ПОВОРОТНАЯ ЗАВАЛОЧНАЯ МАШИНА ДЛЯ ШАХТНОЙ ПЕЧИ, ОСНАЩЕННАЯ СИСТЕМОЙ ОХЛАЖДЕНИЯ
ROTARY CHARGER FOR SHAFT FURNACE EQUIPPED WITH COOLING SYSTEM

Настоящее изобретение в целом относиться к системе охлаждения, которой оснащается поворотная завалочная машина, расположенная на шахтной печи, такой как металлургическая доменная печь.
В сегодняшнее время многие металлургические шахтные печи, в частности доменные печи, оснащены поворотной завалочной машиной для подачи загружаемого материала в печь. Такая поворотная завалочная машина обычно расположена на колошнике печи и, поэтому, по меньшей мере частично подвержена высоким температурам, существующим внутри печи во время ее работы. Следовательно, эффективное охлаждение подвергающихся воздействию частей завалочной машины и, в особенности, ее элементов привода и элементов зубчатой передачи является важным для предотвращения повреждения, уменьшения вмешательств для технического обслуживания и увеличения эксплутационного ресурса завалочной машины. Особая сложность заключается в эффективном отводе тепла от поворотных частей завалочной машины, которые в наибольшей мере подвергаются тепловому воздействию печи.
Известный способ охлаждения завалочной машины заключается в том, что в корпус завалочной машины вдувают инертный газ при давлении, превышающем рабочее давление колошника. Хотя данный способ демонстрирует преимущество, заключающееся в уменьшении накопления пыли внутри завалочной машины, он имеет очень ограниченную эффективность охлаждения. Данный способ описан, к примеру, в JP 55021577 A.
EP 0116142 описывает установку водяного охлаждения для завалочной машины шахтной печи, в частности для завалочной машины, имеющую поворотный желоб с изменяемым наклоном. Эта установка охлаждения содержит кольцеобразный питающий бак, прикрепленный к верхней части поворотной обшивки и выполненный с возможностью их совместного вращения. Бак оснащен по меньшей мере одним отверстием, при помощи которого вода под действием силы гравитации подается из бака через множество расположенных вокруг поворотного кожуха охлаждающих змеевиков. Сборный бак принимает текущую из змеевиков воду. Поворотный кожух поддерживает поворотный желоб и играет также роль разделяющей структуры между внутренней частью печи и составными частями завалочной машины. Эта установка водяного охлаждения имеет существенно улучшенную по сравнению с охлаждением инертным газом эффективность охлаждения. Однако недостаток этой охлаждающей установки заключается в том, что требуемый охлаждающий водяной контур частично открыт в окружающую среду, т.е. на питающем и сборном баках. Следовательно, происходит загрязнение охлаждающей воды, например, тонкодисперсионными включениями и печной пылью. Поэтому необходима специальная установка для очистки использованной охлаждающей воды. Использование вдувания инертного газа может уменьшить эту проблему, но не устраняет ее полностью.
WO 99/28510 описывает устройство, имеющее кольцеобразное поворотное соединение с неподвижной кольцеобразной частью и поворотной кольцеобразной частью для подачи охлаждающей жидкости к поворотным контурам охлаждения. Известное из WO 99/28510 решение состоит, по существу, в избыточном снабжении неподвижной части поворотного соединения охлаждающей жидкостью так, чтобы образовывалась утечка. Эта утечка просачивается в разделяющий зазор между неподвижной и поворотной частями поворотного соединения для того, чтобы образовывать в этом зазоре жидкостной шов. Результатом этого является то, что загрязнение охлаждающей жидкости существенно уменьшается или устраняется. Однако для этого решения необходима относительно тщательно проработанная и поэтому дорогая конструкция кольцевого соединения. К сожалению, соединительные элементы подвержены существенному износу, и поэтому требуют частой и трудоемкой замены.
Соответственно, целью настоящего изобретения является разработка эффективной системы охлаждения для оснащения поворотной завалочной машины для шахтной печи, которая устраняет необходимость сложного, дорогого и требующего технического обслуживания соединения между неподвижной и поворотной частью завалочной машины.
