Металлургическая и горнорудная промышленность 2010 №2

Подождите немного. Документ загружается.

I l%2 ++30#(7%1* ? ( #.0-.03$- ? /0.,;8+%--.12</2010



191

МАШИНОВЕДЕНИЕ

Рис. 4. Зависимость забиваемости сеющей поверхности З

от удельной нагрузки при оптимальном соотношении ча-

стот вращения вибровозбудителей в режиме «биений» и в

режиме самосинхронизации: 1 - в режиме самосинхрониза-

ции; 2 - в режиме «биений»

стабилизировать эти показатели во времени. Потре-

бляемая мощность электродвигателя осталась без из-

менений, существенных поломок короба, его сеющих

поверхностей в период испытаний не наблюдалось.

Вывод

Полученные результаты свидетельствуют о том,

что режим «биений» позволяет без дополнитель-

Таблица. Основные технико-технологические показатели работы грохотов

Наименование параметров

Ед.

измере-

ния

Величины параметров грохотов ГА-41Ш / ГС 3,5



режим «биений» режим самосинхронизации

Производительность по исходному питанию т/ч 330/450 380/500

Эффективность грохочения по классу 0-5 мм % 65/63 45/47

Забиваемость просеивающей поверхности % 18/23 42/40

Рабочая средняя амплитуда колебаний короба

мм



6,5/5



7,5 3



4/3,5



Время разгона/торможения с 3/3



4/12



Время наработки ч 2160/180 2160/180

Потребляемая мощность в номинальном режиме кВт 13/24 13/24

ных энергозатрат снизить содержание мелочи класса

0-5 мм, подаваемой на колошник доменной печи, в

среднем на 2,6 абс. %, и, тем самым, увеличить про-

изводительность доменной печи в среднем на 2,6 %

и сократить расход кокса на 1 т выплавленного чугу-

на до 6 кг [5].

Библиографический список

1. Большаков В.И., Буцукин В.В. Оценка возмож-

ности возникновения биений в э

лектромеханиче-

ской системе привода конвертера // Защита метал-

лургических машин от поломок: Межвуз. темат.

сб. научн. тр. - Мариуполь: ПГТУ, 1999. - Вып. 4.

- С. 25-28.

2. Большаков В.И., Буцукин В.В. Оценка возможно-

сти развития биений в реальных системах приводов

тяжелых машин // Вісник ПДТУ: Зб. наук. пр. - Ма-

ріуполь: ПДТУ, 2001. - Вип. 11. - С. 134-137.

3. Серго Е.Е. Опробов

ание и контроль технологи-

ческих процессов обогащения: учеб. для студ. Ву-

зов. - К.: Вища школа, 1979. - 272 с.

4. Рыжов П. А. Математическая статистика в гор-

ном деле: учеб. для студ. вузов. - М.: Высшая шко-

ла, 1973. - 287 с.

5. Товаровский И.Г. Доменная плавка. - Днепро-

петровск: Пороги, 2003. - 596 с.

Поступила 29.11.2009

к.т. 0562-46-12-95

056-744-81-66

факс 0562-46-12-95

I l%2 ++30#(7%1* ? ( #.0-.03$- ? /0.,;8+%--.12</2010



192

ТЕПЛОТЕХНИКА

УДК 658.567.1: 662.613.125: 662.661.25

Губинский В.И. /д.т.н./, Ерёмин А.О. /к.т.н./

НМетАУ

Тряпичкин М.Г.

ОАО «АрселорМиттал Кривой Рог»

Опыт использования объёмно-регенеративного способа сжигания

топлива в нагревательных колодцах прокатного производства

Губинский В.И., Ерёмин А.О., Тряпичкин М.Г., 2010 г.

Приведен пример реализации объёмно-регенеративного способа сжигания топлива в

нагревательном колодце. Рассмотрены принципы реконструкции и организации нового способа

сжигания топлива. Подведены результаты пятилетней эксплуатации реконструированного

нагревательного колодца. Табл. 1. Библиогр.: 8 назв.

Ключевые слова: объёмно-регенеративный способ сжигания топлива, нагревательный

колодец, экономия топлива, угар, подогрев воздуха, эксплуатация

An example of implementation of volumetric-regenerative method of fuel combustion in a soaking-pit

furnace is presented. The principles of overhaul and creation of new fuel combustion method are considered.

Results of ﬁ ve-year-operation of overhauled soaking-pit furnace are shown.

Keywords: volumetric-regenerative method of fuel combustion, soaking-pit furnace, fuel economy,

burning loss, air heating, operation

Производство

Введение

В настоящее время стоимость энергоресурсов в

Украине, как и во всём мире, непрерывно растёт. В

металлургии, являющейся одним из основных потре-

бителей энергетических ресурсов страны, доля стои-

мости топлива в себестоимости готовой продукции в

отдельных случаях, достигает 50 %. Особенно ощу-

тимо подорожание топлива в технологических про-

цессах, связанных с нагревом металла в т

опливных

печах.

В то же время выход продукции металлургии на

мировые рынки сбыта осложняется резко усилив-

шейся конкуренцией, всё более жесткими требовани-

ями по качеству и цене металлопроката. Поэтому ак-

туальной проблемой является улучшение показате-

лей использования топлива и других ресурсов в на-

гревательных устройствах при условии обеспечения

высокого качества к

онечной продукции [1].

Нагревательные печи прокатного производства

работают на газообразном топливе. Даже в случае,

когда в таких печах используются собственные энер-

горесурсы предприятий (генераторный, коксовый

или доменный газы) пересчёт стоимости газа произ-

водят по калорийности, жестко привязывая его цену

к цене природного газа.

Применение современного объёмно-регенератив-

ного способа сжигания топлива в нагрев

ательных пе-

чах обеспечивает экономию топлива путём глубо-

кой утилизации теплоты дымовых газов, достиже-

ние высокого качества нагрева металла и низкий уро-

вень вредных веществ, выбрасываемых в атмосферу

с дымовыми газами (в первую очередь оксидов азо-

та). Принцип организации такого сжигания основы-

вается на регламентированном перемешивании то-

плива и воздуха в рабо

чем пространстве печи. Равно-

мерно распределенное по объёму рабочего простран-

ства печи горение топлива, отсутствие крупных вы-

сокотемпературных очагов горения, реверсивное дви-

жение дымовых газов создаёт условия стандартного

и равномерного нагрева садки [2-3].

