автореферат диссертации по металлургии, 05.16.02, диссертация на тему:Исследование и совершенствование режимов работы и конструкции доменных воздухонагревателей

ЛИПЕЦКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

I

На правах рукоппси

КИРЬЯНОВ Петр Иванович

УДК:665.162.223

ИССЛЕДОВАНИЕ И СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ РЕЖИМОВ РАБОТЫ И КОНСТРУКЦИИ ДОМЕННЫХ ВОЗДУХОНАГРЕВАТЕЛЕЙ

Специальность 05.16.02 - "Металлургия черных металлов"

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Липецк - 1992

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

Марков Б.Л.

Научный консультант : кандидат технических наук, доцент

Коршиков В.Д.

Официальние оппоненты: доктор технических наук, профессор

Кортиков Г.В.

кандидат технических наук, доцент Курунов И.Ф.

Ведущее предприятие : Научно-производственное объединение

"Тулачермет"

Защита состоится II июня 1992 г. в 15 час.00 мин. 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 " 8 " мая 1992 г.

Ученый секретарь специализированного совета

профессор, кандидат технических наук л/'^ ' В.С.Зайце

- 3 -

ОБДАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Одним из наиболее важных направлений повышения эффективности доменного производства является увеличение температуры нагрева дутья и степени использования тепла в процессе доменной плавки. Решение этих задач зависит от совершенства конструкции и режима работы доменных воздухонагревателей, которые обеспечивают нагрев доменного дутья и, следовательно, экономичную работу доменных печей и снижение удельного расхода кокса. Повышение температуры нагрева дутья в воздухонагревателях возможно за счёт -совершенствования их. конструкции, оптимизации режима их работы, рационального использования физического тепла дутья в печи, а такте рециркуляции и утилизации тепла уходящих дымовых газов. Решение поставленных задач будет способствовать повышению эффективности работы доменных воздухонагревателей.

Цель работы. Совершенствование конструкции элементов и режимов эксплуатации воздухонагревателей на основе экспериментальных и расчётно-теоретических исследований.

Научная новизна. Разработан метод нагрева насадки воздухонагревателей с регулированием расхода газа в зависимости от изменения температуры уходящих дымовых газов и их рециркуляции.

Предложена конструкция компактного и надёжного в эксплуатации регенеративного теплообменника для утилизации тепла уходящих дымовых газов доменных воздухонагревателей.

Предложен способ регулирования теплового состояния горна доменной печи изменением влажности дутья в зависимости от его . температуры.

Разработаны и исследованы на моделях улучшенные насадки из кирпичей и блочных элементов. Получены критериальные урав-

нения для расчета коэффициентов теплоотдачи к гидравлического сопротивления в этих насадках.

Предложена уточненная математическая модель для расчета температурного поля в насадке и футеровке воздухонагревателя при его естественном охлаждении. -"

• - Практическая ценность. Разработан и внедрен на Н11МК режим нагрева насадки воздухонагревателя с регулированием расхода газа с коррекцией по температуре уходящих дымовых газов,что позволило повысить температуру нагрева дутья.

Предложен и внедряется на ШМК режим нагрева воздухонагревателя с рециркуляцией уходящих дымовых пазов.

Предложены к приняты к внедрена на Липецком металлургическом заводе "Свободны" сокол" способ и конструкция компактного регенеративного теплообменника для утилизации тепла'уходящих дымовых газов доменных воздухонагревателей.

Внедрён на Липецком металлургическом заводе "Свободный сокол" способ регулирования теплового состояния горна доменной печи изменением влажности дутья в зависимости от его температуры.

Разработан ряд улучшенных насадок, два варианта которых внедрены на Липецком металлургическом заводе "Свободный сокол".

Результаты расчёта температурного поля огнеупоров доменных воздухонагревателей при их естественном охлаждении, полученные с помощы? уточнённо\ математической модели, переданы -для внедрения на ШШ и Липецкий металлургически:: завод "Свободны/. сокол".

Разработаны и внедрены на ЯЫШ и -Пшенном металлургическом заводе "Свободны": сокол" схемы автоматического управления предложенными режимами нагрева воздухонагревателей.

Экономический эффект от внедрения ряда разработок соста-

внл 100 тыс.рубле"; в год. (

Апробация работы. Основные результаты работы, обсуждены на:

- Всесоюзной научно-технической конференции "Энергосберегающие технологии к теплоэнергетические проблемы оптимизации печного хозяйства металлургических предприятий" (г. Миасс, 1УЬ7 г.);

- Региональной научно-практической конференции "Практика, проблемы, разработки и внедрение ресурсосберегающих технологий" (г. Яшецк, 1987 г.);

- Региональной научно-технической конференции "Проблемы энерго-и ресурсосберегающих технологий в чёрной металлургии" (г.Но-

ч

вокузнецк, 19ьУ г.);

- Региональной научно-технической конференции "Молодежь и научно технический прогресс" (г. Липецк, 19ЬЬ г.).