Для достижения этой цели настоящее изобретение предлагает оснащенную системой охлаждения поворотную завалочную машину для шахтной печи, содержащую поворотную опору для поворотных распределительных устройств, а также неподвижный корпус для поворотной опоры, при этом система охлаждения содержит поворотный контур охлаждения, закрепленный с вращением вместе с поворотной опорой, а также неподвижный контур охлаждения на неподвижном корпусе. Согласно важному аспекту изобретения установлен теплообменник, включающий в себя неподвижный теплообменный элемент, скомпонованный для его охлаждения протекающей через неподвижный контур охлаждения охлаждающей жидкостью и включающий в себя подвижный теплообменный элемент, скомпонованный для его нагрева циркулирующей в поворотном контуре охлаждения изолированной охлаждающей жидкостью. Эти теплообменные элементы расположены перед друг другом (в обращенном друг к другу положении) и имеют между ними область теплообмена для достижения теплообмена путем конвекции и/или излучения через эту область без смешивания изолированных охлаждающих жидкостей поворотного и неподвижного контуров охлаждения.
В теплообменнике поворотный и неподвижный теплообменный элементы отделены друг от друга небольшой щелью или промежутком, формирующим область, через которую осуществляется теплообмен. Теплообменник делает возможным теплообмен между поворотным и неподвижным теплообменными контурами, одновременно также с обеспечением жидкостного разделения между ними. Таким образом, полностью отпадает необходимость в поворотном узле между контурами. В действительности, давно установившиеся принципы контакта текучей среды между охлаждающими контурами оказываются устаревшими благодаря теплообменнику согласно изобретению. Помимо этого, также отпадает необходимость в достаточно частых остановках для технического обслуживания. Предпочтительно, поворотный контур охлаждения сконфигурирован как закрытый контур. В результате компоновки закрытой рециркуляции используемая в поворотном охлаждающем контуре охлаждающая жидкость может поддерживаться при повышенном давлении для того, чтобы повысить ее точку испарения. В действительности, в известных из уровня техники системах охлаждения поддержание существенного повышенного давления не применимо, т.к. или контур закрыт не полностью (сравн. EP 0116142) или в силу неприемлемой потери охлаждающей жидкости через поворотное соединение (сравн. WO 99/28510). Отсутствие потери жидкости и загрязнения позволяет теперь использовать в поворотном контуре охлаждения более дорогую охлаждающую жидкость. При устранении риска обусловленных испарением отложений как избыточное давление, так и соответствующая текучая среда делают возможным более высокую рабочую температуру поворотного контура охлаждения. Кроме того, т.к. отсутствует необходимость поддерживать чисто гравитационный поток охлаждающей жидкости для того, чтобы гарантировать соответствующее охлаждение, в поворотном контуре охлаждения может быть приемлемым более высокий перепад давления. Как результат, уменьшаются конструктивные ограничения и затраты.
В первой конфигурации поворотный контур охлаждения может быть скомпонован в виде замкнутой петли контура естественной конвекции. Во второй конфигурации поворотный контур охлаждения может содержать по меньшей мере одну нагревательную трубку. Эти конфигурации являются относительно простой конструкцией, не требующей приводимых в действие частей и энергоснабжения, обеспечивая одновременно приемлемую эффективность охлаждения. Помимо этого, эти конфигурации благоприятны для технического обслуживания, требуя незначительных, если вообще, сервисных вмешательств.
В третьей конфигурации поворотный контур охлаждения может быть скомпонован в виде замкнутой петли контура принудительной конвекции. В четвертой конфигурации поворотный контур охлаждения скомпонован в виде замкнутой петли контура охлаждения путем сжатия пара и в пятой конфигурации поворотный контур охлаждения скомпонован в виде блока адсорбционного охлаждения. Эти конфигурации требуют некоторых приводимых в действие и энергоснабжаемых частей, таких как насос или компрессор и, возможно, управляющих клапанов. Хотя каждая из упомянутых последними конструкция является более дорогой по сравнению с первыми двумя конфигурациями, они обеспечивают дальнейшее увеличение эффективности охлаждения, наряду с тем, что все еще требуют незначительного технического обслуживания. Понятно, что конфигурация закрытого контура с принудительной циркуляцией обеспечивает существенное увеличение скорости охлаждающей текучей среды по сравнению с охлаждением потоком, движущимся под действием гравитационных сил (известным из EP 0116142 и WO 99/28510) с результирующим улучшением эффективности охлаждения. Хотя это обычно не требуется, система охлаждения могла бы также содержать комбинацию двух или более этих конфигураций.