Постановка задачи реконструкции рекупера-

тивных нагревательных колодцев

На сегодняшний день одними из наиболее рас-

пространённых нагревательных устройств прокат-

ног

о производства остаются рекуперативные нагре-

вательные колодцы с отоплением из центра подины

(РКНК), выполненные по типовому проекту «Сталь-

проекта». Они достаточно стабильно обеспечива-

ют высокопроизводительную работу прокатных ста-

нов, просты в устройстве, гибки в управлении, име-

ют большую ёмкость по металлу и отапливаются низ-

кокалорийным топливом (обычно это коксодоменная

или приро

днодоменная смесь) [4]. Наряду с преиму-

ществами, РКНК имеют и ряд существенных недо-

статков. Основными из них являются: низкотемпера-

турный подогрев воздуха, неравномерность нагрева

слитков по высоте и, как следствие, повышенный рас-

ход топлива на нагрев металла. Эти недостатки име-

ют ряд объективных причин.

Утилизация теплоты отходящих дымовых газов

рекуперативных нагревательных к

олодцев с отопле-

нием из центра подины осуществляется в керамиче-

ских рекуператорах для нагрева воздуха и в металли-

ческих рекуператорах для нагрева газообразного то-

плива. Практически во всех рекуперативных нагрева-

тельных колодцах такого типа в настоящее время ре-

куператоры для подогрева газа демонтированы. Это

связано с опасностью их прогара и взрыва т

опливо-

воздушной смеси и с низкой эффективностью работы

этих теплоутилизаторов.

Керамические трубчатые рекуператоры, приме-

няемые для подогрева воздуха, негерметичны. В про-

цессе эксплуатации неплотность рекуператоров уве-

личивается и ко второй половине кампании печи

утечки воздуха составляют 50 и более процентов.

I l%2 ++30#(7%1* ? ( #.0-.03$- ? /0.,;8+%--.12</2010



193

ТЕПЛОТЕХНИКА

Вследствие этого тепловая мощность колодцев за пе-

риод эксплуатации между ремонтами уменьшается в

2 и более раз, подогрев воздуха за время эксплуата-

ции колодцев между капитальными ремонтами сни-

жается до 450-500 °С при проектной величине этого

показателя 850 °С, затрудняется регулирование соот-

ношения топливо-воздух. Количество воздуха, нагне-

таемого вентилятором, в 2,0-2,5 раза превышает сте-

хио

метрическое значение, что также приводит к пе-

рерасходу энергии. При капитальном ремонте РКНК

(1 раз в 2-2,5 г.) приходится полностью заменять до-

рогостоящие рекуператоры новыми.

Моделирование и анализ работы существующих

РКНК показывает, что горелочное устройство и схема

движения печных газов в существующих колодцах не

обеспечивают равномерный нагрев слитков. В колод-

це образуются заст

ойные зоны, температура в ниж-

ней части рабочего пространства ниже, чем вверху,

на 40-50 °С. Неравномерность температур по высоте

рабочего пространства и слитков приходится устра-

нять, удлиняя выдержку металла в печи при высоких

температурах. Это ведёт к завышению расхода топли-

ва и увеличивает угар металла. Перекос температуры

по высоте камеры вынуждает повыша

ть температу-

ру под крышкой колодца до 1360-1390 °С для спуска

жидкого шлака, что негативно сказывается на стойко-

сти огнеупоров стен и крышки РКНК.

Подавляющее количество рекуперативных колод-

цев на металлургических предприятиях стран СНГ

работают более 50 лет и их конструкция практиче-

ски не изменилась за период эксплуатации. Таким об-

разом, конструкция рекуперативных нагрев

ательных

колодцев «Стальпроекта» с отоплением из центра по-

дины на сегодняшний день морально и физически

устарела, керамические рекуператоры не удовлетво-

ряют современным требованиям по нагреву воздуха

горения и должны быть заменены на более эффектив-

ные регенеративные теплообменники.

Регенеративные системы отопления, также при-

меняемые в нагревательных колодцах, не имеют пе-

речисленных не

достатков. Неудобством эксплуа-

тации кирпичных регенераторов можно считать их

большую громоздкость и наличие сложной системы

перекидки направления движения газовых потоков.

Традиционные кирпичные регенераторы, так же как

и рекуператоры, разрушаются в процессе эксплуата-

ции, их газопроницаемость существенно снижается,

что приводит к необходимости периодического ре-

монта или полной замены этих теплоутилизирующих

устройств. Этого не

достатка лишена регенеративная

система отопления с применением высокоглинозёми-

стых (корундовых) регенераторов с шариковой (сото-

вой) насадкой или насадкой, состоящей из металли-

ческих трубок [5]. Такие виды насадок регенераторов

имеют высокую удельную поверхность теплообмена,

которая значительно превышает этот показатель для

традиционных кирпичных регенераторов (удельная

поверхность теплообмена шариковой насадки выше,

чем в кирпичной в 10-15 раз).

Объёмно-регенеративный способ

сжигания топлива в нагревательном колодце

Для устранения существующих недостатков ре-

куперативных нагревательных колодцев цеха блю-

минг-1 комбината «Криворожсталь» была проведе-

на реконструкция системы отопления колодца 11-1 с

целью реализации объёмно-регенеративного способа

сжигания топлива.

В 2001-2002 гг. сотрудниками кафедры теплотех-

ники и экологии металлургических печей НМетАУ

были разработаны про

ектные и технические решения

на основе которых был выполнен рабочий проект ре-

конструкции нагревательного колодца. В проекте ре-

ализованы принципы конструирования, обеспечива-

ющие объёмно-регенеративный способ сжигания то-

плива [4].

