КОМПЛЕКТЫ ПАНЕЛИ ГОРЕЛКИ И/ИЛИ ИНЖЕКТОРА С ВОДЯНЫМ ОХЛАЖДЕНИЕМ, УСТРОЙСТВО ПАНЕЛИ ГОРЕЛКИ И/ИЛИ ИНЖЕКТОРА С ВОДЯНЫМ ОХЛАЖДЕНИЕМ И СПОСОБЫ ИХ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ
SETS OF BURNER PANEL AND/OR WATER-COOLED INJECTOR, DEVICE OF BURNER PANEL AND/OR WATER-COOLED INJECTOR AND WAYS OF ITS APPLICATION

Перекрестные ссылки на родственные заявки
Эта заявка притязает на приоритет перед предварительной заявкой на патент США № 61/801487, зарегистрированной 15 марта 2013 г., и заявкой на патент США № 13/852747, зарегистрированной 28 марта 2013 г., содержание которых включено в этот документ посредством ссылки.
Предпосылки создания изобретения
Настоящее изобретение относится к панелям для горелок и/или инжекторов с водяным охлаждением, используемых в плавильной печи, в частности, для использования в электродуговой печи (ЭДП).
В целом, ЭДП используется для изготовления стали посредством применения электрической дуги для расплавления одной или более загрузок металлолома и/или другого железосодержащего сырья и сплавов, которые помещаются внутрь печи. Один из типов ЭДП имеет полусферическую нижнюю чашу, выполненную из металла. Дно и стороны нижней чаши покрыты огнеупорным материалом, образующим топку. Из чаши вертикально простираются панели боковой стенки с водяным охлаждением. Между боковыми стенками над ванной расплавленного металла (содержащегося в топке) простирается крыша. Над областью зумпфа также может быть предусмотрен балконный потолок (также называемый «банановой панелью») с панелями с водяным охлаждением. ЭДП также может включать в себя одну или более горелок, один или более инжекторов (таких как кислородные копья или инжекторы для впрыскивания твердых частиц, таких как углерод), или устройство объединенных горелки и инжектора.
Горелки и/или инжекторы используются в ЭДП для подачи тепла и химической энергии к расплаву и обычно устанавливаются через отверстия в стеновых панелях с водяным охлаждением или панелях балкона зумпфа. Горелки и/или инжекторы подвержены воздействию жестких условий в ЭДП, включая интенсивное тепловое излучение от дуговых разрядов электродов, конвективную передачу тепла от горячих газов печи, зашлаковывание, вызванное разбрызгивающимся шлаком, и обратную вспышку впрыснутого кислорода. Для продления срока службы таких горелок и/или инжекторов они часто устанавливаются в панелях, в частности в панелях с водяным охлаждением, которые по меньшей мере частично защищают их от таких жестких условий. Когда горелка и/или инжектор установлена в панели, объединенное устройство (панель и горелка и/или инжектор) называется устройством панели горелки и/или инжектора.
Панель является в большей или меньшей степени защитным экраном, который окружает стороны горелки и/или инжектора, но который включает в себя отверстие, в которое вставляется горелка и/или инжектор (или инжекторы). Отверстие проходит через переднюю сторону панели для того, чтобы позволить впрыскивать топливо и окислитель (в случае горелки) или чтобы позволить впрыскивать окислитель и/или твердые частицы (такие как углерод) (в случае инжектора). Панель вместо этого может иметь множество отверстий для расположения как горелки, так и инжектора или горелки и множества инжекторов. Панели обычно образованы из одной или двух частей и выполнены из теплопроводящего металла, такого как литое железо или медь. Водяное охлаждение горелки и/или инжектора достигается посредством потока воды, который следует через контур (то есть охлаждающий канал), простирающийся в, через или из металла, составляющего панель. Тепло, поглощенное металлом, составляющим панель, передается охлаждающей воде, так что панель не перегревается. Это важно, так как горелка и/или инжектор соприкасается с металлом, составляющим панель, у отверстия. Если панель перегревается, горелка и/или инжектор перегреется. Панель также может сломаться, приводя к утечкам воды, вызывающим риск взрыва.
