автореферат диссертации по документальной информации, 05.25.00, диссертация на тему:Разработка теоретических основ и конструкций с внедрением в промышленность новых высокотемпературных регенеративных теплообменных аппаратов

4131

На правах рукописи

КАЛУГИН Яков Дрокольевич

РАЗРАБОТКА ТЕОРЕТИЧЕСКИХ ОСНОВ И КОНСТРУКЦИЙ С ВНЕДРЕНИЕМ В ПРОМЫШЛЕННОСТЬ НОВЫХ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫХ РЕГЕНЕРАТИВНЫХ ТЕПЛООБМЕННИК АППАРАТОВ

Специальность 05.25.07-Исследования в области проектов и программ

Диссертация в виде научного доклада на соискание учёной степени доктора технических наук

Научный консультант: - действительный член РАИН,

доктор технических наук Маликов Герман Константинович

Екатеринбург - 2009

Работа выполнена в НП «Уральский Межакадемический Союз», ЗАО «Калугин» и в ОАО «Научно - исследовательском институте металлургической теплотехники» (ОАО «ВНИИМТ»)

Официальные оппоненты: - действительный член АИН РФ,

доктор технических наук, профессор Лисиенко Владимир Георгиевич,

- действительный член АИН РФ, доктор технических наук, профессор Бродов Юрий Миронович,

- доктор технических наук, профессор Торопов Евгений Васильевич

Защита состоится 2 марта 2009 г. в 15-00 на заседании Диссертационного Совета Д 098.07 PCO ММС 096 по адресу: г.Екатеринбург, ул.Володарского, 4, НИИЦветмет/УМС

Диссертация в виде научного доклада разослана 30 января 2009 г. С диссертацией в виде научного доклада можно ознакомиться в библиотеке ГОУ ВПО УГТУ-УПИ.

Ученый секретарь диссертационного совета, проф., к.ф,-м.я.

В,И, Рогович

__________Ц Общая характеристика работы

Актуальность исследования

Увеличение производства чугуна при возрастании дефицита коксующихся

углей требует совершенствования существующих и разработки новых способов снижения расхода кокса при доменной плавке. Повышение температуры нагрева доменного дутья является одним из основных факторов, снижающих расход кокса и определяющих экономику доменного производства.

Используемые в настоящее время воздухонагреватели с внутренней и наружной камерами горения обладают целым рядом недостатков и работают на пределе своих возможностей. Температура дутья по отрасли в среднем составляет 1098 °С. Оценки ряда исследователей показывают, что экономически целесообразно нагревать дутье до 1300-1400 °С, однако существующие промышленные воздухонагреватели не позволяют в настоящее время этого достичь. Между тем экономическая эффективность нагрева дутья определяется не только его температурой и эксплуатационными расходами, но и в большой степени капитальными затратами и затратами на ремонт аппаратов. В последнем случае решающую роль играет межремонтный срок службы воздухонагревателей.

Уровень достигаемых температур дутья и срок службы определяются в первую очередь конструкцией аппаратов и техническими решениями, положенными в их основу. Поэтому разработка новых конструкций воздухонагревателей, не имеющих недостатков, органически присущих традиционным аппаратам, представляет большой практический интерес. Актуальность проблемы непосредственно вытекает из необходимости осуществления в настоящее время на доменных печах высокотемпературного подогрева дутья, из задачи разработки и совершенствования конструкции воздухонагревателя, имеющего высокую эксплуатационную стойкость.

Объект исследования: высокотемпературный нагрев доменного дутья.

Предмет исследования: программы и проекты по разработке и внедрению бесшахтных воздухонагревателей с эффективными насадками и горелочными устройствами.

Цель исследования: создать и внедрить конструкцию компактного воздухонагревателя бесшахтного типа, обеспечивающего

- подогрев дутья до 1400 °С,

- полное сгорание топлива до входа в насадку,

- равномерное распределение газовых потоков на насадке,

- полную безопасность и высокую надежность всех элементов и конструкции воздухонагревателя в целом,

- удобство и простоту обслуживания,

- высокую эксплуатационную стойкость.

Основные задачи

1. Разработка общей схемы бесшахтного воздухонагревателя, его горелочного устройства и насадки.

2. Экспериментальная и расчетная отработка отдельных узлов воздухонагревателя с использованием физического и математического моделирования.

3. На основе результатов моделирования разработка технического задания на проектирование промышленного воздухонагревателя.

4. Сооружение, пуско-наладочные исследования и пуск в эксплуатацию бесшахтного воздухонагревателя.

5. Промышленные исследования бестахтного воздухонагревателя и отработка тепловых режимов его работы в блоке,

А

Методы исследования

Системный подход, математическое и физическое моделирование, управление проектами, лабораторные испытания на газодинамическом и огневом стендах, производственный эксперимент.

Научная новизна

- проведены фундаментальные натурные исследования возникновения пульсаций при горении в доменных воздухонагревателях, развита теоретическая основа механизма возникновения пульсирующего горения в доменных воздухонагревателях, впервые проведены детальные стендовые исследования и получены основные математические зависимости развития пульсаций в камерах горения доменных воздухонагревателей, а также разработаны методы их подавления;

- проведены расчетно-теоретические и экспериментальные исследования процессов гидродинамики и теплообмена турбулизированных потоков в каналах переменного сечения, получены критериальные и графические зависимости по гидравлическим сопротивлениям и конвективному теплообмену, разработаны принципиально новые типы эффективных блочных насадок, которые позволили сократить на 30-50% габариты насадки и всего воздухонагревателя при сохранении его тепловой мощности;

- на экспериментальных стендах и промышленных объектах отработаны конструкции промышленных керамических горелок с вертикальным факелом и равномерным температурным полем, исследованы закономерности распределения их аэродинамических и температурных полей в пространстве камеры горения, разработаны методы расчета камер горения и воздухонагревателей, что позволило значительно увеличить срок их службы;

- впервые в мировой практике разработана конструкция промышленного воздухонагревателя с купольной системой отопления и с кольцевой керамической горелкой, внедрение которой позволило сократить габариты

воздухонагревателей, улучшить их работу, сократить эксплуатационные затраты и увеличить срок их службы без ремонта;

- создана оригинальная и перспективная система отопления бесшахтного воздухонагревателя форкамерной струйно-вихревой горелкой, установленной на верху купола; на огневом и аэродинамических стендах изучены аэродинамические и тепломассообменные характеристики струйно-вихревых горящих потоков, обобщенные в виде графоаналитических зависимостей и таблиц;

- развито принципиально новое научно-техническое направление в строительстве современных высокотемпературных доменных воздухонагревателей с использованием аппаратов бесшахтного типа, позволяющих обеспечить повышение температуры горячего дутья до 1300-1400 оС , резкое снижение вредных выбросов (СО, ИОх), высокую степень утилизации тепла отходящих дымовых газов, значительное уменьшение капитальных затрат и увеличение срока службы аппаратов без ремонта.

Практическая ценность

Разработаны, запроектированы, сооружены и введены в эксплуатацию бесшахтные воздухонагреватели на доменных печах России, Китая, Индии, Украины, в том числе на крупнейших доменных печах объемом 5500мЗ (г. Цаофедян, КНР). Всего в эксплуатации находится 109 аппаратов, еще 45 строятся и проектируются. Реальный экономический эффект от внедрения бесшахтных воздухонагревателей превышает $ 24 ООО 000.

Личный вклад автора состоит в разработке новых конструкций бесшахтных доменных воздухонагревателей и их элементов; организации и проведении научных и экспериментальных исследований; разработке теоретических основ механизма возникновения пульсирующего горения; отработке элементов и узлов воздухонагревателя на аэродинамических и огневом стендах; проведении расчета теплообмена в горелочной системе с

учетом нестационарности процесса; организации и проведении промышленных исследований воздухонагревателей.

Апробация результатов исследования. Основные положения настоящего диссертационного исследования обсуждены на конференциях и научных семинарах:

- The 5th European Соке and Ironmaking Congress (5th ECIC 2005) June 1215.2005, Stockholm, Sweden;

- The 4th International Congress on the Science and Technology of Ironmaking (ICSTI'06) November 26-30, 2006, Osaka, Japan;

- Iron & Steel Technology Conference (AISTech 2007) May 7-10, 2007, Indianapolis, Indiana, USA;

- конструкция бесшахтного воздухонагревателя была представлена на ВДНХ СССР и получила золотую медаль.

Публикации

По теме диссертации опубликована 1 книга, 65 научных трудов, получено 53 авторских свидетельств и 9 патентов.

Объём работы

Диссертация изложена на 103 страницах в виде научного доклада, состоит из введения, семи программ, заключения, содержит 101 страницу текста, 29 рисунков, 3 таблицы и список основных публикаций Я.П. Калугина, включающий 127 наименований.

Структура диссертационного исследования представлена на рис Л

I Сонмадни» ши _Дигша ривипшдмйимы |_

ТГрогрялвма 1. Оценка состояния системы (литерятурно^аналитический об] ар)

ЗЕ

Программа 2. Исследования закономерностей воэникновехшя и разработка методов гстфйнения нуль снрующего г орення в доменных вовдухонагреватепях

ПроектЗЛ Проект 23 Пр оект 2-4

Исследование механизма » оэюякнов еиия и зиссяоме^коотвй развития пуггьсирующвго горения. Теоретический анаше процесса Исследование процессов пуль сщукщег а гсрехжх на эхсле^оАсеигаткШЙ устанотк» Разработка мет од о» и рекомендаций по устраненвкшо пуптьеирующего горения на. промьшш енных г оздтх онагр ев ат елях

I

Программа 3. Разработка и внедрение новых типов блочных насадок

Проект 3.1 Проект Проект 3.3 Проект 3-4

Р вработха новых типов керамических насад очных бпокш Расчетио-хе еретические к эксперимент альнме исследования теплообмен а. в каналах яереденного сечения Промышленные исследования наеадккяа бесшахтном воздух онагр ев arene Внедрение новых эффективных тип се насадок

I

Программа 4. Разработка к внедрение конструкций керамических: газовых горелок

Проект 4.1 Проект 4.2 Проект 4.3 Проект 4.4

Конструкции И ТИПЫ керамических горелок Исследования на аэродинамических и огневых стендах Отработка на аэродинамическом стенде модели коллектора для кольцевой керамической горелки Внедрение конструкций керамических горелок на доменных воздухонагревателях

Ж

Программа 5. Разработка к внедрение конорукща системой отопления и керамической го* i воэд^онагршятелен скупольнон »елкой кольцевого типа

Проект 5.1 Проект 5.2 Проект 5.3 Проект 5 Л Проект &£

Разработка ваздухоиагреватвпяс купольной системой отопления с кольцевой кер амгческсй горелкой Внедрение воздухонагревателя с купольной системой отопления с кольцевой керамической горелкой Математическое моделирование тепло обмана в кладке ф оук амеры и гор елочной системе Аэродинамические исследования на бесшахтном промышленном воздух анагревателе Прзюасатхкьш ксслвшвалня к юнтрапь состояния бесшахтнаго воэддиаимр-ля с капьздввй форнюерай

Программа б. Разработка бешшпяых воздужонагревягелш с купольной системой отоплениям струино-вихревойгорелкой фор камер ног о тина

Проект 6.1 Пр оехт 6.2 Проект 63 Проект 6Л

Конструкция в оз д зле онагр е а ат ел я с форхаллвройв верхней части купола Отработка на огневом стенде конструкций струйно-вихравых горелок Промышленные и спьхг аник и опыт эксплуатации воздухонагревателя со струйно- вих рав ой г cm никой Система утилизации т охота

I

Программа 7. Реализация разработки, экономическая и экологическая эффективность применения бешшмых аовдгхонагревйтелеп

Пр оехт 7 J Проект 7.2

Реализацияразреботки на предприятиях Р оссии и других стран Экономическая и экологическая эффективность применения бесщехткъвс воздухонагревателе*

^ Новые знания Вьшолнекый заказ |

Рис. 1 Структура программ и проектов по теме диссертационного исследования

Основное содержание работы

1 Оценка состояния системы (литературно-аналитический обзор)

Основными типами существующих воздухонагревателей в мировой практике являются воздухонагреватели с внутренней камерой горения (рис. 1.1), где в одном кожухе размещаются параллельно и камера насадки и камера горения, а также воздухонагреватели с наружной камерой горения (рис. 1.2). Эти типы аппаратов обладают целым рядом существенных эксплуатационных недостатков и высоким уровнем капитальных затрат.

Воздухонагреватели с внутренней камерой горения. Эта конструкция появилась около 150 лет назад и сейчас является наиболее распространенной. Высокая камера горения расположена внутри камеры насадки как инородный элемент и работает в других температурных условиях.

Рис. 1.1 Общий вид воздухонагревателя с внутренней камерой горения

Дьм

Холодное дутье

Гзрячее дутье

Воздух Газ

Существует несколько основных причин, вследствие которых происходи разрушения в камере горения: «короткое замыкание» или прямые перетоки газов между камерой горения и камерой насадки; наклон камеры горения в сторону насадки (эффект «банана»); деформация и обрушение кладки камеры горения вследствие ползучести (крипа) огнеупоров под действием высоких температур и давлений; пульсирующее горение, приводящее к сильной вибрации конструкций и разрушению кладки; растрескивание огнеупора по условиям термической стойкости при резких колебаниях температур во время смены газового и дутьевого периодов.

Указанные недостатки характеризуют камеру горения как наиболее слабый элемент воздухонагревателя, ее низкая стойкость определяет и малый срок службы всего аппарата. Это вызывает необходимость через каждые 5-6 лет останавливать воздухонагреватели на ремонт П1 разряда (ремонт камеры горения) и через 10-15 лет на ремонты II разряда, когда полностью меняется вся огнеупорная кладка.

Воздухонагреватели с наружной камерой горения. Эти аппараты являются более надежной конструкцией, так как камера горения в них имеет самостоятельный кожух, что устраняет «короткое замыкание» и эффект «банана». Однако они примерно на 30-35% дороже и требуют для своего размещения значительно больше места, что вызывает затруднения при реконструкции в действующих цехах. Помимо этого требуется сложная система компенсации температурных расширений кожухов и камеры горения воздухонагревателя, а также значительно усложняется конструкция купола.

В СССР блоки из таких аппаратов были построены на четырех доменных печах, в том числе объемом 5000 м3 и 5500 м3. Основные неполадки связаны с повреждениями кожуха купола и его коробчатой балки, повреждениями камеры горения и поднасадочных устройств.

Металлические горелки, используемые на большинстве воздухонагревателей с камерами горения, часто входят в режим

пульсирующего горения и снижают межремонтный срок службы камеры горения. Существующие конструкции воздухонагревателей обеспечивают температуру горячего дутья около 1200°С. Недостатком таких аппаратов является невозможность увеличения температуры дутья из-за существенного уменьшения стойкости и уменьшения межремонтного срока службы.

Рис, 1.2 Общий вид воздухонагревателя с наружной камерой горения Помимо этого, существующие насадки, используемые на большинстве воздухонагревателей, малоэффективны, и неоправданно увеличивают высоту аппарата и его стоимость.

Воздухонагреватели без камеры горения (бесшахтные) Все основные недостатки существующих воздухонагревателей с камерами горения могут быть устранены, если ликвидировать саму камеру горения. Отказ от камеры (шахты) горения и сжигания газа непосредственно под куполом или в прилегающей к нему небольшой форкамере стали основным путем разработок новых конструкций воздухонагревателей. Отсутствие камеры горения снимает ограничения по крипу и позволяет поддерживать температуру

Дым

Воздух Газ

Горячее дутье

купола из динаса на уровне 1500-1550 °С, а температуру горячего дутья 13001400 °С, что может быть обеспечено при использовании керамических горелок. Разработка рациональной блочной насадки может значительно снизить высоту аппарата и его стоимость при сохранении тепловой мощности.

Таким образом, поиск рациональных конструктивных решений воздухонагревателя должен осуществляться в направлениях конструкций бесшахтного типа с использованием керамических горелок и эффективных насадок.

2 Исследования закономерностей возникновения и разработка методов устранения пульсирующего горения в доменных воздухонагревателях

Увеличение мощности печей и повышение температуры дутья требуют значительного увеличения тепловой мощности доменных воздухонагревателей и производительности их горелочных устройств. При форсировании работы горелок в воздухонагревателях часто появляются сильные периодические пульсации давления в такте. Пульсации нарушают нормальную работу, приводят к сильной вибрации оборудования, создают угрозу преждевременного вывода из строя аппаратов и вынуждают снижать тепловые мощности воздухонагревателей.

Высказывались различные гипотезы о причинах возникновения пульсаций. Их появление объяснялось периодическим срывом пламени от горелки при чрезмерном увеличении скорости смеси (Ж. Щеневски, X, Шмитц и М.Гривс); взрывным характером воспламенения газа (В.Г. Сердюков, Е. Войс, М.Гривс, Е.В. Захарова и др.); недостатком напора и тяги в тракте (Й.Щтокер, В,А. Матвеев, А.П. Павлюченко и др.); появлением в камере горения звуковых волн (М. Гриве, И. Париель, Сен-Мартен); переменным сопротивлением штущера горелки, возникающим при проскоках в него пламени (Е.В. Торопов, А.Д. Иванов, А.Н. Чечуро и др.). В дальнейшем Е.В. Торопов дал описание условий развития возмущений в камерах горения, которые охватывают многие виды обратных связей. Соответственно и методы подавления пульсаций

предлагались различные, а иногда и прямо противоположные. В связи с этим устранение пульсаций ведется путем многочисленных и зачастую малоэффективных мероприятий с затратой значительных средств и времени.

Основной причиной большого числа и противоречивости высказанных гипотез является слабая изученность явления. Гипотезы появлялись, как правило, после удачного практического решения, приведшего к подавлению пульсаций, и имели слабое экспериментальное обоснование. Исследования затруднялись отсутствием специальной аппаратуры, пригодной для измерения параметров пульсаций, в результате чего многие гипотезы основывались на визуальных наблюдениях или на измерениях приборами, пригодными только для измерений статических параметров. Отсутствовала так же единая методика исследований.

С форсированием работы горелок пульсации стали возникать все чаще. Особенно опасно их проявление в воздухонагревателях мощных доменных печей объемом 2000-2700 м3 и, по-видимому, будет еще более опасными на более крупных печах.

Учитывая изложенную выше актуальность возникшей проблемы борьбы с пульсациями в доменных воздухонагревателях была поставлена задача получить объективные экспериментальные данные о влиянии на пульсации различных режимных и конструктивных факторов, установить на основании полученных данных причины и механизм появления пульсаций и найти эффективные методы их подавления. Для успешного решения этих вопросов требовалось прежде всего разработать и освоить аппаратуру для измерения параметров пульсаций и разработать единую методику исследований.

2.1 Методика и аппаратура исследований

Исследования проведены на действующих воздухонагревателях 6 крупных заводов. Был обследован 41 воздухонагреватель 11 доменных печей объемом от 1386 до 5500 м3, оборудованных горелками от 48 до 200 тыс.м3/ч (по воздуху).

Исследования проводились в два этапа. На первом этапе исследовалась природа пульсаций, участки возбуждения трактов и влияние на пульсации режимных факторов, на втором этапе определялось влияние различных конструктивных мероприятий и проверялась эффективность рекомендаций.

