автореферат диссертации по металлургии, 05.16.02, диссертация на тему:Исследование и оптимизация доменных воздухонагревателей с внутренней камерой горения

ЛИПЕЦКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИИ ИНСТИТУТ

На правах рукописи БЯНКИН Иван Григорьевич

ИССЛЕДОВАНИЕ И ОПТИМИЗАЦИЯ ДОМЕННЫХ ВОЗДУХОНАГРЕВАТЕЛЕЙ С ВНУТРЕННЕЙ КАМЕРОЙ ГОРЕНИЯ

Специальность 05. 16. 02 — «Металлургия черных металлов»

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Липецк — 1991

Работа выполнена в Липецком политехническом институте. Научный руководитель : доктор технических наук, профессор

Соломенцев СЛ. Научный консультант : кандидат технических наук, доцент Корешков В.Д.

Официальные оппоненты: доктор технических няук, профессор Арутюнов В.А.

кандидат технических наук, доцент Иноземцев Н.С. Ведущее предприятие : Магнитогорский мот а ллу ргача с кий комбинат

Защита состоится декабря 1991 г. в /2 час. 00мин. на заседании специализированного совета К 064.22.01 в Липецком политехническом институте: 398662, г.Липецк, ул.Зегеля, I.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Липецкого политехнического института*

Автореферат разослан "2? " ноября 1991 г. »

Ученый секретарь специализированного совета

профессор,кандидат технических наук Зайцев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

• Актуальность работ«. Повышенно температуры нагрева дутья в домешшх почах является эффективным способом спияенся удолького расхода топлива, янтонсифанацпи протекшзих и них процессов, улучшения технико-экономических показателей. Уровень и возможность повыиения температуры нагрева дутья зависит, как правило, от совершенства конструкции я-'рояяыа работу применяемых для этих г,о-лей теплообменников - доменных воздухонагревателей.

На отечественных предприятиях наиболее распространена традиционная конструкция дженного воздухонагревателя с внутренней Соково!» каморой горения. С ростом температуры нагрева доменного дутья несимметричность расположения.каморы горения внутри аппарата я несовершенство конструкции кладки приводят к ужесточению условий службы какори горения а воздухонагревателя в цело«, снижению их стойкости и сокращению межремонтных периодов. Это вкзк-вает необходимость поиска путой совершенствования конструкции и решила работы отих воздухонагревателей.

Цель роботы.. Экспериментальное и расчетно-тооретическсе исследование я оптимизация конструктивных элементов и режимов эксплуатации воздухонагревателей 'с внутренней каиарой горения с целью уменьшения не равномерности температурного поля в футеровке аппаратов, повышения их стойкости и экономичности работы.

■Научная новизна. Разработана оригинальная математическая модель перотока газа через трещины в кладко каморы горения и оптимизирована на ее основе высота установки газоплотного кессона для устранения перетоков. Выполнены расчетные исследования повн~ иония стойкости футеровки камеры горения при замене продаю: воздухом на продувку дымовыми газами. . .

Разработана уточненная математическая модель теплообмена в

воздухонагревателе с вггутрешюй смотанной каморой горошш, позволявшая определить оптимальную величину зазора и значения перепада температуры по периметру к толщине кладки каморц горения.

Разработана математическая модель теплообмена л штуцере горячего дутья с учетом влияния водоохлаждаемого клапана горячего дутья. Она использована для опенки температурных условий слуябы футеровки штуцера при экранировании или теплоизоляции клапгша для рабочего режима эксплуатации воздухонагревателя и ого естественного охлаждения.

Теоретически обоснована целесообразность режима нагрева воздухонагревателя со ступенчатым изменением температуры купола.

Получены эксперимонташшв данные о стойкости образцов из динаса применительно к условиям работы воздухонагревателей.

Практическая ценность. Разработана усовершенствованная конструкция доменного воздухонагревателя с внутренней смещенной камерой горения, которая позволяет снизить разность температур по периметру камеры гераиия примерно в.6 раз. Воздухонагреватель такой конструкции внедрон на ШЕЖ, НПО "Тулачормот" и заводе "Свободный Сокол* к аспильзуется Л.Ф.ШПРШЗЗа при проектировании воздухонагревателей для других предприятий.

Рвкомввдован способ установки кессона между окатами каморы горения, который позволяет исключить "короткое замыкание" и, тем самим, повысить эффективность работы воздухонагревателя.

Предложен способ продувки воздухонагревателя уходящими дымовыми газами, позволяющий повысить стойкость футеровки камеры горения и коэффициент полезного действия аппарата. Планируется использование данного способа при внедрении но ШЫК регулирования температура купола дымовыми газами.