В настоящее время существует множество разных конфигураций панели горелки и/или инжектора с водяным охлаждением, которые доступны на рынке. Эти панели горелки и/или инжектора с водяным охлаждением имеют неизменную длину и конфигурацию охлаждающего канала, что приводит к неизменному уровню охлаждения. Несмотря на то, что панели горелки и/или инжектора с водяным охлаждением могут обеспечить удовлетворительный уровень охлаждения для многих областей внутри ЭДП, ЭДП также включают в себя относительно более холодные точки и относительно более горячие точки.
Панели горелки и/или инжектора, имеющие полезный срок службы в номинально горячих точках, часто не могут выдерживать без преждевременного отказа гораздо более горячие условия в очень горячих точках. Таким образом, эти панели требуют замены более часто, требуя остановки ЭДП. Следовательно, уменьшается долговременная скорость выпуска стали. Даже если панели горелки и/или инжектора с водяным охлаждением, которые разработаны для номинально горячих условий, вначале обеспечивают удовлетворительное сопротивление обсужденным выше жестким условиям, изменение картины температуры внутри ЭДП может создать очень горячие условия вблизи от этой панели. В результате этого панель все еще может преждевременно отказать.
В качестве альтернативы ЭДП может включать в себя только те панели горелки и/или инжектора с водяным охлаждением, которые разработаны специально для удовлетворительного сопротивления более жестким условиям очень горячих точек. Тем не менее, поскольку водопроводы в ЭДП часто ограничены, более высокие требования для этих панелей могут превосходить доступное количество воды.
ЭДП могла бы быть предусмотрена с двумя разными типами панелей горелки и/или инжектора (один для номинальных условий и один для очень горячих условий). Этот последний подход увеличивает стоимость, сложность и время изготовления, так как нужно создать две разные конструкции вместе с двумя разными типами литейных форм и двумя разными производственными процессами. Это также делает обслуживание более трудным.
Различные конфигурации панели горелки описаны в патенте США № 4703336; в патенте США № 5444733; в патенте США № 6212218; в патенте США № 6372010; в патенте США № 5166950; в патенте США № 5471495; в патенте США № 6289035; в патенте США № 6614831; в патенте США № 5373530; в патенте США № 5802097; в патенте США № 6999495 и в патенте США № 6342086. Такие патенты предшествующего уровня техники доказали свою пользу. Например, патент США № 6999495 нашел широкое применение в увеличении пространственного покрытия энергии в печи. Также патент США № 6614831 нашел применение в увеличении простирания различных инструментов, таких как горелка или кислородное копье, вовнутрь печи.
Целью изобретения является разработка универсальной панели горелки и/или инжектора с водяным охлаждением, которая преодолевает упомянутые выше недостатки, предлагаемые в предшествующем уровне техники. Более конкретно целью изобретения является разработка панели горелки и/или инжектора с водяным охлаждением, которая может быть просто и экономично приспособлена к номинально горячим точкам или к очень горячим точкам внутри ЭДП.
Краткое изложение сущности изобретения
Описан комплект панели горелки и/или инжектора с водяным охлаждением для использования в плавильной печи для охлаждения горелки и/или инжектора, содержащий: панель, имеющую первый и второй контуры охлаждающей воды и по меньшей мере одно отверстие для установки горелки и/или инжектора, причем каждый из контуров простирается через внутреннюю часть панели между входом и выходом; и удаляемый гибкий шланг или жесткую трубу, приспособленный и выполненный с возможностью быть обратимо присоединяемым к выходу первого контура и ко входу второго контура для того, чтобы обеспечить поток воды, по порядку, во вход первого контура, через первый контур, удаляемый шланг или трубу, и второй контур, и наружу из выхода второго контура без утечек.
