Воздухонагреватель

Современные доменные печи оснащаются воздухонагревателями позволяющими обеспечить нагрев дутья до 1400 °С. Набор используемых огнеупоров определяется температурными условиями в кольцевых стенах и насадке воздухонагревателя (рис. 9.1), а его металлические конструкции зависят от схемы компоновки.

Кожух в зоне начала высокотемпературной кладки воздухонагревателя состоит из цилиндрических царг и конических царг, купол выполняется по сфере или другой форме, как в случае с воздухонагревателями с выносной камерой горения. В местах сопряжения купола и кладки устанавливают кронштейны на которые свободно опирается бандаж, воспринимающий распор кладки купола. Кожух выполняется сварным из листовой стали марки 10Г2С1 или 09Г2С, его толщина 20…30 мм.

Рисунок 9.1 – Схема распределения температуры по высоте насадки: t_н.н. – в начале нагрева насадки; t_н.к. – в конце нагрева насадки; t _9.н. – в начале нагрева дутья; t _{9 .к.} – в конце нагрева дутья

Кладка отдельных зон воздухонагревателя (рис. 9.2) выполняется из огнеупоров разных типов в зависимости от температурных условий и компоновки воздухонагревателя. Кладку днища, внешних стен, стен камеры горения, купола и насадки воздухонагревателя ведут из огнеупорных изделий в соответствии с ГОСТ 20901-75. Кладку огнеупоров в воздухонагревателе выполняют на соответствующих растворах, кроме насадки, выкладываемой без раствора.

В воздухонагревателе с встроенной камерой горения выкладка стен камеры горения может вестись без перевязки с внешними стенами воздухонагревателя или с перевязкой (рис. 9.3). Перед началом кладки воздухонагревателя следует подлить цементный раствор под металлическое дно, заварить в днище все отверстия, выверить и закрепить колоны поднасадочного устройства, установить решетки, обеспечивающие совпадения расположения ячеек насадки с соблюдением вертикальности каналов насадки по всей высоте воздухонагревателей.

а б

Рис. 9.2. Распределение огнеупоров в кладе воздухонагревателя: а – с выносной камерой горения и температурой под куполом до 1550 ⁰С; б – со встроенной камерой горения и температурой под куполом до 1250 ⁰С; 1 – динасовые легковесные изделия марки ДВ; 2 – динасовый легковесный; 3 – шамот легковесный; 4 – муллитокремнеземистые волокнистые изделия; 5 – высокоглиноземистые муллитокорундовые изделия марки МКВ – 72; 6 – высокоглиноземистые муллитовые изделия марки МЛВ – 62; 7 – шамотные изделия марки ШВ – 42; 8 – шамотные изделия марки ШВ – 37; 9 – шамотные изделия марки ШВ – 28; 10 – каолиновый легковес; 11 – торкрет масса; 12 – асбестовый картон; 13 – бой обыкновенного глиняного кирпича.

Рисунок 24 – Схема кладки встроенных камер горения воздухонагревателей:

а – круглая; б – комбинированная(свободностоящие); в – комбинированная с перевязкой кладки стен с внешними стенами воздухонагревателя

Для сокращения тепловых потерь внутреннюю поверхность кожуха купола, выносной камеры горения и высокотемпературной зоны стен воздухонагревателя футеруется торкрет-массой, состоящей из хризотилового асбеста, шамотного порошка марки ПШТД и глиноземистого цемента марки 500-600. Кладку стен воздухонагревателя и камеры горения допускаются вести по винтовой линии с перевязкой вертикальных швов в двух смежных рядах (рис. 25); в переходной конической части кожуха – напуском с увеличением толщины стен (рис.26)

Высокотемпературная зона:

Среднетемпературная зона:

Низкотемпературная зона:

Рисунок 25 – Схема кладки стен воздухонагревателя с выносной камерой горения: 1 – динасовые изделия марки ДВ; 2 – высокоглиноземистые муллитокорундовые изделия марки МКВ – 72; 3 – высокоглиноземистые муллитовые изделия марки МЛВ – 62; 4 – шамотные изделия марки ШВ – 42; 5 – шамотные изделия марки ШВ – 37; 6 – шамотные изделия марки ШВ – 28; 7 – динас легковесный; 8 – каолиновый легковес; 9 – шамот легковесный; 10 – муллитокремнеземистые волокнистые изделия; 11 – торкрет масса;

