RU2001114C1 - Устройство дл охлаждени стенки металлургической шахтной печи - Google Patents

Abstract

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

Description

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

Известно устройство дл  охлаждени  стенки металлургической шахтной печи, в частности доменной, и содержащее расположенные по периметру стенки секции из труб вод ного охлаждени , имеющих U-об- размдо фофму, установленных на строительном -элементе кожуха и встроенных в тол щу сло  жаростойкого бетона, вход и выход каждой из которых ориентированы в сторону строительного элемента кожуха.

Недостатком известной конструкции устройства дл  охлаждени  стенки металлургической шахтной печи  вл етс  недостаточна  эффективность охлаждени  кожуха стенки печи, так как в этом случае нельз  получить при данном расходе охлаждающего агента максимальный отвод тепла.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности и достигаемому результату  вл етс  устройство дл  охлаждени  стенки металлургической шахтной печи, содержащее расположенные вертикально по периметру стенки со стороны внутренней поверхности кожуха, в толще сло  жаростойкого бетона секции из труб вод ного охлаждени  с поперечными ребрами, вход и выход каждой из которых ориентированы в сторону кожуха. С целью повышени  эффективности теплообмена в этом устройстве теплоотдающа  поверхность развиваетс  путем оребрени .

Недостатком устройства  вл етс  недо- статочн ш эффективность охлаждени  кожуха стенки печи из-за отсутстви  непосредственной зависимости размеров и расположени  труб вод ного охлаждени , а также размеров и расположени  поперечных ребер относительно наружной поверхности трубы от особенностей эксплуатации и тепловых нагрузок. Этот вопрос может быть разрешен путем математического моделировани  дл  увеличени  охлаждающего эффекта. Кроме того, в конструкции этого устройства дл  охлаждени  стенки металлургической шахтной печи охлаждающа  вода используетс  недостаточно эффективно . Основна  масса воды проходит через центральную часть поперечного сечени  трубы вод ного охлаждени , не участву  активно в теплообмене. Здесь поток воды имеет более высокую скорость, чем на периферии сечени , где сказываетс  пристеночный эффект понижени  скорости. У стен трубы происходит повышение температуры воды, сопровождающеес  выпадением солей временной жесткости и

образованием на стенах накипи, нарушающей теплопередачу.

В результате снижаетс  стойкость футеровки печи и самого устройства дл  охлаждени  стенки печи.

Целью изобретени   вл етс  повышение эффективности охлаждени  кожуха стенки печи и сокращение расхода воды. Указанна  цель достигаетс  тем, что в

предлагаемом устройстве дл  охлаждени  стенки металлургической шахтной печи, содержащем расположенные вертикально по периметру стенки со стороны внутренней поверхности кожуха, в толще сло  жаро5 стойкого бетона секции из труб вод ного охлаждени  с поперечными ребрами, вход и выход каждой из которых ориентированы в сторону кожуха, согласно изобретению трубы вод ного охлаждени  имеют U-образную

0 форму и снабжены установленными во внутренней их полости турбулизаторами, охватывающие каждую трубу вод ного охлаждени  поперечные ребра выполнены в виде пластин круглой формы, имеют раз5 личные площади, собраны по меньшей мере в один пакет в пор дке убывани  площадей указанных ребер от центрального к периферийным ребрам, длину колена и рассто ние между входом и выходом трубы вод ного

0 охлаждени , рассто ние между соседними трубами вод ного охлаждени  вдоль продольной оси шахтной печи и в поперечном к ней направлении, а также высоты центрального поперечного ребра в каждом пакете

5 над наружной поверхностью труЬы и сло  жаростойкого бетона от наружной поверхности трубы выбирают из услови :

т max т , f-r max т /„ , 1с - I о + (I Со I о) (Эо + mm

0+ Za Vl+S

I 1

где Tcmax - максимальна  температура на кожухе шахтной печи;

