Воздухонагреватели

Для устранения этих недостатков  были разработаны конструкции куполов без опоры на радиальную стенку. Предложена конструкция купола, опирающегося через промежуточную стенку на кольцевой кронштейн, укрепленный на кожухе изнутри (рисунок 8, I).

Такие воздухонагреватели успешно  эксплуатируются на большинстве  доменных печей металлургических заводов  России. В дальнейшем эта конструкция  видоизменилась и промежуточная стенка получила опору на выступ в кожухе (рисунок 8, II).

I - опора на внутренний кронштейн через промежуточную стенку; II - опора на выступ кожуха через промежуточную стенку; III - опора на кольцевую коробчатую балку; IV - опора на выступ кожуха (с увеличенной стреловидностью); 1 - ось камеры горения; 2 - ось воздухонагревателя

Рисунок 8 - Типы куполов воздухонагревателей с внутренней камерой горения

 

За рубежом применяются  так называемые грибовидные купола с утолщением в верхней части  и с опорой кладки купола на кожух. В России такие купола имеются  на воздухонагревателях доменной печи объемом 3200 м³ Новолипецкого завода (рисунок 8, III). Кроме куполов сферической формы для воздухонагревателей большого диаметра начали применять грибовидные купола с увеличенной стреловидностью рисунок 8, IV) - конические и эллипсоидные, строительная прочность которых выше в связи с уменьшением радиуса кривизны верхней части. В Эймейдене (Голландия) эллипсоидными динасовыми куполами перекрыты воздухонагреватели с диаметром кожуха 10,7 м, рассчитанные на работу с температурой купола 1500 °С при температуре дутья 1300 °С.

 

 

 

3.4 Насадка

 

Насадка является основным конструктивным элементом воздухонагревателя, определяющим процессы передачи тепла от продуктов сгорания к нагреваемому дутью. Она представляет собой выложенную из огнеупорных изделий кладку с большим числом вертикальных каналов. В период нагрева воздухонагревателя насадка аккумулирует тепло от проходящих по каналам продуктов сгорания, а в период дутья отдает это тепло проходящему по каналам дутью. Продукты сгорания поступают в насадку из подкупольного пространства и движутся по ней сверху вниз, а дутье движется в противоположном направлении - снизу вверх (противоток).

Камера насадки заполнена  огнеупорным кирпичом или блоками  таким образом, что образуется большое  количество вертикальных сквозных каналов. Верхний ярус насадки обычно выполняется  из динаса, а нижний - из шамота. Насадка является основным теплообменным элементом воздухонагревателя. Материал, из которого изготавливается насадка, должен характеризоваться соответствующей огнестойкостью, термостойкостью и иметь значительное сопротивление деформации при повышенных температурах.

В период охлаждения холодное дутье с температурой 80 °С – 150 ^оС (в зависимости от давления дутья) поступает через патрубок холодного дутья в поднасадочное пространство, а затем в каналы насадки. При движении дутья в каналах происходит его нагревание за счет аккумулированного тепла насадочным огнеупором в период нагрева, затем горячее дутье проходит через подкупольное пространство, часть камеры горения и через штуцер и тракт горячего дутья попадает в доменную печь. При этом шиберы холодного и горячего дутья открыты, а шибер горелки и дымовые клапаны закрыты.

В этот период температура  дутья на выходе из насадки изменяется: в начале периода она максимальна  и практически равна температуре  продуктов горения на входе в  насадку, затем температура дутья  уменьшается и в конце периода  она снижается на 150 °С - 200 ^оС.

Степень использования тепла продуктов сгорания, т.е. количества тепла, переданного дутью, и температура его зависят от интенсивности тепла от продуктов сгорания к поверхности каналов и в обратном направлении - к дутью, от величины теплообменной поверхности, а также от аккумулирующей массы огнеупорного кирпича в насадке и его теплофизических свойств.

 

3.4.1 Типы насадок

 

Основные типы насадок, применяемых в России, показаны на рисунках 9 и 10. Значение Н на рисунке 13 может быть равно 80, 120 и 160 мм.

 

Рисунок 9 - Насадки из прямого и фигурного кирпича, применяемые в воздухонагревателях.

 

Насадка с прямыми каналами (рисунок 9, а) и квадратными ячейками 60x60 мм малоэффективна и сохранилась только на старых воздухонагревателях. Эти насадки усовершенствованной конструкции с вертикальными выступами в каналах (рис. 9, б) имеют увеличенную удельную поверхность нагрева и меньшее живое сечение.

Поэтому для них характерны повышенные скорости движения продуктов сгорания и дутья и коэффициенты теплоотдачи конвекцией. Насадка (рис. 9, в) имеет ячейки 45x45 мм и в теплотехническом отношении практически одинакова с насадкой, приведенной на рисунке 9 б, но более проста в изготовлении.