Внедрен на ШШК ячеистый стабилизатор газового потока, который позволяет значительно уменьшить пульсации горения и повы-

сить топловую мощность воздухонагроваталя.

Рекомендован для промыпиюнного испытания способ экрянирова-НШ1. клапане горячого дутья, который позволит улучшить условия служб» клапана и футеровки штуцера горячего дутья.

Продложан способ нагрева воздухонагревателя с повышенной температурой купола, который обоспочиг повышенно температуры нагрева дутья баз снижения стойкости футороьки.

Результаты исследования термостойкости образцов из л «паса используются Л.Ф,Ш1РШЕЗа при проектировании воздухонагревателя с центральной каморой горпиия для НПО "Тулачермет".

■ Разработаны для ЗЫ программы, реализующие математические модели: массо- и топлообмона при паратоках газа чорох трещины в кладка стони камеры горения; теплообмена а зязоре, насадка и по толщине (футеровки смокшшой камеры горения; теплообмена в стена ' каморы горения п области удада газового потока; тонлообмена в штуцера горячого дутья с учетом влияния клапана горячего дутья; расчета напряженно-доформпрованного состояния кладки купола пр:х ступенчатом изменении ого температуры.

Ожидаемый экономический з(}фект ог внвдрония ряда разработок составит 50 тыс.руб./год.

Апробация работы. Основные результаты работы доложены и обсуждены на: Всесоюзной научно-технической конференции "Обобщение опита работы молодых ученых, инженеров и рабочих отрасли по экономия материальных я энергетических ресурсов" (г.Донецк, 1983 г.); Всесоюзной научно-технической конференции, посвяианноИ 60-летяю Ш1МТ,"Теплотехническое обеспечение технологических процессов металлурга.!" (г.Свзрдловск, 1990 г.); 3-й Бсвсошчой научной кон-Фарв(сции по проблемам энергетики и теплотехкологки "Интенсивное энергосбережение в промышленной теплотахяолопги" (г .Москва, 1£91г,); республиканской конференция "Повышение эффоктявноста использова-

ния топлипно-энорготичаских ресурсов в черной моталлургии'Чг.Дне-пропетровск, 1989 г.); региональной научно-праетичоской конференции "Практика, проблемы разработки и гнелрениа ресурсосберегающих технологий"(г.Липоцк,1987 г.); региональной научно-технической конференции "Проблем« энврго- и ресурсосберегающих технологий в черной металлургии" (г.Новокупнецк, 1989 г.); региональной научно—технической конференции "Молодежь и научно-технический прогресс" {г.Липецк, 1989 г.).

Публикации. Но тема диссертации опубликовано 12 печатных работ, получено одно авторское свидетельство и 2 положительных решения на изобретения.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов и приложений. Работа содержит 124 страницы машинописного текста,'2 таблицы, 55 рисунков, библиографический список из 176 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ I. Анализ литературных источников

В настоящее время на отечественных металлургических предприятиях эксплуатируются в основном воздухонагреватели традиционной конструкции с внутренней камерой горения. Основными недостатками этих аппаратов является низкая стойкость камеры горения и узла штуцера горячего дутья.

Вместе с тем изучение конструкции и работы воздухонагревателей с внутренней камерой горения показывает, что имеется резерв по повышению их скономичности и надежности.

Анализ литературных и производственных донных показывает, что нарушение целостности кладки внутренней кемеры горения еыэы -

ваотся в значитолыюИ мора деформацией кладки из-за асикмотрич-ного тормоудлг'.шюния оклте.^, ударом холодного воздуха в осно- ' вацио стоны каморы при продувке воздухонагроватолл и пульсацией го реши. Эти явления вызывают обрушение футеровка и образование трещин в кладке камеры горения. Следствием этого является сш:.м-ние температуры нагрева дутья, уменьшение коэффициента полезного действия воздухонагревателя, загрязнение птмосферы и прочдаврз-менный выход из строя аппарата. Поэтому исследования, направлоп-ныо на устранение этих недостатков, являются весьма актуальккмч.

Повышение стойкости воздухонагревателей с пнутрзкней каморой горения достигается смещением камеры. Анализ этой конструкции показывает, что п условиях дойствукипх цехов она является наиболее приемлемой. Одтко для проектирования п внвдроная такого аппарата требуется оптимизация ого конструкции.

