Содержание к диссертации
Введение
1. Обзор литературы и постановка задач исследования 9
1.1. Анализ факторов, влияющих на стойкость основных элементов доменных воздухонагревателей 9
1.2. Классификация взаимодействий, понижающих стойкость доменных воздухонагревателей 10
1.3. Развитие конструктивных решений, направленных на повышение эффективности и стойкости доменных воздухонагревателей 17
1.4. Повышение стойкости камер горения у воздухонагревателей типовой конструкции 30
1.5. Существующие методы повышения стойкости насадки
доменных воздухонагревателей 36
1.6. Повышение стойкости кожухов воздухонагревателей 39
1.7. Задачи исследования 43
2. Повышение стойкости камеры горения в процессе разогрева и на рабочих режимах воздухонагревателей 44
2.1 Существующие методы подавления эффекта "короткого замыкания"
в доменных воздухонагревателях 47
2.2. О механизме деформации камеры горения воздухонагревателя типовой конструкции 52
2.3. Повышение стойкости футеровок воздухонагревателей с динасовым куполом в период сушки и разогрева 59
2.3.1. Разработка новой методики сушки и разогрева воздухонагревателей с динасовом куполом 60
2.3.2. Расчетная схема определения технологических параметров сушки и разогрева 62
2.4. Выводы 66
З. Повышение стойкости насадки на основе интенсификации перемешивания топлива и окислителя в камере горения .
3.1. Обоснование выбора метода исследования 71
3.2. Сравнение аэродинамических характеристик процесса горения топлива в натуральных и изотермических условиях 72
3.3. Разработка экспериментальной установки 76
3.4. Методики получения экспериментальных данных для оценки степени перемешивания газообразных компонентов горения 77
3.4.1. Измерение расхода воздуха 78
3.4.2. Измерение скорости воздушного потока 80
3.4.3. Измерение температуры 83
3.5. Описание экспериментального стенда 85
3.6. Методика обработки экспериментальных данных 87
3.7. Результаты обработки экспериментов и их анализ 91
3.8. Выводы 96
4. Влияние тепловой работы огнеупоров стен и купола воздухонагревателя на эффективность и его эксплуатации 98
4.1 О допустимом уровне нагрева насадки воздухонагревателя с динасовым куполом 98
4.2 Анализ влияния конструкции кладки на температурные условия службы кожуха и радиальной стены воздухонагревателя 104
4.3 Коррозия кожуха теплообменника 110
4.4. Опытно - промышленные исследования состояния радиальной стены воздухонагревателей доменной печи объемом 3200 м 114
4.5. Способ выполнения кладки радиальной стены доменного воздухонагревателя 125
4.6. Выводы 126
Заключение 128
Библиографический список
- Классификация взаимодействий, понижающих стойкость доменных воздухонагревателей
- Повышение стойкости футеровок воздухонагревателей с динасовым куполом в период сушки и разогрева
- Сравнение аэродинамических характеристик процесса горения топлива в натуральных и изотермических условиях
- Анализ влияния конструкции кладки на температурные условия службы кожуха и радиальной стены воздухонагревателя
Введение к работе
Актуальность работы. Воздухонагреватели являются наиболее энергоемкими из множества вспомогательных агрегатов доменного передела чугуна. Осуществляя технологическую утилизацию колошниковых газов после их многоступенчатой очистки, они способствуют интенсификации физико-химических превращений в шихте доменной печи и сокращению удельного расхода кокса. Существующая тенденция к повышению температуры дутья приводит к снижению надежности этих теплообменных аппаратов и актуальным становится поиск технических решений, направленных на увеличение стойкости и функциональной эффективности воздухонагревателей с внутренней камерой горения (до 90% парка регенеративных теплообменников на металлургических комбинатах РФ).