В 2003-2004 гг. на комбинате «Криворожсталь»

была проведена реконструкция системы отопления

типового рекуперативного нагревательного колодца

с центральной горелкой путём замены трубчатых ке-

рамических рек

уператоров на малогабаритные реге-

нераторы с насадкой, состоящей из корундовых ока-

тышей. В промышленную эксплуатацию реконстру-

ированный колодец был принят в июне 2004 г. Коло-

дец по прежнему отапливается коксо-доменным га-

зом с теплотой сгорания 1950-2000 ккал/м

. Макси-

мальный расход топлива до реконструкции составлял

2100-2200 м

/ч. При такой теплоте сгорания удалось

использовать для нагрева воздуха в регенераторах

70 % объёма дымовых газов. Оставшихся 30 % печ-

ных газов достаточно для подогрева топлива в под-

лежащих восстановлению металлических рекупера-

торах, что является дополнительным резервом эконо-

мии топлива. Температура подогрева воздуха в шари-

ковых регенераторах по данным испытаний состави-

ла 950-1000 °С. Мак

симальный расход топлива в ре-

конструированном колодце не превышает 1500 м

/ч.

Температура дыма за регенераторами ниже 200 °С.

Особенность системы отопления регенератив-

ного нагревательного колодца заключается в ориги-

нальной идее, защищённой патентами Украины №№

42445А и 61495А [6, 7]. Вместо двух горелочных

устройств, характерных для системы РГ, использова-

на одна горелка, расположенная в центре пода и рабо-

тающая постоянно без отключения. Это даёт во

змож-

ность отказаться от газовых перекидных клапанов

и запальных горелок. В горловине горелки располо-

жены два канала, которые разделяются герметичной

стенкой. Каждый из каналов соединяется с отдель-

ным регенератором и служит поочерёдно для подачи

воздуха в горелку либо для отвода дыма. Предложен-

ное решение обладает теми же преимуществами, ко-

торые характерны для рег

енеративных горелок и по-

зволяет глубоко утилизировать теплоту уходящих ды-

мовых газов.

Конструкция сопла газовой горелки и горловины

регенеративного колодца создают условия для объём-

ного сжигания топлива, которое в сочетании с ревер-

сом и рециркуляцией печных газов обеспечивает бо-

лее равномерный нагрев слитков [2].

Некоторые технико-экономические показатели

I l%2 ++30#(7%1* ? ( #.0-.03$- ? /0.,;8+%--.12</2010



194

ТЕПЛОТЕХНИКА

работы нагревательного колодца 11-1 цеха блюминг-1

ОАО «АрселорМиттал Кривой Рог» до и после рекон-

струкции представлены в таблице.

В соответствии с патентом [7] в предложенной си-

стеме отопления предусмотрена очистка дымовых га-

зов от пыли и шлака, уносимых в регенераторы. Для

переключения регенераторов с дыма на воздух и об-

ратно служит один перекидной дымов

оздушный кла-

пан конструкции НМетАУ, оборудованный специаль-

ным устройством для самоочистки его рабочих по-

верхностей от пыли. Применение данного клапана

позволило отказаться от большего количества пере-

кидных устройств, имеющихся в классической систе-

ме отопления с применением РГ.

Равномерность температурного поля в нагрева-

тельном колодце 11-1 цеха блюминг-1 подтвержде-

на экспериментально, путём замера темпера

туры

ячейки на различных уровнях по высоте, измерени-

ем температуры головной и донной части нагревае-

мых слитков, с помощью математического и физиче-

ского моделирования. В работе [8] представлены ре-

зультаты математического моделирования гидроди-

намических процессов в реконструированном нагре-

вательном колодце и опытов на физической модели.

Адекватность численной модели проверена с помо-

щью физиче

ского моделирования на модели колодца

в масштабе 1:15 и по результатам исследования рабо-

ты натурного объекта. Моделирование показало, что

в реконструированном нагревательном колодце при

объёмно-регенеративном сжигании топлива отсут-

ствуют застойные зоны. Характер движения обеспе-

чивает в камере колодца объёмное сжигание. С помо-

щью моделирования определены положение и разме-

ры циркуляционных зо

н печных газов.

Результаты промышленного внедрения новой

Таблица. Технико-экономические показатели работы нагревательного колодца до и после

реконструкции

Показатель Ед. изм. Тип колодца

рекуперативный регенеративный

Вид топлива

Теплота сгорания

МДж/м

Коксодоменная смесь

8200

Максимальный расход:

- топлива

- воздуха

/ч

2150

10000

1500

5000

Максимальная тепловая

мощность

МВт 4,87 3,48

Масса садки т 120

Емкость ячейки в слитках шт.14

Объём насадки теплообменника м

31,75 0,75

Температура посада слитков °С 900-950

Температура нагрева металла °С 1320 (max)

Температура нагрева воздуха °Сдо 600 до 1100

Коэффициент использования теплоты

топлива

%50 75

Угар металла при нагреве кг окалины/т 11,2 10,8

Удельный расход топлива на нагрев садки:

- без учёта холостого хода печи

- с учётом холостого хода печи

кг. у.т./т

28,8

23,5

Оборачиваемость (среднее число всадов

в сутки)

3,25 3,38

технологии

По результатам пятилетней безаварийной работы

нагревательного колодца с шариковыми регенерато-

рами можно сделать следующие выводы.

1. Благодаря объёмному сжиганию топлива, ре-

версу и рециркуляции газов отсутствует перепад тем-

ператур по высоте камеры колодца, характерный для

рекуперативных колодцев с отоплением из центра по-

дины. Это также подтверждено учётной группой ТТЛ

комбината на о

сновании измерения токовых нагрузок

на клетях прокатного стана.

2. В связи с выравниванием температуры по вы-

соте камеры спуск жидкого шлака происходит в про-

цессе томления слитков при более низких, по сравне-

нию с рекуперативными нагревательными колодца-

ми, температурах в ячейке (1340-1350 °С). Остановок

колодца на спуск шлака не производится. Выравнива-

ние темпера

туры по высоте колодца также привело к

снижению длительности томления слитков и общей

длительности нагрева.

3. Уменьшились время пребывания слитков

в условиях высоких температур и, соответствен-

но, угар металла. Снижение количества окалины на

0,4 кг окалины/т подтверждено исследованиями те-

плотехнической лаборатории комбината.