Известно, что на стойкость воздухонагревателя с внутренний каморой горешш значительное влияние оказывает надежность работы узла штуцера горячего дутья. Разработка математической модели нестационарного теплопереноса в футеровке этого узла с учетом влияния годоохлавдаемого.клапана позволит более обосновано намотать • мероприятия по улучшению температурных условий службы узла кту-цера горячего дутья.

Одним из наиболоэ эффективных способов повышения температуры нагрева дутья является увеличение рабочей температуры купала воздухонагревателя. В настоящее вромя этот резерв практически на используется, что объясняют снижением стойкости футеровки при превышении температуры купола над ее значением, ограниченным ик- • струкцией, однако, это не всегда обосновано.

Значительное влияние на длительность службы воздухонагревателей оказывает правильный выбор режима сушка-л разогрева перед вводом их в эксплуатацию и последующего разогрева (охлаждения)

- в -

при ремонтах. Однако из анализа литературы следует, что режим сушки и разогрева (охлаждения) воздухонагревателей, в частности, с динасовой кладкой, не имеет достаточного обоснования.

Повышение стойкости типовой конструкции воздухонагревателя с внутренней боковой камерой горения

Для устранения перетоков газа и дутья через трещины в кладка камеры горения весьма эффективным является праменонио кассона-- листа из жароупорной стали, устанавливаемого мезду окатами стоны каморы, стойкость которого, в частности, зависит от его высоты. В связи с этим поставили задачу выявить влияние высоты кессона но величину перэтоков и влияние последних на температуру нагрева дутья. •

В исследованиях использована математическая модоль теплопо-реноса в регенераторе, позволяющая учитывать изменение по высото и во времени расхода газообразных теплоносителей. Модоль последовательно применялась к тепловому взаимодействию газа, протекающего через трещины в стона камеры горения (в предположении однородного распределения трещин по поверхности стены), с ев кладкой и к теплообмену в насадке.

Рассчитав температурное пола по высоте насадки воздухонагревателя, на основе известных гидравлических соотношении установили перепад давлений Лр£ на поверхностях стены каморы но высото 2 от ее основания, который определяет потери давления при фильтрации газа через трещины. Скорость газа в трещинах определяли из выражения (при ламинарном режиме движения)

ууог — т * и + у (У/к - О], (Г)

ГДЭ т* У . * = V 2Р&Рг .у= <2**3

Фг' Т') У РсЛГ* 'У <*е !

- о -

J>0 - плотность газа при нормальных условиях КР0 ,Т0), кг/м3 ; Tj , T¿ - тошаратура газа на входе й выходе из трещин на уровне "2 , К; Tz - средняя по толщине кладет температура газа на уровне г , К; р - давлениа^газа, Па; V2 - кинематическая вязкость газа при температуре Т7 ,ч?/с,а. - ширина трещины, м. •

Модель тешюпэрзноса позволяет по заданным температуре газа на входе в насадку (трещины) и aro скорости определить температуру газа на выходе из насадки (треиии) для иаадого уровня по высоте и в любой момент времени» Выполняя йтарациошшй процесс, получили конечный значения расхода газовых сред через тресданы стены камеры горения, перепад дааленйя-на поверхностях последйей, температуру нагрева дутья и продуктов сгорания на выхода из воздухонагревателя с учетом перетоков. При установка кессона высотой Нк расчет перетоков производили от уровня верха кессона (Z - HR) до уровня верха камеры.горения < 2 =» Н). .

Результаты расчетных исследований влияния высоты кессона на температуру нагрева дутья при различной йеличина перетоков, выполненных для условий работы воздухонагревателя доменной печи объемом 3200 мэ, позволяют пдалать вывод, что оптимальная высота кессона соответствует уровню штуцера горячего дутья. При.этом в случае равномерно распределенных по кладка трещин температура нагрева дутья снижается на ~ 13°С при 10^-ной доле перетоков, а температура службы кессона не превышает максимальную для жаростойкого металла. Рекомендуется для предотвращения возможных порывов сварных швов кессона располагать ого между слоями каолино,-вых матов толщиной ~20 мм.

Для того, чтобы установить, как зависит стойотеть футёровхи камеры горения от продувка воздухонагревателя, определит твидовое состояние окятов футеровки пря различной температуре продуваемого газа. Температурное поле футеровки рассчитывали на осио-

Ев решения краевой задачи нестационарного теплоперзноса в двухслойном цилиндре с учетом увеличения интенсивности теплообмена в зоне удара гурбулизировэнной струи газа.

Для условий работы воздухонагревателя доменной печи объемом 2000 м3 результаты математического моделирования показывают, что в зоне удара газового потока падение температуры поверхности футеровки камеры горения при продувке дымом (400°С) по сравнению с воздухом (¿Ю°С) снижается в ~ 1,75 раза в точение 60 с, а максимальный температурный перепад в поверхностном слое футеровки толщиной ~ 20 мм - в ~1,8 раза.