 

Рисунок 10 - Шестигранный насадочный блок с 12 круглыми каналами

 

Теплотехническое  исследование большого количества насадок различных типов, выполненных из отдельных штучных кирпичей или блоков, с каналами различной формы, с турбулизирующими элементами и без них и с увеличенной поверхностью нагрева было выполнено во ВНИИМТ. Одна из этих насадок (насадка НК-2 из прямого кирпича с вырезами на больших боковых гранях, из которых в собранной насадке образуются ступенчатые каналы сечением 45x45 и 55x55 мм) была установлена на воздухонагревателях одной из доменных печей Енакиевского металлургического завода. Благодаря увеличенной поверхности нагрева (29,8 m²/m³) и значительной интенсификации конвективной теплоотдачи при движении газов по ступенчатому каналу в этих воздухонагревателях при температуре купола 1350 °С обеспечивался стабильный нагрев дутья до 1200 °С.

Эксплуатация воздухонагревателей  с насадками из прямого кирпича  показала, что при работе с высокими температурами купола вследствие температурных  расширений и деформаций, обусловленных  явлением крипа, часто происходят сдвиги и смятие кирпичей, нарушение формы канала, перекрытие ячеек, особенно в периферийных участках насадочной камеры.

Изготовление насадочных изделий в виде блоков (рисунок 10) возможность повысить устойчивость насадки, уменьшить диаметр канала и минимальную толщину стенки между каналами и увеличить удельную поверхность нагрева насадки (до 32,7 м²/м³). Для обеспечения устойчивости насадки при ее сооружении и эксплуатации в насадочных блоках предусмотрены специальные "замки" (рисунок 10), представляющие собой углубления и выступы на противоположных горизонтальных плоскостях блока, так что выступы одного ряда насадки входят во впадины смежного с ним по высоте ряда, а блоки укладываются вперевязку. Небольшая конусность канала, вызванная технологическими требованиями, а также зазор шириною 5 мм в "замках" блока способствуют турбулизации потоков в каналах и интенсификации конвективной теплоотдачи.

Блочная шестигранная насадка  хорошо зарекомендовала себя при строительстве и эксплуатации и является основным типом насадки, применяемым в настоящее время.

Тенденция к применению насадочных изделий в виде блоков различной  формы (шестигранник, квадрат, прямоугольник и т.д.), уменьшение диаметра ячеек и толщины стенки между ячейками для значительного увеличения удельной поверхности нагрева насадки характерны также для зарубежной практики (США, Германии, Япония и др.).

В то же время в выборе формы кирпича и формы каналов, а также в выборе толщины стенки между ячейками, живого сечения и аккумулирующей массы насадки общего направления нет, поэтому по-прежнему применяются многочисленные конструкции насадок, различающиеся по этим параметрам. Следовательно, разработка насадок с оптимальными геометрическими параметрами и формой каналов остается весьма важной задачей

3.5 Поднасадочное устройство

 

Поднасадочное устройство служит опорой насадки воздухонагревателя и мешается в поднасадочном пространстве, в которое подведены штуцеры холодного дутья и дымовые патрубки. Высота поднасадочного пространства зависит от размеров дымовых патрубков.

Поднасадочные устройства должны быть достаточно прочными, чтобы выдерживать массу насадки при условиях циклического нагрева и охлаждения, не разрушаясь на протяжении всей службы воздухонагревателя. Они состоят из решетки, на которой лежит кладка насадки, и поддерживающих ее колонн и балок. Размеры ячеек решетки, как правило, соответствуют размерам ячейки нижнего яруса.

Описание конструкции  поднасадочных устройств старых воздухонагревателей дано в работе. Конструкция поднасадочного устройства для насадок с квадратными каналами высокотемпературных воздухонагревателей типовой доменной печи объемом 2000 м³ разработана Гипромезом (рисунок 11). Гипросталью разработана конструкция поднасадочного устройства с опорными балками для блочной насадки. В последнее время применяется безбалочная конструкция поднасадочного устройства, разработанная Гипромезом. Изготовляются поднасадочные устройства из жаропрочного чугуна ЖЧХ-0,9 и ЖЧХ-0,8. Они могут эксплуатироваться при температуре отходящих газов до 400 °С в интервале колебаний температур решетки до 200 °С.

Основные повреждения  поднасадочных устройств: трещины  и разломы решеток и верхних  частей колонн, смещение и перекос  опорных балок. Иногда при крупных  повреждениях выпадают отдельные участки решеток и в поднасадочное пространство обрушивается насадка.