Снабжение энергией насоса или компрессора может быть достигнуто механически посредством механизма, приводимого в действие вращением поворотной опоры. Альтернативно или дополнительно, снабжение энергией может быть достигнуто электрически или посредством батареи, питаемой приводимым в действие вращением поворотной опоры генератором посредством подвижных контактов, или путем неконтактного переноса индуктивного тока.
Понятно, что благодаря теплообменнику, обеспечивающему жидкостное разделение между подвижным и неподвижным контурами охлаждения, исключено загрязнение той и другой жидкостей в неподвижном и поворотном контурах охлаждения. Поэтому отсутствует необходимость в установке очистки. Помимо этого, неподвижный контур охлаждения может быть расположен как составная часть замкнутой петли контура охлаждения шахтной печи для отвода переносимого к неподвижному теплообменному элементу тепла. Шахтные печи, в частности доменные печи, в большинстве случаев оснащены системой закрытого контура охлаждения, например, для охлаждения обшивки печи. Таким образом, суммарная стоимость системы охлаждения, которой оснащается завалочная машина, существенно снижается как за счет отсутствия установки очистки, так и за счет использования преимущества существующей инфраструктуры.
Для того чтобы обеспечить значительную поверхность теплообмена, в теплообменнике полезно иметь по меньшей мере одну выемку, выполненную в поворотном или неподвижном теплообменном элементе, и по меньше мере один соответствующий выступ, выполненный в неподвижном или поворотном теплообменном элементе. Эта выемка и этот выступ взаимосогласованы для того, чтобы образовывать изгибающийся вертикальный поперечный разрез области теплообмена, и поэтому увеличивать суммарные, расположенные друг напротив друга поверхности теплообменных элементов. Понятно, что может быть обеспечено множество взаимопроникающих или входящих в контакт по принципу пальцев сомкнутых в замок рук выемок и выступов для дальнейшего увеличения эффективной поверхности теплообмена.
В другой простой конструкции, обеспечивающей значительную поверхность теплообмена, как поворотный теплообменный элемент, так и неподвижный теплообменный элемент содержат кольцеобразный базовый элемент и по меньшей мере один выступ, простирающийся перпендикулярно от базового элемента, при этом выступы имеют сопряженную форму и обращены друг к другу и взаимосогласованы так, чтобы образовывать изгибающийся вертикальный поперечный разрез области теплообмена.
Предпочтительно, область теплообмена по меньшей мере частично заполнена теплопроводящей жидкостью для того, чтобы увеличить эффективность теплообмена. В другом выигрышном расположении по меньшей мере один выступ поворотного теплообменного элемента и/или неподвижного теплообменного элемента содержит средства для завихрения теплопроводящей жидкости. Завихрения в жидкости позволяет еще более увеличить достигаемый теплообмен. Предпочтительно, поперечная ширина области теплообмена лежит в диапазоне 0,5-3 мм.
Далее, поворотный охлаждающий контур может содержать участок контура для охлаждения поддерживаемого поворотной основой поворотного распределяющего желоба, который является одним из наиболее подвергающимся воздействию элементов завалочной машины т.н. BELL LESS TOP типа.
Т.к. система охлаждения легко подходит для использования в шахтной печи, в частности доменной печи, изобретение также относится к доменной печи, содержащей поворотную завалочную машину, оснащенную системой охлаждения как описано выше.