Предлагаемый способ продувки способствует снияешш тьрмона-пряяений и, тем самым, повышению стойкости футо розки камеры горения в ее основании. Одновременно уменьшаются потери тепла с "продуваемой" средой.

Известно, что для устранения пульсаций целесообразно стабилизировать газовый поток, являющийся основным их возбудителем , при использовании меФаллических горелок. В промышленных условиях ШШК испытали ячеистый стабилизатор газового потока, состоящий из сваренных между собой труб. Установка стабилизатора в газовом кольца горелки перед отсечным клапаном позволила увеличить расход газа в ~ 1,5 раза без появления опасных пульоацнй. Установка ке стабилизатора по всему сечению горелки позволила увеличить расход газа примерно в 1,65 раза. Таким образом, применение донного стабилизатора позволяет относительно просто и эффективно повысить тепловую мощность и стойкость воздухонагревателя.

Основные результаты исследований переданы ГШРСМЕЗу для реализации в проектах. Намечено оборудовать предложенными стабилизаторами все горелки воздухонагревателей НЛМК.

3. Исследования новой конструкции воздухонагревателя с внутренней емпогшой каморой горения

Предлоиена уточненная математическая модель топлопореноса, которая включает теплообмен в насадке

(2) (3)

в зазоро

swc.fi = гос(ср - т), (4)

' - ос (^ - Т)

и стене камори горения .

с соответствующими граничными условиями.

В уравнениях »• - соответственно плот-

ность и теплоемкость насадки и футеровки камеры горения, кг/м3, Дж/(кг*К), Д^(м3-К); Лэ - эквивалентная теплопроводность насадки, Вт/( м-К); Лф- теплопроводность футеровка, Вт/(м*К); С , IV - теплоемкость я скорость тпза, Д*/(м3' К), м/с; 5 - ширина зазора, м; /- порозность насадки,, м^/м2; оС^- объемный коэффициент теплоотдачи в нреадко, Вт/См3, К);оС- коэффициент теплоотдачи в зазоре, Вт/(м^К); ( , Т , - темпоратура насадки, газа я футеровки, °С. Скорость газа в зазора определяли из равенства потерь напора в зазоре и насадке.

Оптимизация величины зазора в интервале 0-0,1 м выполнена по критериям минимизации средней по высоте камерн горения неравномерности температурного поля и падения температуры нагрева дутья. Оптимальной следует считать ширину зазора 25-а5 да, при этом

царепад температуры по периметру камары горения снижается в 5-6 раз по сравнению о обычной конструкцией воздухонагревателя при относительно малом уменьшении температуры нагрева дутья (3-4 °С). Это долюо соответственно повысить стойкость камера горения. Расчеты показывают, что уточненная модель повышает точность расчета температурного перепада по периметру камеры горения примерно ь 1,5 раза.

. Анализ ранее предложенной конструкции зоздухонаграватчля о внутренней смещенной камерой горения показал, что этот вариант не асшдачаат возможность появления трещин я, соответственно, перетоков через кладку штуцарой горелки в горячего дутья в области зеэора. Для устранения этого недостатка разработан вариант конструкции, в которой зазор мааду стенами камеры горения а воздухонагревателя, а также насадкой и клиньями углов выполняется не lio всей высоте камеры, а лишь на участке выше штуцера горячего дутья. Снижение перепада температуры ниже этого уровня, несмотря на отсутствие зазора, достигается за счет укладка слоя каолиновых волокнистых va го в ыавду футеровкой камеры а ласа, ей.

Промышленные исследования температурных условий службы кладки камеры горения в аппарата такой конструкции проведены ча воздухонагревателе 8 НЛЫК. Термодатчаки (термопары типа ХА) укладывала на поверхности футеровки камера горения со стороны зазора и насадки на двух уровнях по высоте. Пра разогреве аши-ртта до рабочей томпературы купола *»« 1350°С часть термопар вышла из строя. Одцако измерения температуры» когда все термодатчики бшш рабо-юсгоо-ооны, позволяют сделать вывод, что на исследуемых уровнях максимальная разность темпаратуры ио периметру камеры на прерывает 50°С, & отметить хорошее совпадение с даншш расчетов, что голврят об адекватности предложенной математической модели (¿)-ЧВ).