Цель работы. Исследование "длинноволновых" переходных процессов в доменных воздухонагревателях, которые, накладываясь на более интенсивные квазистационарные процессы, во многом определяют стойкость и эффективность функционирования аппаратов. Средством достижении цели служит системный анализ всех видов взаимодействия между выделенными элементами воздухонагревателя, а также экспериментальные и расчетные исследования, на основе которых разрабатывались технические решения, направленные на сохранение высокой стойкости аппаратов. В соответствии с поставленной целью сформулированы следующие задачи.
-
Создание новой методики сушки и разогрева доменного воздухонагревателя с использованием специальной пусковой горелки, позволяющей на основе вновь созданной расчетной модели определять необходимые расходы газообразных реагентов горения.
-
На базе анализа температурных полей в воздухонагревателе разработка инженерного решения, способствующего независимому термоудлинению различных зон насадки и футеровки камеры горения.
-
Исследования на экспериментальном стенде влияния геометрических характеристик спиралевидных турбулизаторов в камере горения на степень перемешивания топлива и окислителя в ее шахте.
-
Расчетное определение степени повышения температуры купола воздухонагревателя до уровня, обеспечивающего функционально обоснованную остаточную стойкость огнеупоров купола и насадки.
-
Разработка технического решения, направленного на повышение стойкости футеровок радиальной стены воздухонагревателя, а также на предотвращение двух видов электрохимической коррозии его кожуха.
Научная новизна.
-
Изучены механизмы повреждений футеровки внутренней боковой камеры горения, а также сопряженного массива насадки на рабочих режимах и при вводе теплообменника в эксплуатацию
-
Разработана расчетная модель контроля технологических параметров горения и температурных полей в насадке при осуществлении сушки и разогрева воздухонагревателя.
-
На основе положений теории подобия разработан экспериментальный стенд и методика проведения исследований эффективности перемешивания газообразного топлива и окислителя в камере горении, снабженной турбулизирующими выступами. Изучено влияние основных геометрических параметров спиралевидных турбулизаторов на степень перемешивания газообразных реагентов в камере горения.
-
Проанализирован характер усталостной деформации кладки купола воздухонагревателя и, на основе разработанной расчетной модели, определен предел теплового нагружения огнеупоров купола, который позволяет сохранить существующий уровень его остаточной стойкости после завершения кампании эксплуатации.
Практическая ценность
-
Предложено инженерное решение для преодоления наклона и деформации камеры горения (эффект "банана"), в соответствии с которым насадка разбивается на три локальные зоны с отдельной перевязкой в каждой из зон и, вследствие этого, их независимым термоудлинением, а также взаимным отделением указанных локальных зон волокнистыми матами.
-
Разработана новая методика сушки и разогрева воздухонагревателя с использованием вспомогательной пусковой горелки, позволяющей контролировать расходы природного газа и воздуха горения для точного соблюдения технологической инструкции разогрева насадки как в верхней, так и в нижней, низкотемпературной зонах динаса.
-
Разработана и внедрена на ряде доменных печей конструкция воздухонагревателя с камерой горения, оснащенной спиралевидными турбулизаторами газообразного топлива и окислителя.
-
Предложено новое техническое решение по выполнению футеровки радиальной стены воздухонагревателя без связующего по вертикальным швам рабочего слоя и с локальным сдвигом огнеупоров в теплоизоляционном слое для снижения термомеханических напряжений между элементами стены и предотвращения двух видов электрохимической коррозии кожуха.
Реализация результатов работы. Предложенная в диссертации методика сушки и разогрева насадки реализована на блоке воздухонагревателей доменной печи объемом 700 м3. Это позволило предотвратить образование микротрещин в переходной зоне насадки от динаса к высокоглиноземистым огнеупорам. На ряде доменных печей объемом 3200 м3 внедрена конструкция доменных воздухонагревателей с внутренней камерой горения, оснащенной спиралевидными турбулизаторами газообразного топлива и окислителя, что позволило снизить эффект термической деформации и ошлаковывания каналов насадки. Доменному отделу ОАО "Липецкий ГИПРОМЕЗ" передана методика выполнения футеровки радиальной стены воздухонагревателя, которая позволит снизить термомеханические напряжения в элементах рабочего слоя и снизить интенсивность электрохимической коррозии кожуха.