При исследованиях измерялись расходы газа и воздуха, температуры по тракту, производился газовый анализ. По всей длине тракта от газового коллектора до дымовой трубы в наиболее характерных точках измерялись переменная и постоянная составляющие статического давления.

Интенсивность пульсаций оценивали по колебаниям статического давления. Для регистрации колебаний давления были разработаны две схемы измерения, использовавшиеся на разных этапах. В первой схеме применялся электрокинетический датчик с ионообменной стабилизацией, сигналы которого усиливались в специально разработанном усилителе. Нелинейность датчика в области низких частот (4-9 Гц) компенсировалась характеристикой усилителя. Во второй схеме применялся трансформаторный датчик, модулировавший сигналы несущей частоты 5 кГц, которые подавались от специального генератора. В схеме отсутствовал усилитель. Обе схемы имели ЯС- фильтры, которые позволяли отстраиваться от высокочастотной (турбулентной) составляющей сигнала и получать более качественную запись. Сигналы от обеих схем записывались на светолучевом осциллографе Н-700 и наблюдались на электронном осциллографе С1-19Б. Предельные погрешности обеих схем не превышали 15%, вероятные погрешности - 3,5%. Аппаратура позволяла делать измерения одновременно в нескольких точках.

При исследованиях специально разработанным датчиком регистрировали колебания светимости факела и записывали на осциллографе Н-700. Кроме того производилась киносъемка факела. Кинокамера давала в момент съемки каждого кадра электрические импульсы, которые записывались синхронно с колебаниями давления и светимости факела на осциллографе Н-700.

Всего на воздухонагревателях было проведено свыше 2000 режимов и сделано свыше 5000 осциллограмм пульсаций.

2.2 Исследование механизма возникновения и закономерностей развития пульсирующего горения

Пульсации давления в воздухонагревателях имеют акустическую природу, появляются после превышения критического расхода газа и, резко увеличиваясь при его возрастании, достигают амплитуды 200-300 мм вод.ст., при которой эксплуатация воздухонагревателей становится опасной. Помимо этого, пульсации вынуждают снижать тепловую мощность воздухонагревателей и температуру нагрева дутья.

Этот процесс существенно отличается от простых схем типа «поющего пламени». Он относится к сложным автоколебательным процессам, где основной колебательной системой является столб газа в высокой камере горения, который входит в акустическое низкочастотное возбуждение, поддерживаемое процессом горения. Взаимодействие всех составляющих процесса осуществляется через гибкие обратные связи, реализуемые колебаниями как количества газовоздушной смеси, так и коэффициента расхода воздуха. Пульсации наблюдаются при всех типах горелок и борьба с ними представляет серьезные трудности.

Частоты пульсаций находятся в пределах 0,8-17 Гц, чаще всего имеют место пульсации с частотой 5-6 Гц. Отличительные особенности пульсаций: синусоидальный характер изменений давления, стабильность частоты, мягкое возбуждение при внезапном изменении за критическое значение расхода газа, скачкообразное изменение частот в некоторых случаях. Такие свойства наиболее характерны для акустических колебаний и поэтому для всех исследованных воздухонагревателей проведено сравнение измеренных частот пульсаций с собственными частотами колебаний различных участков тракта.

Наиболее благоприятные условия для возбуждения акустических колебаний имеет камера горения при большом отношения длины к диаметру и

малом волновом сопротивлении. Собственные частоты камеры горения, подсчитывались как для трубы, открытой с одного конца (в подкупольное пространство) и закрытой с другого (у основания) по формуле:

_с

Р = 41 'Гц> (1)

где С- скорость звука в камере горения с учетом состава продуктов и их температуры, м/сек; Ь-длина камеры горения, м.

Для большинства исследованных воздухонагревателей собственные частоты камер горения были близки или совпали с частотами пульсаций. Частоты пульсаций многих воздухонагревателей также близки к собственным колебаниям камер горения, определенным опытным путем по осциллограммам колебаний давления во время «хлопка», который возникал при зажигании горелки, а прямые измерения распределения амплитуд колебаний давления в камере горения при пульсациях показали, что оно подобно стоячей волне. Эти данные позволяют утверждать, что появление пульсаций в большинстве исследованных воздухонагревателей связано с акустическим возбуждением в их камерах горения столбов газов, которые при определенных условиях способны совершать незатухающие упругие колебания, подобные колебаниям в органных трубах.

Исследованы и установлены закономерности влияния на возбуждение пульсаций основных режимных параметров; расхода газа, коэффициента расхода воздуха, давления и запаса давления газа и воздуха перед горелкой, теплотворности и состава сжигаемого газа, сопротивления дымового тракта.

Установлено большое влияние на пульсации конструкции горелки и организации процесса горения: пульсации усиливались при улучшении различными способами перемешивания газа и воздуха и ослаблялись при ухудшении перемешивания и улучшения стабилизации горения. Помимо этого на возбуждение пульсаций оказывают влияние акустические характеристики

других трактов, соединенных с камерой горения (газо-, воздухопровод, дымовой тракт), а также взаимодействие воздухонагревателей в блоке.

Основным условием такого возбуждения является образование в камерах горения стоячей волны давления.

Было установлено, что могут самостоятельно возбуждаться и другие элементы тракта, а также происходить одновременное возбуждение нескольких участков тракта. При возбуждении газопровода распределение амплитуд колебаний давления в нем было подобно стоячей волне, а частота пульсаций совпадает с его собственной частотой колебаний, определенной как для трубы с двумя открытыми концами (в камеру горения и в газовый коллектор) по формуле:

где С2 - скорость звука в газе, м/сек; /2 - длина газопровода, м.

Воздушный тракт возбуждался, как труба с закрытым концом у вентилятора, и его собственные частоты составляют 15-17 Гц.

Камера горения и газопровод могли возбудиться совместно как единый элемент, частота которого определялась общим временем пробега акустической волны из одного конца тракта в другой:

Выявилась также разновидность сильных пульсаций с очень низкой частотой (0,85 Гц) в воздухонагревателях, имеющих большое сопротивление насадки. В этом случае наиболее вероятно возбуждение подкупольного пространства, камеры горения и воздушного тракта как единого элемента по типу резонатора Гельмгольца, так как собственная частота такого резонатора

(2)

(3)

где V- объем подкупольного пространства, F3 и 13 - сечение и длина воздушного тракта горелки, совпала с наблюдавшейся частотой пульсаций. Амплитуда этих пульсаций была такой сильной, что пламя выбивалось через всасывающее отверстие работающего вентилятора горелки.

Элементы тракта воздухонагревателя, при пульсациях акустически взаимодействовали друг с другом и оказывали влияние на возбуждение. При изменении условий работы возбуждение из одного участка тракта могло перейти в другой со скачкообразным изменением частоты пульсаций.

Во взаимодействие вступали так же воздухонагреватели одного блока. Пульсации усиливались, когда частоты пульсаций разных воздухонагревателей совпадали и ослаблялись при различии частот. Влияние воздухонагревателей друг на друга передавалось главным образом через газовый тракт.

Установлен автоколебательный механизм возбуждения пульсаций и выделены его основные части. Собственно колебательной системой, которая создает неустойчивость всей системы в целом и определяет частоту, являются, как описано выше, столбы газов в тракте воздухонагревателя, которые способны входить в акустическое возбуждение.

Акустические колебания приводят к пульсирующей подаче газа и воздуха, в результате чего становится пульсирующим расход газовоздушной смеси и появляются колебания коэффициента расхода воздуха (обратные связи). Периодическое сгорание газа и воздуха создает переменное тепловыделение (клапан), которое в свою очередь приводит к усилению первоначального импульса давления за счет химической энергии газа (источник энергии). Таким образом, автоколебательный цикл замыкается. Синхронная регистрация колебаний давления и светимости факела и киносъемка позволили установить, что между моментами подачи порций газовоздушной смеси и ее сгоранием имеется запаздывание, близкое к полупериоду (от 165° до 180°), что делает благоприятным для поддержания пульсаций соотношение фаз (0 до 30°) между колебаниями давления и тепловыделения и удовлетворяет критерию Рэлея.

Дополнительным источником поддержания акустических колебаний могут служить в случае загорания смеси в штуцере горелки колебания сопротивления, которые возникают за счет периодического затягивания в щтуцер фронта воспламенения, В этом случае колебания поддерживаются за счет кинетической энергии газовоздушной смеси.

2.3 Основные закономерности возникновения пульсаций

Критические расходы и критические тепловые напряжения (на 1 м2 камеры горения) для разных воздухонагревателей были различны (от 3,5 до 10* 10й ккал/м2 ч) и значительно отличались от величин, которыми задавались при проектировании (7,5*13* 106 ккал/м2 ч). С увеличением расхода газа пульсации, как правило, увеличивались.

При изменении коэффициента расхода воздуха а наблюдалось две закономерности: в одних случаях в области а, близких к единице, пульсации уменьшились (возникал минимум), в других случаях уменьшения не возникало. Минимум появлялся на воздухонагревателях, имевших хорошую стабилизацию воспламенения, и при улучшении стабилизации он расширялся, при ухудшении - исчезал. Минимум был смещен в область а «0,8-1,0 при сжигании газа с большим содержанием водорода и смещен в область аю1,0 при добавках к доменному газу природного газа. Частота пульсаций в большинстве случаев увеличилась с увеличением амплитуды пульсаций.

Существенное ослабление пульсаций возникало при увеличении давления газа в сети и создании запаса давления газа и воздуха перед горелкой. На разных воздухонагревателях влияние увеличения запаса давления было различным, в большинстве случаев значительное уменьшение амплитуды или полное подавление пульсаций достигалось при запасах давления газа и воздуха в 200-300 мм вод.ст.

Рост сопротивления дымового тракта за счет заллавления насадки усиливал пульсации. Искусственное увеличение сопротивления путем

прикрытия одного дымового клапана оказывало различный эффект и зависело от сопротивления насадки.

Обнаружена также зависимость между амплитудой пульсаций и отношением сопротивлений (активных составляющих импедансов) на входе в камеру горения и на выходе из нее, что дополнительно подтверждает акустическую природу пульсаций и физически означает, что амплитуда, устанавливающаяся в камере горения воздухонагревателя, определяется с одной стороны потерями акустической энергии, с другой стороны - ее поступлением.

Влияние теплотворности отопительного газа на пульсации зависело от состава газа. При повышении теплотворности добавкой коксовального газа (содержание до 60% водорода) пульсации уменьшались и исчезали полностью при 7% добавки; при добавке природного газа (содержащего до 96% метана) пульсации возникали при меньших критических нагрузках и значительно ( в 2-3 раза) усиливались при добавке 5-6% природного газа.

Установлено, что существенное влияние на пульсации оказывает конструкция горелки и организация горения.

Наименьшие пульсации возникали, когда конструкция газовой горелки обеспечивала плохое перемешивание газа с воздухом. Это достигалось либо путем выравнивания скоростей выхода газа и воздуха из горелки, либо установкой в штуцере горелки удлинительного патрубка, переносящего смешение и горение в шахту воздухонагревателя. Любое же улучшение смешения, как при послойной подаче газа и воздуха, так и при установке завихрителей, приводило к усилению пульсаций и к снижению производительности горелки. Снижение интенсивности пульсаций наступало и при увеличении сопротивления горелок по газу и воздуху, что было равнозначно созданию перед ними дополнительного запаса давления.

Существенное ослабление пульсаций возникало при улучшении стабилизации воспламенения. Улучшение стабилизации воспламенения путем

установки плохообтекаемого контура в штуцере горелки приводило к ослаблению пульсаций в широком диапазоне изменения расхода газа и воздуха и к расширению имевшегося минимума пульсаций при <х~ 1,0 до значений а»0,6-1,7.

При исследованиях обнаружилось, что одни и те же мероприятия на разных воздухонагревателях могут оказывать различный, а иногда и прямо противоположный, эффект и при выборе способа устранения пульсаций воздухонагревателя необходимо учитывать его индивидуальные особенности возбуждения.

2.4 Теоретический анализ процесса

Теоретический анализ проведен в линейном приближении с использованием метода малых возмущений. По упрощенной физической модели основным механизмом поддержания пульсаций считали механизм с переменным тепловыделением и пульсирующий подачей газа и воздуха.

Тракт воздухонагревателя представили в виде трех отдельных трубных элементов: камеры горения, газопровода, и воздушного тракта, которые характеризуются своими постоянными величинами: длиной И, площадью поперечного сечения , плотностью газа р1, скоростью звука в газе С1 и на свободном конце нагружены приведенными акустическими импедансами 7л , которые учитывают влияние всех соседних участков, не включенных в расчетную схему. Все три элемента стыкуются внизу камеры горения ( х=0), где расположена зона горения, размер которой считаем существенно меньше длины звуковой волны и представляем в виде поверхности нулевой толщины.

Теоретический анализ условий возбуждения пульсаций показал, что определение областей устойчивости воздухонагревателей по известным теориям для идеальных акустических систем типа классического поющего пламени дает большие ошибки. В опытах на действующих воздухонагревателях были замерены действительные акустические характеристики трактов. При учете действительных акустических характеристик трактов анализ полученного

характеристического уравнения дал более удовлетворительное качественное совпадение с результатами опытов.

Граничные условия на концах трубных элементов записываются в виде:

при х=/х 8Р\ ~ 2х5ох (на конце камеры горения);

при х= -12 Фг = (на конце газопровода); (5)

при х= -/3 Ф3 = (на конце воздухопровода),

где: 5р1 и 5г>; - возмущения давления и скорости.

На стыке камеры горения, газового и воздушного трактов расположена горелка, ее акустическое сопротивление определяется:

при х=0 ф2 - Фг = Кр2°28и2; (6)

фъ-дрх=къръи38иъ Коэффициент сопротивления горелки к,- считали чисто вещественным и включающим сопротивления дросселей (жалюзи), расположенных у горелки.

Тепловыделение от пламени (условия адиабатические) в стационарном режиме представляли как произведение теплотворности газовоздушной смеси (ях), скорости распространения пламени (Ш) и его поверхности (Т), из которых первые два сомножителя зависят от коэффициента расхода воздуха (а), а третий от расхода газовоздушной смеси (Ос). При малых возмущениях получили переменное тепловыделение:

д\пЧх+дЫ Un

L\

Sa+_dhxF SQC

a SinQ, Qc

(7)

дЫа din а

Выразив а и Qc через возмущения газа и воздуха и учтя запаздывание (т) между последними и тепловыделением, получили в качестве шестого граничного условия (х=0) уравнение возмущения объемных расходов до и после зоны горения в виде:

ЭД - (F28&2 + F3S%) = F2E2S&2 + F3E,S$j, (8)

где

E¡ = N, exp(ícot) (9)

есть комплексные выражения, определяющие воздействие теплоподвода, Ni -модули теплоподвода, определяемые уравнением (7) и условиями протекания

горения, сот - фазовое запаздывание тепловыделения относительно подачи смеси.

Движение газа во всех трех трубных элементах описывали уравнениями акустики (по Морзу), которые представляют собой решения линеаризованных уравнений движения жидкости:

8о =

ф =

1

рс

^ехр — -Вехр

V с) с;

( х\ ( х'

Аехр — -Вехр —

Vе/ Vе/

(10) (11)

где А и В амплитуды прямой и обратной волн,

£ = <У + Ш

где ю - круговая частота колебаний, и - декремент, I - время.

Подставив эти уравнения в уравнения граничных условий, получили шесть однородных линейных уравнений относительно произвольных постоянных А1 и В1, решая которые нашли характеристическое уравнение задачи:

Ргс1

-(1 + Я2)-

ск(ргсЪ а2 - г

С2 У.

{аг+(рг)-1

V с1 )_

+ -

Рзсз

-(1 + Е3)>

ск(ръск а3 - г м

1 С3)

як

(«з +<р3)-1

и3

.А.

ЛС1

сШ

ал - г

С1 у

(12)

где - 01 и Р; - величины, характеризующие поглощение и изменение фазы звуковой волны на ймпедансах, ср1 - величины, учитывающие сопротивление горелки.

Характеристическое уравнение определяет условия возбуждения колебаний в идеализированной системе, к которой был сведен воздухонагреватель, и описывает границы устойчивости в плоскости различных параметров.

В результате анализа (12), проведенного с использованием метода Д-разбиения, по которому принимали и=0, а со - изменяющейся от до установлено действие на пульсации основных параметров процесса горения и акустики.

Влияние переменного теплоподвода в общем случае определяется как колебаниями а, так и колебаниями расхода газовоздушной смеси (7). Колебания а слабо влияют на теплоподвод при значениях близких к 1,0 и усиливают свое действие при удалении от них, так как обе частные производные по а равны нулю при а=1,0.

Влияние изменений расхода газовоздушной смеси на теплоподвод зависит от частной производной поверхности пламени по расходу смеси, которая при одинаковых схемах сжигания газа в конечном счете определяется стабилизацией пламени. Наилучшая стабилизация наблюдается при а близком к стехиометрическому и с удалением от него в обе стороны - ухудшается. В связи с этим при хорошей стабилизации горения пульсации должны возникать за счет колебаний а и при а ~1,0 должно возникать ослабление пульсаций, а при удалении от него - усиление пульсаций. При слабой стабилизации горения можно ожидать появления пульсаций в основном за счет колебаний расхода газовоздушной смеси с возбуждением в широком диапазоне а и без минимума при а =1,0.

Эти выводы совпадают с выводами, полученными из опытов и показывают, что возможности для появления пульсаций существенно уменьшаются при улучшении стабилизации воспламенения.

Влияние теплопроводности и состава газа также определяется стабилизацией воспламенения: добавка Н2 (коксовальный газ) способствует улучшению стабилизации и подавлению пульсаций, добавка СН4 (природный газ) - ухудшению стабилизации и усилению пульсаций.

Установлено, что для различных акустических характеристик тракта имеются оптимальные время запаздывания горения и модуль теплоподвода.

Улучшение перемешивания газа с воздухом и интенсификация сжигания газа приводит к увеличению модуля теплоподвода и к улучшению условий для возбуждения. Организация «растянутого» горения способствует подавление пульсаций. Анализ показал существенную роль при возбуждении пульсаций акустики тракта и акустического взаимодействия различных его частей. Наиболее существенное влияние оказывают тракты, подающие топливо.

В результате теоретического анализа были выведены следующие условия подавления пульсаций при однопроводной системе подачи топлива в зависимости от геометрических характеристик газопровода:

ОЩ +соб2| Д +

(1+ЛГ2сотаг)-даа2(1 + А^соавг) < 0, (13)

где 12 - длина газопровода, м;

со— круговая частота колебаний, радиан/с; Х2~ длина волны в газе, м;

а2, Рг - величины, характеризующие поглощение и изменение фазы звуковой волны на импедансах, радиан; т - время запаздывания, с;

№2 - безразмерное сопротивление горелки; N2- модуль теплоподвода.

Указанное выше условие существенно отличается от условия подавления колебаний при чистых стоячих волнах (поющее пламя):

втюгяшг

Аг)

<0

(14)

При двухпроводной системе подачи топлива (газ, воздух) для подавления пульсаций необходимо устранить колебания коэффициента расхода воздуха, что достигается при выполнении соотношения:

С/)(», СИ а, -1 СИ<р2 СИ „ГА Рг + 2л-^

Р Л 5А Я (а,+?»,)-+

где / - длина газового (13) и воздушного (14) тракта горелки, м,

Б - площадь поперечного сечения, с - скорость звука в газовых средах, м/сек.