4. В процессе эксплуатации аэродинамическое со-

противление насадки (80-90 мм во

д. ст.), воздухо- и

дымопроводов практически не изменяется. За 5 лет

эксплуатации разрушений элементов шариковой на-

садки не наблюдалось.

5. Температура подогрева воздуха в шариковых

регенераторах нагревательного колодца превышает

1000°С в результате чего коэффициент использова-

ния теплоты топлива увеличился с 0,5 до 0,75.

6. Максимальный расход топлива при нагреве

I l%2 ++30#(7%1* ? ( #.0-.03$- ? /0.,;8+%--.12</2010



195

ТЕПЛОТЕХНИКА

снизился с 2100 до 1500 м

/ч. Экономия топлива в ре-

конструированном нагревательном колодце в сред-

нем составила 30 %. Срок окупаемости реконструк-

ции нагревательного колодца 1 год. Восстановление

газовых рекуператоров позволит получить дополни-

тельную экономию топлива.

Положительный опыт эксплуатации нагреватель-

ного колодца цеха Блюминг-1 ОАО «АрселорМиттал

Кривой Рог» (бывший комбинат «Криворожсталь»)

стал основанием для реконструкции ещё одного на-

гревательного к

олодца этого предприятия, которая

была осуществлена силами комбината. Второй реге-

неративный нагревательный колодец, в котором был

реализован объёмно-регенеративный принцип сжига-

ния топлива, был пущен в промышленную эксплуата-

цию в 2007 году. Готовится к реконструкции ещё одна

группа РКНК цеха. Все решения по реализации прин-

ципа объёмно-регенеративного способа сжигания то-

плив

а получены на кафедре ТЕМП с помощью мате-

матического и физического моделирования.

Выводы

Освоена промышленная эксплуатация крупно-

тоннажной камерной печи для нагрева слитков с при-

менением объёмно-регенеративного способа сжига-

ния топлива, обеспечивающего высокую равномер-

ность нагрева металла, снижение вредных выбросов

в атмосферу и существенную экономию топлива.

Библиографический список

1. Губинский В.И. А

ктуальные задачи рекон-

струкции нагревательных печей / Металлургиче-

ская теплотехника: Сб. научн. тр. НМетАУ. В 2-х

кн. – Кн. первая. – Днепропетровск: Пороги, 2005.

– С. 149-156.

2. Патент України на корисну модель № 26272.

Об’ємно-регенеративний спосіб спалювання па-

лива при нагріванні металу / Єрьомін О.О., Гу-

бинський В.Й, Сибір А.В. Опубл. 10.09.2007,

Бюл. № 14.

3. Ерёмин А.О. Динамические характеристики

топлива и воздуха в горелочных устройствах при

объёмно-регенеративном способе сжигания то-

плива в промышленных печах / Металлургиче-

ская теплотехника. Сб. научн. тр. НМетАУ. Вып.

1(16). – Днепропетровск: Новая идеология, 2009.

– С. 102-109.

4. Аксельруд Л.Г., Сухов И.И., Тымчак В.М. На-

гревательные колодцы. – М.-Л.: М

еталлургиздат,

1962. – 235 с.

5. Губинский В.И., Ерёмин, А.О., Воробьёва Л.А.

Алгоритм расчёта трубчатого теплообменника ре-

генеративной горелки / Металлургическая тепло-

техника. Сб. научн. тр. НМетАУ. Вып. 1(16). – Дне-

пропетровск: Новая идеология, 2009. – С. 87-93.

6. Деклараційний патент № 42445 А. Регенератив-

ний нагрівальний колодязь. Губинський В.Й., Соку-

ренко А.В., Омесь М.М. та інш. Опу

бл. 15.10.2001,

Бюл. № 9. Доповн. 15.01.2002, Бюл. № 1.

7. Деклараційний патент № 61495 А. Нагріваль-

ний колодязь з кульковими регенераторами. Со-

куренко А.В., Шеремет В.О., Кекух А.В., Бабенко

М.А., Коротченков В.М., Волков В.П., Воробйов

В.О., Тряпічкін М.Г., Губинський В.Й., Єрьомін

О.О., Г

убинський М.В., Губинська С.Л. Опубл.

17.11.2003, Бюл. № 11.

8. Сибирь А.В., Решетняк С.И., Губинский В.И.

Моделирование гидродинамических процессов в

регенеративном колодце с центральной горелкой

/ Металлургическая теплотехника: Сб. научн. тр.

НМетАУ. – Днепропетровск: «ПП Грек О.С.». –

2006. – С. 313-323.

Поступила 29.11.2009

Â ÐÅÄÀÊÖÈÈ ÌÎÆÍÎ ÇÀÊÀÇÀÒÜ ÝËÅÊÒÐÎÍÍÓÞ

ÂÅÐÑÈÞ ÆÓÐÍÀËÀ

ñòîèìîñòü ýëåêòðîííîãî âàðèàíòà - 180 ãðí.,

ñòîèìîñòü ïå÷àòíîãî âàðèàíòà - 330 ãðí.

êîíòàêòíûé òåëåôîí, ôàêñ 0562-46-12-95

200

350

I l%2 ++30#(7%1* ? ( #.0-.03$- ? /0.,;8+%--.12</2010



196

ТЕПЛОТЕХНИКА

УДК 669. 162.2

Грес Л.П., Каракаш Е.А., Флейшман Ю.М.

НМетАУ

Кривченко Ю.С., Литвяк В.Г., Жариков А.Н.,

Гусаров А.С., Выбиванец О.А.

ГП «Укргипромез»

Разработка новых высокотемпературных доменных

воздухонагревателей с купольным отоплением

В работе приведены результаты разработок новых воздухонагревателей (ВН) с купольным

отоплением, отличающихся встречной подачей компонентов горения на первой стадии сжигания

и закручиванием их на второй. Смешивание газа с воздухом происходит только в форкамере

горелки. Горелки разработанных ВН могут быть выполнены из стандартных огнеупорных

изделий. Возможность регулирования расходов газа и воздуха на перв

ой и второй стадиях горения

позволяет достичь качественного сжигания газа до входа продуктов горения в насадку. Ил. 2.

