Шиберный клапан доменных воздухонагревателей

 

Изобретение относится к черной металлургии и касается оборудования воздухонагревателей доменных печей. Шиберный клапан доменных воздухонагревателей содержит охлаждаемый запорный диск и футерованный корпус с образующими между ними канал для запорного диска кольцевыми упорами. Упор, расположенный со стороны подводящего воздухопровода, выполнен охлаждаемым с нанесенной по его внутреннему диаметру футеровкой в виде диффузора. Упор, расположенный со стороны отводящего воздухопровода, выполнен полностью из огнеупорного материала с внутренним сечением в виде диффузора, наименьший внутренний диаметр которого равен 1,03 - 1,05 наименьшего внутреннего диаметра охлаждаемого кольцевого упора, равного внутреннему диаметру подводящего воздухопровода. Отношение величины Н глубин канала со стороны охлаждаемого упора к величине h глубины канала со стороны упора из огнеупорного материала равно 1,2 -1,3. Образующая внутренней поверхности диффузора охлаждаемого упора параллельна образующей внутренней поверхности упора из огнеупорного материала. Использование изобретения увеличивает срок службы шиберных клапанов. 1 ил.

Изобретение относится к области черной металлургии и касается оборудования воздухонегревателей доменных печей, а точнее конструкций шиберных клапанов горячего дутья.

Существует тенденция увеличения производительности доменных печей и интенсификации процесса выплавки чугуна, в частности путем увеличения температуры дутья. Интенсификация доменного процесса приводит к снижению срока службы клапанов горячего дутья, так как высокие параметры дутья создают большие тепловые нагрузки на элементы клапанов горячего дутья, в первую очередь на упорные кольца. В режиме дутья значительная доля тепловой нагрузки (до 70-80%) определяется вынужденной конвекцией, поэтому уменьшить тепловые нагрузки на элементы клапана в режиме дутья можно снижением конвективной составляющей, например изменением геометрии проходного сечения клапана и прилегающих к нему участков воздухопровода.

Известен клапан горячего дутья, содержащий охлаждаемый футерованный запорный диск и соединенный торцевыми фланцами с подводящим и отводящим воздухопроводами футерованный охлаждаемый корпус, футеровка которого со стороны подводящего воздухопровода выполнена в виде диффузора, а футеровка корпуса со стороны отводящего воздухопровода выполнена в виде цилиндра, диаметр которого больше диаметра выходного отверстия диффузора (0,95D < D₀ < 0,97D) (см. авт. свид. СССР N 1786083, кл. C 21 B 9/12, 07.01.93).

Такое решение позволяет увеличить скорость материальной частицы (пыль и обломки футеровки) на выходе из диффузора, чем исключается засорение канала между кольцевыми упорами. Однако возрастает тепловая нагрузка, увеличивается интенсивность абразивного износа футеровки и, как следствие, снижается долговечность клапана.

Кроме того, наличие двух охлаждаемых упоров приводит к увеличенному расходу охлаждающей среды.

Известен также шиберный клапан доменных воздухонагревателей, содержащий охлаждаемый футерованный запорный диск, футерованный охлаждаемый корпус, футеровка которого со стороны подводящего воздухопровода выполнена в виде цилиндра, проходной диаметр которого равен проходному диаметру воздухопровода, а футеровка корпуса со стороны отводящего воздухопровода выполнена в виде конфузора, наименьший проходной диаметр которого равен проходному диаметру цилиндра (см. патент РФ N 2105068, кл. C 21 B 9/12, оп. 20.02.98). Глубина расположения кольцевых упоров к ширине канала между ними равна 1,0-1,2, а отношение высоты уступа конфузора к проходному диаметру цилиндра составляет 0,2-0,3 ширины канала (h/B = 0,2-0,3).

За счет образующегося на выходе уступа обеспечивается возможность плавного, без возмущения выхода основного потока горячего дутья из канала между кольцевыми упорами, что снижает турбулентность потока дутья.

Недостаток заключается в том, что имеет место увеличенный абразивный износ футеровки кольцевого упора со стороны подачи дутья, имеющего форму цилиндра с диаметром, равным диаметру воздухопровода.

Наличие двух охлаждаемых водой упоров приводит к большому расходу охлаждающей воды, а все увеличивающийся дефицит воды, рост ее стоимости и затрат на эксплуатацию водного хозяйства заставляет использовать воздушное охлаждение или вместо охлаждаемых кольцевых упоров с небольшим слоем футеровки использовать огнеупорную футеровку по всему объему кольцевого упора.