Полученные теоретические зависимости пригодны для анализа многих пульсирующих систем, как с однопроводной, так и с двухпроводной системами подачи топлива.

2.5 Исследование процессов пульсирующего горения на экспериментальной установке

Были проведены исследования пульсирующего горения в воздухонагревателях многих доменных печей и были установлены причины и природа возникновения пульсаций в данных аппаратах. Однако проверка влияния многих, особенно конструктивных, факторов в производственных условиях затруднена из-за больших габаритов и большой стоимости воздухонагревателей. В связи с этим во ВНИИМТе была запроектирована и построена специальная установка, имитирующая пульсации при горении в доменных воздухонагревателях. На установке проводилась проверка склонности к пульсациям как отдельных частей, так и всего газодымового тракта в целом, причём предусмотрено изменение геометрических размеров установки, которые трудно изменить в действующих воздухонагревателях. Сравнивались зависимости, полученные для доменных воздухонагревателей и установки, определялась возможность переноса полученных на установке закономерностей на реальные воздухонагреватели.

Установка (рис.2.1) может работать в режиме автоколебаний и вынужденных колебаний. Основными узлами установки являются: система подачи топлива, система подачи воздуха, резонирующая система и измерительная система. Воздух для горения подаётся через выравнивающую ёмкость 1 и воздушный дроссель 2, который служит для создания запаса давления в горелочном устройстве. Природный газ подаётся через газовое сопло12 и после смешения с воздухом сжигается в камере горения 3, 5. Камера горения представляет собой раздвижную металлическую трубу с внутренним диаметром 112 мм длиной 1030 мм. В опытах применялись камеры

внутренними диаметрами 112, 74 и 53 мм с изменением их длин от 740 до 1060 мм.

Из камеры горения продукты сгорания подаются в ёмкостный бак б, имитирующий подкупольное пространство воздухонагревателя. Для грубого изменения объёма имелось 2 сменных бака ёмкостью 75 и 800 литров. Плавное изменение объема производилось заполнением бака водой.

Далее продукты горения поступают в камеру выхлопа 8, 9, имитирующую насадку и поднасадочное пространство воздухоншревателя, представляющую собой телескопический патрубок внутренним диаметром ~ 150 мм. На выходе из камеры выхлопа располагается регулирующий корпус 10. Для работы установки в режиме вынужденных колебаний к ёмкостному баку через соединительную трубу 15 подсоединяется поршневой пульсатор 14, обеспечивающий колебания давления.

Вся установка укреплена на двух сварных станинах.

Опыты, проведённые на экспериментальной установке пульсирующего горения, выявили ряд факторов, влияющих на процесс возбуждения колебаний и позволяющих управлять им. Исследованиями установлено, что установка имеет два типа возбуждения: высокочастотное (1б0~180 Гц) и низкочастотное (20-30 Гц). Оба типа колебаний обусловлены акустическим возбуждением установки, причём высокочастотные колебания возникают при акустическом возбуждении камеры горения по типу органной трубы, закрытой с одного конца, а низкочастотные - при возбуждении всей установки как целого по типу резонатора Гельмгольца.

Синусоидальная форма колебаний давления, близость измеренных и расчётных частот колебаний, расчётного и действительного распределения амплитуд колебаний давления по длине камеры горения и многие другие факторы подтверждают акустический характер возбуждения установки.

Опыты, поставленные с целью выяснения влияния на колебания давления различных режимных факторов, показали, что с увеличением расхода газа (при

а = const) амплитуда пульсаций высокой частоты увеличивается в большинстве случаев по квадратичной зависимости. С увеличением коэффициента расхода воздуха в одних случаях амплитуда увеличивается также по квадратичной зависимости, в других - при « = 1,0 ~ 1Д -наблюдается некоторый минимум и при дальнейшем увеличении а амплитуда вновь растёт, в третьих - наблюдается минимум амплитуды в области «=1,0 и рост амплитуды как при увеличении, так и при уменьшении а.

Амплитуда пульсаций низкой частоты с изменением указанных параметров в большинстве случаев начинает увеличиваться, достигает максимума, а затем падает. Следовательно, на этой частоте при определённых Qr, Qb и а имеются оптимальные условия для поддержания пульсаций, что является весьма важным фактором.

С увеличением отношения скоростей выхода газа и воздуха из горелки увеличивается и амплитуда колебаний высокой частоты, а амплитуда колебаний низких частот определяется неоднозначно.

При изменении расстояния от кромки сопла до входа в камеру горения наблюдалось некоторое оптимальное расстояние 70 мм), при котором амплитуда пульсаций высокой частоты была максимальной, амплитуда же колебаний низкой частоты увеличивается при увеличении расстояния от кромки сопла до входа в камеру горения.

Было установлено, что на возбуждение колебаний высокой частоты оказывает влияние подводящий газопровод. При совместном возбуждении камеры горения и газопровода амплитуда возрастает.

тан« «ад

I ^ i

с. 1 ей

CQ f CQ J

Рнс. 2.1 Экспериментальная установка моделирование пульсащш в доменных воздухонагревателях 1 - выравнивающая емкость; 2 - дроссель; 3,5 - камера горения; 4 - штуцер для датчика давления; б -бак; 7 - мерная трубка; 8,9 - камера выхлопа; 10 - конус; 11 - станина; 12 - газовое сопло; 13 -наблюдательное окно; 14 - поршневой пульсатор; 15 - соединительная труба.

Амплитуда колебаний давления высокой частоты увеличивается с увеличением длины камеры горения и уменьшением её диаметра, что связано с уменьшением потерь акустической энергии. Длина камеры горения также оказывает влияние на частоту пульсаций - с увеличением длины частота падает, что связано с акустической природой возбуждения камеры горения.

На частоту и амплитуду колебаний давления низкой частоты оказывает влияние объём свободного пространства в ёмкости бака и длина камеры выхлопа. Так, с уменьшением свободного пространства в ёмкостном баке и уменьшении длины камеры выхлопа увеличивается частота и уменьшается амплитуда колебаний давления.

Увеличение запаса давления воздуха перед горелкой приводит к уменьшению амплитуды пульсаций высокой частоты и практически не влияет на амплитуду низкой частоты.

Увеличение сопротивлений на выходе из бака и камеры выхлопа приводит к уменьшению амплитуды колебаний, причём на низких частотах в значительно большей степени. Уменьшение амплитуды пульсаций связано с увеличением потерь акустической энергии на местном сопротивлении.

2.6 Разработка методов и рекомендаций по устранению пульсирующего горения на промышленных воздухонагревателях

Акустические методы борьбы требуют знания реальных акустических характеристик присоединенных газо- и воздухопроводов. Были замерены эти характеристики на действующих воздухонагревателях и получено хорошее совпадение расчетных и опытных данных, а также данных, полученных на опытном стенде.

Предпроектный расчет пульсаций весьма проблематичен, так как необходимо знать величину акустических сопротивлений (изменение амплитуды и фазы) основных участков и мест установки оборудования. При размещении глушителей в газо- и воздухопроводе на расстоянии 1Л длины волны требуется место для размещения емкостей объемом 50-60 м3, и их

действие может быть искажено работой установленного на этом участке оборудования. Для подавления пульсаций использовали в основном методы, связанные с работой горелки.

На основании опытных данных и теоретического анализа даны рекомендации для ослабления и устранения пульсаций.

Камера горения, а также газовый и воздушный тракты должны иметь геометрические параметры, определённые по формулам проекта 2.2. Газовый коллектор следует выполнять по возможности большим диаметром, подводящий газопровод должен иметь длину, при которой обеспечиваются неблагоприятные соотношения фаз между пульсирующей подачей и акустическими колебаниями в камере горения. Длина воздушного тракта должна увязываться с акустическими характеристиками газового тракта, в результате чего устраняются колебания коэффициента расхода воздуха.

Горелка должна обеспечивать устойчивую стабилизацию воспламенения и сжигание газа в растянутом факеле. Отопительный газ должен иметь минимальную теплотворность, достаточную для достижения заданной температуры купола, и добавлять в него более целесообразно коксовальный газ.

Камера горения воздухонагревателя должна быть по возможности широкой и короткой. Ее тепловая нагрузка должна выбираться с учетом сечения, длины и температуры газов. Наиболее благоприятным для подавления пульсаций является полное устранение камеры горения.

Подкуполное пространство следует уменьшать, а насадочную камеру выкладывать насадками, повышающими турбулизацию потока и затухание звуковых волн.

Для действующих воздухонагревателей, где изменение конфигурации тракта связано с большими капитальными затратами, рекомендованы режимные и несложные конструктивные мероприятия: уменьшение расхода газа ниже критического (временная мера); изменение коэффициента расхода воздуха (изменяя а за счет изменения состава газа, можно сместить рабочий а в

область минимума пульсаций); увеличение запаса давления газа и воздуха перед горелкой на 200-300мм. вод. ст.; изменение состава сжигаемого газа путем замены добавки природного газа на добавку коксовального (где это возможно); ухудшение перемешивания газа с воздухом путем выравнивания скоростей их выхода из горелки или путем установки удлинительного патрубка в штуцере горелки; улучшение стабилизации воспламенения; уменьшение сопротивления насадки (своевременные ремонты).

Эффективность этих рекомендаций подтверждена на ряде заводов, в частности, существенно снижены или устранены пульсации на воздухонагревателях двух доменных печей Челябинского металлургического завода, печах Нижнее-Тагильского комбината и завода «Запорожсталь» с одновременным повышением производительности горелок на 7-10%.На доменной печи объемом 2700м3 Череповецкого завода при устранении пульсаций снижен расход природного газа на 10,5 млн.м3 /год и получена общая экономия в сумме 130 тыс.руб./год. На доменной печи объемом 2000 м3 Магнитогорского комбината пульсации устранены с одновременным повышением пропускной способности горелок на 30-40%.

Устранение пульсаций кроме того позволило увеличить срок службы оборудования, повысить стойкость кладки, устранить нарушения работы автоматики и улучшить условия работы и ведение режима нагрева воздухонагревателей.

Таким образом, большая часть рекомендаций проверена и внедрена на заводах. Пульсации после внедрения рекомендаций значительно снижены или устранены полностью, при этом в ряде случаев получено существенное увеличение производительности воздухонагревателей.

3 Разработка и внедрение новых типов блочных насадок

Температура нагрева дутья в существующих доменных воздухонагревателях повышается в основном за счет увеличения поверхности нагрева насадки и габаритов агрегатов. При этом в насадке используются прямые каналы, у которых коэффициенты теплоотдачи и гидравлического сопротивления сохраняются примерно на одном уровне. Рост высоты насадки приводит к ухудшению условий ее работы по ползучести, увеличивает капитальные затраты на сооружение воздухонагревателей.

3.1 Разработка новых типов керамических насадочных блоков

Увеличение поверхности нагрева насадки возможно за счёт уменьшения диаметра каналов насадки. С этой целью были разработаны шестигранные насадочные блоки (рис. 3.1) с диаметром канала 30 мм, (поверхность нагрева 48 м2/ м3) и с диаметром канала 20 мм (поверхность нагрева 64 м2/ мЗ) взамен стандартным блокам с каналами 40 мм и поверхностью нагрева 32,7 м2/ м3. Применение разработанных блоков позволяет сократить габариты насадки и всего воздухонагревателя при сохранении его тепловой мощности (рис. 3.2).

Рис. 3.1. Кирпич насадочный шестигранный

a) о каналами диаметром 40 мм, с поверхностью нагрева 32,7 м2/м3 - стандартный блок в России;

b) с каналами диаметром 30 мм с поверхностью нагрева 48 м2/м3 или 48,7 м2/м3 -используется в ВНК;

c) с каналами диаметром 20 мм с поверхностью нагрева 64 м2/м3 - начал использоваться в ВНК;

Распределение зон из разных огнеупоров по высоте насадки рассчитывается таким образом, чтобы отсутствовали условия для зарастания

каналов насадки пылью и шлаком, так что весь период эксплуатации насадка остается чистой. Насадка с каналами 30 мм (рис. 3.1) эксплуатируется уже в течении 25 лет. Её производство освоено в России, Украине и Китае. Основное количество воздухонагревателей построено с этой насадкой. Насадка с диаметром канала 20 мм (рис. 3.1) имеет лучшие показатели и начала использоваться взамен насадки с каналом 30 мм.

Повышение температуры нагрева дутья при сокращении габаритов насадки и одинаковых режимах работы воздухонагревателей, возможно и за счет интенсификации теплообмена в ее каналах. Одним из рациональных способов повышения коэффициента теплоотдачи в каналах является дополнительная турбулизация потока газа. При разработке насадок с высокими теплотехническими характеристиками должна быть учтена и технологичность их изготовления. Наиболее приемлемым для блочного изготовления оказался канал, выполненный в виде ступенек из круглого усеченного конуса (типа «елочка») обеспечивающий дополнительную турбулизацию потока.

А-3,36

«40 ®30 ®20

Диаметр каналов насаВки ,м Рис.3.2. Сравнение высоты насадки с диаметрами каналов насадочных блоков 40,30 и 20 мм для ДП№5 объемом 5500 м3 ОАО «Северсталь» при одинаковых параметрах работы воздухонагревателей

Как показывают данные рис. 3.2 и многие аналогичные данные для других

доменных печей, применение насадки с диаметром канала 20 мм позволяет

более чем в 2 раза уменьшить высоту и вес насадки. Соответственно снижается вес футеровки, кожуха, металлоконструкций, здания, что делает воздухонагреватель малогабаритным и дает значительное снижение капитальных затрат.

3.2 Расчётно-теоретические и экспериментальные исследования теплообмена в каналах переменного сечения

В настоящем проекте приведены результаты- исследований канала типа «елочка». Такой канал в сборе для одного направления потока представляет собой последовательный ряд диффузоров, а для противоположного - ряд конфузоров (рис. 3.3).

Направление тскав газовьй^а период

—-5(3

X

Ьёграапеже

тая&доъееой

период

Рис. 3.3. Канал "ёлочка". Геометрические параметры канала, использованного на экспериментальной установке: с11=17мм; ё2=13мм; Ь=37,5мм; Ь=2мм;

Р 1=90°; /?2=3°

Методика исследования теплообменных и гидравлических характеристик канала заключалась в следующем: канал типа «елочка» длиной 1200 мм, изготовленный из медных элементов длиной 37,5 мм с диаметрами конуса 13/17 мм, обогревался снаружи кипящей водой. Расход воздуха, пропускаемого через канал, изменялся в пределах 0,3-15м3/ч.

Результаты исследований для такого канала приведены на рис.3.4. в виде зависимости безразмерного коэффициента теплоотдачи №=/(11е) и коэффициента гидравлического сопротивления Х.=/(11е).

Из рисунка видно, что теплоотдача конвекцией и гидравлическое сопротивление в турбулентной области течения для чисел 11е>3000 не зависят от направления потока и описываются уравнениями:

№ = 0.03637? е08 Л = 0.724/д е02 (1б)

Для потока в направлении конфузора при снижении скорости указанная зависимость для 1Чи и X сохраняется вплоть до ]1е=500 (кривая 2). Это говорит о том, что за выступами происходит дополнительная турбулизация потока.

Для потока в направлении диффузора (кривая 1) при 11е<3000 наблюдаются уменьшение теплообмена конвекцией и изменение зависимости 1=/(Ке). В турбулентном режиме коэффициент теплоотдачи канала типа «елочка» по сравнению с гладким каналом возрастает в 2 раза, а коэффициент сопротивления увеличивается в 3,5-4, в зависимости от Ле.

Рис.3.4. Зависимости 1ё Ми = /(1811е) и (100 Я)= /(1ё (< Яе >)) для канала типа "ёлочка"

За счет ликвидации внутренней камеры горения площадь сечения насадки увеличивается на 25-30%. Установка насадки «елочка», имеющей больший коэффициент теплоотдачи, и больший коэффициент гидравлического сопротивления, позволяет при сохранении того же сопротивления снизить ее высоту, что особенно эффективно при реконструкции существующих воздухонагревателей на бесшахтный вариант с купольной системой отопления.

3.3 Промышленные исследования насадки на бесшахтном воздухонагревателе

Наиболее рациональной оказалась комбинированная насадка, когда верхняя ее часть выполняется каналом типа «елочка» (с периодическими сужениями), а нижняя - цилиндрическим каналом. В таблице 1 приведены данные расчетов для разных насадок одного из бесшахтных аппаратов при сохранении внутреннего диаметра насадки. Они показывают, что при сохранении параметров нагрева дутья и использовании комбинированной насадки высота и масса ее по сравнению со стандартной уменьшаются существенно.

Таблица 1. Характеристики бесшахтного воздухонагревателя при использовании разных типов насадок.__

Параметр Тип насадки

ГОСТ 2090175 41 мм Гладки й канал 30мм Комбинированный канал 30 мм

Поверхность нагрева насадки, м2 /м 32,7 48,0 48,7

Температура купола,0 С 1550 1550 1550

Температура дутья,и С 1400 1400 1400

Гидравлическое сопротивление, Па 800 780 1180

Масса насадки, т 1890 1525 1200

Высота насадки, м 37,24 30,51 24,48

Проведены также эксперименты по определению равномерности распределения потоков по каналам насадки в газовый период в реальном бесшахтном воздухонагревателе. Равномерность распределения скоростей по

насадке бесшахтного воздухонагревателя измеряли полупроводниковым термоанемометром ЭА-2М, для которого был разработан датчик специальной формы (рис.3.5), устанавливаемый в ячейке насадки. Вся поверхность насадки была разбита на 4 равновеликих кольцевых площадки. В каждой площадке измерения вели в 12 точках, равномерно расположенных по средней линии. Дополнительная 49 точка бралась в центре насадки. Воздух подавался по воздушному и газовому трактам в количестве до 41 тыс. мЗ /ч. Неравномерность распределения относительных скоростей на входе в насадку находилась в пределе ±6% (рис. 3.6). Минимальные скорости были в каналах насадки, прилежащих к дымовым патрубкам.

Проведенные исследования распределения потоков по насадке бесшахтного воздухонагревателя дали хорошее совпадение с данными аэродинамических исследований и подтвердили правильность разработанной с

я

Рис. 3.5 Измерительное

устройство для определения равномерности распределения потоков

Рис. 3.6 Распределение относительных скоростей на входе в насадку в газовый период

участием автора методики исследований воздухонагревателей на аэродинамических моделях.

3.4 Внедрение новых эффективных типов насадок

Разработанные конструкции насадочных блоков с оптимальными геометрическими параметрами и улучшенными теплотехническими показателями были использованы в рабочих проектах реконструируемых и вновь строящихся блоков доменных воздухонагревателей Нижнетагильского меткомбината, комбината «Северсталь», Западно-Сибирского меткомбината и еще на доменных печах разных стран. При использовании разработанных конструкций насадок для сооружения блоков высокотемпературных воздухонагревателей существенно снижается вес огнеупорных насадочных изделий, сокращаются расходы стеновых огнеупоров и металлоконструкций, снижаются капитальные затраты на их строительство.

Так на впервые построенных бесшахтных воздухонагревателях доменной печи № 3 Саткинского метзавода за счет использования комбинированной насадки (верхняя динасовая зона - турбулентные блоки, остальные зоны -блоки с гладким каналом) высота аппаратов была снижена на ~ 16 м (40%) в сравнении с первоначальными техническими решениями.