Библиогр.: 6 назв.

Ключевые слова: воздухонагреватель, купольное отопление, форкамера, встречная подача

струй, вихревая подача струй, качество сжигания

This paper describes the results of development of new stoves with combustion dome differing by counter-

feeding of combustion components at the ﬁ rst stage of burning and by twisting them at the second stage. Mixing

of gas and air occurs only in the prechamber. The burners of developed stoves can be made from standard

refractory products. Control of gas and air consumption at the ﬁ rst and second stages of combustion allow

quality gas combustion before enter of combustion products in the refractory checker.

Keywords: stove, dome combustion, prechamber, counterjet feed, vortex jet feed, quality of combustion

Производство

Грес Л.П., Каракаш Е.А., Флейшман Ю.М., Кривченко Ю.С., Литвяк В.Г., Жариков А.Н., Гусаров А.С., Выбиванец О. А., 2010 г.

Введение

В настоящее время с целью повышения эффек-

тивности работы доменных воздухонагревателей

(ВН) происходит переход от воздухонагревателей с

внутренней камерой горения на аппараты с куполь-

ным отоплением. При этом в Украине и за рубежом

работают ВН с различными системами купольного

отопления. В Украине были внедрены на ДП-2 ОАО

«Запорожсталь» (2004 г.) и ДП-5 ОАО «Енакиев

ский

МЗ» (2006 г.) воздухонагреватели Я.П. Калугина с ку-

польным отоплением (ВНК). Это первый опыт ис-

пользования подобных аппаратов в Украине.

Предмет исследования

Предметом исследования являются технологи-

ческие особенности работы доменных ВН с куполь-

ным отоплением. Поскольку за несколько лет эксплу-

атации в Украине воздухонагревателей с купольным

отоплением (ВНК) по

явилась возможность провести

анализ результатов работы аппаратов подобного типа,

то нами были выделены основные достоинства и не-

достатки ВНК [1].

Преимущества ВНК:

- блок вводится в эксплуатацию в составе трех ап-

паратов, что экономично;

- расположение струйно-вихревой горелки в ку-

поле соосно с насадочной камерой обеспечивает вы-

сокое качество сжигания газа (до 20 мг СО/м

дыма

на выходе из ВНК при норме TA Lüft ФРГ, например,

до 100 мг СО/м

дыма), что подтверждено авторами в

результате проведенных исследований на ВНК ДП-2

ОАО «Запорожсталь»;

- наличие диффузорообразного купола обеспе-

чивает благодаря закручиванию продуктов горения

в форкамере равномерное их распределение по сече-

нию насадки.

Недостатки ВНК:

- наличие разделительной негазоплотной гори-

зонтальной керамической перегородки между верх-

ним (газовым) и нижним (воздушным) коллекторами

позволяет компонентам г

орения фильтроваться через

перегородку, организуя нерегламентированные встре-

чи струй. Аналогичное явление ввиду отсутствия ме-

таллической оболочки вокруг внутренней стены фор-

камеры имеет место и для последней;

- использование в куполе и горелке большого чис-

ла дорогих фасонных огнеупорных изделий;

- при остановке ВНК на замену клапана горяче-

го дутья (ГД) для ликвидации в

следствие геометри-

ческого напора газов выбивания их после снятия кла-

пана через штуцер ГД в атмосферу, газы из ВНК от-

сасывают посредством вентилятора, что усложняет

процесс замены клапана;

- для замены клапана ГД и другой запорной арма-

туры, располагаемой на уровне купола ВНК, потре-

бовалось установить на высоте купола кран, переме-

щающийся по допо

лнительно сооруженным метал-

локонструкциям (фермам и колоннам) здания;

- для продувки форкамеры горелки и участка под-

водящего газопровода с целью удаления оставшихся

горючих газов при переводе ВНК с нагрева на дутье

и наоборот требуется бесперебойная подача больших

количеств азота;

- потери дутья, заполняющего тракты подвода

газа и воздуха.

Я.П. К

алугиным была усовершенствована кон-

струкция ВНК. В ней струи газа и воздуха выходят в

вертикальной плоскости под углом 15-30° по отноше-

нию друг к другу, а проекции осей всех каналов на го-

I l%2 ++30#(7%1* ? ( #.0-.03$- ? /0.,;8+%--.12</2010



197

ТЕПЛОТЕХНИКА

ризонтальную плоскость образуют угол 15-45° к про-

екциям на горизонтальную плоскость радиусов фор-

камеры, проходя щих через центры выходных сече-

ний каналов с целью улучшения качества смеше ния

газа и воздуха.

Основные особенности конструкции воздухо-

нагревателей с купольным отоплением «украин-

ского проекта»

ГП «Укргипромез» и НМетАУ разработаны раз-

личные способы и устройства ВН для к

упольного

отопления. На рис. 1 представлена реализация нового

способа нагрева доменного дутья в бесшахтном воз-

духонагревателе [2], у которого го релка выкладыва-

ется из стандартных огнеупоров. Газ и воздух горе-

ния в верхней половине горелки подаются из газо-

вого и воздушного коллекторов, вынесенных за пре-

делы горелки в форкамеру встречными радиальны-

ми ст

руями, что улучшает их перемешивание. Газ и

воздух, поступающие из нижних коллекторов в фор-

камеру в виде закрученных струй, вызывают всасы-

вание газов из верхнего яруса горелки, затем их со-

вместный подъем к куполу форкамеры, интенсивное

горение смеси [3]. Благодаря заходу горячего дутья в

период «дутья» в форкамеру, температура ее стенок

поддерживается на уровне, превышающем темпера-

ту

ру воспламенения доменного газа, и зажигание газа

в форкамере обеспечивается [3]. Струи газа и возду-

ха в нижней части форкамеры закручиваются под

углом 12-85° к радиусам, проведенным в горизон-

тальной плоскости из вертикальной оси форкамеры

в центры выход ных отверстий каналов подачи газа и

воздуха. В форкамере по высоте образ

уется две зоны

горения: верхняя и нижняя. В верхнюю зону подают

30-70 % газа и воздуха от их общего количества. Ав-

торами для ликвидации недостатков ВНК предложе-

но при модернизации ВН и наличии свободных пло-

щадей с охранить стены, купол, кожух и поднасадоч-

ное устройство и подвести дымовые газы [4] от кера-

мической ст

руйно-вихревой горелки, располагаемой

в нижней части вынесенной камеры горения верти-

кально.