Резул тэты исследований воздухонагревателя о внутренней смотанной камерой горения показывают. перспективность данной конструкции и позволяют рекомендовать ее для широкого внедрения. В частности, аппараты такой конструкции эксплуатируются, помимо ШИК, на НПО "Тулачермег" и заводе "Свободный Сокол" (г,Липецк), а также проектируются в Л.Ф.ГИПРШЕЗа для других предприятий.

4. Анализ влияния тепловой защиты клапана на температурное состояние -^утерорки штуцера горячего дутья

Физическая постановка задачи заключается я елодующем. В период нагрева насадки продукты огорания движутся снизу вверх вдоль оси камеры горения, при этом клапан горячего дутья закрыт. В период охлаждения насад:ш дутье движется сверху вниз вдоль оси камеры горения до уровня штуцера горячего дутья (ШГД), а затем -вдоль оси штуцера (при открытом клапане) и уходит в общий трубопровод горячего дутья.

Составлена двумерная краевая задача нестационарного тенлопа-реноса в футеровка ШГД и камеры горения без учета теплового влияния насадки. Принято также, что в течение газового периода из-за циркуляция продуктов сгорания их температура по ьсей длине ШГД одинакова, а по висоте камеры горения изменяется от 9Ш°С внизу до температуры купола на полошшз высоты и ршш. Краевые условия вклычают конвективный и лучистый теплоперенос. Расчет лучистых тепловых потоков шполнан зональным методом с учетом селективного поглощения газа. При отдалении воздухонагревателя учитываете»! теплообмен излучением по длине штуцара и зыоота к-иарц ^ог.ии.-.л, а таие коньактияный твтюпвреиос в ннй.

Математическое моделирование ьшюлнчно для условии, характерных для работы воздухонагревателей яеччй Сб-ьвши 3200 ц3, при

трех вариантах конструкции отсечного шбера клапана горяч о го дутья: с обычной незащищенной поверхностью шибера, экранированной металлом и футерованной слоем керамики толщиной 1С мм. Изменение температурного поля в футеровке ШГД при естественном охлаждении воздухонагревателя рассчитывалось в случпе отделения аппарата как после газового, так и после дутьевого периода.

Результаты расчетов для раоочего режима эксплуатации воздухонагревателя показывают, что наибольший перепад температуры по длине внутренней поверхности кладки штуцера имеет место в конце газового периода, а тепловая защита клапана позволяет уменьшить этот перепад в 2,5-2,8 раза, снизить колебания температуры за время цикла работы аппарата в-¿,4 раза; в 1,3-1,8 раза уменьшается температура рабочей поверхности шибера, что улучшает условия его службы. Расчетами установлено, что наибольший перепад температуры по длине внутренней поверхности футеровки 1ЛЩ сосредоточен на относительно небольшом участке его длины (~500 мм от клапана горячего дутья) и снижается при теплоизоляции или экранировании клапана примерно в Э раза. Аналогичные закономерности сохраняются и при естественном охлаждении воздухонагревателя в течение четырех суток с момента ого отделения.

Анализ результатов моделирования показывает, что экранирование и теплоиэоляцич клапана горячего дутья влияют на температурное состояние футеровки ШГД и условия службы самого клапана почти одинаково. Практический выбор способа определяется стойкостью тепловой зашиты и простотой ее выполнения. Один из вариантов конструкции - экранирование планируется внедрить на НЛМК.

5. Теоретические и стендовые исследования условий, службы огнеупоров в воздухонагревателях В данной главе представлена математическая модель напряжен-

но-деформированного состояния кладки купола, на основе которой показана целесообразность прчменения режима нагрова воздухонагревателя при ступенчатом изменении температуры купола, когда некоторое время от начала периода нагрева X температура купола Т превышает регламентируемый инструкцией уровень Тр , а а оставшиеся время (- X) поддерживается на уровне Тр .

Задача ззшпочается п определении условий, при которых с повышением темперпгурн купола до Г ( Т >Тр) в течение некоторого времени Т о начала газового периода обеспечивается та же вэ-личина деформации ползучести кладка купола в поверхностном оо слое, что и при нагреве воздухонагревателя с постоянной температурой купола Тр ,

Возврат от температуры Т к болоо низкой Тр приводит к полному снятию напряжений между кирпичами кладки по истечении выдержки купола продолжительностью Т*при 7", определяемой из уравнений:

б(тр,т*) *е[<*(Тр-%с>-^а*(т,т*)] =0 (7)

и, считая мортель линейной пяз ко-упругой средой наследственного

Длительность стадии Т определяется по зависимости

В уравнениях (7)-(9): <5 - окружное напряжение, Яа;с£- коэффициент линейного терморасширэняя кирпича, Та, Тро - температура футеровки на радиусе, где £> =» 0 при Т и Тр соответственно,' К; £ - модуль упругости кирпича, Па; Е0 - модуль общей .деформации мертеля, Па; О , - кажущаяся энергия активации ползучести кирпича и мертеля, кДж/моль; /? = 8,314 кДж/Смоль-К); й -внутренний радиус кладки купола, м;Н - количество пшов в кладке

в окружном .направлении; » && - начальная толщина шьа и его деформация, м;С - постоянные коэффициента.

