с Ъ, » 4 .) !Сс;% " % ссф 1с с,с Ф . -- =ь -", „ Ф ; д X 3 », 4 с ,Ф, Ф с )+," )»,:;,,м 3-:. . -с,ф а,Д,,Д - :у" -. ""„. .. с я, я 1792979 Фиг, 5 Соста вител ь Т. Ко ролева Техред М.Моргентал Корректор С.Пекарь Редактор С.Кулакова Производственно-издательский комбинат "Патент", г; Ужгород, ул.Гагарина, 101 Заказ 482 Тираж Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5