Т0 - температура окружающей среды;

Тсотах - максимальна  температура на кожухе шахтной печи без труб вод ного охлаждени ;

а0, at, ay - коэффициенты регрессии;

р |, f) - базисна  функци 

при (f 1,2- -;

3

2 24,86-40,67 -;

О

рЗ 3,83-6,54 Ј; S

0

5

(/)4

4,53-7,34 -;

О

10В-108

п

d -Ат

.91-1.5 Ь

А

(1-0.67) +

Я, (.34

+ 0,) Амет

лбет -1

Ре

CL

критерий Пекле;

dT)

при - Я , когда в устройстве нет турбу- лизатора;

  ИЛ

0.33

ртепл

ч

)

при Я 0 0,023 А ()° 8- (М.

  а//л

когда в устройстве есть турбулизатор. где d - диаметр трубы вод ного охлажде- ни ,

S - рассто ние между соседними трубами в поперечном направлении;

I - рассто ние между входом и выходом трубы вод ного охлаждени ;

L - длина колена (изогнутой части) трубы вод ного охлаждени ;

г - рассто ние между соседними трубами вдоль продольной оси шахтной печи;

Сртепл - теплоемкость теплоносител ;

G - расход теплоносител  через трубу вод ного охлаждени ;

Атепл - теплопроводность дл  теплоносител ;

Абег - теплопроводность бетона;

I - в зкость теплоносител :

а - высота центрального поперечного ребра в каждом пакете над наружной поверхностью трубы;

m - высота сло  жаростойкого бетона от наружной поверхности трубы;

Амет - теплопроводность материала, из которого изготовлены поперечные ребра.

Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что за вл емое устройство отличаетс  тем, что трубы вод ного охлаждени  имеют U-образную форму и снабжены установленными во внутренней их полости турбулизаторами, охватывающие каждую трубу вод ного охлаждени  поперечные ребра выполнены в виде пластин круглой формы, имеют различные площади, собраны по меньшей мере в один пакет в пор дке убывани  площадей указанных ребер от центрального к периферийным ребрам , причем размеры и расположение элементов конструкции устройства выбирают из услови .

Таким образом, за вл емое устройство соответствует критерию изобретени  новизна .

Сравнение за вл емого решени  с дру- 5 гими техническими решени ми показывает, что использование в технике с целью интенсификации процесса теплообмена сребренных труб и турбулизаторов известно. В результате анализа известных реше- 10 ний вы влено, что отличительный признак,

-охватывающие каждую трубу вод ного охлаждени  поперечные ребра выполнены в виде пластин круглой формы, имеют различные площади, собраны по меньшей мере в

15 один пакет, в пор дке убывани  площадей указанных ребер от центрального к периферийным ребрам - не известен. Кроме того, в результате анализа вы влено, что за вл емое устройство про вл ет техническое

20 свойство, которое не про вл етс  ни в одном из известных технических решений, со- держащих отличительные признаки отдельно или в сочетании. Новое техническое свойство позвол ет повысить и опти25 мизировать удельный теплосьем с единицы обьема. создать систему стабилизации градиентов температур по объемам, что приводит к повышению термостойкости бетонной футеровки. Это позвол ет сделать вывод о

30 соответствии технического решени  критерию существенные отличи .

На фиг. 1 изображена секци  устройства дл  охлаждени  стенки металлургической шахтной печи, общий вид,

35 продольно-вертикальный разрез; на фиг. 2

-турбулизатор, размещенный в трубе вод ного охлаждени ; на фиг. 3 - график функх2 ции у а (- + 1),  вл ющийс  параболой,

проход щей через точки середины ширины поперечного сечени  поперечных ребер пакета .