Публикации. По теме работы опубликовано II печатных работ, получено три авторских свидетельства на изобретения.

Объём работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав общих выводов и приложений. Работа содержит 112 страниц машинописного текста, в таблиц, 34 рисунка, библиографический список из 122 наименований.

' ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ I. Анализ литературных источников Примерно 90 процентов всех воздухонагревателей, эксплуатируемых на отечественных заводах, составляют воздухонагреватели с внутренне^ камерой горения. Поэтому совершенствование конструкции и режимов их работы является важным резервом улучшения технико-экономических показателей работы доменных пече". Анализ режимов эксплуатации воздухонагревателей показывает, что повышение температуры нагрева дутья возможно за счет

применения в них насадок с улучшенными теплотехническими характеристиками, оптимизации режима их работы, использования рециркуляции и утилизации тепла уходящих дымовых газов. Максимальное использование тепла дутья , поступающего из воздухонагревателе Г; с переменной за период температурой, возможно при обеспечении постоянства теплового состояния горна доменной печ1 Эксплуатация воздухонагревателей в режимах, близких к пределы« допустимым по условиям стойкости элементов их конструкций, приводит к увеличению числа и длительности их остановок на ремонт! а применение в высокотемпературных зонах аппаратов дкнасовых огнеупоров вызывает необходимость определения температурного поля насадки и футеровок в случаях .их длительного охлаждения. Зто позволит своевременно принять меры для предупреждения разрушения огнеупоров воздухонагревателя, обусловленного его охлаждением и последующим разогревом. В связи с вышеизложенным: . задачами исследования являются:

- выбор и оптимизация режимов эксплуатации воздухонагревателей;

- разработка способа рециркуляции уходящих дымовых газов и надежной конструкции теплообменника для утилизации их тепла;

- исследование влияния на параметры доменной плавки изменения влажности дутья одновременно с изменением его температуры;

- разработка, внедрение и исследование новых эффективных насадок;

- выбор метода определения температурного поля насадки и футеровок воздухонагревателя при его естественном охлаждении,

2. Выбор оптимальных тепловых режимов работы доменных воздухонагревателем

Оптимизация режимов работы доменных воздухонагревателем

возможна,- прежде всего, на основе повышения эффективности

зплопереноса в насадке, утилизации тепла уходящих продуктов зрения и рационального использования горячего дутья в домен-эй печи.

При наличии ограничений по температуре купола и низа на-адки воздухонагревателей наибольшее количество тепла может лть аккумулировано насадкой при ступенчатом режиме её нагре-1. Этот режим предусматривает увеличение расхода газа в на-альный период нагрева до достижения под куполом заданной тем-эратуры, что интенсифицирует теплообмен в насадке и одновре-знно увеличивает темп повышения температуры уходящих продуктов зрения. Затем расход газа (В) снижается с таким расчётом, что>! в конце периода нагрева температура уходящих газов достигла э.ксимально допустимого значения - 400°С. При этом температура )верхности насадки на любом уровне поддерживается максимально эзможной за период нагрева, градиент температуры по толщине генок каналов в конце нагрева несколько меньше по сравнению с >ычным режимом, что говорит о повышенном теплонасыщении насадки.

Выполнены расчётные исследования работы воздухонагревате-зй доменной печи объёмом 3200 куб.м НЛМК при постоянном и пе-зменном в течение периода нагрева насадки расходе газа.

Анализ результатов этих расчётов показал, что повышенный кзход газа в начале нагрева позволяет в два раза сократить эемя достижения заданной температуры купола. С учётом этого, > сравнению с типовым, ступенчатый режим нагрева позволяет >высить температуру нагрева дутья на 5-6 °С при увеличении зедней температуры уходящих газов на 10-12 °С.

Экспериментальные исследования на воздухонагревателе до-¡нной печи № 5 НЛМК подтвердили выводы расчётных исследова-

-О-

ний: переход с режима нагрева насадки с постоянным расходом газа на ступенчатый сократил в 2 раза время достижения заданной температуры купола.

Внедрение ступенчатого режима нагрева насадки дало эконо мический эффект 58 тыс.рублей.

* В то же время применение ступенчатого режима нагрева сни жает КПД воздухонагревателя. Увеличить КПД можно при использо вании уходящих дымовых газов для регулирования температуры купола. Кроме того, рециркуляция дымовых газов позволяет снизит содержание окислов азота в уходящих газах.