На доменных печах Западно-Сибирского меткомбината, в г. Новокузнецке реконструкция блоков воздухонагревателей с внутренней камерой горения проходит с поочерёдной заменой аппаратов на бесшахтные воздухонагреватели (рис. 3.7). На фотографии приведён общий вид блока воздухонагревателей, где слева стоят 3 аппарата с внутренней камерой горения, справа - бесшахтный воздухонагреватель Калугина той же тепловой мощности.

Устранение камеры горения и применение новой конструкции насадки позволили значительно (на 40-50 %) уменьшить высоту насадки при тех же поперечных размерах воздухонагревателя. Это сделало воздухонагреватель малогабаритным и позволяет получить экономию средств на огнеупорных

материалах при его сооружении по сравнению с воздухонагревателем с внутренней камерой горения такой же тепловой мощности.

Рис. 3.7 Россия, г. Новокузнецк ОАО «ЗСМК». ДП № 3 объемом 3000 м3. Справа - бесшахтный воздухонагреватель Калугина. Слева - 3 воздухонагревателя с внутренней камерой горения.

В Китае и Индии эксплуатируется уже 18 воздухонагревателей с насадкой с диаметром канала 20 мм и поверхностью нагрева 64 м2/ м3.

Сооружаются в России (ОАО «Северсталь») и Китае (компания «Цзиганг») бесшахтные воздухонагреватели с такой насадкой для доменных печей объемом 3200м3. Ведется проект реконструкции на такую насадку воздухонагревателей с наружной камерой горения с установкой бесшахтных воздухонагревателей Калугина на доменной печи объемом 5500м3 комбината «Северсталь».

4 Разработка и внедрение конструкций керамических газовых горелок 4.1 Конструкции и типы керамических горелок

Для отопления воздухонагревателей доменных печей (традиционного типа) в отечественной практике применяются металлические горелки типа "труба в трубе". При боковом расположении этих горелок горящая струя газа после выхода из штуцера горелки ударяется в противоположную стенку, что приводит к перегреву кладки в нижней части камеры горения. Общий перегрев кладки нижней части камеры горения приводит к ее разрушению вследствие ползучести огнеупора под действием высоких температур и давлений (от собственного веса), местный перегрев создает большие термические напряжения и приводит к образованию сквозных трещин в насадку (короткого замыкания).

Одним из способов устранения этих недостатков является применение керамических горелок с осевым расположением факела в камере горения, которые выкладываются из огнеупорного материала непосредственно в камере горения и поэтому называются керамическими.

Керамические горелки типа 1 (рис. 4.1) обеспечивают растянутый факел и переносят максимум температур в верхнюю часть камеры горения, где меньше давление кладки. За счет этого уменьшается вредное влияние деформации ползучести огнеупоров (крипа) на стойкость камеры горения и увеличивается её срок службы.

Поскольку керамическая горелка расположена внутри камеры горения в зоне действия высоких температур, прежде всего встал вопрос о ее собственной стойкости, так как теперь она может определять межремонтный срок службы всего аппарата. Для увеличения термической стойкости горелки уменьшили колебания температур в ее кладке за счет организации частичного загорания газа внутри горелки. Это достигалось более глубоким положением нижнего ряда воздушных щелей, подбором расстояния между воздушными щелями и

расстояния от верхнего ряда щелей до выходного среза горелки. За счет этого колебания температур были уменьшены в 2-3 раза (с 600°С до 200-300 °С) и стойкость горелок значительно возросла.

Рис. 4.1 .Конструкция промышленной керамической горелки типа 1 Газ и воздух в них подводятся по двум самостоятельным штуцерам; воздух, попадая в периферийный кольцевой коллектор, выходит через щелевые каналы и внедряется несколькими струями в центральный газовый поток, направленный вдоль оси камеры горения. Для успешной работы горелки такой конструкции необходимо решить две задачи: обеспечить равномерное распределение газа и воздуха в выходном сечении горелки и добиться устойчивого сжигания газа в осевом симметричном факеле с хорошей стабилизацией воспламенения.

Установка выравнивающей стенки в низу газового канала позволила добиться равномерного распределения газа в сопле горелки и симметричности положения факела в камере горения. Благодаря двухрядному расположению воздушных щелей и профилированию воздушного коллектора, добились

равномерного распределения воздуха. Выгорание газа при таких горелках заканчивается на более высоких отметках, чем при боковых металлических горелках. Сопротивление горелки по газу и по воздуху на 10-15 % ниже, что позволяло увеличить тепловую мощность воздухонагревателей.

Для отопления бесшахтных воздухонагревателей с кольцевой форкамерой (см. главу 5) разрабатывались также керамические кольцевые горелки (тип 2). Такая горелка должна обеспечивать максимально короткий факел. Такая кольцевая горелка состояла из большого числа (40-60) элементарных керамических горелок малого калибра. Элементарные горелки разрабатывали двух модификаций : а) с перекрытыми сверху воздушными каналами и прямым выходом газа в специальные смесительные камеры ; б) с открытыми сверху каналами обеих сред.

В первом случае смешение шло в перекрестных струях, во втором - в параллельных.

Исследования горелок двух типов проводились на аэродинамических и огневых стендах, с помощью математических моделей, а также на промышленных воздухонагревателях.

4.2 Исследования на аэродинамических и огневых стендах

4.2.1 Исследования керамических горелок типа 1

На аэродинамическом стенде проводили отработку отдельных узлов горелок для получения равномерного распределения потоков газа и воздуха в выходном сопле и соосного с камерой горения "факела".

С целью определения длины факела и распределения температур в камере горения конструкция отрабатывалась на огневом стенде.

Было исследовано 7 вариантов горелок с соплами, отличающихся числом и размерами воздушных каналов, конфшурацией центрального газового канала (рис.4.2).

Сопло N1, $щ=23,5мм

Сопло N2. 5щ=23.$мм но

Сопло N1, вш=23.5мм Ш

С51

~ЕЯ -

Сопло Ш, 5 23,5мм Ш

Сопло А15. 5щ=23,5мм

Сопло N4, В щ:23,5мм

ж

72отЬ. Ф2.0

ММ

ДНЕ

Сопло Ю, ,5/23,5мм

Рис 4.2 Модель керамической горелки для огневого стенда со сменными

соплами

Ранее проведенные исследования модели горелки с расположением воздушных щелей в один ряд показали недостаточную интенсивность выгорания газа в ней. Двухрядное выполнение воздушных щелей в горелке улучшает степень перемешивания потоков газа и воздуха, факел в камере развивается симметрично и обеспечивается равномерное распределение его параметров по всей длине камеры. Изменения степени выгорания газа (химический недожог ) по длине камеры горения представлены на рис. 4.3 (цифры на кривых -номера сопел горелок по рис. 4.2).

ь _________

ь

0,5

5 10 15 Шг

Рис 4.3. Измерение химического недожога на разных расстояниях от горелки Ь/ёг при исследовании на огневом стенде (цифры на кривых - номера сопел по

рис. 4.2)

При горелках с соплами 1-3 наиболее интенсивное выгорание наблюдали у горелки с соплом 2, где было увеличено сечение для прохода воздуха в первом (по ходу газа) ряду щелей, Выгорание у горелок с соплами 1-3 было в 2-3 раза интенсивнее, чем у горелки с однорядным расположением щелей. Амплитуда пульсаций с этими горелками была невелика. Наихудшим было выгорание у

горелки с соплом 4. В опытах на моделях горелки с соплами 1-4 горения внутри смесителя не возникало. Для улучшения возможности загорания газа в горелке был выполнен пережим (сопла 5-7), за которым располагалась зона циркуляции, способствующая стабилизации горения. Однако и при этих соплах зажигания газа в смесителе горелки не происходило, но уровень пульсаций горения снизился. Выполнение подобных пережимов в центральном газовом канале было учтено при выборе конструкций промышленных керамических горелок.

4.2.2 Исследования на аэродинамическом стенде керамических горелок типа 2 (для кольцевых форкамер бесшахтных воздухонагревателей)

Аэродинамический стенд представлял собой собой модель бесшахтного воздухонагревателя в масштабе 1:22. Купол выполнялся из оргстекла, остальные части из металла. Насадка смоделирована блоком из медных трубок (750 шт.), которые впаивались в трубную доску. В трубах имелись сегментные диафрагмы, обеспечивающие одинаковый коэффициент сопротивления с каналами насадки воздухонагревателя. Сопротивление трубок подгонялось с точностью ±2% до заданного. Часть трубок (53 шт.) были измерительными и выполнялись с еще большей точностью (± 1%). Горелки заменялись отверстиями (120 шт) в кольцевом коллекторе, расположенном в нижней части форкамеры. Высота форкамеры составляла 20 калибров отверстия, что было достаточно для выравнивания поля скоростей в поперечном сечении форкамеры. В поднасадочном пространстве находились модели опор. Отвод «продуктов горения» производился через патрубки, эти же патрубки в «дутьевой период» выполняли роль штуцеров холодного дутья. В исследованиях изменяли количество и расположение патрубков относительно друг друга и штуцера «горячего» дутья с целью определить вариант, дающий наиболее равномерное распределение газовых потоков по насадке за цикл. Всего было исследовано 8 вариантов подвода «холодного дутья» и 11 - отвода «продуктов горения». По данным о перепадах давления на измерительных

трубках в каждом опыте определяли относительные скорости воздуха в трубках и далее равномерность распределения потоков по насадке.

Кроме того, с помощью трубки ВТИ изучалось распределение потоков в подкупольном пространстве, дополнительно с этой же целью проводились исследования на гидролотке. Гидролоток представляет собой емкость 1500x900x200 мм, в которую помещается плоская модель изучаемой конструкции и создается ток воды. Для образования видимой картины поверхность воды посыпается мелкой крошкой (ликоподий, пенопласт). Фиксация получаемой картины производится фотоаппаратом.

В результате исследования аэродинамики газового периода установлено, что наиболее равномерное распределение потоков по насадке достигается при двух «дымовых» патрубках, расположенных симметрично против штуцера « горячего дутья» и имеющими между собой угол 35°.

В «дутьевой период» лучший результат достигнут также при двух подводах «холодного дутья», расположенных относительно штуцера «горячего дутья» под углом, соответственно, 235° и 325° по часовой стрелке.

Исследование распределения потоков в подкупольном пространстве и опыты на гидролотке позволили получить качественную картину аэродинамической ситуации под куполом бесшахтного воздухонагревателя в периоды нагрева и дутья.

► 4.2.3 Исследования на огневом стенде керамических горелок типа 2 (для

кольцевых форкамер бесшахтных воздухонагревателей)

Стенд для огневых исследований представлял собой вертикальную прямоугольную камеру, футерованную кирпичом и имел внутри канал с поперечным сечением 1000x200 мм, выполняющий роль кольцевой камеры горения (кольцевой форкамеры). В кладке стенда по высоте имелся ряд отверстий для ввода исследовательских зондов. Нижняя часть камеры соединялась с боровом, на верхней устанавливалась исследуемая горелка.

Стенд оснащен необходимой контрольно- измерительной аппаратурой и приборами. Измерялись: расходы и температура отопительного газа и воздуха, состав газа, а также температура и состав продуктов горения по сечениям топочной камеры.

Исследования на огневом стенде проводились в два этапа. На первом этапе исследовались три варианта горелок: с перемешиванием во встречных струях газа и воздуха; с перемешиванием в параллельных потоках и с перемешиванием, когда струи воздуха внедряются в параллельно текущие потоки газа.

Горелка представляет собой модель в масштабе 1:2, участка горелочного кольца с тремя элементарными горелками. Центральная горелка дает рабочий факел, боковые-«охранные», создающие условия подобия для центрального. Сжигаемый в горелке «доменный» газ имитировался газом, получаемым в специальном газогенераторе, путем смешения охлаждённых продуктов неполного горения природного газа с чистым природным газом. Теплота сгорания газа соответствовала газу в реальных воздухонагревателях и составляла 5000-5400 кДж/м3 при среднем составе, %: С02 5,6; СО 8,2; Н2 10,9; СН4 8,3; N2 67,0.

В горелке с параллельными потоками газа и воздуха для улучшения перемешивания отношение скоростей выхода воздуха и газа было задано близким к 3, что должно было обеспечить более короткий факел. Однако сгорание газа было медленным, а факел получался растянутым (рис. 4.4), на расстоянии 8 калибров горелки недожог составлял до 30%. Стабилизация воспламенения была неустойчива, поля температур в форкамере неравномерны. Горелка со смешением в перекрестных струях обеспечивала выгорание газа на малой длине, примерно 4,5 калибра горелки, при хорошей стабилизации воспламенения и равномерном распределении температуры на выходе из форкамеры.

г,*с ь

600

500 Щ8-

т "0,6

300 200 г 1*1 I

100

0 0

10 12

Шг (1) О 2,4 6 8 фг(2) г Расстояние от горелки, м»

Рис. 4.4. Температура t и химический недожог я з по длине форкамеры на оси горелки при смешении газа и воздуха: 1 — в параллельных струях; 2 — в перекрестных струях.

Горелка по второму варианту обеспечивает выгорание газа на длине 5,5 калибра и обладает невысоким сопротивлением по газу (ОДЗкПа). Для этой горелки проверено 4 варианта смесителя и выявлен лучший обеспечивающий равномерный профиль температур в конце факела.

В результате испытаний сделан вывод, что при горелке со смешением в параллельных струях трудно обеспечить равномерное поле температур по горелочному кольцу и для сжигания газа требуется форкамера большой высоты. Горелки со смешением в перекрестных струях обеспечивают полное сжигание газа при хорошей стабилизации воспламенения на расстоянии 1,2-1,5

м (в натуре) при равномерном распределении температур по периметру форкамеры. Эта конструкция горелки была принята для дальнейшей разработки и внедрения.

4.3 Отработка на аэродинамическом стенде модели коллектора для кольцевой керамической горелки

Равномерность раздачи газовых сред по коллектору отрабатывалась на модели с масштабом 1:10. По периметру коллектора устанавливали 24 отводящих патрубка с измерительными диафрагмами. Коэффициенты сопротивления отводов задавались близкими к расчетным коэффициентам сопротивлений горелок.

Исследовалось три варианта коллектора, наиболее вероятные при выбранной схеме воздухонагревателя. Они отличались входными участками, размерами и формой поперечного сечения коллектора. Отношение площади входного патрубка к суммарной площади выходных отверстий сохранялось постоянным. Для обеспечения равномерного распределения потоков по горелкам коллекторы выполняли с большим отношением площади поперечного сечения коллектора к сумме площадей выходных отверстий (8к/250), которое, рекомендуется принимать близкими к 3.

Опыты проводились с радиальным подводом воздуха в коллектор, поскольку тангенциальный подвод показал неприемлемость такого способа (отклонение относительной скорости от среднего значения больше 100%). Отводы были одинаковы при всех вариантах. Предварительно все диафрагмы отводов тарировались по двойной диафрагме и находился коэффициент сопротивления и расхода для каждой диафрагмы. Количественная оценка степени равномерности раздачи производилась по относительной скорости.

При прямоугольной форме коллектора и 8к/£80=5,1 получали хорошее распределение потоков по коллектору с максимальным отклонением от средней по всей окружности от +3 до -5%. Максимальная неравномерность наблюдалась

вблизи входного патрубка за счет деформации потока при разделении его I коллекторе на две части.

Щг

Рис 4.5. Измерение химического недожога на разных расстояниях от горелки на промышленных воздухонагревателях:

1 - ЧерМК, ДП №5, ёг = 2.61 м,

Ткуп = 1280 °С;

2 - КомМК - ДП №1, ёг = 1.62 м,

Ткуп = 1330 °С;

3 - ММК, ДП №4, <±г = 1.41 м, Ткуп = 1370 °С (сплошная линия); Ткуп = 1320 °С (пунктир линия);

4 - НТМК, ДП №2, с1г = 1.41 м,

Ткуп =1280 "С

<1г - гидравлический диаметр горелки.

Равномерность раздачи коллектора уменьшенного сечения с треугольные профилем (БК/ХБо = 2,2) оказалась хуже, чем у предыдущего. Влияние входного участка здесь было сильнее, и зона его действия расширила« примерно до 1/3 коллектора. Максимальные отклонения расходов от средне?

величины составляли от +3 до -8%. Для уменьшения неравномерности соотношение площадей увеличили до 3, во входном патрубке установили выравнивающие решетки, а в коллекторе - направляющие лопатки. Неравномерность уменьшилась и максимальные отклонения от средней величины находились в пределах от +4 до -3%. Подобная неравномерность была признана удовлетворительной для обеспечения равномерного сжигания газа по всему горелочному кольцу.

4.4 Внедрение конструкций керамических горелок на доменных воздухонагревателях.

Первая опытно-промышленная керамическая горелка типа 1 (рис.4.1) опробована на воздухонагревателе № 4 доменной печи № 2 НТМК в 1973 г. Исследования этой горелки показали, что она имела меньшее, чем у металлических горелок ИЗТМ гидравлическое сопротивление, что позволило увеличить тепловую мощность воздухонагревателя на 10-15 %. Горелка обеспечивала постепенное выгорание газа с плавным ростом температуры в камере горения от 900 до 1250°С (рис. 4.5, кривая 4). Пульсаций горения не наблюдалось, на соседних воздухонагревателях, оборудованных горелками ИЗТМ, возникали сильные пульсации.

В дальнейшем на этом воздухонагревателе была установлена керамическая горелка с расположением щелей по всему периметру. Горелка была введена в эксплуатацию в 1978 г, и эксплуатировались в течение 13 лет. Кладка горелки выполнена из огнеупора марки МК-80, разработанного УкрНИИО.

На воздухонагревателе № 14 доменной печи № 4 Ждановского металлургического комбината "Азовсталь" была установлена и введена в эксплуатации керамическая горелка с кладкой из стандартных огнеупоров марки МКО-72. Воздушные щели были выполнены по всему периметру центрального канала в два ряда. Эта керамическая горелка при том же давлении газа имела производительность на 15 % выше, чем металлическая, из-за меньшего гидравлического сопротивления. Полное сгорание топлива

достигалось на высоте 17 м от среза горелки (2/3 высоты камеры горения). Горелка ИЗТМ на соседнем воздухонагревателе обеспечивала полное сгорание газа на высоте 11м, однако поля температур, особенно в начальных сечениях, при ударе факела о стену, были неравномерными, и здесь наблюдались значительные сколы кладки камеры горения.

Перепады температуры при керамической горелке уменьшились в 3,0-3,5 раза, скорость нагрева и охлаждения кладки уменьшилась в 4-5 раз. Это обеспечило хорошую стойкость кладки камеры горения; после четырех лет эксплуатации сколов и трещин не обнаружено.

При высокой температуре купола (1450 °С) после 2,5 лет эксплуатации на воздухонагревателе № 13 доменной печи № 4 Ждановского металлургического комбината "Азовсталь" с горелкой ИЗТМ возникли волнообразные выпучивания и обрушения кладки в нижней части камеры горения вследствие высокотемпературной ползучести (крипа) огнеупоров; на воздухонагревателе № 14 с керамической горелкой образовалась лишь одна выпуклость, на 6-7 м выше, чем нижние выпуклости при использовании горелок ИЗТМ; обрушений не было.