Далее изобретение описано на примере его неограничивающего варианта осуществления со ссылкой на чертежи, на которых:
Фиг.1 - частичный вертикальный поперечный разрез завалочной машины для шахтной печи, оснащенной системой охлаждения согласно изобретению;
Фиг.2 - вертикальный поперечный разрез теплообменника, содержащего поворотный и неподвижный теплообменный элемент, для использования в показанной на фиг.1 системе охлаждения;
Фиг.3 - вертикальный поперечный разрез альтернативного теплообменника;
Фиг.4 - вертикальный поперечный разрез другого альтернативного теплообменника;
Фиг.5 - вертикальный поперечный разрез еще другого альтернативного теплообменника;
Фиг.6 - схематическая диаграмма первой конфигурации поворотного охлаждающего контура для использования в показанной на фиг.1 системе охлаждения;
Фиг.7 - схематическая диаграмма второй конфигурации поворотного охлаждающего контура;
Фиг.8 - схематическая диаграмма третьей конфигурации поворотного охлаждающего контура;
Фиг.9 - схематическая диаграмма четвертой конфигурации поворотного охлаждающего контура;
Фиг.10 - схематическая диаграмма пятой конфигурации поворотного охлаждающего контура;
Фиг.11 - частичный вертикальный поперечный разрез завалочной машины для шахтной печи, оснащенной альтернативной системой охлаждения согласно изобретению;
Фиг.12 - увеличенный вертикальный поперечный разрез теплообменника в показанной на фиг.11 системе охлаждения;
Фиг.13 - частичное изображение в изометрии показанного на фиг.12 теплообменника;
Фиг.14 - изображение в изометрии фиг.13 в разобранном виде;
Фиг.15 - другой вертикальный поперечный разрез теплообменника в показанной на фиг.11 системе охлаждения, показывающий питающий патрубок;
Фиг.16 - частичный вид по фиг.15, показывающий сливной патрубок;
Фиг.17 - частичный вид по фиг.15, показывающий дренажный патрубок.
На фиг.1 частично показана поворотная завалочная машина, в целом обозначенная ссылочным номером 10, для доменной печи. Поворотная завалочная машина 10 оснащена системой 12 охлаждения для охлаждения нагреваемых температурой технологического процесса внутри печи компонентов. В завалочной машине 10 поворотная опора 14 служит для поддержки поворотного желоба 16. Поворотный желоб 16 прикреплен к поворотной опоре 14 посредством подвеса для изменения угла наклона поворотного желоба 16. Поворотная завалочная машина 10 также содержит неподвижный корпус 18, в котором расположена поворотная опора 14. Неподвижный корпус 18 содержит закрепленный центральный загрузочный канал 20, расположенный на центральной оси А печи. Во время операции загрузки известным в настоящее время способом насыпной материал подается через центральный загрузочный канал 20 через неподвижный корпус 18 и поворотную основу 14, в поворотный желоб 16, посредством которого он распределяется внутри печи в соответствии с наклоном и поворотом желоба 16.
За исключением системы охлаждения 12, конфигурация завалочной машины 10 сама по себе известна и обычно называется BELL LESS TOP™ (BLT). Различные известные неподвижные и поворотные элементы завалочной машины 10, такие как элементы привода и зубчатые колеса, на фиг.1 не показаны. Они детально описаны в US 3'880'302.
Как видно на фиг.1, опора 14 установлена с возможностью поворота вокруг оси А внутри неподвижного корпуса 18 посредством подшипника 22. Поворотная опора 14 имеет преимущественно кольцеобразную конфигурацию с центральным проходом для насыпного материала в продолжении центрального загрузочного канала 20. Она содержит примыкающий к центральному каналу 20 цилиндрический участок 24 внутренней стены, участок 26 нижнего фланца для поддержки желоба 16 и участок 28 верхнего фланца, на котором установлен подшипник 22. Неподвижный корпус 18 и поворотная опора 14 образуют оболочку поворотной завалочной машины 10. Помимо этого, они формируют верхнюю крышку не показанного полностью на фиг.1 колошника доменной печи.