С целью проверки расчётным путём влияния рециркуляции уходящих дымовых газов на показатели работы воздухонагревателя была использована известная математическая модель тепло-переноса в насадке и уравнение баланса тепла:

- С [ с»г Ъг * *> спг гг_ * (СС-/)С6 7Гв1,

где О* - теплота сгорания топлива кДж/м^; ^ - пирометричео • коэффициент; удельное количество продуктов горения (1

и воздуха, м3/м3 газа; „г - температура п.г. на входе

выходе из насадки, °С; о£- коэффициент расхода воздуха; доля рециркулирующих п.г.; Сг, Св, Спг - уд. теплоёмкость гаэг воздуха и п.г.; ^ ; ^ - начальная температура газа и воздух«

Анализ результатов расчётов для условий работы воздухонагревателя доменной печи объёмом 2000 куб.м с постоянным расходом газа и его ступенчатым изменением, при рециркуляции

ьшовьк газов и без неё покрал, >:то доля рециркулирующей части азов в конце периода нагрева достигает значения 0,152. Средний а период нагрева расход топлива с использованием рециркуляции азов при нагреве дутья до одинаковой температуры уменьшается а 1,5 процента при постоянном и на 3 процента при переменном асходе газа, а КПД воздухонагревателя увеличивается на 5 про-ентов по сравнению с базовым режимом нагрева. Доля рециркули-ующей части газов и КПД аппарата повышаются с увеличением ка-орийности топлива.

Разработана система автоматического управления режимом на-рева воздухонагревателя, обеспечивающая стабилизацию темпера-уры купола рециркуляцией дымовых газов и максимальную темпера-УРУ, уходящих газов (400°С) коррекцией расхода топлива.

Планируется внедрение на НЛМК режима нагрева воздухонагре-ателей с рециркуляцией уходящих газов.

Повышение КПД воздухонагревателя достигается и при исполь-овании утилизаторов тепла уходящих дымовых газов. Однако, ис~ ользование тепла уходящих газов до настоящего.времени не на-одит распространения на отечественных предприятиях в связи с ромоздкостью, большой материалоёмкостью, низкой надёжностью гилизирующих установок.

Анализ существующих конструкций утилизаторов позволил разра-отать конструктивно простой, не требующий значительных затрат, омпактный регенеративный теплообменник для утилизации тепла ымовых газов воздухонагревателей.

Регенеративный теплообменник состоит из двух рабочих ка-ер, заполненных насадкой из чугуна, которая обладает высокими еллопроводностыо и объёмной теплоёмкостью. Предложенный Липец-ому металлургическому заводу "Свободный сокол" регенеративный

утилизатор позволит повысить температуру нагрева дутья на 60°С или сэкономить 6 процентов доменного газа при той же температуре дутья-

Важное значение для поддержания стабильного теплового состояния горна доменной печи имеет влажность дутья. В связи с этим" разработан и внедрен на доменных печах Липецкого металлур; ческого завода "Свободный сокол" способ стаЗш:; зации теплового состояния горна, при котором з фурменную зону поступает дутье с переменной температурой и соответствующей ей влажностью при ; томатическом регулировании добавок пара на увлажнение дутья. П; этом затраты тепла на разложение дополнительного количества па; поступающего с дутьём в горн, компенсируются теплом дутья, ран< не используемым Св случае применения схемы с подмешиванием части холодного воздуха к горячему). Промышленными исследованиям на Липецком металлургичесюм заводе "Свободный сокол" установлю но, что естественная влажность воздуха в течение суток изменял до 1,6 раза. Температура дутья колебалась в пределах от 1060 д Ц70°С при её среднем значении за сутки III4°C, что на 29°С вы температуры дутья при работе печи на дутье с постоянной темпер турой. Влажность дутья изменялась в 2 раза при среднем значена

о о

18,2 v/u , что на 3,2 г/м выше влажности дутья при работе печ на дутье с постоянной' влажностью. Разложение дополнительного

о

количества влаги дутья (3,2 г/м ) происходит за счёт роста те^ пературы дутья на 29°С, ранее не используемого (при работе net на дутье с постоянной температурой и влажностью).

Работа доменной печи с системой регулирования теплового с стояния горна позволила улучшить показатели работы печи, что обеспечило получение экономического эффекта в 38 тыс.рублей в

3. Разработка и исследования новых насадок

В соответствии с новыми принципами конструирован!л регенеративно"! насадки конструкция её элементов г. способ кх укладки должны способствовать участию в теплообмене по возможности все-" их вертикальном поверхности, а интенсификация теплообмена должна достигаться путём турбулизации пограничного слс-т потока небольшими выступами, или впадинами в каналах и выполнением в не" горизонтальных проходов в виде узких вертккалышх щеле-'г. Изложенные, принципы конструирования позволяют улучшить известные т>шы насадок, что даст возможность за счёт увеличения поверхности и интенсивности теплообмена повысить температуру нагрева дутья в воздухонагревателях или при то/ же температуре дутья уменьшить его высоту. Немаловажным при разработке усовершенствованных насадок являются технологичность их изго- . товления и стоимость.