Численное решение уравнений (7), (8) для воздухонагревателя доменной печи объемом 3200 м3 показывает, что вдержка 2**не превышает 10 мин, и, следовательно, на практике в ней нот необходимости. Расчеты по уравнению (Ь) для динасовых и муллитокорувдо-вых огнеупоров показали, что Т/ составляет "33% при Т = = 1400°С, при Т = 1450°С и~5# при 7~ = 1500°С ( Т, =1350°С). Такой способ нагрева по сравнению с традиционным позволит без снижения стойкости футеровки воздухонагревателя повысить среднюю температуру нагрева дутья на~12°С (при Т = 1400°С) и~9°С (при 7~ = а 1450°С). Метод нагрева с повышенной температурой купола предложен для промышленного опробования, на ШШК.

Цель исследования термостойкости данасоаых изделий - на основе экспериментальных исследований, моделирующих условия службы _ динасовой кладки воздухонагревателей, проверить правильность вывода о решающем влиянии обусловленной несовершенством кладки внешней нагрузки на стойкооть кладки, оценить известные конструкции воздухонагревателя, позволяющие уменьшить эг' нагрузку я, соответственно, повысить экономичность и долговечность аппаратов.

Для решения этой задача изучили стойкооть образцов из динаса в зависимости от количества циклов нагрева и охлаждения в области температур до 600°С и внешней нагрузки от О до 2,5 МПа. Цикл термообработки включал нагрев образцов со скоростью 5,5-6,0 К/мин, выдержку при 600°С в течение 1ч и охлаждение от 600 до 300°С со скоростью ~4,5 К/мин и ,6-К/мин - от 300 до Ю0°С. Нагрузке до 0,5 МПа соответствует нагрузка от веса кладки, а свыше 0,5 МПа - ожидаемая от несовершенства кладки.

В ходе исследований установлено, что количество циклов термообработки до появления в образцах микротрещин сильно зависит от

величины внешне!! нагрузки (табл.), а принимаемая в настоящее время относительно нобольтая скорость изменения температурь' купола (до 5 К/ч) при сушке и разогреве воздухонагревателя с динасовой кладкой не может быть обменена низкой стойкостью огнеупоров.

Таблица

Нлиянио внешней нагрузки на появление микротрэгош и сколов в образце

Внешняя нагрузка, МПа О 0,46 ■ 1,08 2,52

Количество ¡щклов термообработки до появления микротреиин, шт. 15 V 3 0

Количество циклов термообработки до появления сколов, кг. - 10 6 .1

Определяете»; при риборз скорости подъема температуры купола во время сушки и рпзогрввп роздухонягрователя с динясовой кладкой является внешняя нагрузка, обусловленная неравномерным обог-' ревом нг.садга (гладки стон) и несовершенством ее конструкции из-за ограничения термического расширения отдельных ее элементов и участков. В наибольшей степени требованию равномерности .температуря по сечению аппарата отвечают конструкции бесиахтного и воздухонагревателя с внутренней центральной камерой горения и отводом горячего дутья сверху.

Результаты исследования используются Л.О.ГШРОМЗЗа при про-вктирогании воздухонагревателя с. центральной кл мерой горения для НПО "Тулвчермот".

одаз выводы .

I. Разработана математическая модель для расчета перетока газа через трекушы в кладке стенн камеры горения и оценки влияния перетока и высоты установки кессона на температуру нагрева дутья. Устш'.овлено, что наибольшее влияние на эф^сэтивность раб о-

-Ги-

ты воздухонагревателя оказывают трещины в основании камеры горения и что установка кессона до уровня штуцера горячего дутья практически исключит влияние поретоков на температуру нагрева дутья, потери отопительного газа и загрязнение атмоароры.