При этом камера горения сопрягается с куполом

ВН посредством горизонтального патрубка с компен-

сатором. Шибер ГД располагается на штуцере ГД, ко-

торый находится несколько выше горелки. При мо-

дернизации ВН поднасадочное устройство допол-

няется новыми плитами и ко лоннами, перекрыв

аю-

щими на одном уровне со старыми бывшую до де-

монтажа внутреннюю (встроенную) камеру горения

и это пространство заполняется новой насадкой. Это

позволяет получить дополнительную поверхность

нагрева и обойтись тремя аппаратами вместо четы-

рех. Для варианта четырех модернизируемых ВН

при остановке одного из них на капремонт появляет-

ся возможность сохранить или повысить темпера

ту-

ру ГД, по сравнению с вариантом до модернизации. В

описанных ВН для ремонта горелки требуется оста-

новка ВН. При этом в блоке ВН, например, из трех

аппаратов остается два, что снижает температуру ГД на

150-200 °С, приводит к перерасходу кокса в до менной

печи на 5-6 %. В предлагаемой конструкции ВН [5]

прямой трубопро вод ГД и клапан ГД располагаются

не на уровне купола ВН (последнее затрудняет заме-

ну клапана ГД на такой высоте, требует взятия ВН на

«тягу» через вентилято ры, работающие не в режиме

нагнетания, а в режиме «тяги» для безопасной заме-

ны клапана ГД). Кроме того, устраняются дополни-

тельные капзатраты на соор

ужение металлоконструк-

ций для кран-балки, обслуживающей шибер ГД.

ВН отличается от аппарата, приведенного на

рис.1 наличием горизонтального патрубка, соединя-

ющего подкупольное пространство ВН с футерован-

ной вертикальной камерой, имеющей полусфериче-

ский купол, керамическую струйно-вихревую горел-

ку и штуцер ГД над последней. При выходе из строя

купольной горелки о

существляется переход на ниж-

нюю дополнительную горелку без остановки ВН на

капремонт.

Разработан также вариант конструкции ВНК,

встречным расположением истекающих струй газа

и воздуха горения, так что в форкамере образуются

отдельно верхняя и нижняя зоны горения, причем в

верхней части форкамеры струи направлены по ра-

диусам, а в нижней части - тангенциально по

д углом

10-90° к радиусам форкамеры. ВН оснащен соплами

для ввода газа и воздуха, расположенными рядами в

форкамере, причем углы ввода газа и воздуха горе-

ния в эти сопла - различны в каждом ряду. На верх-

нем ряду насадки установлена водоохлаждаемая из-

мерительная труба, подключенная к процессору и по-

зволяющая производить анализ дымо вых газ

ов и из-

мерение их расхода по поперечному сечению насад-

ки. В начале пе риода «нагрева» на каждую из зон го-

рения в форкамере подают по 50 % общих количеств

газа и воздуха горения, определяют содержание СО

в газах, входящих в насадку, устанавливают коэффи-

циент расхода воздуха горения n = 1,05-1,10, не изме-

няя рас

хода газа и коэффициента расхода n, затем уве-

личивают расход газа с ша гом 2,5-5 % от общего его

расхода, а также расход воздуха горения до тех пор,

пока на входе в насадку содержание СО составит 20-

100 мг/м

и ведут процесс нагрева при достигнутом

минимальном содержании СО. При этом, естествен-

но, отсутствие СО на выходных дымовых патрубках

не означает, что СО также отсутствует на входе в на-

Рис. 1. Реализация способа купольного отопления ВН с ис-

пользованием струйно-факельной горелки разработки Ук-

ргипромеза и НМетАУ: а - вертикальный разрез верхней части

воздухонагревателя; б, в – соответственно горизонтальные раз-

резы 1-1 и 2-2

I l%2 ++30#(7%1* ? ( #.0-.03$- ? /0.,;8+%--.12</2010



198

ТЕПЛОТЕХНИКА

садку. Кроме того, контроль СО на входе в насадку

увеличивает ее стойкость, т.к. только минимальное

количество восстановительных газов на входе обе-

спечивает насадке максимальную стойкость по газо-

вому фактору. Минимизация СО на входе в насадку

сочетается в данной конструкции и способе работы

ВН с минимизацией неравномерности расхода дыма

по сечению нас

адки благодаря преду смотренному

управлению количествами газа и воздуха горения по-

средством дроссельных регулирующих органов на

воздухе и на газе, измерительных диафрагм на воз-

духе (с расходомерами) и на подводе газа к форкаме-

ре и подключенных процессору. Это позволяет орга-

низовать рациональную подачу газа и воздуха в верх-

нюю и нижнюю з

оны форкамеры. Указанные уровни

СО на входе в насадку связаны с тем, что 20 мг/м

ре-

ально достигнутый уровень СО на ВНК, а 100 мг/м

верхний предел СО для ВН по нормам ТА Lüft (Гер-

мания).

Таким образом, нет необходимости при такой кон-

струкции ВН и его узлов опробовать ВН на модели, т.к.

ВН сам оснащен необходимыми элементами для его

натурных исследований, наладки и настройки. Суще-

ственным недостатком эксплуатации ВН является от-

сутствие автоматического контроля качества г

орения

топлива, что не позволяет использовать возможности

даже лучших струйно-вихревых горелок: при коле-

баниях теплоты сгорания доменного газа в пределах

750-950 ккал/м

(3140-3980 кДж/м

), т.е. на 20 % от-

сутствует на подавляющем большинстве ВН автома-

тическая коррекция горения. Имеется, однако, напри-

мер, на ВН ДП-2 ОАО «Азовсталь» опыт автоматиче-

ской коррекции горения по О

и СО в отходящих про-

дуктах горения. При отно сительно плотной раздели-

тельной стене ВН с внутренней камерой горения на-

личие автоматической коррекции горения при пере-

менной теплоте сгорания доменного газа приводит к

уменьшению содержания СО в отходящем дыме ВН

на порядок.