С учётом этих факторов разработан ряд вариантов насадки.

Сконструирована насадка из кирпичей в форме косого параллелепипеда, широкие боковые грани которых выполнены в виде параллелограммов, причём их верхняя сторона смещена относительно нижней на 0,03-9,1 ширины кирпича. Для интенсификации теплообмена на широких боковых гранях предложено выполнить канавки с наклоном под углом 45° к горизонтально'"' оси VI шагом между ними 0,21-1,0 гидравлического диаметра насадки. Технология и стоимость изготовления такой насадки не отличается от обычно";.

С целью дальнейвего увеличения относительно"- поверхности нагрева, турбулизации и интенсификации теплообмена разработана конструкция насадки из кирпича с дистанционными

выступами, снабженного дополнительными проходами в виде вертикальных' щелей.

Геометрические характеристики насадки Каупера из обычной и улучшенной формы кирпича приведены в таблице I.

Таблица I.

Геометрические характеристики насадки Каупера

¡Насадка !Насадка из'.Насадка из кирпи-! Насад! !из обыч-!кирпичей !чей в форме коссго!из блс !ных кир-!с дистан- !параллелепипеда !ных ю Показатели 1пичей !цион.вы- !(предлагаемые) !пичей ! (типовая)ступами {оез ка-!с канавюйдопол!-! ! (извест- !навок ка!на широкой!прохо; ! !ная) !широк. ¡боковой !ми _!_!_! бэк. гранИ грани J_

Относительная поверхность нагрева

насадки, м2/мР 24,9 ' 43,2 43,1 43,2 62,37

Относительное $ивое сечение насадки,

м2/м2 0,28 0,28 0,28 0,28 0,28

Коэффициент заполнения насадки,

м3/м3 0,720 0,666 0,681 0,660 0,610

Описанные насадки исследованы на моделях, выполненных для кирпича размером 230x130x40 мм с гидравлическим диаметром насадки 45 мм. При атом был использован метод локального моделирования.

Число Рейнольдса в опытах изменяли в диапазоне 3000... 2000, эти значения являются характерными для большинства

воядухонагре вателе г?.

Для определения коэффициентов теплоотдачи конвекцией измеряли количество тепла, передаваемого от рабочего элемента насадки (калориметра) к омывающему его поверхность газообразному теплоносителю. Для исключения потерь тепла теплопрэгодностью к элементам насадки от калориметра использовались компенсационные' нагреватели.

При определении коэффициентов гидравлического сопротивления измеряли потери давления теплоносителя через насадку. Отбор давления теплоносителя перед насадкой осуществляли непосредственно из каналов насадки, а не на входе в них. Этим исключалась погрешность измерений, обусловленная влиянием местных сопротивлений на.входе в насадку, которые могут быть соизмеримы с потерями на трение в каналах модели насадки.

С целью обеспечения требуемой точности измерений и компактности лабораторного стенда масштаб модели был выбран I : 3, 4. Высота модели насадки определена из условий размещения калориметра в зоне стабилизации потока теплоносителя. Результаты обработки данных моделирования в виде критериальных зависимостей приведены в таблице 2.

Полученные критериальные уравнения были использованы для сравнительных расчётов, выполненных с целью оценки эффективности применения насадки из кирпичей в форме косого параллелепипеда в воздухонагревателях доменной печи объёмом 700 куб.м Липецкого металлургического завода "Свободный сокол" вместо насадки из обычных кирпичей и насадки из блоков БНИ-12-2.

Таблица 2,

Результаты обработки экспериментальных данных (гидравлическая диаметр канала насадки аг =45мм)

У Расчетные 'урав! Рй-йчеТнИё" "ypas* !нения для опре'ния для опредед ¡деления коэффи.'ния коэффициент !циентов тепло-!гидравлического !отдачи конвек-!сопротивления

Ю пп

Наименование насадки

! циеи

1. Насадка Каупера из обычного кирпича 230x130x40 мм

2. Насадка из кирпичей с дистанционными выступами 230x130x40 мм

3. Насадка из кирпиче« в форме косого параллелепипеда без канавок на широких боковых гранях 230x130x40 мм

4. Насадка из кирпичей в форме косого параллелепипеда с канавками на широких боковых гранях 230x130x40 мм

5. Насадка из блочных кирпичей с дистанционными выступами 230x130x40 мм

Nu* 0,01е2£е0'0 ^ =0,3I64$iP Nu = 0,0396&?0»;6 £ =0,455Яё°'

Г/и=о ,036QRe °>b ^ =0,425/#»

M/=0,037Iße°'b f =0,443ߣ Nu =0,044£e'°'ü

■ Таблица 3.