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы доложены и обсуждены на 3-й научно-практической конференции молодых ученых, аспирантов и студентов "Наша общая окружающая среда" (г. Липецк, 2002г.); на международной научно-технической конференции "Современная металлургия начала нового тысячелетия" (г. Липецк, 2003г.); на научно-технических семинарах ОАО "Липецкий ГИПРОМЕЗ " и ЛГТУ.
Публикации. По наиболее важным темам диссертационной работы имеется 7 публикаций в центральных и региональных изданиях.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографического списка из 187 наименований, 5 приложений. Работа содержит 152 страниц машинописного текста, 6 таблиц, 51 рисунок.
Классификация взаимодействий, понижающих стойкость доменных воздухонагревателей
В соответствии с законом прогрессивной эволюции техники [7], переход от поколения к поколению технических объектов с одинаковой функцией вызван устранением выявленного главного дефекта (дефектов). В варианте воздухонагревателя типовой конструкции - это асимметрия температурного поля по периметру камеры горения, вызывающая как эффект «короткого замыкания», так и выпучивание внутренних окатов на середине высоты шахты.
Представляется наиболее естественным расположение камеры горения по оси симметрии рабочей камеры аппарата (воздухонагреватель с центральной камерой горения, рис. 1.1). Эта конструкция избрана [3] в качестве технического объекта второго поколения. К ее достоинствам можно отнести компактность (не требуется дополнительных рабочих площадей), возможность использования при реконструкции как кожух, так и техническое оборудование воздухонагревателя типовой конструкции. Симметрия температурного поля по периметру камеры горения исключает ее наклон и, отчасти, выпучивание внутреннего оката, но при этом не устраняет просачивание недожженного топлива через футе
Наиболее сложной проблемой в данной конструкции является реализация подвода к оси симметрии аппарата трактов газа и воздуха горения, а также отвода горячего дутья из рабочего пространства. Подвод газовых коммуникаций через фундамент аппарата существенно ослабляет последний и повышает общую стоимость воздухонагревателя. Кроме того, возникает возможность механического ослабления газовых коммуникаций и «короткого замыкания» непосредственно между газопроводом и поднасадочным пространством воздухонагревателя. Следует также отметить, что асимметричный отвод горячего дутья из подкупольного пространства вызовет определенную неравномерность распределения газообразных теплоносителей по сечению насадки, что приведет к неравномерности температур по периметру камеры горения и также может вызвать «короткое замыкание». Наконец, необходимость относительно высокой камеры горения повышает опасность появления пульсаций. Визуальный контроль зажигания горе-лочного устройства в этой конструкции также усложнен. Сумма отмеченных обстоятельств привела к тому, что, несмотря на реализацию воздухонагревателей с центральной камерой горения, данная конструкция не получила широкого распространения. Тем не менее, продолжается дальнейшая комплексная проработка и этой конструкции [9].