В низко- и среднетемпературных зонах изоляцию стен выполняют из каолиновых легковесных изделий марки КЛ-1,3, из шамотных легковесов марки ШЛБ-1,0 и муллитокремнеземистых огнеупорных волокнистых теплоизоляционных изделий. В высокотемпературной зоне – из динасовых легковесных изделий ДЛ-1,2, каолиновых легковесов марки КЛ-1,3, шамотных легковесов ШЛБ-1,0 и муллитокорундовых огнеупорных волокнистых теплоизоляционных изделий.

Кладку встроенной камеры горения ведут с перевязкой кольцевых и радиальных швов до уровня на 2…2,5 м ниже оси газовой горелки. Выше этого уровня стены выкладывают из двух независимых колец с незаполненным между ними зазором шириной 10 мм.

Внутренний окат выполняют из динасовых изделий марки ДВ и муллитокорундовых изделий марки МКВ-72 или на всю высоту из муллитокорундовых изделий марки МКВ-72. В наружном кольце камеры горения применяют те же огнеупоры, что и соответствующих зонах периферийных стенах.

Между периферийной стеной воздухонагревателя и стеной камеры горения при круглой камере оставляют зазор 10 мм, заполняемый сухим мертелем марки ШК-3 и не заполняемый при эллиптической камере горения.

Кладка стен выносной камеры горения ведется аналогично кладке стен воздухонагревателя. В верхней её части на кожухе устанавливают компенсатор, внутренние полости которого заполняют высокоглиноземистой ватой. Купол выкладывают либо с опорой на стены воздухонагревателя, либо на самостоятельную опору (рис. 27). В зависимости от температуры газов кладку под куполом выполняют на соответствующем растворе с перевязкой швов в смежных слоях из динасовых изделий марки ДВ работающих при температуре до 1500^○С или муллитокорундовых изделий при температуре 1350^○С. Изоляция выполняется в один или два оката соответственно динасовыми или шамотными легковесами.

В куполе, опирающемся на стены воздухонагревателя, между кожухом и верхом кладки купола оставляют свободный зазор около 500 мм.

Для компенсации роста динасовых изделий в каждом кольце укладывают деревянные прокладки, размеры которых на 2…3 мм меньше размеров плоскостей соприкасающихся изделий. Для насадки применяют, как правило, шестигранные изделия.

Рисунок 26 – Схема кладки воздухонагревателя в районе расширителя кожуха: а – с температурой под куполом до 1350⁰С; б – с температурой под куполом до 1550⁰С; 1 – шамотные изделия марки ШВ – 42; 2 – шамотные изделия марки ШВ – 28; 3 – шамотные легковесные изделия; 4 – муллитокремнеземистые волокнистые изделия; 5 – вата высокоглиноземистая

В зависимости от температурных зон, как и в кладке кольцевых стен воздухонагревателя, в кладке насадки в зоне температур ниже 700 ^○С используют изделия марки ШВ-28, при температурах 700…900^○С – марки ШВ-37, в зоне с температурой 900…1300^○С – марки ШВ-42. Муллитокремнеземистые изделия марки МКРВ-50 используют в зоне с температурой 1200…1350 ^○С, а динасовыми изделиями выкладывают насадку в зоне температур 1100…1550 ^○С.

На поднасадочную решетку укладывают один ряд плиток из жаропрочного чугуна. Несовпадение верхних плоскостей соседних плиток не должно превышать 0,5 мм. При необходимости первый ряд может укладываться на шамотоглинистом растворе, а остальные ряды – всухую. Кладка каждого ряда насадки должна вестись из изделий рассортированных по высоте на заводе изготовителе с разницей размеров не более 1 мм; кладка блоков – с перевязкой. Для периферии камеры насадки используют специальные марки насадочных изделий заводского изготовителя или тесаные блоки.

Между насадкой и стенами камеры насадки и камеры горения оставляются зазоры в зонах огнеупоров: динасовых – 75 мм, муллитовых и шамотных – 60…50 мм.