Результаты расчёта эффективности применения исследованных насадок

! параметры насадки ! г'идравличе- Iобщая высота

Шрёдня] ! темпер; !тура !горяче1 !дутья,с

пп

хил насадки

!ческий диа-!метр, мм

насадки, м

1. Насадка Каупера из кирпича размером 170x150x60 мм 60

2. Насадка из кирпича в форме косого параллелепипеда

размером 170x150x60 мм 60

3. Насадка из кирпича в форме косого параллелепипеда 170х150х хбО мм с турбулиэирущими канавками на широкой боковой грани 60

4. Насадка из блочных кирпичей размером IVO х150х60 мм 60

5. Насадка из типовых блочных элементов БНИ 12-2 (изделий № ö0) 40

25,9 25,9

25,9 25,9 25,9

1076 II4I

1154 II64 II4Ü

Расчёты выполнены при следующих данных: время нагрева и дутья соответственно 2'ч. 10 мин. и 0,75 часа, расхсддутья 24,9 куб .'м/с и продуктов горения 11,5 куб.м./с; температура купола I250°Q; температура дутья на входе в насадку Ю0°С. Результаты расчёта приведены в таблице 3.

Замена насадки из обычных кирпичей во время планового ремонта на насадку из кирпичей в форме косого параллелепипеда, характеризующейся такой же стоимостью изготовления элементов и не требующей дополнительных затрат на монтаж, позволит повысить температуру дутья на 65°С, что эквивалентно экономии 200 тыс.

о

руб, в год для доменной печи объёмом 709 м . Замена насадки из обычных кирпичей на насадку из кирпичей в форме косого парал -лелепипеда является более целесообразной, чем на насадку БНИ-12-2, т.к. последняя в 2-3 раза дороже по сравнению с насадкой из кирпича и требует изготовления и монтажа новой конструкции поднасадочного устройства.

На воздухонагревателе № 6 доменной печи № 2 Липецкого металлургического завода "Свободный сокол" внедрено 420 т насадки из кирпича в форме косого параллелепипеда. Промышленные исследования предложенной насадки показали, что её теплопроизводи-тельность на 25 процентов- выше по сравнению с насадкой из обычного кирпича, что позволит увеличить среднюю температуру нагрева дутья на блок из трех"воздухонагревателей на 15°С.

Была предложена улучшенная насадка БНИ-12-2. Лабораторными исследованиями этой насадки установлено, что интенсивность теплообмена в ней на 20-30 процентов выпе, чем в типовой насадке БНИ-12-2, образующей гладкие каналу; коэффициент гидравлического сопротивления повышается примерно на такую же величину. С целью оценки соответствия действительных преимуществ предложенной насадки по сравнению с типовой, установленных на

модели,в промышленных условиях исследован опытны" участок этой насадки. Уровень размещения опытного участка насадки определяли из условий получения максшального увеличения температуры нагрева дутья и большей точности эксперимента. Для выявления оптимального уровня размещения опытного участка по высоте насадки с точки зрения увеличение температуры нагрева дутья использованы результаты расчётов, выполненных применительно к воздухонагревателям доменной печи обтемом 3200 куб.м. Оптимальность условий локальной замены насадки ЬШ-12-2 на, модернизированную в нижней, средней и верхне" зонах ло высоте воздухонагревателя определялась величиной , где - повышение температуры

дутья в результате модернизации, АР - увеличение при этом гидравлических потерь давления. Расчётом установлено, что изменение по высоте места расположения участка насадки с турбулизи-рующими элементами практически не влияет на температуру нагрева дутья. Поэтому опытный участок может располагаться на любой высоте. На воздухонагревателе № 4 Липецкого металлургического завода "Свободный сокол" опытный участок насадки разместили на высоте 11-16 м. В наТзадке воздухонагревателя были выделены две зоны, выполненные соответственно из типовой и улучшенной конструкции насадки ШИ-12-2. Зоны имеют равные высоты и площади поперечных сечений. Размеры Зон и их размещение по сечению насадки приняты из условий обеспечения укладки хромель-алюмелевых термопар на расстоянии не менее 0,6 м от кладки стены воздухонагревателя и от соседних зон с целью устранения влияния возможной неравномерности теплового потока около стен и в смежных зонах на их показания. Размеры зон к размещение обусловлены обеспечением точности измерени:": перепада температур и наличием площадок для обслуживания термопар. Термоэлектроды были уложены в

насадке на границах зон, ^ также в середине по высоте каждой зоны. Горячий спай термопар помещали в один и тот же канал насадки, соответственно в каждой зоне.