В воздухонагревателях с выносной камерой горения конструкция горе-лочного устройства и геометрия шахты принципиально не меняются. Такие аппараты эксперты отнесли к следующему, третьему поколению (рис. 1.2). Здесь симметризация поля температур рабочего пространства аппарата и камеры горения достигается полным разделением в пространстве данных подсистем воздухонагревателя. Опасность «короткого замыкания» принципиально устраняется из-за герметизации защитной броней обоих вышеназванных подсистем. При этом устраняется также диффузионное просачивание газов через футеровки под действием разности давлений. Полная независимость камеры горения позволяет выполнить ее как относительно высокой (рис. 1.2, а; конструкция Дидье-Верке), так и короткой (рис. 1.2, б, в; конструкция Крупп-Копперс и
Варианты воздухонагревателя с выносной камерой горения соответственно конструкции Дидье (а), Копперса (б) и Мартива-Пагенштехера (в): 1 - штуцер горелки; 2 - штуцер горячего дутья; 3 - камера горения; 4 - насадка; 5 - поднасадочное устройство; 6 - дымовой патрубок Мартин-Пагенштехер). Последние решения позволяют снижать пульсации горения, вызванные акустической связью шахты и подводящих газовых коммуникаций. Все это, несмотря на необходимость дополнительных площадей для таких аппаратов, и обусловило широкое распространение воздухонагревателей с выносными камерами горения (к 1977 г. только компания Крупп-Коперс ввела в действие в разных странах 114 своих теплообменников [10]). Однако ввиду высокой стоимости воздухонагревателей такой конструкции (на 30 % дороже, нежели типовая), они рассчитывались на температуру купола до 1600 С и относительно большие расхода отопительного газа. Это вызвало повышение температуры дутья, но привело к частому возникновению пульсационного режима уже от внутренних причин, связанных с динамикой горения.
Высокая калориметрическая температура обусловила эффект «горения с обострением», при этом в шахте камеры горения возникают упорядоченные диссипативные структуры - «вязкие пальцы горения» [11], которые приводят к интенсивной вибрации воздухонагревателя изнутри. Данный принципиально новый эффект создает угрозу преждевременного выхода из строя аппаратов и, вследствие этого, вынуждает снижать их тепловую мощность. Кроме того, при температурах дыма выше 1400 С возникает еще один серьезный негативный эффект - межкристаллитная коррозия металла кожуха. Она представляет собой значительную опасность для высокотемпературных воздухонагревателей, чреватую аварийной ситуацией, поскольку разрушение кожуха («продув») возникает без его перегрева и видимой предварительной деформации. Появляется межкристаллитная коррозия [12] с образованием микротрещин глубиной 3-Ю мм, которые чаще располагаются у сварных швов и в местах концентрации напряжений (перегибы кожуха, сочленения), а также в зоне высоких температур (купол, камера горения, верх насадки, тракт горячего дутья). Причиной образования микротрещин является разрушение металла по границам зерен под воздействием агрессивных газов, главным образом окислов азота NOx, а также сернистых газов и хлора. Эти газы, соединяясь с появляющимися при горении парами воды, а также с присутствующей в стенах кладки (низкотемпературные зоны вблизи брони) остаточной влагой, образуют кислоты, которые, конденсируясь на кожухе, приводят к постоянному разрушению связей между зернами металла и образованию трещин. При этом концентрация окислов азота непосредственно у кожуха при неизбежных для больших расходов пульсациях горения увеличивается.
К следующему, четвертому поколению регенеративных теплообменников эксперты отнесли различные модификации бесшахтных воздухонагревателей, где уже проявляются тенденции исключения удлиненной камеры горения и использования для сжигания газа непосредственно объема подкупольного пространства. Также предлагается сжигать газ в небольшой топке, установленной на куполе (рис. 1.3). Бесшахтные воздухонагреватели, как и аппараты с выносной камерой горения, позволяют [14, 15]: увеличить объем насадки воздухонагревателя (по отношению к типовой конструкции с внутренней камерой горения) на 25-30% в тех же габаритах цилиндрической части кожуха и, в связи с этим, несколько увеличить температуру дутья, а также, по сравнению с воздухонагревателями предыдущего поколения (с выносной камерой горения), несколько снизить потери тепла в окружающую среду в связи с относительным уменьшением общей поверхности кожухов, а также достигнуть экономии рабочих площадей и материальных затрат, приходящихся на огнеупорное оснащение высокой камеры горения. Кроме того, на нижних горизонтах у таких теплообменников производственные площади соответствуют типовой конструкции воздухонагревателя, а для аппарата с короткофакельной горелкой полностью исключается эффект «короткого замыкания» (купольная горелка имеет герметический кожух).