2. Результаты математического моделирования температурного поля в футеровке каморы горения показывает, что на ее стойкость существенное влияние оказывает нестационарный топлоперонос ; продувке воздухонагревателя перед его постановкой на дутье. Используя для этой цели вместо воздуха продукты сгорания, модно уменьшить падение температуры поверхности каморы горония в ~1,75 раза. Порепад температуры в поверхностном слое футеровки толщиной 20 мм в области удара газовых струй уменьшается в~1,8 раза. Регулирование температуры купола дымовыми газами позволяет относительно просто реализовать этот способ продувки воздухонагревателя и, тем самым, способствует повышению стойкости футеровки камеры горения в области удара газового потока за счет снижения

термонапряжений.

3. Опытно-промышленные исследования ячеистого стабилизатора газового потока из сваренных мозду собой труб подтвердили эффективность этого способа подавления пульсаций замени в камерах горения воздухонагревателей. Максимальная амплитуда колебаний статического давления на уровне горелки для условий работы воздухонагревателя 9 доменной печи 3 НЛМК снижается в "-1,5 раза при установке стабилизатора в газовом кольце горелки. Лри установке стабилизатора по всему сечению горелка воздухонагревателя 16А доменной печи 5 ШШ опасный пульсационный режим горения не наблюдался при увеличении расхода газа в~1,65 раза.

4. Предложена уточненная математическая модель для расчета температурных условий службы внутренней смещенной камеры горения. Рассчитанный по уточненной модели оптимальный зазор 25-35 мм бли-

зок найденному по упрощенной модели 30-40 мм, а максимальная раз- . ноеть температуры по периметру стены камеры горешш примерно в 1,5 раза меньше. Результаты расчетз по уточненной модели хорошо согласуются с данными промышленных исследований воздухонагревателя со смещенной камерой горения. В такой конструкции воздухонагревателя по сравнению с типовой перепад температуры по периметру камеры горения для исследованного уровщт примерно в 6 раз меньше, что соответственно должно повысить стойкость камеры горения и воздухонагревателя в целом.

5. Разработана математическая модель расчета температурного ролл в футеровке штуцера горячего дутья с учетом теплового влияния отсечного шибера горячего дутья. С помощью этой модели установлено, что наибольший перепад температуры наблюдается на относительно небольшом расстоянии (~500 мм) от клапана горячего дутьй й снижаемся при теплоизоляции или экранировании клапана примерно в 3 раза. Тепловая защита рабочей поверхности клапана позволяет уменьшить неравномерность температурного поля по длине внутренней поверхности кладки штуцера в 2,5-2,8 раза в начале охлаждения и в 1,6-2,8 раза спустя четверо суток после отделения аппарата.. При • отом улучшаются условия службы самого клапана.

Установлено также, что способы тепловой защиты рабочей поверхности клапана горячего дутья экранированием или теплоизолированием влияют на температурные условия службы штуцера почти одинаково. Выбор способа зависит от стойкости и трудоемкости выполнения теплозащиты.

6, Выполнены расчеты по определению напряженно-деформированного состояния огнеупоров кладки купола с целью обоснования эффективного метода нагрева воздухонагревателя, при котором каждый период нагрева насадки делится на две стадии; в течение первой стадии температура купола поддерживается на уровне, превышающей

регламентируемый инструкцией на величину, определяемую термостойкость» внутреннего оката, а на второй - на регламентируемом уровне, Для принятых условий работы вопцухонагронагелей доменной печи объемом 3200 м3 получено, что снятие чрезмерных напряжений в кладке купола происходит за относительно небольшое время (-1-2 мин) и не требует дополнительной вгдержки. Продолжительность стадии с повышенной температурой купола зависит от превышения температуры над регламентируемым уровнем и составляет при превышении на 50°С и~12# при превышении на 100°С, что позволит повысить температуру нагрева дутья на ~ 12 и 9°С соответственно без снижения стойкости Футеровки воздухонагревателя.

7. Результаты лабораторных исследований термостойкости образцов из динаса под нагрузкой подтверждают вывод о том, что стойкость кладки (насадки) воздухонагревателя: вообше и, в частности, во время сушки и раэогрвва, в значительной степени определяется величиной внешней нагрузки» Последняя обусловлена, главным образом, неравномерным обогревом насадки (кладки стен) и несовершенством ее конструкции из-за невозможности свободного или с определенной степенью ограничения термического расширения отдельных элементов и участков. Поэтому совершенствование кладки и разработка более совершенной конструкции воздухонагревателя (бесшахтного или с центральной камерой горения и отводом горячего дутья сверху) с целью снижения внешней нагрузки позволит ускорить процессы сушки и разогрева или охлаждения аппаратов, повысить их экономичность и долговечность.

8» Основные разработки и результаты исследований внедряются или планируются к внедрению в первую очередь на КЛМК и используются Л.Ф.ПШРОМЗЗа при проектировании воздухонагревателей для других предприятий.