Эффективность опытной насадки по сравнению с типовой оценивали двумя способами:

а) по величине отношения средних разностей температур верха и низа каждой зоны за период нагрева и охлаждения;

б) по величине отношений изменений температуры в опытных и типовых участках насадки за период нагрева и охлаждения, полученных с помощью термопар, дифференциально включенных и установленных на одном уровне в середине зон.

Измерения в течение двух месяцев от начала ввода воздухонагревателя в эксплуатацию показали, что теплопроиэзодитель-ность опытного участка насадки из улучшенных элементов БНИ-12-2 в период нагрева и дутья примерно на 7 процентов выше, чем насадки из стандартных элементов БНИ-12-2.

С целью оценки эффективности полной замены типовой насадки БНИ-12-2 на улучшенную были выполнены сравнительные расчёты для условий работы воздухонагревателя № 4 Липецкого металлургического завода "Свободный сокол".

Расчёты показали, что при прочих равных условиях замена насадки из стандартных элементов БНИ-12-2 на улучшенную увеличит температуру нагрева дутья примерно на 15°С. Повышение, температуры дутья на 15°С для условий работы доменной печи $ I Липецкого металлургического завода "Свободный сокол" эквивалентно экономии примерно 50 тыс.рублей в год. Учитывая эффективность насадки из улучшенных' блочных элементов БНИ-12-2, она рекомендована для внедрения на воздухонагревателях,имеющих насадку из стандартных элементов БНИ-12-2.

-Го-

'4'. Расчётные исследования естественного охлаждения в о здухонагре вате ля -

Естественное охлаждение при полном отсечении воздухонагревателя от газовых коммуникаций и его ввод в эксплуатацию относятся к весьма ответственным операциям, от которых во мне гом зависят надежность и эффективность последующей работы апг рата. При неправильном режиме разогрева могут произойти разрз шения еще до пуска воздухонагревателя в эксплуатацию.

Ранее была решена задача естественного охлаждения отсече ного воздухонагревателя при его длительных остановках на ремонт. Однако эта модель не учитывала аккумуляцию тепла огнеупорами кладки стен и купола, что может привести к существенному отклонению расчётной скорости охлаждения воздухонагревателя от действительной. Нами сформулировала задача естественного охлаждения аппарата, учитывающая аккумуляцию тепла кладкой стен и купола.

В предложенной модели учитывается лучистый теплоперенос в каналах насадки и кондуктивный по её высоте, а также конвек' тивный, обусловленный перетоком газов из центральных более нагретых зон насадки в периферийные.

Выражение для результирующего лучистого потока имеет ■ ви;

% - И фгг( / ♦ ^; * # ^ а*, (г)

Рассмотрим теплоперенос на границах рассматриваемой области. Верхняя зона насадки. Имеют место следующие тепловые потоки: кондуктивный теплоперенос в вертикальном направлении по материалу насадки ^ , теплоперенос излучением от торца вглубь канала ^ и конвекцией ^ , вследствие перетока газе из (более нагретых) центральных зон насадки в (менее нагретые) периферийные.

Ввиду интенсивного переизлучения в подкупольном пространстве можно считать равными температуру внутренней поверхности футеровки купола и верхнего торца насадки.

Распределение температур в футеровке купола получаем на основе решения уравнений:

/С , 3t* - я t ^ dt«\

А/ Ч дх ' V за' R 3R >' (3)

- я J ч (fr-t) + «-f)ii£*

с соответствующими граничными условиямигде:

IjJ - номер зоны насадки и слоя футеровки купола соответственно; t-, температуры-насадки, футеровки купола и газа соответ-

7 К 7 /

ственно, причём4^ =-■ t +■ 273; щ ~ производная температуры по безразмерной высоте; п. - количество зон разбиения по радиусу насадки; £>K,CKytK - плотность, теплоёмкость и теплопроводность футеровки купола; - относительное живое сечение насадки.

Центральная зона насадки.

Для каждого из рассматриваемых слоёз насадки с заданными теплофизическими характеристиками запишем уравнение Фурье-Кирх г о^фа:

ш<-4 * > 5)

и уравнение теплопереноса в футеровке стенк:

р 0 dto _ п (&с + Idle) (6)

с соответствующими граничными условиями; где Н - высота насадки;Дэ~ эффективная теплопроводность; Сн 7ри, , ^ij^y}^

теплоёмкость, плотность, теплопроводность насадки к футеровки стен соответственно;- ¿ - номер зоны разбиения насадки по радиусу; tc - температура футеровки стены.

Нижняя зона насадки.

На нижнем торце насадки выполняются адиабатные условия. Начальное температурное поле насадки определяется предваритель ным расчётом воздухонагревателя с учётом потерь тепла через футеровку .стены и характера распределен::" газообразных теплоносителей по сечению насадки.