Повышение стойкости футеровок воздухонагревателей с динасовым куполом в период сушки и разогрева
В первой главе были рассмотрены различные виды кессонов, применяющихся в настоящее время в доменных воздухонагревателях. Керамические кессоны в виде защитных окатов разделительной стены камеры горения подвергаются значительному динамическому удару газовых струй (большему, нежели сама разделительная стена) и, вследствие переменного температурного режима и интенсивной вибрации, быстро теряют газоплотность. Металлические же кессоны в высокотемпературной зоне их установки активно корродируют и выходят из строя практически с той же скоростью, с которой теряют газоплотность керамические окаты разделительной стены воздухонагревателя. Невысока эффективность и описанных выше газовых кессонов, поскольку организуемая в них газовая завеса легко разрушается потоком топлива и воздуха из устья горелочного устройства.
В ЛГТУ разработана конструкция воздухонагревателя, оснащенного системой "газо-керамического кессона" [121]. В соответствии с предложенным техническим решением между защитным окатом и разделительной стеной воздухонагревателя реализуют зазор шириной 5=0,002...0,0025 от внутреннего диаметра воздухонагревателя, а в кладке днища выполняется трубопровод, соединенный со штуцером холодного дутья, для подачи в зазор снизу (рис.2.3) воздуха холодного дутья. При этом подводящий трубопровод снабжают регулирующим клапаном для выравнивания давлений в камере горения и на выходе из зазора в период нагрева (благодаря чему исключают доступ газообразного топлива к разделительной стене), а в период охлаждения осуществляют выравнивание давлений на выходе из зазора и в камере насадки (благодаря чему исключают переток дутья из камеры насадки в камеру горения). Одновременно в силу постоянного течения дутья в зазор, существенно снижается перепад температур на внутренней и внешней поверхности разделительной стены и, тем самым, уменьшается количество сквозных трещин в этой зоне. Причем, при реализации зазора защитный окат располагают от основания камеры горения до уровня верхней кромки штуцера горячего дутья для изоляции разделительной стены от лучистого теплового взаимодействия с водоохлаждаемым шибером горячего дутья, поскольку локальный отток тепла от футеровок способствует развитию
Доменный воздухонагреватель, оснащенный системой "газового кес сона сквозных трещин в этой зоне. Оптимальная ширина щелевой полости ограничена по минимуму возможностью возрастания скорости воздуха до скорости звука, что может вызвать пульсационный режим горения топлива, по максимуму - необходимым для полного сжигания топлива расходом вторичного воздуха в условиях минимального сокращения поперечного сечения камеры горения. При реализации щелевой полости защитный окат предполагается располагать по высоте от основания камеры горения до уровня верхней кромки штуцера горячего дутья, поскольку, в соответствии с расчетно-экспериментальными данными [109] выше данного уровня переток газовых сред снижается практически до нуля, вследствие резкого снижения перепада давления на внутренней и внешней поверхностях разделительной стены.
Доменные воздухонагреватели, оборудованные "газо-керамическим кессоном", функционируют с 1998 г. на ОАО "НЛМК"
Проведенные опытно-промышленные испытания воздухонагревателей, оснащенных системой газо-керамического кессона, показали, что после реконструкции, полностью снимающей эффект "короткого замыкания" за счет противодавления холодного дутья на нижних горизонтах шахты, снижение выбросов СО с дымовыми газами составило лишь 30-40% (а не 100%, как предполагалось). Таким образом, существенным является также эффект недожога газообразного топлива при его дальнейшем течении в полости шахты.
Действительно, описанный выше эффект "банана" обусловливает усиление трещиноватости в окатах футеровки разделительной стены по высоте шахты, а не ее постоянство, как предполагалось в работе [109]. Значительные неплотности имеют место не только в нижней части разделительной стены, но и по всей высоте шахты.