Воздухонагреватели сооружают обычно линейным блоком (рис. 28), где на оси на общем с ними фундаменте сооружается дымовая труба. Блок воздухонагревателей имеет общий дымовой боров, воздухопроводы горячего и холодного дутья, газопровод, падающий газ для отопления воздухонагревателей. Размеры воздухонагревателей можно ориентировочно определить конструктивным расчетом, который состоит из расчета характеристик насадки и его основных размеров и строится на опытных данных.

Рисунок 27 – Схема кладки куполов воздухонагревателей: а – с опиранием на внешние стены; б – с опиранием на самостоятельную опору; в – с выносной камерой горения; 1 – динасовые легковесные изделия марки ДВ; 2 – динасовый легковесный; 3 – шамот легковесный; 4 – высокоглиноземистые муллитокорундовые изделия марки МКВ – 72; 5 – муллитовые изделия марки МЛ – 62; 6 – вата высокоглиноземистая; 7 – муллитокремнеземистые волокнистые изделия; 8 – торкрет-масса; 9 – асбестовый картон; 10 – шамотные изделия; 11 – каолиновые легковесные изделия;

После выбора огнеупоров для выкладки стен и насадки воздухонагревателя выбирают тип насадки – это одноярусные насадки с квадратными, круглыми или другой конфигурации каналами для прохода газов.

Для расчета насадки вычерчивают поперечное сечение ее элемента (обозначен пунктиром на рис. 29), определяют площадь занимаемую элементом насадки S_эл.н, площадь отверстия S_отв и периметр отверстия L_отв. Тогда площадь живого сечения насадки будет равна:

Удельная поверхность нагрева насадки равна площади поверхности каналов, расположенных в 1 м³ насадки. Если принять, что площадь элемента насадки – S_эл.н, то при высоте насадки 1 м для создания 1 м³ насадки необходимое число элементов насадки составит, шт.:

,

а суммарная площадь всех каналов в 1 м³ насадки, м²/м³:

σ = L n_эл.н

При этом следует учесть, что интенсивность нагрева зависит от удельной поверхности нагрева насадки, а количество аккумулированной теплоты – от веса насадки.

При определении размеров воздухонагревателя для доменной печи заданного объема и условий ее работы находим суммарную поверхность нагрева воздухонагревателей. По рекомендации Гипромеза для нагрева дутья до 1000 ^○С используют удельную поверхность воздухонагревателей:

F_уд = 65 м²/м³ V_п, до 1250 ^○С, F_уд = 80…90 м²/м³ V_п ,

и при более 1250 ^○С, F_уд = 105 м²/м³ V_п

Поверхность нагрева блока воздухонагревателей, м²:

F_бл = F_уд V_п

Выбрав число воздухонагревателей в блоке m, поверхность нагрева воздухонагревателя

,

Тогда объём насадки для принятого типа

.

Для оценки поперечных размеров воздухонагревателя определим расход дутья, м³/мин:

,

где V_д – удельный расход дутья, м³/т; n – производительность доменной печи, т/сут; k – коэффициент потери дутья (k = 0,1…0,15).

Приняв за допустимую скорость движения дутья ω = 4…6 м/с, площадь живого сечения камеры насадки, м²:

,

При этом поперечного сечения насадки, м²:

,

Площадь камеры горения со стенками, составляющая b = 0.23 …0.28 площади камеры насадки, м²:

а внутренний диаметр воздухонагревателя без учета стен, м:

Общий диаметр воздухонагревателя с учетом стен, теплоизоляционного слоя и металлоконструкций, м:

,

где l₁, l₂, l₃ – толщина соответственно стен, слоя теплоизоляции и кожуха.

При расчете d_н необходимо учесть отличие в конструкции воздухонагревателя при динасовой кладке.

Определение продольных размеров начинают с определенной высоты насадки, м:

Для нормально спроектированной насадки коэффициент стройности

Если из расчета видно, что коэффициент стройности не входит в указанные пределы, расчет необходимо повторить и изменить конструкцию насадки.