Описан комплект панели горелки и/или инжектора с водяным охлаждением для использования в плавильной печи для охлаждения горелки и/или инжектора, содержащий: панель, имеющую первый и второй контуры охлаждающей воды и по меньшей мере одно отверстие для установки горелки и/или инжектора, причем каждый из контуров простирается через внутреннюю часть панели между входом и выходом; и по меньшей мере три удаляемых гибких шланга или жесткие трубы, приспособленные и выполненные с возможностью быть обратимо присоединяемыми к выходу первого контура и ко входу второго контура для того, чтобы обеспечить поток воды, по порядку, во вход одного из контуров, через этот контур, упомянутый удаляемый шланг или трубу, и другой из контуров, и наружу из выхода этого контура без утечек.
Также описан комплект устройства панели горелки и/или инжектора с водяным охлаждением для использования в плавильной печи, содержащий: панель, имеющую первый и второй контуры охлаждающей воды и по меньшей мере одно отверстие для установки горелки и/или инжектора, причем каждый из контуров простирается через внутреннюю часть панели между входом и выходом; горелку и/или инжектор, вставленную по меньшей мере в одно отверстие; и удаляемый гибкий шланг или жесткую трубу, приспособленный и выполненный с возможностью быть обратимо присоединяемым к выходу первого контура и ко входу второго контура для того, чтобы обеспечить поток воды, по порядку, во вход первого контура, через первый контур, удаляемый шланг или трубу, и второй контур, и наружу из выхода второго контура без утечек.
Также описано устройство панели горелки и/или инжектора с водяным охлаждением для использования в плавильной печи, содержащее: панель, имеющую первый и второй контуры охлаждающей воды и по меньшей мере одно отверстие для установки горелки и/или инжектора, причем каждый из контуров простирается через внутреннюю часть панели между входом и выходом; горелку и/или инжектор, вставленную по меньшей мере в одно отверстие; и удаляемый гибкий шланг или жесткую трубу, приспособленный и выполненный с возможностью быть обратимо присоединяемым к выходу первого контура и ко входу второго контура для того, чтобы обеспечить поток воды, по порядку, во вход первого контура, через первый контур, удаляемый шланг или трубу, и второй контур, и наружу из выхода второго контура без утечек, причем удаляемый гибкий шланг или жесткая труба приспособлен и выполнен с возможностью быть обратимо присоединенным к выходу первого контура и к входу второго контура.
Также описан способ охлаждения описанного выше комплекта устройства панели горелки и/или инжектора, который установлен на боковой стенке ЭДП или на балконной панели ЭДП, содержащий этап присоединения первого и второго контуров параллельно к источнику охлаждающей воды без соединения двух контуров гибким шлангом или жесткой трубой.
Также описан способ охлаждения описанного выше комплекта устройства панели горелки и/или инжектора, который установлен на боковой стенке ЭДП или на балконной панели ЭДП, содержащий этап присоединения первого и второго контуров последовательно к источнику охлаждающей воды посредством присоединения входа или выхода одного из двух контуров к входу или выходу другого из двух контуров с помощью гибкого шланга или жесткой трубы.
Под «присоединением первого и второго контуров параллельно к источнику охлаждающей воды» имеется в виду, что охлаждающая вода не используется для того, чтобы сначала охлаждать устройство панели горелки и/или инжектора через один из первого и второго контуров и затем, впоследствии, для охлаждения устройства панели горелки и/или инжектора через другой из первого и второго контуров. Также имеется в виду, что первый и второй контуры могут получать охлаждающую воду из одного и того же источника охлаждающей воды или из разных источников охлаждающей воды.
Любой из описанных выше комплектов панели горелки и/или инжектора, комплекта устройства панели горелки и/или инжектора или способов может включать в себя одну или более из следующих особенностей:
- панель включает в себя одно или более отверстий, вмещающих одну или более горелок и/или инжекторов;
- вход или выход одного из охлаждающих контуров присоединен к входу или выходу другого из охлаждающих контуров с помощью гибкого шланга или жесткой трубы так, чтобы охлаждающие контуры охлаждались последовательно;
- гибкий шланг или жесткая труба отсоединен, и первый и второй контуры присоединены параллельно к источнику охлаждающей воды без соединения двух контуров с помощью гибкого шланга или жесткой трубы.