Отмеченный при обследованиях воздухонагревателей (см. выше) наклон камеры горения в сторону насадки возникает вследствие ее бокового положения и неравномерного нагрева по высоте противоположных сторон, прилегаю 53 щих к кожуху и прилегающих к насадке (рис. 2.4). Сторона камеры горения, прилегающая к кожуху, имеет хорошую изоляцию по всей высоте в виде футеровки радиальной стены и ее средняя по высоте температура выше той стороны, которая прилегает к насадке и имеет более слабую изоляцию со стороны насадки в виде наружного слоя разделительной стены.
Экспериментальные исследования [124] показывают, что распределение температур по толщине футеровок стен камеры горения и собственно воздухонагревателя типовой конструкции крайне неравномерно. Так, разность температур по периметру камеры горения достигает 400 С. Разность температур по периметру радиальной стены воздухонагревателя вследствие наличия кладки углов достигает 680 С и более [125].
Известно, что при температуре верха камеры горения 1400 С термоудлинение ее по диаметру может достигать 40-50 мм для алюмосиликатных огнеупоров и до 100 мм - для динасовых. Поскольку кладка углов вплотную примыкает к стенам, возможности для компенсации такого роста нет, и в ней будут возникать чрезмерные термические напряжения. Они, как правило, и приводят к изменению формы камеры горения (эффект "банана"), появлению трещин (эффект "короткого замыкания") и потере устойчивости.
Однако, не менее существенным фактором, влияющим на характер и величину температурных деформаций в камере горения, являются температурные деформации самой насадки. Исследованию температурных полей в насадке посвящены работы [126,127]. В них дано общее решение задачи с учетом одновременного влияния теплообмена насадки с ограждающими ее стенами, поперечного теплопе-реноса, неравномерности распределения теплоносителей по сечению насадки.
Сравнение аэродинамических характеристик процесса горения топлива в натуральных и изотермических условиях
Узел футеровки стен и купола воздухонагревателя в сочетании с его кожухом представляет собой третью базовую подсистему теплообменника наряду с камерами горения и насадки (см. главу 1). Надежность и эффективность воздухонагревателя в значительной мере определяется условиями тепловой работы и конструктивными особенностями его футеровок и целостностью его кожухов. Действительно, в случае недостаточной герметичности огнеупорных слоев кладки газообразные теплоносители начинают проникать в зону тепловой изоляции, что приводит к перегреву кожуха и усилению процессов коррозии - как окислительной, так и интеркристаллитной. Трещины в кожухе возникают также от высокого давления на него кладки при недостаточной величине компенсационных слоев, а также при дефектах самого кожуха (переломы в швах, выпучивания и вогнутости, подрезы, раковины и пр.).
Значительный интерес представляет величина остаточной стойкости базовых подсистем воздухонагревателя после завершения кампании эксплуатации аппарата. Порою имеют место неоправданно "мягкие" тепловые нагрузки огнеупоров теплообменника. С одной стороны это снижает количество и время профилактических ремонтов того или иного разряда. С другой стороны тепловая " недогруженность" аппарата, во-первых, понижает его функциональную эффективность, а во-вторых, вынуждает при демонтаже выводить из эксплуатации дорогостоящие керамические материалы с неоправданно малой усталостной деформацией. Таким образом, представляется актуальным на основе существующего опыта эксплуатации воздухонагревателей оценить возможности их более полного теплового нагружения при сохранении достигнутого ранее допустимого уровня стойкости.
В воздухонагревателях с динасовым куполом максимальная температура нагрева насадки на большинстве металлургических заводах Российской Феде 99 рации поддерживается на уровне 1300-1350 С. Однако, как показано в работах (1-3), прочностные свойства элементов кладки позволяют эксплуатировать аппараты и при более высокой температуре. Так, рабочие характеристики динаса составляют по температурному нагружению 1400-1500 С. Термонапряжения, возникающие при этом в кладке, как едином целом, в значительной мере ослабляются из-за наличия в швах футеровки мертеля. В то же время существующий относительно низкий уровень температур нагрева купола приводит не только к снижению тепла, аккумулированного насадкой, но и к более частому процессу рекристаллизации динаса в переходной зоне "динас-МКВ" (при выведении аппаратов на рабочих режим после остановок). Это приводит к охрупчиванию динаса в данной зоне, что эквивалентно снижению теплоаккумулирующей высоты насадки на 0,75-1,5 м.