Одной из причин образования  трещин является термическая усталость, возникающая в результате циклически повторяющихся знакопеременных  термических напряжений в материале  при его нагреве и охлаждении вследствие неравномерного распределения температуры по толщине. Перепад температур по сечению элементов типового поднасадочного устройства составляет несколько градусов и не может быть единственной причиной опасных термических напряжений в конструкциях. Однако дополнительные термоструктурные напряжения, возникают из-за различия механических и физических свойств отдельных зерен кристаллов в металле, суммируясь с термическими напряжениями,

званными разностью температур, и с напряжениями от массы насадки, знают достаточно высокие суммарные напряжения, которые разрушают конструкцию.

I - ось штуцера дымового клапана; II - ось воздухонагревателя; III - ось горелки

Рисунок 11 - Поднасадочное устройство для насадок с квадратными каналами.

 

Причинами повреждения поднасадочных  устройств может быть также недостаточный зазор между насадкой и радиальной стеной и недостаточный компенсационный зазор между этой стеной и кожухом, что при разогреве приводит к большим распорным усилиям на решетку. Неравномерное распределение их по площади приводит к перекосу решеток и балок. Перекос колонн и балок и сдвиг решеток возникают и при некачественном выполнении фундамента под днищем.

Для работы с повышенной температурой отходящих газов Ждановским металлургическим заводом им. Ильича разработана конструкция водоохлаждаемого поднасадочного устройства. При переводе опытно-промышленного воздухонагревателя режим работы с температурой отходящих газов 550 °С - 600 °С возросла длительность дутьевого периода, что позволило уменьшить длительность дутьевых периодов остальных воздухонагревателей и повысить, температуру дутья с 1100 °С до 1300 ^оС. Недостатками опор данной конструкции является то, что они требуют подачи значительного количества воды для охлаждения (до 200 м³/ч). В результате пары воды конденсируются на водоохлаждаемых элементах и они коррозируют. В связи с этим разработано поднасадочное устройство, в котором колебания температуры элементов уменьшены экранированием колонн с заполнением промежутка изоляцией или продуванием через него охлаждаемого воздуха. Для изготовления изолированных или экранированных поднасадочных устройств рекомендуются чугун марки ЖЧХ-0,8 при температуре отходящих газов до 550 °С и марки ЖЧХ-30 при более вышних температурах.

 

3.6 Недостатки  воздухонагревателя с внутренней  камерой горения

 

К недостаткам воздухонагревателя можно отнести:

1 – «Короткое замыкание»  или прямые перетоки газов между камерой горения и камерой насадки, приводящие к выбросам несгоревшего газа в атмосферу и снижению температуры горячего дутья;

2 – «Эффект банана»  или наклон камеры горения  в сторону насадки, это приводит  к их взаимным повреждениям;

3 – Деформация и обрушение  кладки нижней части камеры  горения вследствие ползучести  огнеупоров;

4 – Неравномерное распределение  продуктов горения по насадке  вследствие бокового положения  камеры горения;

5 – Растрескивание огнеупоров  по условиям термической стойкости  при резких колебаниях температуры  во время смены газового и  дутьевого периодов

 

 

4 Воздухонагреватель Калугина

 

Дальнейшим этапом развития бесшахтных аппаратов стал воздухонагреватель конструкции Калугина с форкамерой на верху купола (рис. 12). Газ сжигается в горелочном устройстве форкамерного типа со струйно-вихревой подачей газа и воздуха, расположенном сверху купола по оси воздухонагревателя. Кольцевые коллекторы газа и воздуха размещаются внутри кладки форкамеры, а сама кладка форкамеры ВНК имеет независимую опору на кожух. Впервые такая схема была реализована на ДП №1 Саткинского чугуноплавильного завода в 1992 г., и этот воздухонагреватель без проблем работает до настоящего времени.

Диаметр самого купола для  независимой опоры его кладки на кожух увеличивается незначительно, и эти воздухонагреватели хорошо вписываются в существующие габариты блоков при реконструкции в бесшахтном варианте.

При разработке конструкции  ВНК проводились стендовые испытания  на огневом и аэродинамическом стендах  для нескольких вариантов форкамерных  горелочных устройств. По этим данным была определена оптимальная конструкция  форкамерной горелки как с точки зрения технических показателей, так и с точки зрения простоты и надёжности выполнения огнеупорной футеровки. В дальнейшем на основе этих испытаний был разработан метод компьютерного расчёта, проведено детальное сравнение расчётных и экспериментальных результатов и получено хорошее совпадение между ними. В настоящее время по этому компьютерному методу производятся расчёты всех форкамерных горелочных устройств воздухонагревателей Калугина.

Кладка всего воздухонагревателя и горелочной части весьма проста, а закрутка струй газа и воздуха в форкамере обеспечивает равномерность их сжигания и не требует настройки горелки перед пуском в эксплуатацию.