Для определения поля скорости рассмотрим массоперенос из центральных зон насадки в периферийные ь запишем уравнение неразрывности потока:

2 К/. Г, = О , . (7)

где - площади торцевых поверхностей,совместно с д -I уравнениями баланса потерь напора газов, движущихся под действием подъемных сил:

- = Н(рг -А) к г(в)

+ = Н(Рп-'/><)

В данном случае принимается течение газов в каналах насадки ламинарным.

Приведенная выше математическая модель естественного охлаждения воздухонагревателя (■ £ - б ' ) использована для расчёта температурных поле'1* в огнеупорах применительно к условиям эксплуатации воздухонагревателе14 доменных печем объёмом 3200, 2000, 1000 куб.м с температурой купола перед началом естественного охлаждения 1300°С. Расчётными исследованиями установлено, что учёт тепла аккумуляции футеровок стен уменьшает скорость охлаждения аппаратов примерно в 1,8

раза, а средняя скорость уменьшения'температуры купола длгг воздухонагревателе доменной печи объёмом 3200 куб. м в регулярном режиме составляет 1,1 К/ч за первые 62 часа. Средние скорости охлаждения насадок на границе ДВ-МКВ-72 для воздухонагревателей доменных печеЗ объёмом 3200, 2000 и 1000 куб.м для регулярного режима изменяется от 1,1 до 1,Ь К/ч при продолжительности охлаждения 62 часа, т.е. с уменьшением размеров воздухонагревателя скорость .охлаждения аппаратов увеличивается; относительно небольшие скорости естественного охлаждения аппаратов позволяют не принимать специальных мер по сдерживанию темпа охлаждения воздухонагревателя. Однако знание температурного поля огнеупоров воздухонагревателя необходимо при разработке режима его разогрева при вводе в эксплуатации.

Предложенная математическая модель естественного охлаждения воздухонагревателя позволяет решить эту задачу.

0Щ№ ВЫВОДЫ

Результаты выполненных расчётно-теоретических, лабораторных и промышленных исследований позволяют сделать следующие выводы:

1. Разработана и внедрена на воздухонагревателях доменной печи № 6 НЛМК схема автоматического управления ступенчатым режимом нагрева аппаратов регулированием расхода топлив_а

с коррекцией по температуре уходящих газов, что позволило увеличить температуру нагрева дутья на 6°С. Фактический экономический эффект от внедрения составил 5В тыс.рублей в год.

2. Разработана и принята к внедрению на воздухонагревателе Ьа доменной печи № 3 НЛМК схема регулирования температуры купола воздухонагревателя рециркуляцией отходящих газов, что позволит уменьшить расход газа до 3 процентов и повысить

КПД аппарата до 5 процентов. Ожидаемый экономический эффект от внедрения составит 150 тысяч рублей в год.

3. Предложен компактный регенератор для утилизации тепла отходящих газов доменных воздухонагревателей, отличающийся относительно простой конструкцией, невысокими затратами на сооружение и эксплуатацию. Внедрение регенератора в условиях Липецкого металлургического завода "Свободный сокол"'позволит повысить температуру нагрева дутья на 60°С или сэкономить при той же температуре нагрева дутья до б процентов доменного газа

4. Разработано и внедрено на Липецком металлургическом заводе "Свободны-" сокол" устройство для регулирования теплового состояния горна доменной печи изменением влажности дутья в зависимости от его температуры, что позволило повысить температуру нагрева дутья на 30°С и снизить удельный расход кокса. Фактический экономический эффект от внедрения составил 38 тысяч рублей в год.

5. Разработаны и внедрены новые эффективные насадки из кирпичей и блочных элементов. . На основе лабораторных исследований определены их теплотехнические характеристики и выполнены сравнительные расчёты для оценки эффективности их применения вместо типовых. Замена типовой кирпичной насадки на улучшенную из кирпича в форме косого параллелепипеда применительно к условиям работы воздухонагревателя завода "Свободный сокол" повышает температуру нагрева дутья на 60°С. Промышленные исследования подтвердили"преимущества этой насадки.

6. Промышленными исследованиями опытного участка улучшенной насадки из блочных элементов БНй 12-2 установлено, что теплопропзводительность опытного участка по сравнению с

участком типовой блочно": насадки на • 7 процентов выше. Расчетами установлено, что полная замена типовой блочной на улучшенную позволит повысить температуру нагрева дутья.на 15°С.

7. Предложена уточнённая математическая модель естественного охлаждения воздухонагревателей с учетом тепловой аккумуляции огнеупоров футеровки стен и купола. Скорость естественного охлаждения огнеупоров аппаратов по уточнённой модели в 1,8 раза меньше скорости охлаждения, полученной по упрощенной математической модели.