Устройство дл  охлаждени  стенки ме .,- таллургической шахтной печи представл ет собой расположенные по периметру стенки печи секции (на чертеже не показаны). Кажда  секци  (фиг. 1) включает не менее двух труб 1 вод ного охлаждени , имеющих UCQ образную форму, установленных на строительном элементе кожуха 2, вход 3 и выход

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

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

40

один пакет 7 из расположенных в пор дке убывани  от центрального 8 поперечного ребра к периферии, При этом поперечные ребра 6 в пакете 7 контактируют между собой торцевыми поверхност ми. Исход  из технологии изготовлени  ребер в данном примере могут примен тьс  ребра 6 с поперечным сечением, выполненным в виде пр моугольника , состо щего из двух частей (на чертеже не показаны), или ребра б в виде колец, выполненные, например, из Ст.20. Во внутренней полости каждой трубы 1 вод ного охлаждени  установлен турбулиза- тор (фиг. 2), выполненный, например в виде ленты 9, имеющей по кра м 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 отверсти  (на чертеже не показаны) дл  установки труб 1 вод ного охлаждени  с предварительно приваренными ребрами 6, образующие единую систему.

В каждую трубу 1 вод ного охлаждени  устанавливают турбулизатор -ленту 9, которую у входа 3 и выхода 4 трубы 1 закрепл ют сваркой. Затем с помощью опалубки (на чертеже не показана) нанос т слой 5 жаростойкого бетона по обычно примен емой технологии. По периметру строительного элемента кожуха 2 каждой секции предлагаемого устройства оставлен зазор 11 в виде свободной от футеровки части кожуха дл  возможности производства сварки стыков между соседними строительными элементами и незамен емыми част ми шахты печи.

Рассматриваетс  охлаждаема  бетонна  конструкци  (фиг. 1). Требуетс  оценить величину Тс в зависимости от S, I, h, г, Атепл, Абет. d, G, А мет, a, m, To. Tw, т.е. найти

Тс f(S, I, h, . Атепл Д 6er,d, G, А мет, а, т, То, Tw).

Будем искать Тс в виде:

Тстах а0 + i ai pi,

где р 1 - некоторые комбинации параметров (Tcmax-max температура на кожухе).

Основные уравнени : теплопроводности дл  бетона и кожуха

dlv(Agrad Т) а, теплопроводности дл  теплоносител :

dlv (Q Сртепл UT) dlv (A rad Т). Гр. услови : у Н, Т Tw

f дл  участка кожуха - A grad Т - а (Тс-То),

дл  участка теплоносител  Т - Т0- на входе „- A grad Т 0 - на выходе.

у-0

Пусть определ ющие параметры измен ютс  в следующих диапазонах:

0 0,001-5 кг/с; d 3 м; I 0,3-2,2 м; h 0,07-0,3 м; г 0,05-0,15 м; S 0,05-0,15 м; А бет 0,1-1 Вт/мк

Введем допущени : 1. Неравномерность потока по z не вли ет на Тстах:

2. Переменность теплофизических характеристик не вли ет на Тстах, 0 Эти допущени  позвол ют выделить дл  рассмотрени  часть конструкции с одним охлаждающим элементом.

Введем линейный масштаб z0 S и запишем безразмерные переменные

1;d-l;I l:h A:

Zo ZoZQZo

Г.С S.I 1Т6ПЛ

г - , Э--,ЛО-А

ZQZo

Введем масштаб скорости Go и масштаб 0 теплопроводности А о.Определим температуру , как . Так как S всегда 1

I w I о

и, согласно допущени м, запишем основные уравнени  в виде:

5

0

О

ir#I + #LAv v}

§)(§+Ц)

k3 Эу2

или в безразмерной форме: A-Ao(Tw-To) ,#0 , #0,

I -JЛ - 0 ZoЭх2 ду2

А(

V

ГпП. (J То)

Zo

CqUc

Oj|+vЈ)

W

40

AJTw-To) , #0ч

J tTT dfy

w

., Э0 , v 30 A ,#0 #& u dx v 3y cqUofo 2 + 2)

Зу cqUoZo -fa

Введем Go qU0dz0 - масштаб приведенного расхода.