Сопоставление давлений при температуре купола 1450 °С в горелках типа ИЗТМ показало, что действительное давление внизу камеры горения на расстоянии от 2 до 14 м оказалось выше допустимого. Допустимое давление становилось больше действительного только при температуре купола ниже 1400 °С. На воздухонагревателе с керамической горелкой допустимое давление было меньше действительного при температуре купола 1450 °С, что позволяло увеличивать температуру купола на 70-75 °С при тех же условиях службы кладки.

Воздухонагреватели доменной печи № I Коммунарского металлургического комбината были оборудованы наружными камерами горения и керамическими горелками. Правильный выбор числа и места

расположения щелей, а также расстояния щелей от среза горелки, способствовал равномерному распределению газа и воздуха в горелке и симметричности факела в камере горения. Горелка обеспечивала полное выгорание газа на расстоянии 10 калибров от верха горелки (16 м), равномерное распределение газа и воздуха по сечению камеры горения с небольшой температурой в нижней части (около 900 °С), что создавало благоприятные условия для хорошей стойкости камеры горения по условиям ползучести огнеупора. При нормальном ходе доменной печи пульсаций горения не наблюдалось, однако в периоды "тихого хода" печи, когда менялся состав доменного газа, при больших расходах газа в горелке появлялись пульсации средней интенсивности. Для устранения пульсаций в дальнейшем в конструкции горелок были предусмотрены стабилизаторы горения перед воздушными щелями.

При эксплуатации керамических горелок выявился ряд особенностей. Для обеспечения хорошей газоплотности разделительной стены камеры горения в районе горелки ее кладка должна выполняться на воздушно-твердеющем растворе и с установкой металлического кессона из жаростойкой стали. Горелку можно применить в камерах горения любой формы и выкладывать из простых типов огнеупорных изделий.

На основании опыта эксплуатации керамических горелок с участием автора разработано техническое задание на типовые керамические горелка для воздухонагревателей типовых доменных печей объемом 1033-3200 м3. Рабочее проектирование типовых керамических горелок (8 типоразмеров) выполнено Уралгипромезом.

5 Разработка и внедрение конструкций воздухонагревателей с купольной системой отопления и керамической горелкой кольцевого типа

5.1 Разработка воздухонагревателя с купольной системой отопления с кольцевой керамической горелкой

Разработано несколько типов бесшахтных воздухонагревателей. Особенность их - зависимость конструкции горелочного устройства от схемы отопления.

Разрабатывали несколько конструкций аппаратов с расширением купола только за счет установки независимой опоры его кладки на кожух, что выполняется и для современных воздухонагревателей с внутренней (или наружной) камерами горения. Горелочные устройства при этом располагаются либо на боковой стороне, либо в верхней части купола. При размещении горелочных устройств на боковой стороне потребуется установка нескольких горелок, так как при размещении, например, одной или двух горелок трудно добиться полного сгорания газа до входа в насадку и равномерного распределения по ней продуктов сгорания.

Наиболее простая схема - размещение на боковой стороне купола нескольких металлических горелочных устройств, имеющих индивидуальные отделительные клапаны. В этом случае относительно просто решается вопрос о конструкции самой горелки, но потребуется разработка и изготовление нового отсечного оборудования, а тоннели горелок будут ослаблять купол. Питание горелок газом и воздухом надо осуществлять от наружных коллекторов, которые должны проходить между воздухонагревателями, что потребует дополнительных габаритов и приведет к дополнительным затруднениям. В связи с указанными недостатками эти схемы не были рекомендованы к практической проверке.

Первым был детально разработан воздухонагреватель с кольцевой форкамерой в основании купола и большим числом (несколько десятков) керамических горелок малого калибра в основании форкамеры. Каждая горелка

соединена каналами, проходящими в кладке, с газовым и воздушным коллекторами, расположенными под кожухом воздухонагревателей. Короткофакельная горелка и другие узлы воздухонагревателя были отработаны на стендах ВНИИМТ.

5.2 Внедрение воздухонагревателя с купольной системой отопления с кольцевой керамической горелкой

Первый такой бесшахтный воздухонагреватель сооружён на доменной печи объемом 1513м3 НТМК в 1982г. Поверхность нагрева его составляет 45,8 тыс.м2, купол и верх насадки выполнены из динаса.

Воздухонагреватель (рис.5.1) имеет патрубки подвода газа 1 и воздуха 2 к газовому 3 и воздушному 4 коллекторам. Футеровка купола 5 опирается на перекрытия 6 и 7 коллекторов. Кольцевая горелка располагается между футеровкой купола и насадочной камерой и состоит из чередующихся каналов для воздуха 8, перекрытых сверху, и прямых каналов для газа 9 без перекрытий. На боковых стенках воздушных каналов имеются отверстия 10 для выхода воздуха, а сами каналы соединяются с воздушным коллектором с помощью отверстий 11. Каналы для газа соединяются с газовым коллектором через отверстия 12, которые расположены на боковой стенке коллектора. Нижняя часть каналов 9 служит копильником для сколовшейся с купола кладки. Перекрытия каналов 8 одновременно являются стабилизаторами воспламенения и обеспечивают надежное зажигание газа на выходе из горелки. Выше горелки расположена форкамера 13, выходящая в подкупольное пространство. При работе воздухонагревателя в «период нагрева» газ и воздух из коллекторов 6 и 7 через отверстия 11 и 12 равномерно распределяются по каналам 8 и 9 . Воздух через отверстия 10 в боковых стенках каналов струями внедряется в потоки газа, текущие параллельно в каналах 9. Образуется горючая смесь, которая воспламеняется на перекрытиях - стабилизаторах воздушных каналов и сгорает в форкамере 13. Продукты горения выходят в подкупольное пространство, а отсюда направляются в насадку и нагревают ее.

Рис.5,1. Бесшахтный воздухонагреватель кольцевой керамической горелкой 1-подвод газа; 2-подвод воздуха; 3,4-коллекторы газовый и воздушный; 5-футеровка купола; 6,7-перекрытия коллекторов; 8,9-каналы воздуха и газа; ' 10,11-отверстия для воздуха; 12-отверстия для газа; 13-кольцевая форкамера; 14-штуцер горячего дутья; 15-насадка.

В «период дутья» холодный воздух подается через насадку снизу, проходя ее, нагревается и отводится через штуцер горячего дутья 14.

Нижнее строение воздухонагревателя такое же, как и в обычных аппаратах и поэтому здесь не рассматривается.

Техническая характеристика бесшахтного воздухонагревателя приведена в таблице 2.

Таблица 2 - Техническая характеристика бесшахтного воздухонагревателя

Название Ед.измерения Величина

1. Общая высота м 42,18

2. Диаметр (по кожуху) м 8,88/12,0

3. Высота насадки м 31,77

4. Площадь поперечного сечения м2 43,9

5. Тип насадочного кирпича изделие №80 ГОСТ 20901-75

6. Полная поверхность нагрева м2 45807

7. Высота форкамеры м 1,0

8. Ширина форкамеры м 0,4

9. Температура купола °С 1350-1450

10. Температура горячего дутья °С 1200-1300

11. Температура отходящих газов °С 400

12. Расход холодного дутья м3 /мин 3000

13. Расход отопительного газа м3/ч 50 000

14. Расход воздуха горения м3/ч 55 000

Для получения информации о работе наиболее важных узлов воздухонагревателя наряду с эксплуатационными приборами были установлены приборы для проведения наладочных и научно-исследовательских работ. В кладку воздухонагревателя было заложено: гибких исследовательских термопар - в районе купола и горелочной системы- 55 шт.; -на стыке зон динас-МКВ-72-38шт.; - термопары в чехле по периметру стыка зон динас-МКВ-72-Зшт.; - в газовый и воздушный коллекторы- по 4 шт.; - в штуцер горячего дутья-1шт. Всего, с учетом эксплуатационных, общее количество термопар составило 112 шт.

Измерялось давление доменного газа в газопроводе, смешанного газа до и после диафрагмы, газа перед горелкой, перед выравнивающей решеткой, в коллекторах, под куполом, в дымовом патрубке.

5.3 Математическое моделирование теплообмена в кладке форкамеры и горелочной системе

Расчет теплообмена в горелочной системе заключается в определении нестационарного температурного поля по высоте и толщине кладки форкамеры и по толщине перекрытий воздушных каналов. При этом определяется локальное распределение тепловых потоков по высоте форкамеры и толщине перекрытий. Теплообмен рассчитывается с учетом влияния следующих параметров: теплофизических свойств материала форкамеры и перекрытий, геометрических размеров элементов горелочной системы, распределения температуры продуктов горения по высоте форкамеры, температуры газовоздушной смеси, температуры окружающей среды, оптических свойств продуктов горения, продолжительности газового и воздушного периодов.

Математическая модель включает в себя две части, В первой определяется температурное поле в стенках форкамеры и тепловые потоки на поверхности стенок, в другой - тепловые потоки и температурное поле в перекрытиях. На каждом временном шаге расчет в одной из частей учитывает результаты расчета в другой части.

Для стенки форкамеры меняющееся во времени температурное поле описывается следующей системой уравнений:

дt

У = 0; 0 < у <8-,

У =

- -Я

ду

Л дг1 с!т ду2

у=О

(17)

ду

= - 'о)

у*8

где у - расстояние от поверхности в глубину кладки толщиной 8\

Я« - плотность теплового потока на стенке ; Х- коэффициент теплопроводности; а- коэффициент температуропроводности;

8 1 - коэффициент теплопередачи, определяемый из условия

тепловых потерь через стенку;

а-коэффициент конвективной теплоотдачи;

Для перекрытий воздушных каналов:

х = 0;

О <х<1\ х = 1\

Я, =

Ё1 дх

д1 дт

= а —=- + дх2

_2

ср ЬГИ

аг(/е - ф +

эде

дх

(18)

1 =

где х - расстояние от поверхности в глубину перекрытия толщиной /

с - теплоемкость; р -плотность;

Ьг- длина воздушного перекрытия;

Ь - ширина форкамеры.

Уравнения теплообмена записывались в конечно-разностном виде и решались по методу последовательных приближений. После получения сходимости в итерациях по определению температуры поверхностей определялись температурные поля в стенке форкамеры и в перекрытиях. Такая схема расчета сохраняется для всего периода нагрева. Таким же образом происходит расчет в дутьевой период, но при этом исключаются конвективные члены. Расчет прекращается, когда значения температуры в выбранной точке, подсчитанные в двух последовательных циклах в конце газового и воздушного периодов будут отличаться меньше, чем на заданную величину.

В результате расчетов были получены уровни и градиенты температуры в элементах горелочной системы. Сравнение расчетных зависимостей с экспериментальными данными, полученными на реальном аппарате, показало хорошую сходимость результатов. Расхождение для форкамеры не превышает 2,5%, для перекрытий (верхняя часть)- 7,5%.

Полученная расчетная методика позволяет выполнить расчеты по оптимизации футеровки кольцевой форкамеры и керамической горелки.

5.4 Аэродинамические исследования на бесшахтном промышленном воздухонагревателе

До начала сушки и разогрева на воздухонагревателе были проведены аэродинамические исследования.

I

§1

Ш

чашечный анемометр

ПатруШ

Сопло ^горелка

\\ к

Рис.5.2. Измерительное устройство для определения равномерности распределения потоков по горелкам

Измерения равномерности распределения газа и воздуха по горелкам велись чашечным анемометром, устанавливаемым на выходе специального патрубка (рис.5.2), который ставили с уплотнением над газовым соплом горелки. Патрубок имел высоту 1700мм и поэтому неравномерность скоростей, которая наблюдалась непосредственно на выходе из горелки, на выходе патрубка исчезла. Это позволило вести относительные измерения скоростей и расходов на выходе из горелок по одной фиксированной точке на выходе из патрубка.

Равномерность распределения газа и воздуха по горелкам бесшахтного воздухонагревателя определяли путем поочередной продувки газового и воздушного коллекторов воздухом при расходах, близких к рабочим (45-50 тыс. м3 /ч.). Первоначальное распределение газа по горелкам имело большую неравномерность (0,65-1,3). Наибольшие расходы наблюдались в горелках напротив газового штуцера и наименьшие- с обеих сторон от щтуцера вблизи него (рис. 5.3,). Эта неравномерность возникла потому, что реальная геометрия подводящих трактов существенно отличалась от подводов, существовавших на экспериментальном стенде (см. п. 4.3).

Наигр го&лки

Рис.5.3. Распределение коэффициента расхода воздуха по горелкам: 1 - начальное; 2 - конечное.

Имевшаяся неравномерность распределения потоков была устранена в результате нескольких последовательных изменений сечений выходных газовых отверстий. Общая неравномерность распределения газа и воздуха по горелкам не превышала ±5%, что можно признать вполне удовлетворительным. Кроме рабочих расходов, определена равномерность при минимальных рабочих расходах (20 тыс.м3 /ч). Она практически осталась такой же, т.е. горелки должны сохранять свои характеристики на всем диапазоне работы.

5.5 Промышленные исследования и контроль состояния бесшахтного воздухонагревателя с кольцевой форкамерой

Сушку и разогрев воздухонагревателя до температуры 900°С вели горячим дутьем от доменной печи №4, затем на малых расходах была включена горелочная система и дальнейший процесс сушки и разогрева осуществлялся основной горелкой.

Для оценки надежности работы воздухонагревателя требовалось определить температурные условия службы его основных узлов. С этой целью в кладку горелок форкамеры, газового и воздушного коллекторов с двух противоположных сторон были заложены исследовательские термопары. Показания термопар в соответствующих точках обеих сторон оказались близки. Это, а также дополнительные измерения распределения температур газов в подкупольном пространстве в 4-х направлениях и температур кожуха в нескольких точках по периметру, показали, что распределение температур свидетельствует о равномерном и симметричном нагреве кладки купола, стен, насадки и кожуха.

На выходе из форкамеры высотой 1,1 м сгорает до 97% топлива, дальнейшее догорание его происходит под куполом. Выгорание газа по периметру было практически одинаковым, что обеспечивалось отработкой на стендах равномерности распределения потоков в коллекторах газа и воздуха, а также корректировкой этого распределения при холодных продувках воздухонагревателя. В результате достигнуто отклонение коэффициента расхода воздуха по горелкам не более ±5%. В поперечном сечении форкамеры на нижнем уровне (у горелок) имелась неравномерность температур (около на выходе из форкамеры поле было практически равномерным.

Неравномерность распределения температур в поперечном сечении насадки в течение цикла не превышала ±2-3%. Гидравлическое сопротивление горелочной системы было меньше, чем у существующих воздухонагревателей с другими типами горелок. При всех расходах газа, вплоть до максимальных, и

изменении коэффициента расхода воздуха от 0,8 до 1,5 горение газа происходило ровно, без появления пульсаций.

При исследованиях воздухонагреватель работал с температурой купола в период нагрева 1320°С . Разность температур купола в конце периодов нагрева и дутья составляла 30°С. Температура верха форкамеры в газовой и дутьевой периоды была практически одинаковой, на уровне 1230-1240°С. Максимальный перепад температур наблюдался в горелочном устройстве над верхним рядом воздушных сопел (530°С) со стороны открытого газового канала, причем в дутьевой период кладка нагревалась до 800-810°С, а в газовый период охлаждалась до 280°С (рис.5.4. кривая 2). Близкие колебания температур имеются в кладках керамических горелок. В перекрытиях воздушных каналов (рис.5.4., кривая 1) колебания температур были меныпе-150°С, так как здесь уже происходит интенсивное горение и в газовый период температура была выше.

Под нижним рядом воздушных сопел перепады температур снижались до 200°С (рис.5.4., кривая 3), так как в дутьевой период из-за большего удаления от среза газового сопла прогрев кладки здесь был меньше. Перекрытия газового коллектора находились при постоянной температуре 110°С. Небольшие колебания температур (30°С) имеются лишь на конце кладки, выступающем в газовые каналы. Перекрытие воздушного коллектора нагревалось до еще более низкой температуры (70°С).

Распределение температуры по сечению насадки на стыке зон динас-МКВ-72, как в газовой, так и в дутьевой периоды было равномерным с отклонениями от среднего +5—7%, что хорошо согласуется с данными по неравномерности распределения потоков на входе в насадку. Общая неравномерность распределения температур в течении цикла не превышала +2*~3%.

Время, пин ( Нагреб | Дутье [

Рис.5.4. Перепады температур в периоды нагрева и дутья

Воздухонагреватель в течение двух недель был опробован на работу с температурой купола 1450°С и дутья 1350°С. Проблем с его эксплуатацией не возникло. Воздухонагреватель надежно работает 27 лет без капитальных ремонтов с температурой горячего дутья 1200°С в блоке с двумя обычными воздухонагревателями.

Осмотры воздухонагревателя после 4 и 10 лет эксплуатации показали хорошее состояние всех его элементов, после 16 лет эксплуатации - хорошее состояние горелок и насадки и появление трещин в динасовом куполе, вызванных неоднократным охлаждением аппарата вследствие частых остановок печи из-за нехватки сырья. Таким образом, стойкость горелки и насадки у бесшахтного воздухонагревателя выше, чем купола. Межремонтный

срок службы такого аппарата будет определяться стойкостью купола, которая в несколько раз выше стойкости камеры горения обычных воздухонагревателей. Для традиционных воздухонагревателей стойкость динасового купола при нормальной эксплуатации может составлять 25-30 лет. Можно ожидать, что бесшахтные воздухонагреватели будут иметь срок службы без ремонта 25-30 лет, что значительно больше срока службы без промежуточных ремонтов по сравнению с воздухонагревателями с камерами горения.

Основное затруднение в бесшахтных воздухонагревателях связано с подачей газа и воздуха к расположенным наверху горелками, размещением здесь оборудования и рабочих площадок. На уже возведенных воздухонагревателях были приняты эти варианты. Однако при последующих проработках были найдены новые схемы, когда все оборудование, включая клапаны горячего дутья и отсечные клапаны газа и воздуха, может располагаться внизу. Трубопроводы газа и воздуха при этом имеют тонкую футеровку и затраты на нее весьма незначительны. Возможность полного размещения всего оборудования в нижней части воздухонагревателя снимает одно из основных возражений против таких аппаратов.

Однако не возникает проблем и при верхнем расположении оборудования, т.к. простые схемы его расположения позволяют легко механизировать его обслуживание.

6 Разработка бесшахтных воздухонагревателей с купольной системой отопления и струйно-вихревой горелкой форкамерного типа

6.1 Конструкция воздухонагревателя с форкамерой в верхней части купола

Дальнейшим этапом развития бесшахтных воздухонагревателей стал бесшахтный воздухонагреватель Калугина (ВНК) с форкамерой на верху купола (рис. 6.1).

а б

Рис. 6.1. Бесшахтный воздухонагреватель конструкции Калугина: а- общий вид (разрез); б - разрез купольной части

Основная особенность данной конструкции воздухонагревателя -смешение газовых и воздушных потоков идет непосредственно в форкамере, что значительно упрощает конструкцию воздухонагревателя.

Горелочное устройство струйно-вихревого типа расположено по оси воздухонагревателя на верху купола. Кольцевые коллекторы газа и воздуха располагаются внутри кладки форкамеры. Кладка форкамеры имеет независимую опору на кожух. Закрутка струй газа и воздуха, обеспечивает весьма интенсивное и равномерное сжигание газа, которое начинается в форкамере и заканчивается в средней части купола. Кроме того, закрученный факел снижает требования к равномерной подаче газа и: воздуха по коллекторам. Определенная экспериментально и подтвержденная расчётом оптимальная степень закрутки потока обеспечивает полное сжигание газа и равномерное распределению продуктов сгорания по насадке (неравномерность составляет ± 3-5%). Для воздухонагревателей разных мощностей распределение газовоздушных струй в форкамере может быть различным и требует предварительных расчетов.