Как далее показано на фиг.1, система 12 охлаждения содержит поворачиваемый вместе с опорой 14 поворотный контур 30 охлаждения и неподвижный контур 32 охлаждения (показан только частично) на неподвижном корпусе 18. Во время работы поворотный контур 30 охлаждения вращается вместе с опорой 14, в то время как неподвижный контур 32 охлаждения остается вместе с корпусом 18 неподвижным. Поворотный контур 30 охлаждения расположен в тепловом контакте с участком 24 внутренней стены и участком 26 нижнего фланца на противоположной стороне прохода для насыпного материала для того, чтобы гарантировать охлаждение этих, подвергаемых воздействию печного тепла частей завалочной машины 10. Дополнительно, это также обеспечивает охлаждение элементов привода и зубчатых колес (не показаны) завалочной машины 10.
Во время работы система 12 охлаждения отводит накопленное поворотным контуром 30 охлаждения тепло посредством неподвижного контура 32 охлаждения. Для этого, как отлично видно на фиг.1, система 12 охлаждения содержит теплообменник 40, термически соединяющий поворотный контур 30 охлаждения с неподвижным контуром 32 охлаждения. Теплообменник 40 содержит поворотный теплообменный элемент 42, прикрепленный к поворотной опоре 14 на участке 28 верхнего фланца, и неподвижный теплообменный элемент 44, прикрепленный снизу верхней крышки неподвижного корпуса 18. Поворотный элемент 42 является частью поворотного контура 30 охлаждения и соединен с ним, а неподвижный контур элемент 42 является частью неподвижного контура 32 охлаждения и соединен с ним. Во время работы, неподвижный теплообменный элемент 44 охлаждается текущей через неподвижный контур 32 охлаждения охлаждающей жидкостью, в то время как подвижный теплообменный элемент 42 нагревается циркулирующей в поворотном контуре 30 охлаждения изолированной охлаждающей жидкостью, как будет показано подробнее далее. Для того, чтобы позволить беспрепятственное вращение поворотного элемента 42 по отношению к неподвижному элементу 44, эти элементы 42, 44 отделены друг от друга относительно узком открытым пространством, определяющим область теплопередачи. Как понятно, элементы 42, 44 расположены в обращенном друг к другу соотношении, т.е. смежно, но не контактируя друг с другом. Вследствие температурного перепада между элементами 42, 44 во время работы эффективная теплопередача от поворотного контура 30 охлаждения к неподвижному контуру 32 охлаждения достигается за счет области теплопередачи путем конвекции и/или излучения в носитель между элементами 42, 44. Понятно, что смешение соответствующих охлаждающих жидкостей поворотного контура 30 охлаждения и неподвижного контура 32 охлаждения отсутствует, т.е. перенос тепла происходит без обмена охлаждающей жидкости между последними. Из фиг.1 очевидно, что поворотный и неподвижные элементы 42, 44 имеют вращательно-симметричную конфигурацию, центрированную относительно оси А вращения. Хотя это не показано в горизонтальном поперечном разрезе, элементы 42, 44 расположены в виде кругового кольца, простирающегося по существу по всей полноте окружности вокруг оси А для максимального увеличения теплопередачи. Элементы 42 и 44 имеют совпадающие профили, подогнанные друг к другу как в вертикальной (радиальной), так и в горизонтальной проекции (по окружности).
Теплообменные элементы 42, 44 обеспечивают жидкостное разделение между поворотным теплообменным элементом 30 и неподвижным теплообменным элементом 32 таким образом, что охлаждающие жидкости последних не перемешиваются. Более того, теплообменные элементы 42, 44 позволяют, как будет описано далее, конфигурировать как поворотный контур 30 охлаждения, так и неподвижный контур 32 охлаждения в конфигурации закрытого контура. Несмотря на то, система 12 охлаждения описана здесь в контексте завалочной машины BLT-типа на доменной печи, она может также быть использована во взаимосвязи с другими типами завалочных машин дл шахтных печей.
Некоторые варианты подходящих теплообменных элементов будут описаны ниже со ссылкой на фиг.2-5. На всем протяжении описания повторяющиеся признаки описанного ранее варианта могут быть опущены.