0

ТОГДа°° 1о

Ввод  число Пекле Ре Re PR CqUpZo GoCqzo CpG AqdZoA dT

ртепл , /-

т.е. Pe

A 5 затора;

Э0

A, когда в устройстве нет турбулиU-57

dx

Э0 1 ,#0

.#0

2

+ (ЧЛ 0.023 A («3fe.(tlcr:

,0,33

- когда в устройстве есть турбулизатор.

Таким образом безразмерные уравнеи  не завис т от 20.

Интервалы варьировани  безразмерых переменных:

d 0,2-2,2; 1 3,3-44; h 0,46-6; Ре - 00-Ю8; Я бет 0,166-1,66; г 0,3-3.

Ищем исходную функцию отклика в вие уравнени  регрессии

/тлэх

0 а0 + Ј aiti + Ј aijtitj,

6&ах

i i

t - фактор, варьируемый на двух уров х .

10

Построим ортогональный план и прове- g ем вычислительный эксперимент

а(0) 3.6562

а(1) .59251

а(2) 1.6880

а(3).3379020

а(4). 65365

а(5) -1.6872

а(6) 1.9393

а(7) 2.2820

а(8) -.2050025

а(9) .43171

а(10) .32283

а(11).63193Е-02

а(12).23070Е-01

а(13),36617Е-0130

э(14) .39473Е-01

а(15).14321Е-01

а(16) .43803Е-01

а(17) .12479Е-01

а(18) -98996Е-0135

а(19) .71441Е-С1

а(20) .75266Е-02

а(21) .49462Е-02

а(22).18745Е-04

а(23) .23546Е-0240

а(24) .30053Е-02

а(25) .25111Е-02

а(26) .24625Е-02

а(27) .27820Е-02

а(28) .35486Е-0245

а(29) -.29678Е-02

а(30) .2826ГЕ-02

а(31) .36125Е-02

а(32) -.30317Е-02

а(33) -.50761Е-0250

а(34).11209Е-02

а(35) .73179Е-02

а(36) ,41815Е-03

а(37) .36704Е-03.

Это коэффициенты регрессии дл  урав- 55 ени 

/тпзх37

JL а0 + Ј ачр,

t/LOi - I

ли п размерной форме:

Тс™ То + (Тсотах-То) (а0 + 2 ai p i +

i 1

m

+ Е a i У1 Ю)i i

j i

Здесь То - температура окружающей среды, Tcomax максимальна  температура на кожухе шахтной печи без труб вод ного охлаждени .

Р.-1.2-ЗЙ.

/Ъ - 24,86-40,67 -,

рзф4

3,83-6,54 j 4.53-7,34

108-108

Степл D

-1,5

Дб,

d -Ят

ет

1Т6ПЛ

л

Дбет (1-0,67 )Ямет- 0,67

(

лбет ЬЯмет

+ 0,33 т-5-)

m

а -1

Лмет

Зададимс  функцией у а( 1), графиком

которой  вл етс  парабола, проход ща  через точки середины ширины поперечного сечени  поперечных ребер 6 пакета 7, убывающих по высоте от центра к периферии. Это позвол ет регулировать теплосьем вдоль трубы вод ного охлаждени  параллельно образующей (фиг. 3). На фиг. 3 изох2 бражен график функции у а ( -у + 1), вид

кривой которого позвол ет судить о плавном регулировании объемного теплосъема.

Устройство работает следующим образом .