На ряд работок, а именно: метод нагрева воздухонагревз-

геля с использованием рецяркулшщл уходяпдех продуктов сгорания, метод нагрева воздухонагревателя с повышенной температурой купола,. вариант конструкции воздухонагревателя с внутренней смепузн-нои. камерой горения поданы заявки на изобретения и получены авторское свидетельство и положительные решения.

Основное содержание работы отражено р слодуки'дх публикациях:

1. Оптимизация работы домон!шх воздухонагревателей на основе использования тепла отходящих дымовых газов/ Соломзнцвв С.Л., Коршиков В.Д. .Кирьянов П.И. .Бяшшн П.Г.- Тез.докл.региональной наушо-практич.конф.^рактика, лробле?.м разработки я внедрение ресурсосберегающих технологий",Липецк,1987,с.5.

2. Еянгаш И.Г..Коршиков В.Д. Математическое моделирование процессов теплообмена в модифицированных регенераторах со смоченной кямерой горения// Твэ.догл.Всесоюзной научно-тьхняч.конф. "Обобщение опыта работ» молодых ученых, инженеров и рабочих отрасли по экономии материальных и энергетических ресурсов"Донецк, 1989,с.142-143.

3. Коршиков В.Д. ,Бяикин И.Г. ,Солокв!щов С,Л. Пожшэнио эффективности и надеяности воздухонагревателей о внутренней камерой горения// Тоз.докл. республиканской койф^"Повншеияе эффективности использования топливно-энергетических ресурсов в чорной металлур-гии",Днопропетровск,1889,ч.1,с.101.

4. Коршиков В.Д. ,Бяншш И.Г.,Кирьянов П.Й. Энергосберекеназ в газовых регенераторах на основе оптимизации пароходных процес-' сов// Тез «докл.республиканской конф. "Повышение эффективности ис- ■ пользования топливно-энергетических ресурсов а черной ыэталлур-гии",Днепропетровск,1289,4.2,0,102.

5. К оптимизации нагрова воздухонагревателей на основе рециркуляции дымовых газов/ Коршков В.Д.,Еяню;н И.Г.,Кирьянов П.И.

и др.- Тез.докл.региональной научно-технич.конф."Проблемы янерго-и ресурсосберегающих технологий в черной металлургии",Новокузнецк, 1389,с.32.

6. Опыт эксплуатации воздухонагревателей с внутренней боковой камерой горения// Коршиков В.Д. .Сальников В.Г. .БасукшшияЯ С. М.,Еянкин И.Г.и др.- Сталь,1990,Я,с.В-Ю.

7. Соломенцев С.Л..Кортиков В.Д.,Еянкин И.Г. Системны» анализ и оптимизация воздухонагревателей с внутренней камерой горе-кия//*еэ.дошивсесоюз.научно-технич.конф. "Теплотехническое обеспечение технологических процессов металлургии".Свердловск,1990,с.II.

8. К оптимизации ступенчато'го нагрева высокотемпературных ре-генераторов/Коршиков В.Д. »Басушшский С.М. .Кирьянов П.И. .Епнкин И.Г.и др.- Иэв.вузовЛерная металлургия,1990,$3,с.76-70.

9. Подавление пульсаций пламо!ш в камерах горения воздухона-грзвателоЙ/Пахомов С.Ф. .Коршиков В.Д. ,Еяшшн И.Г.и др.Металлург, 1991,№4,с.35.

10. Коршиков В.Д'. ,Еянкин И.Г. .Кирьянов П.И. К вопросу о снижении термонапряжений в разделительной стене камори горешш возду-хонагрЕваголя//Изв.вузов.Черная гдетштлурггл, 1991 Л.'4 .с .110-111.

11. Интенсификация нагрева доменного дутья/Корщиков В.Д.,Еян-кдн 1!.Г. .Помщаов В.В.и др.-Тез.докл.3-й всесоюзной науьконф."Интенсивное энергосбережение в промышленной теплотохнологил'*,Москва, 1991,с.61.

12. Энергосбережение в доменных воздухонагревателях на основе утилизации оборотного дыма/Коршиков В.Д. ;Еянкин И.Г. .Кирьянов П.И. и др.-Изв.вузов.Черная металлургия,1991,с.98-100.

13. А.с, 1546500 СССР, Доменный воздухонагреваголь/Соломен-цев С.Л. .Басукинокяй С.М..Сигмувд В.К..Чернобривец Б.й..Кирьянов П.И..Еянкин И.Г,- Опубл.в Б.И,,1990,Лв.