8..Расчётом установлено, что екорости»естественного охлаждения воздухонагревателе*" доменных пече" объёмом 1000, 2000, 3200 куб.м составляют 1,1 - 1,о К/ч в первые 62 часа посйе начала охлаждения п последующей тенденцией к её понижению. Относительно невысокие скорости охлаждения не требуют ограничений по времени охлаждения аппаратов, а знание распределения температур в огнеупорах- воздухонагревателя позволяет разработать режим их разогрева. Результаты расчётов естественного охлаждения аппаратов переданы на НЛМК и Липецкий металлургический завод "Свободный сокол" для внедрения.

10. Фактический экономический эффект от внедрения результатов работы составляет 100 тыс.рублей в год. Ожидаемый -350 тыс.рублей в год.

Основное содержанке работы отражено в следующих публикациях:

I. К оптимизации ступенчатого нагрева высокотемпературных

#

регенераторов (Коршкков В.Д., Еасукинский С.М., Кирьянов П.И. и др . - изв. вузов. Чёрная металлургия, 19У0, Л> 5, с. 76-78.

2. Оптимизация работы доменных воздухонагревателе* на основе использования тепла отходящих дымовых газов (Соломенцев С.М., Коршиков В.Д., Кирьянов II.И. и др).Тезисы доклада регионально" научно-практич.конференции "Практика, проблемы, разработки и внедрение ресурсосберегающих технологий". Липецк,I9B7,с.5.

3. К оптимизации нагрева воздухонагревателей на основе рециркуляции дымовых газов (Коршиков В.Д., Еянкин И.Г., Кирьянов П.И и др.)- Тезисы докл. региональной научно-практич.конференции "Проблемы энерго- к ресурсосберегающих технологий в чёрном металлургии'.' Новокузнецк, 1УЬУ, с. 32.

4. Система автоматического регулирования расхода газа по температуре дыма для воздухонагревателя (Гавриков A.M., Соломенцев С.Л., Басукинским С.М., Коршиков В.Д., Кирьянов Hi.И.и др.(. Металлург, 19«9, № 10, с. 30-31. • ...

5. Регенератор второй ступени для утилизации тепла дымовых газов в доменных воздухонагревателях (Коршиков В.Д.,Соломенцев С.Д., Кирьянов П.И. и др.) - Тез. докл. всесоюзной научно-технич. конференции "Энергосберегающие технологии и теплоэнергетические проблемы оптимизации печного хозяйства металлургических предприятий". Миасс, I9B7, с. 12-13.

6. Внедрение устройства регулирования влажности доменного дутья (Басукинский С.М., Кирьянов П.И., Соломенцев СЛ.)- тез. доклада Всесоюзной научно-технич. конференции "Энергосберегающие технологии и теплоэнергетические проблемы оптимизации печного хозяйства металлургических предприятий". Миасс, I9B7, с. 10. .

7. Энергосбережение в доменных воздухонагревателях на основе утилизации оборотного дыма (Коршиков В.Д., Бянкин И.Г., Кирьянов П.И. и др.) - Изв.вузов. Чёрная металлургия, 1991, № 7, с. 9Ь-Ю0.

Басукинсккй С.Л., Кирьянйв Ü.M. Исследование насадки доменного воздухонагревателя ЕНЙ 12-2 с укороченными рёбрами. Тез,доклада научно-технич. конференции "Молодёжь и технический прогресс", Липецк, 19Ш, с. 21-23. Улучшенная насадка типа Каупера ((Полотенцев СЛ., Сигмунд В.К., Басукинский G.M., Кирьянов П.И. и др.)- Изв. вузов. Чёрная металлургия, I9B4, № 7, с. 132-135. К применению в воздухонагревателях насадок с турбулизирую-дими элементами (Коршиков В.Д., Еянкин И.Г., Кирьянов П.И. и др.). - Изв. вузов. Чёрная металлургия,'1990, № II, с. 91—9Г Соломенцев С.Л., Басукинский Ü.M., Кирьянов'U.M. Исследование эффективных насадок типа Каупера из кирпичей. - Изв. вузов. Чёрная металлургия, 1990, № 9, с. Ъ2-ь4. A.c. 1546500 СССР. Доменный воздухонагреватель. (Соломенцев •СЛ., Басукинский С.М., Сигмунд В.К., Чернобривец Б.Ф., Кирьянов П.И. и др.) - опубл. в Б.1., 1990, J? Ö.

A.c. 1677064 СССР. Устройство для регулирования теплового состояния горна доменной печи (Соломенцев С.Л., Сигмунд

B.К., Кирьянов П.И. и др.) - опубл. в Б.Й., 1991, № 34. A.c. 1651033 СССР, Насадка регенератора (Соломенцев С.Л., Басукинский С.М., Чернобривец Б.Ф., Гришпун Е.М., Сорокин H.A., Бянкин И.Г., Кирьянов П.И.) - опубл. в Б.И.,1991, № 19.

«