Проведенные после 22 лет эксплуатации экспертные обследования воз-духонагревателей доменной печи объемом 3200 м показали, чти при существующих "мягких" режимах нагрева насадки с температурой купола 1300-1320 С, аппараты могли бы эксплуатироваться еще 10-12 лет. Об этом говорит хорошее состояние высокотемпературных зон огнеупорных футеровок и насадки. В связи с этим была поставлена задача расчетного определения температурного режима эксплуатации воздухонагревателей, который позволит при сохранении конечной упругопластической деформации купола, характерной для существующих режимов, достичь длительности кампании теплообменников - 25 лет. Указанный период установлен для отрасли в соответствии с частотой появления новых технических решений по перспективным конструкциям воздухонагревателей.
Для осуществления указанной расчетной оценки рассмотрим в задачу нагрева купола воздухонагревателя.
Повышение температуры купола приводит к увеличению радиального сг и окружного Ор термонапряжений и увеличению деформации ползучести (крипа) огнеупоров є.
Считая, что о" »аг, будем принимать во внимание только изменение окружного напряжения, обозначив а=ар.
Наиболее напряжена внутренняя поверхность футеровки купола, где о максимально, а, следовательно, максимальна и деформация ползучести. На рис. 4.1 показано распределение окружного напряжения по толщине внутреннего оката купола. Как видно из рисунка при некотором значении радиуса г = b формируется поверхность нулевого уровня напряжения, где а - 0. Причем значениям ао г Ь соответствует зона сжимающего напряжения, а при Ь г а\ действует растягивающее напряжение. Изменение температуры внутренней поверхности кладки купола (при г = а0) приводит к соответственному изменению не только окружного напряжения т, но и смещению нулевого уровня, то есть к изменению длины зоны обжатия кирпичей: Lc = b- а0.
Пусть при температуре купола, равной Т, возникает окружное напряжение о. При этом деформация мертеля швов составит величину AS0, а деформация ползучести кирпичей за время нагрева воздухонагревателя (т) достигнет величины е.
Анализ влияния конструкции кладки на температурные условия службы кожуха и радиальной стены воздухонагревателя
Ранее был предложен способ выполнения кладки радиальной стены доменного воздухонагревателя без связующего в вертикальных швах рабочего слоя. Размещенные между огнеупорами вместо связующего компенсационные прокладки в процессе сушки и разогрева теплообменного аппарата выгорают и это позволяет повысить стойкость, как футеровки радиальной стены, так и примыкающего к ней кожуха. Действительно, при наличии связующего, в первом (внутреннем) окате рабочего слоя образуется монолитный массив, препятствующий равномерной сушке внутренних окатов - компенсационного и теплоизоляционного - еще в период разогрева аппарата из-за отсутствия возможности удаления из этих зон паров воды. Кроме того, вследствие существенной неравномерности распределения температур по толщине рабочего слоя, связующее в большей степени сминается на внутренней стороне радиальной стены. При этом на протяжении каждого цикла, в периоды охлаждений, весовые и термические напряжения концентрируются на уменьшенных площадях поверхности контакта огнеупорных элементов, что повышает механическую нагрузку.
При отсутствии связующего в вертикальных швах рабочего слоя, реализуется более равномерный прогрев футеровок по радиусу аппарата, в связи с возможностью проникновения газов по швам в глубь рабочей зоны кладки. Это позволить сохранить полную площадь контакта огнеупорных элементов по вертикальным швам (область максимальных термических напряжений в воздухонагревателе). Кроме того, при выходе аппарата после сушки и разогрева на высокотемпературные рабочие режимы существенно меньше влаги остается во внутренних окатах радиальной стены, что снизит опасность интеркристаллит-ной коррозии кожуха.