6.2 Отработка на огневом стенде конструкций струйно-вихревых горелок

С целью сокращения длины факела с сохранением невысокого гидравлического сопротивления воздухонагревателя было разработано несколько конструкций горелок с использованием струйно-вихре;вого принципа перемешивания потоков.

Исследования и отработку горелок проводили на огневом стенде ВНИИМТ (рис. 6.2).

Отборы проб газа на анализ, измерения температуры и динамических напоров проводили в двух взаимно-перпендикулярных направлениях по сечениям камеры горения.

I

о

II III IV V

Рис. 6.2. Огневой стенд со струйно-вихревой горелкой: 1 - смесительная камера; 2 - выходная горловина; 3,4- конусная и цилиндрическая части туннеля (О - V - оси отверстий для измерения)

Исследовали два типа горелок: с четырехрядным расположением газовых (2 ряда) и воздушных (2 ряда) сопел и с однорядным расположением прямоугольных смесителей, из которых каждый представлял собой спаренные газовое и воздушное сопла с разделительной перегородкой, заканчивающейся на половине длины сопел, что создавало частичное предварительное перемешивание газа и воздуха. Всего опробовано 6 вариантов горелок с разным количеством сопел (смесителей) и их расположением в пространстве, обеспечивающем разную интенсивность перемешивания и крутки потоков.

Интенсивность крутки п определяли по входящим в горелку холодным потокам газа и воздуха по соотношению: п=4М/71кг, где М- приложенный момент количества движения относительно оси закрученного потока; к-количество движения потока; г- радиус цилиндрического канала.

Применительно к испытываемым горелкам интенсивность крутки определялась из соотношения:

1 ^

оЛЖГ' (19)

/ /

где 0т,- массовый расход среды, проходящий через ьтый ряд струй; 0У~ то же, объёмный расход; ^ - общая площадь сопел ¡-того ряда; Б - площадь сечения горелки;

Ф; - угол оси сопла с радиусом в горизонтальной плоскости. Интенсивности крутки потоков горелок приведены в таблице 3

(максимальные нагрузки).

Таблица 3. Интенсивность крутки потоков горелок

Номер горелки Интенсивность крутки, п ■■ Относительная неравномерное ть, ДУ / V Расход газа, м3/ч. Расход воздуха, м3/ч. Коэффициент расхода воздуха, а Сопротивлени е по газу, даПа. Сопротивлени е по воздуху, даПа.

1 1,42 0,349 1052* 1445 1,1 130 161

703 993 1,14 57 72

2 2,62 2,1 1036 1453 1,15 149 170

711 1041 1,22 89 98

3 0,5 1,52 1060 1502 1,15 163 618

718 978 1,1 74 259

4 1,35 0,695 1129 1454 1,19 175 205

717 1037 1,16 96 116

5 0,88 0,756 1045 1494 1,14 185 266

648 926 1,17 71 107

6 1,27 0,734 1091 1579 1,13 184 219

653 859 1,16 62 86

* числитель - режим I (максимальные нагрузки), знаменатель - режим II (номинальные нагрузки).

В качестве заменителя доменного газа в опытах использован газ,

представляющий собой смесь продуктов неполного горения природного газа при а=0,6+0,7 в специальном генераторе и чистого природного газа. Состав газа

(в % по объему в пересчете на сухие продукты): Н2 = ll.75-fl4.85; СО = 9,0+10,55; СН4 = 6,4+9,3; С02 = 4,0+5,2. Теплотворная способность отопительного газа была QpH =4800+6000 кДж/м3. Температура газа составляла 300-220 °С, температура воздуха 50-60 °С. Каждая горелка была испытана на двух режимах. Расходы газа и воздуха в I режиме соответствовали работе воздухонагревателей с максимальной нагрузкой при попарно-параллельном режиме (см. таблицу, данные в числителе), II режим соответствовал работе с номинальными нагрузками в последовательном режиме работы воздухонагревателей (таблица, данные в знаменателе).

Основным показателем работы горелок принимали полноту сгорания газа на выходе из тоннеля в V сечении (см. рис. 6.2). На рис.6.3 представлены кривые изменений среднего химического недожога по длине огневой модели. Горелки 1 и 2 с частичным предварительным перемешиванием газа и воздуха обеспечивали быстрое выгорание газа, причем в горелке 2 (с большой закруткой) близкое к полному выгоранию газа достигалось уже в III сечении, в середине конической части туннеля.

<? W w WA» те ясв

Рис. 6.3. Средний химический недожог по длине модели воздухонагревателя (стенда) при различных струйно-вихревых горелках (цифры на кривых).

В горелках 3-6 с четырехрядным независимым расположением газовых и воздушных сопел выгорание было немного замедленней, однако, так же интенсивным. Горелки 3, 5 обеспечивали более интенсивное загорание газа в своей полости, здесь происходило резкое нарастание температуры. Медленное выгорание газа и меньшие температуры в полости обеспечивала горелка 4.

Необходимо отметить, что при всех исследованных горелках, за исключением горелки №4, на верхнем срезе горловины купола (см. рис. 6.2 сечение 0) достигались уже температуры 1000°С и более, а в пределах горловины купола сгорало уже 97-99% газа, т.е. горелки обеспечивали весьма интенсивное его выгорание.

Это позволяет создать безопасные условия для работы туннеля при переходах с газового на дутьевой периоды, так как колебания температур будут значительно уменьшены по сравнению с существующими длиннофакельными керамическими горелками. Исследования аэродинамики на стенде показали, что распределение скоростей потоков в сечении V при различной степени закрутки газо- воздушного потока различно. Так, при небольшой крутке потока максимальные скорости наблюдались в центральной части насадки, а минимальные- по периферии. При большой крутке потока (горелка №2, п=2,62) максимальные скорости потока наблюдались в периферийной части насадки. При этом неравномерность распределения скоростей тоже возрастает. Обратная зависимость максимальных и минимальных скоростей потоков в центральной части и по периферии при малой и большой закрутке потоков указывает, что имеется некоторый оптимум интенсивности крутки, при котором распределение скоростей потоков в сечении на выходе из горелки наиболее равномерно.

На рис. 6.4 приведена зависимость относительной неравномерности по сечению тоннеля от интенсивности крутки потоков в горелке. Максимальная неравномерность распределения продуктов сгорания в туннеле наблюдалась у горелок 2 и 3. Наиболее благоприятная интенсивность крутки потоков,

обеспечивающая наилучшую равномерность распределения продуктов сгорания по сечению тоннеля, была при п=1,0+1,5 и обеспечивалась горелками 1,4-6.

/

/

0

Рис.6.4, Зависимость относительной неравномерности распределения скоростей потоков по туннелю (ДУ / V) от интенсивности крутки (п) потоков газовоздушной смеси в горелках

Наименьшее гидравлическое сопротивление было у горелок 1, 2, 4, 6 (см. таблицу 3).

Распределение температур и химического недожога по оси смесительной камеры горелки и горловины приведено на рис.6.5.

Как видно из графика, с уменьшением расхода газа (режим II) еще большая часть его сгорает в объеме самой горелки (рис.6, кривая qз), о чем свидетельствует и повышение температур (кривая Тп ).

Расстояние по оси, /г/*

Рис.6.5. Изменение химического недожога (я3) и температуры газов (Т) по вертикальной оси огневого стенда в случае горелки №6 (индексы I и II — максимальный и номинальный режимы работы).

По результатам испытаний на огневом стенде для опытно-промышленной

проверки на действующем воздухонагревателе была принята струйно-вихревая

горелка №6 с четырехрядным независимым расположением газовых и

воздушных сопел, обеспечивающая интенсивное выгорание газа,

удовлетворительную равномерность распределения скоростей потоков на

выходе, небольшое гидравлическое сопротивление и достаточно высокие

температуры в горловине.

6.3 Промышленные испытания и опыт эксплуатации воздухонагревателя со струйно-вихревой горелкой

За счёт закрученного факела этот воздухонагреватель с купольной системой отопления имеет существенно более равномерное распределение продуктов сгорания при входе в насадку, чем аппараты традиционной

конструкции. На рис. 6.6 представлен график распределения скоростей продуктов сгорания у поверхности насадки в газовый период.

Видно, что воздухонагреватели с внутренней (1) и наружной (2) камерами горения дают существенно менее равномерный и несимметричный профиль скоростей на входе в насадку, чем аппарат бесшахтного типа с купольной системой отопления (равномерность 95-97%).

Направление входа в насадку

О R

Радиус

камеры насадки

Рис. 6.6. Распределение скоростей продуктов горения на входе в насадку

1 - воздухонагревательль с внутренней камерой горения;

2 - воздухонагреватель с наружной камерой горения (типа «Didier-Werke»);

3 - воздухонагреватель Калугина.

Исследования на действующих воздухонагревателях показали, что при содержании кислорода в отходящем дыме 0,3-5,1 % струйно-вихревая горелка обеспечивает концентрацию оксида углерода (СО) около 20мг/м3, что в 5 раз меньше европейских норм (рис. 6.7.).

Эта горелка работает лучше, чем широко распространенная щелевая керамическая горелка фирмы DME (ФРГ). Так как «короткое замыкание» в ВНК полностью исключено, то весь период эксплуатации воздухонагреватель будет оставаться экологически чистым. Полное отсутствие пульсирующего горения на всех режимах работы дает возможность форсировать мощность

воздухонагревателя без риска появления сильных колебаний давления и вибраций и избежать повреждения кладки и конструкций.

2500п

а

1. На яоедухоиагреаателях фирмы ОМЕ (Германия) со щелевыми

керамическими горелками_

'(по рекламному проспекту фирмы)

2. На бестактных вохдухонагрева-талях Калугина по измерениям ни металлургических комбинатах

Предельно допустимая концентрация "СО"» дым» по европейским стандартам

0.2 0.5 1,0 1,5 2.0 2,5 3,0 Концентрация "О^1 %

3,5

Рис. 6.7. Зависимость концентрации монооксида углерода (СО) от концентрации кислорода (02) в отходящем дыме воздухонагревателей при работе на полной тепловой мощности

Сопротивление воздухонагревателя невелико, и для его работы на полных нагрузках достаточно обычного давления газа перед горелкой (4,0-5,0 кПа).

Отсутствуют удар факела в кладку и ее местный перегрев, что обеспечивает симметричное распределение температур по куполу, футеровке и кожуху, вследствие чего снижаются температурные напряжения и увеличивается стойкость воздухонагревателя.

Как показали измерения, общий уровень температур в кладке форкамеры невысок (в среднем около 900°С), при небольших перепадах температур кладки между газовым и дутьевым периодами. Это позволяет определить длительный срок службы кладки форкамеры, т.е. срок службы воздухонагревателя будет определяться стойкостью динасового купола, которая достигает 30 лет.

Конструкция самого купола также способствует увеличению срока его службы при высоких температурах, так как широкая часть сферы над насадкой переходит в коническую часть, далее в узкую горловину и завершается куполом горелки, который имеет значительно меньший радиус и работает при низких

температурах

А В

Рис. 6.8, Сравнение габаритов воздухонагревателей.

Воздухонагреватели хорошо вписываются в существующие габариты блока при реконструкции, что позволяет заменять аппараты с камерой горения на бесшахтные поочерёдно, не останавливая доменное производство. Помимо этого, бесшахтные воздухонагреватели с купольной системой отопления имеют существенно меньшие габариты по сравнению с аппаратами традиционных конструкций, что снимает ограничения по крипу и позволяет получать экономию материалов при строительстве 30-50%. На рис. 6.8.А показаны

сравнительные габариты существующего воздухонагревателя с внутренней камерой горения доменной печи объемом 3 ООО м3 Западно-Сибирского металлургического комбината (г. Новокузнецк, Россия) и воздухонагревателя Калугина такой же тепловой мощности. На рис. 6.8В - приведены габариты существующего воздухонагревателя с наружной камерой горения доменной печи объемом 5500 м3 Череповецкого металлургического комбината "Северсталь" (г, Череповец, Россия) и воздухонагревателя Калугина такой же тепловой мощности.

Учитывая накопившийся опыт по разработке и исследованиям керамических горелок и конструкций воздухонагревателя, а также полученные при эксплуатации хорошие показатели их стойкости и возможность интенсификации горения, основной была принята схема с установкой керамической вихревой горелки форкамерного типа в верхней части купола по оси воздухонагревателя. Конструкция запатентована (патенты России № 2145637 и №2316600).

6.4 Система утилизации тепла

Система отопления ВНЕС с керамической горелкой позволяет использовать газ и воздух горения, подогретые до 600°С.

На практике используется несколько схем подогрева.

Подогрев газа и воздуха горения до 180°С осуществляется в системе утилизации тепла отходящего дыма с помощью теплообменников, установленных в дымовом тракте. Максимальная температура дыма в конце газового периода составляет 400-г450°С. Использованы две системы теплообменников: теплообменники на тепловых трубах (рис 6.9) и трубчатые рекуператоры.

Рис. 6.9. План блока воздухонагревателей Калугина с теплообменниками для подогрева воздуха горения и газа

Поднасадочное устройство ВНК позволяет увеличить максимальную температуру дыма до 500°С. В связи с этим, температура подогрева газа и воздуха в системах утилизации тепла может быть увеличена до 250°С без установки дополнительной топки.

При работе ВНК на доменном газе с низкой теплотой сгорания (3000 -3100 кдж/м3) и при отсутствии добавок газа с высокой теплотой сгорания для получения температуры горячего дутья 1250-1300°С реализована схема с подогревом газа до 180°С в теплообменнике на тепловых трубах за счет тепла дымовых газов и подогреве воздуха горения до 450-550°С в специально построенных в блоке двух малых ВНК, в которых воздух горения нагревается до температуры 1200°С, а затем в специальном смесителе разбавляется до 450-550°С. Эта схема реализована на ДП № Í, компания "Qinghuangdao Shouqin Metal Materials Co. Ltd.", г. Qinghuangdao, КНР. На ДП №2 этой компании реализована схема (Рис. 6.10) с подогревом только воздуха горения в двух малых ВНК до 600°С. Одно из преимуществ этой схемы состоит в том, что малые ВНК, как и основные, имеют срок эксплуатации 30 лет без ремонта, что

не может быть достигнуто в других типах теплообменников. Такая схема может быть реализована также в том случае, если при строительстве нового блока воздухонагревателей на ДП остаются старые аппараты, которые могут быть использованы для подогрева воздуха горения.

Рис. 6.10. Общий вид воздухонагревателей Калугина на ДП № 2 компании "Qinghuangdao Shouqin Metal Materials Со. ШЛСправа - подогреватели

воздуха горения

В настоящее время все блоки ВНК сооружаются с системами утилизации тепла.Это позволяет: увеличить КПД блока до 90%, получить экономию природного газа и одновременно увеличить температуру горячего дутья на 150-г200°С, а также значительно уменьшить тепловые выбросы в атмосферу и улучшить экологическую ситуацию в населенных пунктах.

7 Реализация разработки, экономическая и экологическая эффективность применения бесшахтных воздухонагревателей

7.1 Реализация разработки на предприятиях России и других стран

Преимущества конструкции бесшахтного воздухонагревателя Калугина были поняты многими специалистами, и в настоящее время идет быстрое распространение этой конструкции на заводах ряда стран (Россия, Китай, Украина, Индия, Япония). К началу февраля 2009 г. в эксплуатации находилось 109 ВНЕС, еще 45 аппаратов находятся в стадии ' проектирования и строительства.

Бесшахтные воздухонагреватели установлены на доменных печах разного объема: от 250 м3 до 5500 м3. На доменных печах объемом 3000 мЗ ЗападноСибирского металлургического комбината (г. Новокузнецк, Россия) реконструкция идет с поочередной заменой существующих аппаратов (Рис. 3.7). На доменной печи объемом 2200 м3 Нижне-Тагильского металлургического комбината (г. Нижний Тагил, Россия) вместо 5 старых аппаратов с внутренней камерой горения построено 3 новых воздухонагревателя бесшахтного типа. Достигнута температура горячего дутья 1300°С при хорошем состоянии самих аппаратов.

Наиболее значительным достижением в использовании ВНК является строительство 2-х блоков ВНК на крупнейшем в мире комплексе доменных печей объемом 5500 м3 в Китае (г. Caofedian). Блок на первой доменной печи 5500м3 уже введен в эксплуатацию и рассчитан на нагрев дутья до 1300 °С при использовании одного доменного газа калорийностью 750 ккал/м3.

Ведется реконструкция воздухонагревателей с выносной камерой горения типа Крупп-Копперс на бесшахтные воздухонагреватели конструкции Калугина на доменных печах объемом 3200м3 и 5000 м3 компании JFE Steel Corporation, Fukuyama (Япония).

В России, на крупнейшей доменной печи объемом 5500 м3 металлургического комбината «Северсталь», принято решение поочередно реконструировать существующие воздухонагреватели с выносной камерой горения на бесшахтные воздухонагреватели конструкции Калугина.

Наибольшее количество ВНЕС введено в эксплуатацию в Китае - 71 аппарат за последние б лет. 26 бесшахтных воздухонагревателей работают в России, среди них первый бесшахтный воздухонагреватель, который проработал уже 27 лет без капитального ремонта и находится в хорошем состоянии.

Общий объем всех доменных печей, в которых для нагрева дутья используются бесшахтные воздухонагреватели, на 01.09.2008 составляет 67060 м3. Эти доменные печи за сутки производят, примерно, 134120 т чугуна, что в годовом исчислении составляет ~ 49.0 млн. тонн чугуна. Эта цифра сравнима с ожидаемым годовым производством чугуна 54.4 млн. тонн за 2008 год всей Российской Федерации.

7.2 Экономическая и экологическая эффективность применения бесшахтных воздухонагревателей

Экономическую и экологическую эффективность ВНК покажем на примере блока бесшахтных воздухонагревателей для новой доменной печи № 7 объема 3800 м3 ОАО «Новолипецкий меткомбинат».

В состав блока входит три ВНК с блочной насадкой, имеющей диаметр канала 30 мм, и система утилизации тепла отходящих дымовых газов. Температура горячего дутья - 1300°С. Стоимость самих воздухонагревателей блока оценивается в 1.2 млрд. рублей. Если бы строился блок из воздухонагревателей с внутренней камерой горения, его стоимость составляла бы по минимальным оценкам 1.56 млрд. рублей, т.е. экономия по капитальным затратам составит 360 млн. рублей на блок, или 30%.

Применение ВНК для комплекса ДП№ 7п0зволяет увеличить температуру горячего дутья на 150°С (сейчас средняя температура по цеху 1150°С). Это уменьшит расход кокса на 7кг/т чугуна и увеличит производительность печи на 0.6%. При производительности печи 7600 т/сут, в годовом исчислении это составит: экономия кокса - 19.0 тыс. тонн; увеличение производительности печи на 16.3 тыс. тонн чугуна.

Снижение расхода кокса на 19.0 тыс.т/год уменьшит выход колошникового газа из печи и выход оксида углерода (СО) в колошниковом газе на на 44.27 тыс. т/год, что в свою очередь при его сжигании сократит выброс углекислого газа (С02) на 69.5 тыс.т/год.