Выводы

Предлагаемые конструкции украинских воздухо-

нагревателей с купольным отоплением отличаются от

эк

сплуатируемых воздухонагревателей конструкции

Калугина Я.П. целым рядом новшеств:

- использованием в регенеративной насадке и

форкамере стандартных огнеупоров, а также сохра-

нением основных конструктивных элементов ВН ста-

рого типа, что позволит значительно снизить капи-

тальные затраты в ходе реконструкции;

- встречной подачей газа и воздуха на первой ста-

дии сжигания и закр

уткой струй на второй стадии,

что позволяет улучшить качество сжигания при ото-

плении воздухонагревателей;

- соединением купольной и дополнительной горе-

лок в одном из вариантов ВН, что позволяет повы-

сить их стойкость, организовать качественное сжига-

ние на объекте без проведения дорогостоящих стен-

довых испытаний на модели.

Библиографический список

1. Калугин Я.П. Па

тент Российской федерации №

2145637 С 1 Кл. С21В 9/02. Бюл. № 5, 20.02.2000.

2. Крівченко Ю.С., Бичков С.В., Литвяк В.Г., Жа-

ріков А.М., Гусаров О.С., Вибиванець О.О., Грес

Л.П., Флейшман Ю.М. Спосіб нагріву доменного

дуття у безшахтному повітронагрівачі. Патент на

корисну модель № 35641. Бюл. № 18, 25.09.2008.

3. К

алугин Я.П. Разработка теоретических основ

и конструкций с внедрением в промышленность

новых высокотемпературных регенеративных те-

плообменных аппаратов. Дис. в виде научного до-

клада на соискание научной степени д.т.н., Екате-

ринбург, УГТО-УПИ, 103 с.

4. Грес Л.П. Высокоэффективный нагрев домен-

ного дутья. – Днепропетровск: Пороги, 2008. –

492 с.

5. Ю.С. Крив

ченко, С.В. Бычков, В.Г. Литвяк,

А.Н. Жариков, А.С. Гусаров,О.А. Выбиванец,

Л.П. Грес, Ю.М. Флейшман. Патент Украины №

37362,кл. С21В 9/00. Воздухонагреватель домен-

ной печи. Бюл. № 22, 2008, 25.11.2008.

6. Кривченко Ю.С., Бычков С.В., Литвяк В.Г., Жа-

риков А.Н., Гусаров А.С., Выбив

анец О.А., Грес

Л.П., Флейшман Ю.М. Патент Украины № 38702,

МК1С21В 9/02. Способ нагрева доменного ду-

тья в бесшахтном воздухонагревателе доменной

печи. Бюл. № 1, 12.01.2009 г.

Поступила 29.11.2009

Рис. 2. Реконструкция ВН с внутренней камерой горе-

ния на аппарат для отопления его керамической струйно-

факельной горелкой, располагаемой вертикально в ниж-

ней части вынесенной камеры горения

I l%2 ++30#(7%1* ? ( #.0-.03$- ? /0.,;8+%--.12</2010



199

ТЕПЛОТЕХНИКА

УДК 669.184.132.142

Харлашин П.С. /д.т.н./, Чемерис О.Н., Яценко А.Н., Романов О.И., Гаврилова В.Г. /к.т.н./

Приазовский государственній технический университет

Исследование процессов теплопередачи в конвертере при

факельном торкретировании футеровки

В статье рассматривается технология факельного торкретирования конвертеров

огнеупорно-углеродистыми смесями, состоящими из оксидов магния и кальция, и топлива,

содержащего углерод. Исследованы вопросы теплообмена в конвертере при торкретировании

футеровки, также распределение температуры по толщине футеровки и торкрет-покрытия.

Ил. 3. Библиогр.: 5 назв

Ключевые слова: теплопередача, теплообмен, факельное торктерирование, футеровка,

конвертер, торкрет-покрытие

The paper covers technology of gunning converters with refractory-carbon mixtures consisting of magnesium

and calcium oxides, carbon-bearing fuel. The issues of heat exchange in the converter when gunning lining as

well as temperature distribution through-thickness of the lining and gunned layer were investigated.

Keywords: heat-transfer

, heat exchange, gunning, lining, converter, gunned layer

Наука

Харлашин П.С., Чемерис О.Н., Яценко А.Н., Романов О.И., Гаврилова В.Г., 2010 г.

Исследование теплообмена в конвертере при фа-

кельном торкретировании футеровки огнеупорными

массами из оксидов магния и кальция, и углеродсодер-

жащим топливом отличается большой сложностью

[1-3]. При экспериментальном измерении температу-

ры торкрет-покрытия [2] фактически измерялась тем-

пература поверхности спустя минуту или более по-

сле торкретирования (пока осядет пыль внутри кон-

вертера). Аналитическое решение задачи распре

деле-

ния температуры в футеровке и торкрет-покрытии [3]

основывалось на допущении, что нагрев поверхно-

сти торкрет-покрытия происходит по закону Ньюто-

на. Полученное описание процесса справедливо для

газообразного факела, когда горение топлива и нагрев

частиц огнеупорного порошка завершаются в факеле

за время полета к футеровке.

Длительность полета частиц углеродсодержаще-

го т

оплива от среза сопла фурмы до футеровки со-

ставляет значительно меньше одной секунды [4],

а время их воспламенения в случае малого содер-

жания летучих веществ

вне зависимости от разме-

ров этих частиц больше секунды. Поэтому воспла-

менение и горение топлива, а также нагрев и спека-

ние огнеупорных частиц торкрет-массы происходит

на поверхности торкретирования, которая представ-

ляет собой тонкую пластичную пленку, омываемую

струями кислорода, разбавленного высокотемпера-

турными газами из рециркуляционных зон атмосфе-

ры конвертера, в основном дв

уокисью углерода, ко-

торая при высокой температуре сама является окис-

лителем. Эта пленка экранирована от потерь тепла

к остальной поверхности не торкретируемой в дан-

ный момент футеровки плотным газопылевым пото-

ком торкрет-массы. Тепло, затраченное на нагрев са-

мого потока, тут же возвращается с ним к торкретиру-

емой поверхности и акк

умулируется в реакционной

зоне (упомянутой пленке). Учитывая вышесказанное,

1 С целью взрывобезопасности процесса для приготовления

торкрет-масс с содержанием летучих веществ менее 7 %

можно предположить, что температура реакционной

зоны остается приблизительно постоянной на протя-

жении всей операции торкретирования. Практиче-

ским подтверждением постоянству температуры на

поверхности торкретирования может служить наблю-

даемый на практике факт постоянства плотности об-

разцов торкрет-покрытия по его толщине.