Однако, как показали промышленные исследования воздухонагревателей, на стойкость кожуха весьма существенное влияние оказывает конструкция теплоизоляционных слоев кладки. Возможность проникновения под кожух газообразных теплоносителей лишь усилится при снижении газоплотности рабочего слоя футеровки. В этом случае, несмотря на снижение влагосодержания под кожухом, повышение температуры и просачивание дутья в эти зоны интенсифицирует процесс его окислительной коррозии. Таким образом, предложенное ранее решение следует дополнить описанным выше перераспределением элементов кладки в теплоизоляционном слое стены. В этом случае будет обеспечена целостность огнеупорной футеровки рабочего слоя по механическим напряжениям, а также оба вида коррозионных процессов.
1. Разработана математическая модель для расчетной оценки величины функционально обусловленного уровня нагрева насадки и расчетом найдены соответствующие значения температуры купола.
2. Проанализированы особенности теплопереноса в футеровке радиальной стены воздухонагревателя и механизмы окисления материала кожуха для типового выполнения кладки и без связующего в вертикальных швах рабочего слоя.
3. Проведены опытно-промышленные исследования состояния радиальной стены воздухонагревателей на основе сравнительных измерений температуры кожухов поверхностной термопарой в сходных точ 127 ках для двух периодов: на момент ввода аппаратов в работу и после 17 лет эксплуатации. Выявлено повышение температуры кожухов для уровней 41600-42080 мм на 22-35С, что связано с осыпанием плит МКРВ.
4. На основе анализа полученных экспериментальных данных предложено в зоне сочленения радиальной стены и купола выполнять укладку волокнистых матов с локальным сдвигом в шахматном порядке, комбинируя их с легковесными огнеупорами, что исключит доступ дымовых газов в зону расположения МКРВ-350.
5. Предложено новое техническое решение по выполнению футеровки радиальной стены воздухонагревателя без связующего в вертикальных швах рабочего слоя и укладкой волокнистых матов и легковесных огнеупоров в шахматном порядке на высоте 41600-42080мм, позволяющее повысить газоплотность теплоизоляционной зоны и, тем самым, стойкость огнеупорной кладки и кожуха доменного воздухонагревателя.
1. Изучены механизмы повреждений футеровки внутренней боковой каме ры горения воздухонагревателя. Они определяются следующими факто рами: -существенной неравномерностью температурных полей по периметру сечения камеры горения различных форм; -возникновением и развитием эффекта "короткого замыкания"; -температурной деформацией камеры горения в результате "старения" материала огнеупоров; -температурной деформацией насадочного массива в рабочей камере вследствие неравномерности термоудлинений различных зон насадки в её горизонтальных сечениях.
2. На основе существующей модели термоудлинений насадки воздухонагревателя расчетным путем показано, что последние создают в насадочном массиве изгибающие деформации, способствующие возникновению эффекта "банана" по высоте шахты камеры горения.
3. Предложено инженерное решение для преодоления наклона камеры горения, в соответствии с которым, насадка разбивается на три локальные зоны с отдельной перевязкой блоков в каждой из зон и, вследствие этого, независимым термоудлинением, а также взаимным отделением локальных зон и всего насадочного массива от сопряженных футеровок волокнистыми матами. Последнее способствует "мягкому" проскальзыванию отделенных зон насадки при всех видах термоизменений.
4. Предложен новый метод сушки и разогрева воздухонагревателя с динасо-вым куполом с использованием вспомогательной пусковой горелки, позволяющей контролировать расходы природного газа и воздуха горения.
5. Разработана расчетная модель непрерывного определения расходов топлива и воздуха горения, подаваемого через вспомогательную горелку для сушки и разогрева воздухонагревателя, а также технологических условий изменения скорости разогрева как верхней, так и нижней, низкотемпературной зоны динаса.