В соответствие с Киотским протоколом, ратифицированным Россией, цена за сокращение выбросов С02 из России составляет 7-8 евро за тонну, что дает возможность заработать на углеродном рынке: 69.5 тыс. т х 8 = 556 тыс. евро ( 20 млн. руб).

Кроме того, это снизит затраты на кокс в сумме 19000 х 12004 =228.1млн. руб. при цене кокса 12004руб/т.

Отказ от высокой камеры горения в бесшахтном воздухонагревателе значительно сократил время прохождения объема продуктов горения от горелки до входа в насадку и, следовательно, количество образования оксидов азота (N0*). Это расстояние сократилось в три раза, т.е. в три раза сократился объем образующихся оксидов азота. По нашим замерам, при температуре купола 1430°С, концентрация N0* в продуктах сгорания для воздухонагревателей с внутренней камерой горения составит 70 мг/м3. В бесшахтном воздухонагревателе концентрация Ж)х будет в три раза меньше -23.5 мг/м3, это значительно меньше европейской нормы (200 мг/м3). При общем расходе продуктов горения на блок 389.690 нм3/ч, сокращение выбросов по N0* за год составит 155.26 т.

В блоке ВНЕС ДП № 7 будет применена система утилизации тепла дымовых газов и нагрев отопительного газа и воздуха горения до 170°С. При этом решаются две задачи: сокращение тепловых выбросов в атмосферу и экономия дорого природного газа на добавку к низкокалорийному доменному газу.

Общая величина сокращения тепловых выбросов при использовании системы утилизации тепла составляет 24 тыс. кВт/час.

Добавка природного газа сокращается на 5358 нм3/ч, что составляет за год 45.9 млн-м3. При цене природного газа 1528 руб за 1000 м3 эта величина составит 70.13 млн. руб.

Сокращение расхода природного газа приводит к уменьшению выбросов СОг в атмосферу в количестве около 90 тыс. тонн в год.

Увеличивается на 10% общий КПД блока в составе воздухонагреватели + система утилизации тепла, который в сумме составит около 90%.

В соответствие с графиком ремонтов для обычных ВН за весь период их эксплуатации (25 лет) на ремонты потребуется использовать 7681 т огнеупоров в расчета на один воздухонагреватель или для блока из трех аппаратов -23043 тонны.

Высокая, подтвержденная практикой, надежность ВНК позволяет отказаться от ремонтов 3 и 2 разрядов и через 20 лет провести только один ремонт третьего разряда, затратив всего 190 тонн огнеупорных материалов, на три ВНК это составит - 570 т. После чего ВНК может еще 10 лет эксплуатироваться до капитального ремонта 1 разряда с полной реконструкцией. Вся кампания ВНК продолжается 30 лет, на 5 лет больше чем у ВН с внутренней камерой горения.

Таким образом, за 25 лет эксплуатации экономия огнеупорных материалов на ремонтах блока из 3 ВНК составит 22473 тони. При средней цене огнеупорных изделий 6000 руб/т общая экономия составит:

22473 х 6000 = 134.83 млн. рублей

или 5.39 млн. руб. в год.

Суммарный эффект от применения бесшахтных воздухонагревателей составит:

-снижение капитальных затрат 360.0 млн. руб.;

- сокращение расхода природного газа 45.9 млн. м3/год;

- сокращение расхода кокса 19.0 тыс. т/год;

- экономия на ремонтах 5.39 млн. руб. /год;

- сокращение выбросов СО2 69.5 тыс. т/год;

- сокращение выбросов N0* 155.26 т/год

Принимая (с большим запасом), что экономия капитальных затрат при строительстве бесшахтных воздухонагревателей составит 10% по сравнению с затратами на строительство воздухонагревателей традиционных конструкций, получим, что общий эффект от уже построенных воздухонагревателей составит - 635 млн. руб.

Полученные результаты и выводы

Разработаны и использованы на воздухонагревателях многих доменных печей рекомендации по увеличению температуры нагрева доменного дутья и продлению межремонтного срока эксплуатации существующих аппаратов.

Проведено исследование и разработаны наиболее перспективные конструкции воздухонагревателей с купольными системами отопления и эффективной насадкой, которые избавлены от недостатков воздухонагревателей традиционного типа и позволяют увеличить температуру горячего дутья и межремонтный срок их службы.

На основании исследований более чем 40 воздухонагревателей доменных печей объемом 1386-5500 м3 получены данные о природе и механизме возникновения пульсаций при горении в доменных воздухонагревателях, проведены теоретические и стендовые исследования пульсаций. Определено влияние на пульсации различных режимных и конструктивных факторов и предложены рекомендации для подавления пульсаций и улучшения тепловой работы воздухонагревателей. После внедрения рекомендаций значительно снижены или устранены полностью пульсации давления, причём в ряде случаев получено существенное увеличение производительности воздухонагревателей.

С целью уменьшения габаритов воздухонагревателя и сокращения затрат на его строительство разработаны насадки с увеличенной поверхностью нагрева и насадки с увеличенным коэффициентом теплоотдачи. Проведены теоретические и модельные исследования, а также аэродинамические исследования насадок на доменных воздухонагревателях. Наиболее рациональной оказалась комбинированная насадка, когда верхняя часть выполняется каналом типа «елочка» (с периодическими сужениями), а нижняя - цилиндрическим каналом. При этом получено уменьшение высоты насадки на 40-50% при тех же поперечных размерах воздухонагревателя и экономия средств на огнеупорных материалах при его сооружении 30-50% по сравнению

с воздухонагревателем с внутренней камерой горения такой же тепловой мощности.

Разработаны конструкции керамических горелок, имеющие малое гидравлическое сопротивление и большую тепловую мощность, обеспечивающие плавный рост температуры в камере горения и полное выгорание газа до входа в насадку. Проведены исследования керамических горелок на аэродинамическом стенде для получения равномерного распределения потоков газа и воздуха в выходном сопле и соосного с камерой горения факела. Разработано техническое задание на типовые керамические горелки для воздухонагревателей доменных печей объемом 1033-3200 м3. Рабочее проектирование типовых керамических горелок выполнено Уралгипромезом. Внедрение керамических горелок позволило исключить удар факела о кладку и значительно снизить неравномерность температур в камере горения, чем был продлён межремонтный срок службы воздухонагревателей.

Разработана математическая модель и программа расчета на ЭВМ теплообмена в горелочной системе с учетом нестационарности процесса. Результаты расчета позволили оценить температурные условия в горелочной системе и практически обосновать требования к огнеупорам. Рекомендовано для кладки горелочной системы использовать огнеупоры с повышенной термической стойкостью.

Разработана схема отопления воздухонагревателя с кольцевой керамической горелкой и кольцевой форкамерой в основании купола. На основании исследований и расчетов построен и введен в эксплуатацию в 1982 г. первый бесшахтный воздухонагреватель на доменной печи №4 НТМК, объемом 1513м3 . Проведены широкомасштабные промышленные аэродинамические исследования этого воздухонагревателя, в результате которых определена равномерность распределения потоков по насадке; обеспечена равномерная раздача газа и воздуха по горелкам. Проведены исследования воздухонагревателя на рабочем режиме при температуре горячего дутья 1200°С

и при максимальной температуре горячего дутья 1350 °С. Со времени пуска этот воздухонагреватель прослужил 27 лет без капитального ремонта и продолжает работать. Это примерно в 4 раза перекрыло принятый в России по нормам межремонтный срок. Межремонтный срок службы бесшахтного воздухонагревателя определяется стойкостью купола, которая в несколько раз выше стойкости камеры горения и для динасового купола достигает 30 лет.

Разработана система отопления бесшахтного воздухонагревателя, при которой сжигание газа осуществляется горелкой форкамерного типа со струйно-вихревой подачей газа и воздуха. Конструкция горелки отработана при помощи математического и стендового моделирования. На огневом стенде испытано шесть вариантов горелок и выявлена конструкция, оптимальная по длине факела, гидравлическому сопротивлению и конструктивному выполнению.

Бесшахтный воздухонагреватель Калугина (ВНК) со струйно-вихревой системой отопления позволяет получить температуру горячего дутья 1400°С при использовании рядовых огнеупорных материалов (динас, муллито-корунд, шамот). Имеется весьма равномерное распределение продуктов горения по насадке (95-97%), пульсирующее горение полностью отсутствует на всех режимах работы, "короткое замыкание" в этих воздухонагревателях исключено. Сопротивление ВНК не превосходит сопротивления аппаратов традиционной конструкции. Воздухонагреватель может работать с подогревом газа и воздуха горения до 600°С. Поднасадочное устройство специальной конструкции позволяет работать с максимальной температурой дыма 500°С. Аппарат имеет малые габариты, позволяет получать экономию огнеупорных материалов при строительстве до 30-40% и хорошо вписывается в существующие габариты блока при реконструкции. В эксплуатации бесшахтного воздухонагревателя применяется обычное оборудование. Срок службы аппарата без капитального ремонта составляет 30 лет.

Идет быстрое распространение новой конструкции на заводах ряда стран (Россия, Китай, Украина, Индия, Япония) на доменных печах объемом 250-5500 м3. В эксплуатации находится 109 аппаратов, ещё 45 проектируется и строится.

Пущен в эксплуатацию блок ВНК на ДП 5500 м3 в КНР (г. Цаофедян), там же строится аналогичный блок. Проектируется установка ВНК вместо воздухонагревателей с наружной камерой горения на ДП 3200 м3 и ДП 5000 м3 в Японии. На ДП 5500 м3 компании «Северсталь» в г. Череповец (Россия) проектируется поочередная замена существующих воздухонагревателей с наружной камерой горения на ВНК.

Основные публикации

Книги .

1.Доменные воздухонагреватели( конструкции, теория, режимы работы) Шкляр Ф.Р., Малкин В.М., Каштанова С.П., Калугин Я.П. и др. М.Металлургия, 1982,176с.: ил.-Библиогр.:с.171-176 (199 назв).

Статьи, доклады

1.1Иумы и пульсации при горении / A.B. Арсеев, Я.П. Калугин, В.И. Маслов.//

Всесоюзная конференция по повышению производительности и экономичности нагревательных печей, посвященная 50-летию Великой Октябрьской социалистической революции. Тезисы и краткое содержание докладов.-Днепропетровск, 1967

2.Исследование пульсаций в доменных воздухонагревателях / Я.П.Калугин, А.В.Арсеев/У Пульсационное горение. Сб.-Челябинск,1968

3. Исследование условий возникновения пульсаций при горении в доменных воздухонагревателях / A.B.Арсеев, Я.П.Калугин,//Вторая научно-техническая конференция Уральского политехнического института. Тезисы докладов.-Свердловск, 1968.

4.Устранение пульсаций и освоение проектных мощностей горелок доменных воздухонагревателей/Я.П.Калугин, А.В .Арсеев// Тезисы докладов научно-технического совещания по разработке конструкций и методов расчета горелочных устройств для газообразного и жидкого топлива.-Свердловск,1968

5.Исследование и устранение пульсаций при отоплении доменных воздухонагревателей/А.В.Арсеев, Я.П.Калугин// Сб. трудов ВНИМТ №19.-Свердловск,1969

6.0 характере пульсаций при горении в доменных воздухонагревателях/ A.B. Арсеев, Я.П.Калугин,//Сталь 1969№1

7.Повышеиие производительности горелок доменных воздухонагревателей/А.В. Арсеев, Я.П.Калугин,//Сталь 1970 №6.

8. Исследование влияния условий работы доменных воздухонагревателей на возбуждение пульсаций/ Я.П.Калугин, А.В.Арсеев//Сб. статей 1-й научно-технической конференции по теплообмену и сжиганшо.-Красноярск,1970.Стр. 139-147.

9.Устранение пульсаций в доменных воздухонагревателях/ А.В.Арсеев, Я.П.Калугин,//Стешь. 1970,№ И.

Ю.Исследование горелок доменных воздухонагревателей с центральной подачей воздуха/Я.П.Калугин, А.В.Арсеев//Тезисы докладов научно-технического совещания по разработке конструкций топочных и горелочных устройств и методов их расчеа.-Свердловск,1970.

21.Исследование на модели условий возникновений пульсаций при горении/Я.П.Калугин, A.B. Арсеев// Тезисы докладов научно- технического совещания по разработке конструкций топочных и горелочных устройств и методов их расчета.-Свердловск,1970.

12.Устранение пульсаций и повышение тепловой мощности горелок воздухонагревателей крупных доменных печей/А.В. Арсеев, Я.П.Калугин// Исследование шихтовых материалов и процессов доменной плавки.Сб,-М. ¡Металлургия, 1971.

13.Разработка керамических горелок для доменных воздухонагревателей/ЯЛ.Калугин, A.B.Арсеев, В.М.Рудник// Тезисы докладов научно- технического совещания по разработке конструкций топочных и горелочных устройств и методов их расчета.-СвердловскД 972.

14.Исследование горелки для воздухонагревателя с выносной камерой горения на холодной модели /Я.П.Калугин, В.М. Рудник, Н.А.Андреев // Тезисы докладов научно- технического совещания по разработке конструкций топочных и горелочных устройств и методов их расчета.-Свердловск,1974.

15. Исследование аэродинамики и смесеобразования керамической горелки на холодной модели/ Я.ГЬКалугин, В.М. Рудник, Н.А.Андреев// Тезисы докладов научно-технического совещания по разработке конструкций топочных и горелочных устройств и методов их расчета.-Овердловск, 1974.

1 б.Содержание окислов азота в продуктах сгорания и дутье при эксплуатации доменных воздухонагревателей/Я.П.Калугин. В.М.Рудник, Н.А.Андреев и др.//Тезисы докладов научно-технического совещания по разработке конструкций топочных и горелочных устройств и методов их расчета.-Свердловск, 1974.

17.Эксплуатация керамической горелки на промышленном

воздухонагревателе/Я.П.Калугин, В.М.Рудник, М.С. Аминов, Н.Х.Стручков// Тезисы докладов научно-технического совещания по разработке конструкций топочных и горелочных устройств и методов их расчета.-Свердловск, 1974.

18.Исследование работы керамической горелки на воздухонагревателе печи№1 НТМК / ЯЛ.Калугин, А.В.Арсеев, Я.В.Иоффе и др.//Интенсификация процессов в металлургической теплотехнике. Тезисы докладов к предстоящей 3-ей научно-технической конференции,-Новокузнецк,1974.

19.Механизм пульсирующего горения в доменных воздухонагревателях/Я.П.Калугин, А.В.Арсеев// Исследования по вибрационному горению и смесеобразованию. Сб.- Казань: Казанский университет, 1974.Стр. 138-160.

20.0тработка конструкций керамических горелок для доменных воздухонагревателей/Я.П.Калугин, В.М. Рудник, Н.А.Андреев/ЛГезисы докладов научно- технического совещания по разработке конструкций топочных и горелочных устройств и методов их расчета.- Свердловск, 1975.

21.Разработка конструкции системы отопления бесшахтного воздухонагревателя/Я.П.Калугин, А.В.Арсеев, Б.НЛрокофьев// Тезисы докладов научно-технического совещания по разработке конструкций топочных и горелочных устройств и методов их расчета. - Свердловск,1975.

22.Исследование пульсаций в воздухонагревателях доменной печи объемом 3200 мЗ / Я.П,Калугин, Н.А.Андреев/ЛГезисы докладов научно-технического совещания по разработке конструкций топочных и горелочных устройств и методов их расчета.-Свердловск, 1975.

23 .Условия возбуждения пульсирующего горения в крупных установках/Я.П.Калугин, А.В.Арсеев//Теория и практика сжигания газа.Сб,-JI.:Недра, 1975.т.VI. С,92-103.

24. Исследование пульсирующего горения в крупных установках/Я.П.Калугин, А.В.Арсеев//Инженерно-физический журнал. 1975.Т.28 №4 С.661-669.

25.Измеритель колебаний давления/Я.П.Калугин, H.A. Андреев//Сб. научных трудов. Межвузовский выпуск, 16-Магнитогорск,1975.С.129-135.

26.0пыт эксплуатации керамической горелки на воздухонагревателе/Я.П.Калугин, В.М.Антонов и др.// Сталь 1976.№4 С.303-304.

27.Исследование пульсаций в воздухонагревателях доменной печи объемом 3200 мЗ /Сталь.1977№З.С.209-210.

28.Пути сокращения расхода топлива при производстве чугуна/ Н.М. Бабушкин, Я.П.Калугин, С.П.Каштанова и др.//Тезисы докладов научно-технической конференции 5-7 июня.-Свердловск,1979 С.12-13.

29.0 стойкости высокотемпературных доменных воздухонагревателей/ЯЛ.Калугин, Н.М.Бабушкин// Тезисы докладов научно-технической конференции 15-17 апреля- Свердловск, 1980, С.32-33.

30.Разработка конструкции и стендовые исследования узлов бесшахтного воздухонагревателя/ Я.П.Калугин, Б.Н.Прокофьев// Металлургическая теплотехника. Сб. -М.: Металлургия,!981№9 С.22-26.

31.Повышение температуры и экономичности нагрева доменного дутья/ Ф.Р.Шкляр, Я.П.Калугин, С.П.Каштанова и др.// Сталь 1981№ ЗС.12-14.

32.Исследование керамических горелок на стендах и промышленных воздухонагревателях/ Я.П.Калугин, Н.А.Андреев, О.Л.Голубков// Металлургическая теплотехника Сб. -М: Металлургия, 1981 № 9С.26-31.

33.Доменный воздухонагреватель с горелкой в куполе / ЯЛ.Калугин, Б.Н.Прокофьев// Вопросы совершенствования тепловой работы и конструкций металлургических печей. Тезисы докладов.Сб.-Днепропетровск,1981С.49-50.

34.Высокотемпературные воздухонагреватели для нагрева дутья до 1700°С /Я.П.Калугин, М.И.Агафонова, Е.Д. Лекомцева // Вопросы совершенствования тепловой работы и конструкций металлургический печей. Тезисы докладов. Сб,-Днепропетровск, 1981.

35. Состояние воздухонагревателей в отрасли и пути повышения температуры доменного дутья/ Я.ИКалугин, Б.Н.Прокофьев, Ф.Р. Шкляр и др.//Совершенствование теплотехники металлургических процессов и агрегатов. Сб.- Свердловск,1983,С.50-52.

36.Внедрение и исследование работы бесшахтного воздухонагревателя/ Я.П.Калугин, Б.Н.Прокофьев// Совершенствование теплотехники металлургических процессов и агрегатов.Сб.-Свердловск,1983С.52-53.

37. Бесшахтный воздухонагреватель/ Я.П.Калугин, Б.Н. Прокофьев, А.В. Пархачев и др.//Черная металлургия: Бюл.НТИ.1984№9 С.38-39.

3 8. Опыт разработки и эксплуатации керамических горелок ВНИИМТ на предприятиях Минчермета СССР/ Н.М.Бабушкин, Я.П.Калугин, П.Б.Федотов и др.//Республиканская межзаводская школа « Обмен передовым опытом работы начальников доменных цехов по снижению расхода сырья и материалов при производстве чугуна» Сб. -Коммунарск, ноябрь, 1984.