На фиг.2 показан более детально первый вариант теплообменника 140, содержащего поворотный теплообменный элемент 142 и неподвижный теплообменный элемент 144. В показанном на фиг.2 варианте поворотный элемент 142 содержит вертикальную выемку 143, в которую простирается сопряженный вертикальный выступ 145 неподвижного элемента 144. Таким образом, поворотный элемент 142 имеет в целом U-образное поперечное сечение, в то время как неподвижный элемент 144 имеет в целом Т-образное поперечное сечение. Оба смежных элемента 142 и 144, в частности выступ 143 и выемка 145, имеют совпадающие размеры так, что между их соответствующими теплообменными поверхностями 148 и 150 существует относительно узкая область 146 теплообмена с приблизительно постоянной поперечной шириной. Поперечная ширина области 146 теплообмена выбрана в соответствии с вертикальным и горизонтальным допуском перемещения вращающихся элементов завалочной машины 10 и в соответствии с допуском по изменяющемуся тепловому расширению, которые вместе обычно составляют несколько десятых миллиметра в вертикальном и горизонтальном направлении. Поэтому, область 146 относительно малой постоянной поперечной ширины (например, 1 мм) гарантирует беспрепятственное вращение без компромиссов в теплообмене. Несмотря на это, отличающиеся горизонтальные и вертикальные поперечные ширины также возможны в зависимости от актуальных требований завалочной машины 10. Как видно на вертикальном поперечном разрезе фиг.2, дополняющие друг друга, сопряженные формы обращенных друг к другу элементов 142 и 144 образуют изгиб в вертикальном поперечном разрезе области 146, который обеспечивает относительно большую эффективную площадь поверхностей 148 и 150 теплообмена. Там, где это требуется и не затрудняется конструктивными ограничениями, эта площадь может быть увеличена еще более, например, увеличением радиуса кольцевых элементов 142 и 144, как это показано ниже со ссылкой на фиг.11-17, и/или посредством дополнительного изгиба, как это показано ниже со ссылкой на фиг.4 и 5.
2
2
Как видно на фиг.2, каждый теплообменный элемент 142, 144 содержит внутренние каналы 152, соответственно 154, для охлаждающей жидкости. Как понятно из фиг.1, каждый внутренний канал 152 или 154 является соответственно частью поворотного или неподвижного контура 30 или 32 охлаждения. Для увеличения эффективности теплового переноса нижняя желобообразная часть области 146 заполнена термосвязующей жидкостью 156, которая на фиг.2 представляет собой, теплопроводящую жидкость, такую как вода или высокопроводящая жидкость с высокой точкой кипения и смазывающей способностью. Полупроводящая жидкость с высокой вязкостью, такая как теплопроводящая смазка, может также быть использована в качестве связующей жидкости. Используя воду в качестве связующей жидкости 156 можно достигнуть посредством области теплообмена с поперечной шириной в 1 мм теплообмена, равного приблизительно 20000 Вт/м при вращении и 6000 Вт/м в состоянии покоя. Эти величины подразумевают относительную скорость вращения 0,8 м/сек и перепад температуры ΔТ 40°С между элементами 142, 144. Поэтому теплообменник 140 обеспечивает эффективный теплоперенос от поворотного контура 30 охлаждения к неподвижному контуру 32 охлаждения без обмена охлаждающей жидкости между ними. В зависимости от типа жидкости 156 предусмотрены уровень обнаружения, загрузочный трубопровод, контролируемый уровнем обнаружения и ведущим к нижней части области 146, и питающий бак, из которого выходит загрузочный трубопровод (не показан) для компенсации возможного испарения жидкости 156.