Охлаждающа  среда (техническа  вода) поступает в трубы 1 вод ного охлаждени . Отбира  тепло от газового потока и шихтовых материалов, охлаждающа  среда нагреваетс  и в виде паровод ной смеси поступает, пройд  по трубам 1, в наружные коммуникации. Металлические поперечные ребра 6  вл ютс  охлаждающей арматурой дл  жаростойкого бетона 5, что позвол ет значительно уменьшить его износ. Наличие секций, объедин ющих по несколько труб 1 вод ного охлаждени , позвол ет предельно сократить рассто ние между трубами, что обеспечит надежное охлаждение кожуха печи . Поток охлаждающей среды, двига сь по трубе 1, взаимодействует с лентой 9 и приобретает вращательное движение вокруг оси трубы 1. При этом в пограничном слое этот поток дополнительно турбулизируетс  за счет взаимодействи  с лепестками (на фиг. 2 не показаны) расположенными вблизи внутренней поверхности трубы 1. При этом интенсифицируетс  теплообмен потока со стенкой трубы 1. Турбулизатор, закручива  поток технической воды с целью лучшего охлаждени , взмучивает шлам, выпадающий на внутренней полости трубы 1. Взмученна  часть шлама уноситс  потоком воды.

Результаты модельного расчета дл  выбранных условий показывают, что по сравнению с прототипом эффективность теплосьема за период функционировани  в печи предлагаемого устройства возрастает примерно на 80-100%, что позвол ет в таФормула изобретени 

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОХЛАЖДЕНИЯ СТЕНКИ МЕТАЛЛУРГИЧЕСКОЙ ШАХТНОЙ ПЕЧИ, содержащее расположенные вертикально по периметру стенки со стороны внутренней поверхности кожуха в толще сло  жаростойкого бетона секции из труб вод ного охлаждени  с поперечными ребрами, вход и выход каждой из которых ориентирован в сторону кожуха, отличающеес  тем, что трубы вод ного охлаждени  выполнены U-образ- ными и снабжены установленными во внутренней полости турбулизаторами, а поперечные ребра выполнены в виде пластин , имеющих разные площади и собранных по меньшей мере в один пакет в пор дке убывани  площадей от центрального к периферийным ребрам, причем диаметр d, длину h колена и рассто ние I между входом и выходом трубы вод ного охлаждени , рассто ние между соседними трубами вод ного охлаждени  вдоль продольной оси шахтной печи г и в поперечном к ней направлении S, а также высоту а центрального поперечного ребра в каждом пакете над наружной поверхностью трубы и высоту m сло  жаростойкого бетона от наружной поверхности трубы выбирают из услови 

T™ T0+()(d0+ тт

+ 2«1р1 + )

1 1 .

где тст х - - максимальна  температура на кожухе шахтной печи;

Т0 - температура окружающей среды;

Тс™ах - - максимальна  температура на

0

5

0

5

0

5

0

5

ких же пределах сократить расход охлаждающей среды. Применение предлагаемого устройства позвол ет 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 исключени  ремонтов печи, св занных с заменой холодильников , увеличить производительность печи за счет интенсификации процесса теплообмена .

Предполагаемый экономический эффект от предложенного устройства выражаетс  в резком сокращении затрат на обслуживание и ремонт печи, поскольку увеличиваетс  межремонтный пробег печи. (56) Патент США Nt 4559011,кл. С 21 87/10, 1985.

кожухе шахтной печи без труб вод ного охлаждени ;

ао, ai, aj - коэффициенты регрессии;

р , р базисна  функци 

при 1 1.2-. ,86-40,, ,83-6,54, ,53-7,34,

,5-103-108-Ре,

,91-1., лтепл

7 -W -°-«)+ д « -°-ет

(jF+ -34r-rr-+

бет 6ст + мст

+0,33

Ре- Лмет

«/ДО

- критерий Пекле;

А()0,023ДМЈ

xdp

0,8 L-C™™

0,33

где Срепл - теплоемкость теплоносител ;

G - расход теплоносител  через трубу вод ного охлаждени ;

Атепл - теплопроводность дл  теплоносител ;

Абет- теплопроводность бетона;

ц - в зкость теплоносител ;

Амет - теплопроводность материала, из которого изготовлены поперечные ребра .

Ј

Фиг. {.