- контуров охлаждающей воды более чем два.
Краткое описание чертежей
Для дополнительного понимания природы и целей настоящего изобретения следует обратиться к последующему подробному описанию при его прочтении совместно с прилагаемыми чертежами, на которых одинаковые элементы обозначены одинаковыми или аналогичными номерами и на которых:
фиг.1 представляет собой схематичный вид в поперечном разрезе конкретного варианта осуществления панели горелки и/или инжектора с водяным охлаждением согласно изобретению, причем разрез взят по вертикальной плоскости, которая перпендикулярна задней стороне панели и которая расположена сбоку от середины панели;
фиг.2 представляет собой схематичный вид в поперечном разрезе панели с фиг.1, причем разрез взят по вертикальной плоскости, которая перпендикулярна задней стороне панели и которая расположена в середине панели;
фиг.3 представляет собой схематичный вид в поперечном разрезе панели с фиг.1, взятом по B-B;
фиг.4 представляет собой вид сверху панели с фиг.1 без входов и выходов охлаждающих контуров;
фиг.5 представляет собой вид снизу панели с фиг.1;
фиг.6 представляет собой схематичный вид в поперечном разрезе панели с фиг.1, взятом по A-A;
фиг.7 представляет собой схематичный вид в поперечном разрезе панели с фиг.1, взятом по C-C;
фиг.8 представляет собой вид в изометрии панели с фиг.1 с гибким шлангом или жесткой трубой, соединяющим два контура охлаждающей воды.
Подробное описание вариантов осуществления настоящего изобретения
Панель горелки и/или инжектора с водяным охлаждением согласно изобретению выполнена из теплопроводящего металла, который имеет по меньшей мере два независимых охлаждающих контура, простирающихся через него. Каждый охлаждающий контур имеет вход и выход, выступающие из задней стороны панели для присоединения к водопроводу или водопроводам. Специалисту в данной области техники будет понятно, что вход и выход данного охлаждающего контура являются взаимозаменяемыми в том смысле, что нужно только обратить направление потока охлаждающей воды, чтобы заменить вход на выход и наоборот. Максимальное охлаждение может быть достигнуто, когда каждый охлаждающий контур присоединен к источнику охлаждающей воды параллельно. Под параллельным присоединением к источнику охлаждающей воды имеется в виду, что охлаждающая вода не нагревается сначала до более высокой температуры в одном из контуров перед тем как она течет в другом контуре и что каждый контур либо присоединен к отдельному источнику охлаждающей воды, либо они отдельно присоединены к одному источнику охлаждающей воды. В случае если максимальное охлаждение не нужно и более важным является экономия воды, вход или выход первого охлаждающего контура присоединяются к входу или выходу второго охлаждающего контура через гибкий шланг или жесткую трубу. Таким образом, шланг или труба находятся за задней стороной панели. Тогда несоединенные вход или выход первого охлаждающего контура и несоединенные вход или выход второго охлаждающего контура становятся входом/выходом (или выходом/входом) для единственного источника охлаждающей воды, текущей через панель. Таким образом, два контура охлаждаются последовательно.
Как лучше всего видно на фиг.1-8, панель горелки и/или инжектора с водяным охлаждением включает в себя основное тело 1, имеющее заднюю сторону 3, переднюю сторону 5, верхнюю сторону 7, правую сторону 9, левую сторону 11 и нижнюю сторону 13. Через основное тело 1 простирается первый охлаждающий контур 15, имеющий вход 17 и выход 19, каждый из которых выступает из задней стороны 3. Основное тело 1 также включает в себя второй охлаждающий контур 21, имеющий вход 23 и выход 25, также выступающие из задней стороны 3. Основное тело 1 имеет полость 27, которая простирается от задней стороны 3 к точке прямо за вторым охлаждающим контуром 21. Полость 27 обеспечивает пространство, через которое горелка и инжектор могут быть вставлены в панель. В гидравлическом сообщении с полостью 27 находится отверстие 29 под горелку для осуществления вставления горелки в панель. Из отверстия 29 под горелку выходит камера 31 сгорания. Будучи вставленной, горелка заканчивается у границы раздела отверстия 29 под горелку и камеры 31 сгорания. Струи окислителя и топлива, впрыскиваемые горелкой, смешиваются в камере 31 сгорания перед тем как они полностью расширяются и образуют пламя снаружи передней стороны 5. Также в гидравлическом сообщении с полостью находится отверстие 33 под инжектор для осуществления вставления инжектора в панель. Гибкий шланг или жесткая труба 35 соединяют выход 19 первого контура с выходом 25 второго контура.