39.Technigues for Improving the Technology of Blast Furnace Smelting at B.S.P./R.Athappan, R.N.Srivastava,Ya.P.Kalugin et al.// Third Indo-Soviet bilateral symposium on improvement in technology and quality of finished products in iron and steel industry-problems and prospects.-Ranchi,26-27 Nov. 1984.Р.22-39/

40.Development of regenerative heat exchanger design/ Ya.P. Kalugin, V/I/Agafonova, N.M.Babushkin et al.// Lecture XVHI International Symposium «High temperature heat exchangers».-Dubrovnick( Iugoslavia),l985.

4¡.Анализ состояния и перспективы повышения температуры дутья в отрасли с использованием новых разработок/ Н.М.Бабушкин, С,П.Каштанова, Я..Калугин и др.// Всесоюзное совещание « Обобщение опыта работы доменных цехов по повышению температуры дутья» Сб. -Магнитогорск.Ноябрь, 1985.

42. Опыт работы воздухонагревателей с керамическими горелками ВНИИМТ и воздухонагревателя бесшахтного типа на ДП№4 НТМК/ Н.М.Бабушкин, Ф.Р.Шкляр, Я.П.Калугин и др.// Всесоюзное « Обобщение опыта работы доменных цехов по повышению температуры дутья» Сб. -Магнитогорск, ноябрь 1985.

43 .Блок компактных воздухонагревателей с насыпными насадками для доменной печи № 1 ММК / Я.П. Калугин, М.И. Агафонова, Н,А.Андреев,

B,В.Медведев.//Режимные и конструктивные параметры тепловых металлургических агрегатов Сб.-М.: Металлургия, 1986.

44.Аэродинамические исследования на бесшахтном воздухонагревателе / Я.П.Калугин, Б.Н.Прокофьев, Н.М.Бабушкин, Н.А.Андреев// Теплотехнические исследования процессов и агрегатов в черной металлургии. Сб. -М.: Металлургия, 1986 С.37-41.

45.Высокотемпературные нагреватели окислителя для МГД ЭС-500 Мвт./ Ф.Р,Шкляр., М.И.Агафонова., Я.П.Калугин// ТВТ.1986, т. XXIV№3 С. 582-586.

46.Выбор режима работы доменных воздухонагревателей с различными характеристиками/ В.С.Колодяжный, Н.М.Бабушкин, Я.П.Калутин, Ю.Г.Ярошенко// Экономия кокса в доменных печах. Сб.-М.: Металлургия, 1986

C.50-53.

47.Разработка и эксплуатация керамических горелок на доменных воздухонагревателях/ Я.П.Калугин, Б.Б. Вегнер, О.ЛГолубков// Сталь 1987, № 1 С. 98-100.

48.Разработка и исследование бесшахтного воздухонагревателя с горелочной системой в куполе/ Я.П.Калугин, Б.Н.Прокофьев, Ф.Р.Шкляр и др.// Сталь 1987№ 1 С. 98-101.

49.Температурный режим работы элементов бесхпахтного доменного воздухонагревателя/ Я.П.Калугин, Б.Н.Прокофьев, Н.Л.Андреев// Теплотехнические обеспечения основных технологических процессов черной металлургии. Сб.-М.: Металлургия, 19888 с.31-35.

50.Методика термопрочного предпроектного расчета футеровки воздухонагревателей/ Ф.Р.Шкляр, Е.Л.Сургучева, Я.П.Калугин и др.-Свердловск: ВНИИМТ, 1988-26с.

51.Отработка и эксплуатация керамической горелки с совмещенным подводом газа и воздуха/ Я.П.Калугин Н.А.Андреев, М.С.Аминов, С.В.Филатов и др.// Сталь 1988 №8 С. 18-20.

52.Методика определения термонапряженного состояния купола воздухонагревателей / Ф.Р.Шкляр, E.JI. Сургучева, В.Д.Кищук, Я.П.Калугин// Сталь 1988 №9 С.98-99.

53.0ценка конструкционной стойкости футеровки/ Ф.Р. Шкляр, Е.Л.Сургучева, Я.П.Калугин// Огнеупоры.1988 №5 С.9-13.

54.Разработкам и исследование перспективных конструкций доменных воздухонагревателей/ Я.П.Калугин, П.Б.Федотов, Л.Н.Торицин// 8-я международная конференция доменщиков Витковице 1989.Тезисы доклада.-Ostrava, Czechoslovakia.17-19.10.1989 С. 317-319.

55. Расчет нестационарного теплообмена в камере горения высокотемпературного доменного воздухонагревателя /В .И. Щербинин, Я.П.Калугин, Ф.Р.Шкляр и др.// Изв. Вузов. Черная металлургия. 1990 №2 С. 9294.

56.Тепловое и термонапряженное состояние насадки воздухонагревателя/ В.М.Малкин, Е.Л.Сургучева, Я.П.Калугин и др.// Изв. Вузов. Черная металлургия 1990 № 9 С. 89-91.

57.Теплотехнические исследования блока воздухонагревателей доменной печи объемом 5500мЗ / Я.П.Калугин, В.Ф.Новиков, Б.Б.Вегнер и др.//Сталь 1988 №2 С. 14-19.

58.Исследование струйно- вихревой горелки на стенде /Я.П.Калугин, М.Н.Зорин, Н.А.Андреев// Металлургическая теплотехника. Сб. -М.: Металлургия. 1990. С. 31-37.

59. Исследование эффективных насадок с каналами переменного сечения для доменных воздухонагревателей / Л.М. Канунникова, Я.П.Калугин//Теплотехническое обеспечение основных металлургических производств. сб.-М.: Металлургия 1990 С. 58-60.

60.Работа газонагревателей доменной печи №2 НПО « Тулачермет»/П.Б.Федотов, Я.П.Калугин и др.// Теплотехническое обеспечение технологических процессов металлургии. Тезисы докладов Всесоюзной научно-технической конференции, посвященной 60-летию ВНИМТ.Сб.-Свердловск, 1990.С.З 8-40

61.Разработка и исследование высокотемпературных доменных воздухонагревателей новых конструкций /Я.П.Калугин, Б.Н.Прокофьев, JI.H. Торицин //Новые и усовершенствованные технологии для окускования сырья и производства чугуна. Научно-техническая конференция с международным участием. Сб.-Варна. 2 990.

62. Высокотемпературные воздухонагреватели для доменных печей. Характеристика блока воздухонагревателей доменной печи №1 OAO»MMK».IV Международный конгресс доменщиков.Магнитогорск,9-12 сентября 1997г./ ЯЛХКалугин// Металлург. 1997№ 11 с.22. *

63. The 5th European Coke and Ironmaking Congress (5th ECIC 2005) June 1215.2005, Stockholm, Sweden.

64 The 4th International Congress on the Science and Technology of Ironmaking (ICSTI'06) November 26-30,2006, Osaka, Japan.

65 Iron & Steel Technology Conference (AISTech 2007) May 7-10, 2007, Indianapolis, Indiana, USA.

Авторские свидетельства

1.A.c.353963 СССР /A.B. Арсеев, Д.К.Беневоленский, Я.П.Калугин и др./ Газовая горелка// Б.И.1972, №30

2.A.C.602555 СССР /ЯЛ.Калугин, А.В.Арсеев, Б.Н. Прокофьев jhc др./Доменный воздухонагреватель// Б.И.1978, №14.

3.А.с.685695 СССР /А.Н. Жариков, М.Г. Кутнер-Б, Я.П.Калугин, и др./ Воздухонагреватель доменной печи // Б.И. 1978, №34.

4.А.С.802369 СССР /Ф.Р.Шкляр, В.М. Малкин, ЯЛ.Калугин и др./ Способ повышения температуры горячего дутья в воздухонагревателях// Б.ИЛ 981, №5

5.А.С.808778 СССР/ Н.А.Андреев, Я.П.Калугин, И.А. Бритвин и др./ Газовая горелка//Б.И. 1981, №8

6.А.с.840124 СССР /В.А. Александров, А.Д.Ткаченко, Я.ШСалугин и др./ Поднасадочное устройство воздухонагревателей доменной печи// Б.И. 1981» №23.

7. A.c. 840125 СССР /М.Г.Кутнер-Б., Н.НЛодкантор, ЯЛ.Калугин и др/Камера горения воздухонагревателя доменной печи//Б.И. 1981, №23.

8-А.с. 854998 СССР /Н.А.Андреев, Я.П.Калугин, Ф.Р.П1кляр и др./ Воздухонагреватель//Б.И. 1981, №30.

9. A.c. 865915 СССР /Грес Л.П., Э.М.Гольдфарб, Я.П.Калугин и др./ Воздухонагреватель доменной печи// Б.И. 1981, №35.

10.A.c. 916544 СССР /М.Г.-Б Кутнер, H.H. Подкантор, ЯЛ.алугин и др./ Способ нагрева высокотемпературного"воздухонагревателя//Б.И. 1982, №12.

11.A.c. 924112 СССР /С.Л. Соломенцев, В.Д. Коршиков, ЯЛКалугин и др./ Способ охлаждения доменного воздухонагревателя перед ремонтом// Б.И. 1982.

12.A.c. 926017 СССР /ЯЛ.Калугин, Б.НЛрокофьев, Ф.Р.Шкляр и др/Воздухонагреватель для доменных печей// Б.И. 1982, №17.

13.А.С. 933717 СССР /М.Г.-Б Кутнер, Н.НЛодкантор, ЯЛКалугин и др./ Способ сжигания газа в воздухонагревателях доменных печей// Б.И. 1982, №21.

14.А.С.981372 СССР / Н.М.Бабушкин, ЯЛКалугин, Б.Б. Вегнер и др./ Способ управления режимом работы доменных воздухонагревателей// Б.И.1982, №46.

15.А.С.994563 СССР /Ф.Р.Шкляр, В.М. Паршаков, ЯЛКалугин и др./ Доменный высокотемпературный воздухонагреватель//Б.И.Л 983, №5.

16.А.С.1017740 СССР /Ф.Р.Шкляр, В.М.Малкин, ЯЛКалугин и др./Способ управления переключением воздухонагревателей//Б.И.1983, №18.

17.A.c. 1025730 СССР /B.C. Колодяжный, Ф.Р. Шкляр, ЯЛКалугин и др./ способ управления нагревом блока воздухонагревателей// Б.И. 1983, №24.

18.A.c. 1084538 СССР /Ф.Р.Шкляр, Л.Н. Торицин, ЯЛКалугин и др./Способ работы регенеративного воздухонагревателя//Б.И. 1984, №13.

19.A.c. 1084539 СССР /H.A. Андреев, ЯЛКалугин, Ф.Р.Шкляр и др./ Регенеративный воздухонагревательЖИ. 1984, №13.

20.А.С.1092181 СССР /Ф.Р.Шкляр, Л.Н. Торицин, ЯЛКалугин, и др./Способ работы регенератора//Б.И.1984, №18.

21.А.С.1099187 СССР /В.М,Рудник, ЯЛКалугин, А.В.Арсеев и др./ Керамическая газовая горелка// Б.И.1984, №23.

22.A.c. 1101451 СССР /Ф.Р.Шкляр, Л.В.Радюкевич, ЯЛКалугин и др./ Высокотемпературный доменный газонагреватель // Б.И. 1984, №25

23.А.С. 1126607 СССР / Н.А.Андреев, ЯЛКалугин, С.В,Кузнецов /Поднасадочное устройство воздухонагревателя// Б.И. 1984, №44.

24.А.С. 1142701 СССр/Я.П.Калугин, Н.А.Андреев, С.В.Кузнецов и др./ Керамическая газовая горелка //Б.И.1985, №29.

25.A.C. 1153190 СССР /Я.П.Калугин, Н.А.Андреев, С.В.Кузнецов и др./ Керамическая газовая горелка// Б.И.1985, №16.

26.A.c. 1185692 СССР /Я.П.Калугин, Ф.Р.Шкляр, М.И.Агафонова и др./ Воздухонагреватель// Б.И.1985.

27.А.С.1211295 СССР /Ф.Р.Шкляр, Л.В.Радюкевич, Я.П.Калугин и др./ Воздухонагреватель доменной печи// Б.И.1986, №6.

28.A.c. 1228493 СССР /Ф.Р.Шкляр, Л.Н.Торицин, Я.П.Калугин и др/ Способ работы высокотемпературного регенератора// Б.И. 1986.

29.A.c. 1311343 СССР /Я.П.Калугин, Н.А.Андреев, Ю.И.Васильев и др./ Керамическая газовая горелка//Б.И.1986.

30.A.C.1315477 СССР /Н.А.Андреев, Я.П.Калугин, Ф.Р.Шкляр и др./ Высокотемпературный воздухонагреватель// Б.И. 1987, №21.

31.A.c. 1320234 СССР /Н.А.Андреев, Я.П. Калугин, А.А.Винтовкин и др./ Доменный воздухонагреватель//!).И. 1987, №24.

32.А.С. 1323571 СССР /Я.П.Калугин, П.Б.Федотов, Н.А.Андреев и др./ Воздухонагреватель// Б.И. 1987, №26.

33. A.c. 1407957 СССР /Н.А.Андреев, Я.П.Калугин, П.Б.Федотов и др./ Воздухонагреватель доменной печи//БИ.1988, №25.

34.А.С. 1420948 СССР /Я.П.Калугин, Ф.Р.Шкляр, П.Б.Федотов и др./ Высокотемпературный воздухонагреватель//Б.И. 1986.

35.А.С. 1440931 СССР /Н.А.Андреев, Я.П.Калугин, Г1.Б. Федотов и др./ Высокотемпературный воздухонагреватель// Б.И. 1988, №44.

36.A.c. 1504254 СССР /Ф.Р.Шкляр, Я.П.Калугин, Е.Л.Сургучева и др./ Способ повторного разогрева воздухонагревателя доменной печи, футерованного в высокотемпературной зоне динасовым огнеупором//Б.И.1989, №32.

37.А.с. 1504255 СССР /Ф.Р.Шюшр, Я.П.Калугин, Е.Л.Сургучева и др/ Способ сушки и полного разогрева воздухонагревателя доменной печи, футерованного в высокотемпературной зоне динасовым огнеупором//Б.И. 1989, №32.

38-А.с. 1504256 СССР /.Р.Шкляр, Я.П.Калугин, Е.Л.Сургучева и др./ Способ первого разогрева воздухонагревателя доменной печи, футерованного в высокотемпературной зоне динасовым огнеупором//Б.И.1989, №32.

39-А.с. 1507803 СССР /Ф.Р. Шкляр,Я.П.Калугин, Е.Л.Сургучева и др./ Способ охлаждения воздухонагревателя доменной печи, футерованного в высокотемпературной зоне динасовым огнеупором//Б.И. 1989, №34.

40.А.с. 1538639 СССР /Я.ПКалугин, Н.А.Андреев, О.ЛГолубков и др./Керамическая газовая горелка //Б.И. 1989.

41.А.с. 1545025 СССР /Я.П.Калугин, НА.Андреев/ Горелка// Б.И. 1990,

№7.

42.А.с. 1578205 СССР /ЯЛ.Калугин, Н.А.Андреев, М.И.Агафонова/Тракт горячего дутья//Б.И.1990, №26.

43.А.с. 1581117 СССР /Н.А.Андреев, ЯЛ.Калугин, ПБ.Федотов и др./Газовая горелка// Б.И. 1990, №27.

44.А.с. 1580927 СССР /Н. А. Андреев, Я.П.Калугин, О.Л.Голубков/ Керамическая горелка//Б.И. 1990.

45.А.с. 1622721 СССР /ЯЛ.Калугин, М.И.Агафонова, НА.Андреев и др./Блок насадки регенератора//Б.И. 1991, №3.

46.А.с. 1691395 СССР /Я.П.Калугин, П.Б.Федотов, НА.Андреев и др./Воздухонагреватель доменной печи//Б.И.1991, №42.

47.А.с.1715850 СССР /Я.П.Калугин, Н.А.Андреев, П.Б.Федотов и др./Воздухонагреватель//1992, №8.

48. А.с. 1760825 СССР /ЯПКалугин, Н.А,Андреев, О.Л.Голубков и др./Газовая горелка// Б.И. 1992.

49.А.С. 1799913 СССР /Я.П.Калугин, Н.А.Андреев, П.Б.Федотов и др./Поднасадочное устройство воздухонагревателя доменной печи// Б.И.1993, №9.

50.А.С.1814316 СССР /Я.П.Калугин, И.Х.Ромазан, Н.А.Андреев и др./Воздухонагрсватель//Б.И. 1993, №17.

51. А.с. 1065480 СССР /Я.П.Калугин, М.И.Агафонова, Е.Л.Сургучева и др. / Способ охлаждения воздухонагревателя, футерованного в высокотемпературной зоне корундовым огнеупором//Б.И. 1991, №31.

52. А.с. 1661219 СССР /Я.П.Калугин, М.И.Агафонова, Н.А.Андреев и др./ Способ сушки и первоначального разогрева воздухонагревателя, футерованного в высокотемпературной зоне корундовым огнеупором //Б.И. 1991, №25.

53. А.с. 1671703 СССР /Я.П.Калугин, М.И.Агафонова, Е.Л.Сургучева и др./ Способ охлаждения воздухонагревателя, футерованного в высокотемпературной зоне корундовым огнеупором //Б.И. 1991, №31.

Патенты

1. Патент FR2 541-B1 Франция/ V.M.Rudnik, Y.P.Kalugin,A.V.Arseev et N.A.Andreev/ Brleur ceramigue a gaz pour cowpers de hauts fourneaux//BOPI «Brevets» n0 20 du mai 1985.

2. Патент DE 31 32 788 C23 ФРГ / V.M.Rudnik, Y.P.Kalugin.A.V.Arseev ,N.A.Andreev/Keramischer Gasdrenner for Hochofenwinderhitzer// Bundesdruckerei 06.86.608 133/227.

3. Патент V.M.Rudnik, Y.P.Kalugin, A.V.Arseev №1146319 Италия/ V.M.Rudnik, Y.P.Kalugin,A.V.Arseev et N.A.Andreev/ Bruciatore ceramicoa gas in particjlareper altoforni//Brevetto per Invenzione Induatriale. Published 12.11.1988.

4. Патент Российской Федерации RU2145637 кл. С21В9/02 / Калугин Я.П. / Воздухонагреватель / Опубл. 20.02.2000, Бюл. № 5.

5. Патент Российской Федерации 2170881 /Я.П.Калугин и В.М.Рудник/ Керамическая газовая горелка. 0публ.2001.07.20.

6. Патент Украины ЦА42894 кл. С21В9/02 / Калугин Яков Прокопьевич (Ш) / Бесшахтный воздухонагреватель Калугина / Опубл. 15.11.2001, Бюл. № 10,2001г.

7. Патент Российской Федерации Ш2215792 кл. С21В9/02 / Калугин Я.П. / Воздухонагреватель/Опубл. 10.11.2003,Бюл. №31.

8. Патент КНР 205830 кл. С21В9/08 / Калугин Я.П. /Воздухонагреватель Калугина / Опубл. 27.04.2005.

9. Патент Российской Федерации 1Ш2316600 кл. С21В9/00 / Калугин Яков Прокопьевич (КС) / Воздухонагреватель / Опубл. 10.02.2008, Бюл. № 4.

Подписано в печать Плоская печать

Формат 60 х 84 1/16 Бумага писчая

Тираж 100 Заказ № 1

Ризография НИЧ ГОУ ВПО УГТУ-УПИ 620002, г. Екатеринбург, ул. Мира 19