Для решения задачи теплообмена при торкрети-

ровании сама реакционная зона в первом приб

лиже-

нии может быть представлена в виде подвижной гра-

ницы на поверхности торкретирования с постоянной

температурой Т, °С (примем Т = 1800 °С - темпера-

тура активного спекания промышленных магнезита,

доломита или извести с добавками спекающих ком-

понентов). Это является первым допущением, приня-

тым при постановке задачи теплообмена при торкре-

тировании. Остальные допущения:

- темпера

тура по толщине футеровки непосред-

ственно перед торкретированием распределяется по

прямолинейной зависимости

(х, 0) = 250+1350 х, °С, 0 ≤ х ≤ х

, (1)

где х - текущая координата, м;

- теплоотдача от корпуса конвертера в окружаю-

щую среду постоянная;

- торкрет-покрытие наносится равномерно на

весь ремонтируемый участок футеровки конвертера;

- теплофизические и физико-химические параме-

тры футеровки и торкрет-покрытия - одинаковые и

постоянные;

- расход торкрет-массы и ее состав остаются не-

изменными на протяжении всей операции т

оркрети-

рования.

Скорость роста толщины торкрет-покрытия мож-

но выразить как отношение объема нанесенного

торкрет-покрытия к ее площади

v = В·(1 -n)/F·ρ, м/с, (2)

где В - производительность торкрет-установки,

кг/с; n - доля топлива в торкрет-массе; ρ – объёмный

вес покрытия, кг/м

; F - площадь торкретируемой по-

I l%2 ++30#(7%1* ? ( #.0-.03$- ? /0.,;8+%--.12</2010



200

ТЕПЛОТЕХНИКА

верхности футеровки, м

С учетом приведенных выше допущений и ана-

литических выражений (1) и (2), распределение тем-

пературы по толщине футеровки и торкрет-покрытия

(рис. 1) может быть представлено системой уравне-

ний Фика

(,) (,)

, >0, 0

(,) (,)

, >0, ,

фт

tx tx

axx

tx tx

axxx

































(3)

где а

и а

– температуропроводности футеровки

и покрытия, м

/с; t

и t

– температуры в футеровке и

торкрет покрытии, °С; х

и х

– толщины футеровки и

торкрет покрытия, м.

Начальные условия

(x,0) = f(x), (см. уравнение (1)); x

(х, 0) = 0.

Граничные условия

, τ) = T = const;

v = φ (B, F, n) – скорость подвижной границы (см.

уравнение ( 2 );

, τ) = t

, τ);

(,) (,)

фф

tx tx











где λ

и λ

- теплопроводности футеровки и по-

крытия, Дж/м·с·°С.

Тепловой кпд процесса торкретирования

() ,

Ktxdx

BnQ









 



(4)

где С

- теплоемкость торкрет-покрытия,

кДж/кг°С;

- теплотворная способность топлива,

кДж/кг.

Поля температуры и кпд были рассчитаны на

ЭВМ, для чего был применен метод конечных раз-

ностей. Из рис. 2 следует, что при наличии реакци-

онной зоны на поверхности торкретирования с отно-

сительно постоянной температурой, достаточной для

быстрого формирования плотного каркаса покрытия,

оно более длительное время находится при темпера-

уре спекания, чем в случае нагрева частиц порошка

при их полете в факеле [3]. За счет этого и тепловой

кпд процесса на 3-5 % выше (рис. 3). Однако в фа-

кельном торкретировании тепловой кпд не является

основополагающим параметром процесса. Главное

- это высокая плотность покрытия, обеспечивающая

его хорошую шлакоустойчивость, и прочность при-

варивания покрытия к ф

утеровке, благодаря которой

покрытие не скалывается с футеровки при глубоких

и резких изменениях температуры в полости агрега-

та. А это, как видно из представленных рисунков, в

большей мере обеспечивается технологией торкре-

тирования топливно-огнеупорными смесями. Прак-

тическими наблюдениями отмечено, что более ка-

чественное покрытие получается при сжигании то-

плива с н

едожогом, в восстановительной атмосфере,

а это в наибольшей мере реализуется в пластичной

огнеупорно-углеродистой пленке, то есть непосред-

ственно в зоне формирования торкрет-покрытия. Эко-

номия тепла (топлива) или увеличение температуры

торкретирования могут быть достигнуты за счет

увеличения производительности установки торкре-

тирования (рис. 3). Увеличение производительности

1200

1300

1400

1500

1600

1700

1800

1100

0,20

0,30 0,40

t, °C

х, м

хф х

=2 мин х

=5 мин

=10 мин

Рис. 2. Распределение температуры после торкретирова-

ния в течение двух, пяти и десяти минут при следующих

постоянных параметрах: В = 20 кг/с; F = 30 м

; n = 0,35; х

0,25 м; γ = 2500 кг/м

; с = 2,5 Дж / кг·°С; λ

= λ

= 5 Дж /м·с ·°С;

= 25000 Дж / кг. Цифры у кривых - количество мин

500

1000

1500

2000

t, °C

х, м

1350 °С

, τ) = Т = 1800 °С

(x, τ)

(x, 0)

Рис. 1. Схема распределения температуры по толщине фу-

теровки и торкрет-покрытия

х, м

0,30

10 15 20 30

В, кг/с

F, м

30 60 120

0,25

Рис. 3. Изменение теплового кпд в зависимости от произво-

дительности торкрет-установки (В) и от площади торкрети-

руемой футеровки (F)