Из известных шиберных клапанов доменных воздухонагревателей наиболее близким по технической сущности является шиберный клапан, описанный в европейском патенте N 0171754 B 2 кл. F 16 K 49/00, 19.02.1986.

Этот шиберный клапан доменных воздухонагревателей содержит охлаждаемый футерованный запорный диск, футерованный корпус с образующими канал для диска между ними кольцевыми упорами, один из которых, расположенный со стороны подводящего воздухопровода, охлаждаемый с нанесенной по его внутреннему диаметру футеровкой в виде диффузора, а второй со стороны отводящего воздухопровода выполнен только из огнеупорного материала.

Для исключения турбулентности в потоке горячего дутья внутреннее сечение футеровки со стороны поступления дутья меньше, чем сечение выходной стороны, выполненной в виде цилиндра.

Недостаток известной конструкции шиберного клапана доменных воздухонагревателей заключается в том, что геометрия проходного сечения клапана диффузор - цилиндр не обеспечивает достаточного снижения тепловых нагрузок, как следствие, тепловых потерь. Кроме того, увеличивается интенсивность абразивного износа футеровки. Все это приводит к снижению долговечности клапана.

Задача настоящего изобретения состоит в создании устройства, позволяющего повысить долговечность шиберного клапана доменных воздухонагревателей при одновременном сокращении расхода охлаждающей воды.

Поставленная цель достигается тем, что в шиберном клапане доменных воздухонагревателей, включающем охлаждаемый запорный диск, футерованный корпус с образующими между ними канала для запорного диска кольцевыми упорами, один из которых расположенный со стороны подводящего горячее дутье воздухопровода, охлаждаемый с нанесенной по его внутреннему диаметру футеровкой в виде диффузора, а второй упор, расположенный со стороны отводящего воздухопровода - неохлаждаемый, выполнен полностью из огнеупорного материала, согласно изобретению, внутреннее сечение кольцевого упора из огнеупорного материала выполнено в виде диффузора, при этом его наименьший внутренний диаметр равен 1,03-1,05 наименьшего внутреннего диаметра охлаждаемого кольцевого упора, равного внутреннему диаметру подводящего воздухопровода, отношение величины глубины канала со стороны охлаждаемого упора к величине глубины канала со стороны упора из огнеупорного материала равно 1,2-1,3, а образующая внутренней поверхности диффузора охлаждаемого упора параллельна образующей внутренней поверхности упора из огнеупорного материала.

Такое конструктивное выполнение шиберного клапана доменных воздухонагревателей позволяет повысить долговечность клапана за счет увеличения срока службы футеровки корпуса.

Наличие уступа между футеровкой первого по ходу потока кольцевого упора футеровкой воздухопровода позволяет за счет образования вторичного течения, препятствующего непосредственному контакту основного потока горячего воздуха с поверхностью футеровки кольца, компенсировать турбулизирующее влияние на поток в кольцевой щели между первым кольцом клапана и футеровкой воздухопровода и, таким образом, снизить уровень коэффициентов конвективной теплоотдачи от потока воздуха к кольцу клапана. Это, в свою очередь, уменьшит амплитуду колебаний температуры футеровки при переходах с режима дутья на нагрев, что увеличивает срок службы футеровки и всего клапана, а также уменьшает тепловые потери в клапане в режиме дутья.

Благодаря плавному сужению потока воздуха после прохождения межкольцевого пространства уменьшается степень его турбулентности и обеспечивается при этом более равномерное распределение коэффициента конвективной теплоотдачи вдоль второго кольца, выполненного только из огнеупорного материала, что снижает продольный градиент температура в нем и увеличивает срок его службы, а также самого клапана.

Процессы теплообмена между охлаждаемыми элементами клапана и горячим воздухом, идущим через него, а также футеровкой воздухопровода отличаются большой сложностью и поэтому плохо поддаются расчету. В силу этого основным методом исследования теплообмена в элементах клапанов горячего дутья является эксперимент.

Исследованиями установлено, что если наименьший диаметр D₂ кольца из огнеупорного материала будет меньше величины 1,03 наименьшего внутреннего диаметра охлаждаемого кольца D₁, равного внутреннему диаметру подводящего воздухопровода D₀ (D₂ < 1,03D₁, D₁ = D₀), произойдет увеличение угла наклона профиля футеровки кольца, а это приведет к изменению характера течения потока вдоль кольца, резкому возрастанию коэффициента конвективной теплоотдачи в конце кольца, что объясняется возрастающим динамическим воздействием потока на поверхность кольца, расположенного под большим углом.