Специалисту в данной области техники будет понятно, что термины «вход» и «выход» не ограничивают направление потока охлаждающей воды. Наоборот, в зависимости от того, какое направление потока является желательным, выход 25 второго контура может в действительности служить входом, получающим охлаждающую воду, причем в этом случае вход 23 второго контура будет в действительности служить выходом, из которого охлаждающая вода будет покидать устройство панели горелки и/или инжектора. Более того, специалисту в данной области техники будет понятно, что гибкий шланг или жесткая труба 35 могут быть использованы для соединения любого из входа или выхода 17, 19 первого контура с любым из входа или выхода 23, 25 второго контура.
Панель может быть выполнена из теплопроводящего металла, такого как литое железо, медь и медные сплавы. Гибкие шланги и жесткие трубы хорошо известны в областях канализации и водяного охлаждения и их не требуется подробно описывать в этом документе.
Охлаждающие контуры панели горелки и/или инжектора могут быть отлиты одним из двух способов. В первом способе металлическая труба загибается в желаемую конфигурацию, вставляется в литейную форму и фиксируется в ней. Затем расплавленный металл заливается в форму. Во втором способе песчаный стержень желаемой конфигурации, имеющий форму, образованную пресс-формами, вставляется в литейную форму и фиксируется в ней. Затем расплавленный металл заливается в форму.
Панель горелки и/или инжектора может быть установлена на боковой стенке ЭДП или на балконной панели (то есть на «банановой панели») области зумпфа печи ЭДП.
Любая/любой из известных горелок или инжекторов или горелок и инжекторов может быть осуществлена/осуществлен с панелью согласно изобретению. Несмотря на то, что это, по существу, не ограничено, горелки обычно впрыскивают струи газообразного топлива, такого как природный газ, и окислителя, такого как воздух, обогащенный кислородом воздух, или промышленно чистый кислород. Опять же, несмотря на то, что это, по существу, не ограничено, инжекторы приспособлены и выполнены с возможностью впрыскивания кислорода (как, например, из кислородного копья) или твердых частиц (таких как углерод).
Теперь может быть видно, что проблемы, связанные с обычными панелями горелки и/или инжектора, решены. Вместо того чтобы подвергать конструкцию единственной панели преждевременному отказу при установке в особенно горячей точке или иметь неудовлетворительно дорогой водопровод в ЭДП с использованием панелей, разработанных для очень высоких температур, предлагается использовать конструкцию единственной панели, которая может быть легко приспособлена как для нормально горячих положений внутри печи, так и для очень горячих положений внутри печи. Соединение двух или более независимых охлаждающих контуров гибким шлангом или жесткой трубой позволяет использовать панель для сред с номинально горячей температурой. Отсоединение двух или более независимых охлаждающих контуров и присоединение их к двум или более разным источникам охлаждающей воды позволяет использовать панель для сред с очень высокой температурой.
Были описаны предпочтительные процессы и устройство для осуществления настоящего изобретения. Специалистам в данной области техники будет легко понятно, что можно выполнить множество изменений и модификаций описанных выше вариантов осуществления без отхода от сущности и объема настоящего изобретения. Предшествующее описание является только иллюстративным, и другие варианты осуществления объединенных процессов и устройства могут быть использованы без отхода от истинного объема изобретения, определенного в последующей формуле изобретения.