Высота цилиндрических стен воздухонагревателя, м:

где Н_пер, Н_под – высота соответственно перевальной стенки (Н_пер = 1 м) и поднасадочного устройства (Н_под = 2,4 м).

Высота подкупольного пространства

где l₄ – толщина кладки купола.

Тогда полная высота воздухонагревателя, м:

где l₅ – толщина теплоизоляции кожуха, l₆ – воздушный зазор.

Высота отметки штуцера горячего дутья и газовой горелки определяется конструктивно. Аналогично, учитывая особенности конструкции купола, рассчитывают высоту воздухонагревателя с выносной камерой горения.

Кроме типовой арматуры на новых и реконструированных агрегатах устанавливают дроссельный клапан холодного дутья, который используется для попарно-параллельной работы воздухонагревателей при нагреве дутья. Перспективными считаются воздухонагреватели без камеры горения, где в куполе устанавливают короткопламенные горелки, и отвод горячего дутья осуществляется из купола. Однако эти конструкции еще находятся в стадии экспериментальных опробований, как и воздухонагреватели с шаровой насадкой.

Рисунок 28 – Схема комплекса воздухонагревателей: 1 – воздушно-разгрузочный клапан; 2 – смеситель; 3 – труба для взятия на тягу; 4 – свечи; 5 – дымовой боров; 6 – кольцевая труба горячего дутья

В последние годы за рубежом используют плазменный подогрев горячего дутья, где уровень температуры ограничивается лишь экономикой. В опытах по плазменному нагреву дутья температура его достигла 1700 ^○С.

Ведется дальнейший поиск огнеупоров для высокотемпературных зон. Проходят опробование магнезитовые и хромомагнезитовые огнеупорные изделия для насадки, а также другие типы огнеупоров.

Вопросы для самоконтроля

1. В каком положении находятся клапаны воздухонагревателя при нагреве насадки?

2. В каком положении находятся клапаны воздухонагревателя при нагреве дутья?

3. Под действием, каких разрушающих факторов находятся огнеупоры в воздухонагревателях?

4. Перечислите применяемые огнеупоры для кладки кольцевых стен воздухонагревателя, обеспечивающего нагрев дутья до 1200 и 1400 ^○С?

5. Чем отличается кладка встроенных камер горения от кладки кольцевых стен?

6. Чем отличается кладка кольцевых стен воздухонагревателя динасового и алюмосиликатного?

7. В чем состоит различие в конструкции купола воздухонагревателей со встроенной и выносной камерой горения?

8. С помощью, каких огнеупорных изделий осуществляется теплоизоляция воздухонагревателя?

9. Что входит в блок воздухонагревателей?

10. В чем различие в ведение кладки кольцевых стен и насадки воздухонагревателя?

11. Перспективы развития воздухонагревателей.

Литература

1. Металлургия чугуна / [Вегман Е.Ф., Жеребин Б.Н., Похвиснев А.Н. и др.]; под ред. Ю.С. Юсфина. – [3-е издание]. – М.: ИКЦ «Академкнига», 2004. – С.671-692.

2. Ефименко Г.Г., Гиммельфарб А.А., Левченко В.Е. Металлургия чугуна. - К.: Выща шк., 1981. - С.405-417.

3. Плискановский С.Т. Оборудование и эксплуатация доменных печей / С.Т. Плискановский, В.В. Полтавец. – Днепропетровск: Пороги, 2004. – С. 113-127

4. Инструкция по футеровке и сушке доменных печей и их вспомогательных устройств. - М.: Минчермет СССР, 1978. - С.20-27.

5. Доменное производство./ И. П. Бардин и др.– Справочник. Том 2.– М.: МИСиС, 1963.– С.180-195

6. Сооружение промышленных печей. - 5-е изд., перераб. и доп. / Под ред. И.А.Шишкова. - М. Стройиздат, 1978. - С.22-47, 230-234

7. Остроухов М.Я., Шпарбер Л.Я. Справочник мастера-доменщика. -M. Металлургия, 1977. - C. 111-115, 91-106.

8. Металлические конструкции: Справочник проектировщика / Под ред. Н.П.Мельникова. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Стройиздат, 1980. - С.361-365, 395-401.