Если D₂ > 1,05D₁, то нарушается плавность течения потока на выходе из клапана, возникает значительная неравномерность коэффициента конвективной теплоотдачи вдоль кольца и повышается продольный градиент температур в нем, снижается срок его службы.

При отношении величины H глубины канала со стороны охлаждаемого кольца к величине h глубины канала со стороны огнеупорного кольца меньше 1,2 (H/h < 1,2) происходит резкое сужение потока на выходе из межкольцевого пространства, что приводит к его турбулизации и возрастанию конвективной теплоотдачи от потока к кольцу, а также к интенсивному абразивному износу огнеупорного кольца.

Если H/h > 1,3, то происходит дополнительное торможение периферии потока на выходе из межкольцевого пространства, что также приводит к его турбулизации, т.е. к появлению значительного количества турбулентных вихрей, которые интенсифицируют передачу тепла от потока к кольцу, а также его абразивный износ.

Для пояснения изобретения ниже приводится конкретный пример выполнения изобретения со ссылкой на прилагаемый чертеж, где изображен схематично прилагаемый шиберный клапан доменных воздухонагревателей.

Шиберный клапан доменных воздухонагревателей содержит охлаждаемый футерованный запорный диск 1, футерованный корпус 2, устанавливаемый между присоединительными фланцами подводящего 3 и отводящего 4 воздухопроводов, с кольцевыми упорами, образующими между ними канал 5 для запорного диска 1.

Кольцевой упор 6, расположенный со стороны подводящего воздухопровода 3, выполнен охлаждаемым с нанесенной по его внутреннему диаметру футеровкой в виде диффузора.

Кольцевой упор 7, расположенный со стороны отводящего воздухопровода 4, выполнен из огнеупорного материала, например из высокоглиноземистого бетона, и его внутреннее сечение имеет форму диффузора, наименьший диаметр D₂ которого равен 1,03-1,05 внутреннего диаметра D₁ охлаждаемого кольцевого упора 6, равного диаметру D₀ подводящего воздухопровода 3 (D₂ = (1,03-1,05)D₁; D₁ = D₀).

Отношение величины глубины H канала 5 со стороны охлаждаемого кольцевого упора 6 к величине глубины h канала 5 со стороны огнеупорного кольцевого упора равно 1,2-1,3. Образующая внутренней поверхности диффузора охлаждаемого упора 6 параллельна образующей внутренней поверхности огнеупорного кольцевого упора 7.

Шиберный клапан работает следующим образом.

В режиме дутья запорный диск 1 поднят и через клапан движется разогретый в воздухонагревателе воздух с температурой 1250-1300^oC и выше. При этом происходит обогрев элементов корпуса и особенно кольцевых упоров 6 и 7 и канала 5 между ними.

В режиме нагрева запорный диск 1 опущен, перекрывает воздухопровод 3. Обогрев элементов корпуса клапана происходит в основном за счет излучения от футеровки. Тепловая нагрузка при этом существенно снижается.

Предложенный шиберный клапан доменных воздухонагревателей по сравнению с известными имеет более высокий срок службы, при этом снижаются расходы охлаждающей среды и тепловые потери в клапане.

Формула изобретения

Шиберный клапан доменных воздухонагревателей, включающий охлаждаемый запорный диск, футерованный корпус с образующими между ними канал для запорного диска кольцевыми упорами, один из которых, расположенный со стороны подводящего горячее дутье воздухопровода, охлаждаемый с нанесенной по его внутреннему диаметру футеровкой в виде диффузора, а второй упор, расположенный со стороны отводящего воздухопровода, выполнен полностью из огнеупорного материала, отличающийся тем, что внутреннее сечение кольцевого упора из огнеупорного материала выполнено в виде диффузора, при этом его наименьший внутренний диаметр равен 1,03 - 1,05 наименьшего внутреннего диаметра охлаждаемого кольцевого упора, равного внутреннему диаметру подводящего воздухопровода, отношение величины глубины канала со стороны охлаждаемого упора и величины глубины канала со стороны упора из огнеупорного материала равно 1,2 - 1,3, а образующая внутренней поверхности диффузора охлаждаемого упора параллельна образующей внутренней поверхности упора из огнеупорного материала.

РИСУНКИ

Рисунок 1