2
2
На фиг.3 представлен второй вариант теплообменника 240, содержащего поворотный и неподвижный теплообменные элементы 242 и 244. На фиг.3 горизонтальная выемка 242 предусмотрена в неподвижном элементе 244. Поворотный теплообменный элемент 242 содержит горизонтальный выступ 243, сопряженный с выемкой 245 и в нее простирающийся. Смежные элементы 242 и 244, в частности выступ 243 и выемка 245, образуют изгибающуюся область 246 теплообмена неизменной поперечной ширины. Без дополнительных мер представленный на фиг.3 вариант не позволяет заполнение области 246 теплообмена жидкой связующей текучей средой, однако, даже воздух в качестве термически связующей текучей среды может обеспечить достаточный теплообмен от первых ко вторым внутренним каналам 252 и 254 в зависимости от суммарной эффективной площади их соответствующих теплообменных поверхностей 242 и 244. В действительности, во время относительного вращения элементов 242 и 244 может быть достигнут теплообмен порядка 2000 Вт/мпосредством воздуха, заполняющего область теплообмена с поперечной шириной 1 мм при упомянутых ранее допущениях (скорость вращения 0,8 м/сек и перепад температуры ΔТ 40°С). Для сравнения, в состоянии покоя может быть лишь достигнут теплообмен порядка 600 Вт/м. Критическая фаза, однако, проявляется обычно во время работы, когда наибольшее время присутствует относительное вращение. Представленный на фиг.3 теплообменник 240 может быть предпочтителен в силу конструктивных ограничений, например, там, где демонтаж завалочной машины 10 невозможен в представленной на фиг.2 конфигурации.
На фиг.4 представлен третий вариант теплообменника 340 с поворотный и неподвижным теплообменными элементами 342 и 344. Как видно на фиг.4, поворотный элемент 342 содержит как множество вертикальных выемок 343, так и множество вертикальных выступов 343'. Неподвижный элемент 344 также содержит как множество вертикальных выемок 345, так и множество вертикальных выступов 345'. На практике, такая конфигурация может быть получена, например, путем согласования расположенных на соответствующих интервалах кольцеобразных дорожек прямоугольного сечения с массивным кольцом теплопроводящего металла для каждого элемента. Выступы 345, 343' и выемки 343, 345' имеют спряженную форму и расположены так, чтобы входить друг в друга по подобию пальцев сомкнутых в замок рук. Посредством этих спряженных выступов 345, 343' и выемок 343, 345' достигается обладающий большой протяженность изгиб теплообменной области 346, расположенной между смежными элементами 342 и 344. Соответственно, эффективная площадь теплообменных поверхностей 348 и 350 увеличивается без существенного увеличения размеров теплообменных элементов 342, 344. Неподвижный теплообменный элемент 344 также содержит множество кольцеобразно расположенных каналов 358 для прокачки газа.
На фиг.5 представлен четвертый вариант теплообменника 440. По аналогии с предыдущим вариантом, поворотный и неподвижный теплообменные элементы 442 и 44 расположены в обращенном друг к другу соотношении и подогнаны плотно друг к другу посредством взаимопроникновения так, чтобы создать между ними изогнутую теплообменную область 446 небольшой поперечной ширины. Теплообменник 440 отличается от предшествующего варианта по существу в трех аспектах. Во-первых, поворотный теплообменный элемент 442 содержит кольцеобразные, удаленные от средней линии боковые стенки 460, радиально ограничивающие область 446 и превышающие входящие друг в друга выступы 443' и 445 и выемки 443 и 445' по высоте. Таким образом, боковые стенки 460 создают содержащий входящие друг в друга выступы и выемки желоб. В результате, область 446 может быть практически полностью заполнена связующей жидкостью 456. Во-вторых, в поворотном теплообменном элементе 442 расположены разгрузочные каналы 462 для замены теплопроводящей жидкости 456. Разгрузочные каналы 462 по окружности распределены в кольцеобразном, по меньшей мере один разгрузочный канал 462 взаимосвязан с каждой выемкой 443. В-третьих, в неподвижном элементе 444 расположены соединенные с каждой выемкой 445' воздухоотводные каналы 464. А то время когда жидкость 456 выгружена, эти каналы 464 могут быть также использованы для очистки области 446 путем продувки газом или промывки жидкостью. Понятно, что в силу обладающего большой протяженностью изгиба области 446 эффективная площадь теплообменных поверхностей 448, 450 является существенно большей, чем расположенные в одной плоскости противостоящие поверхности.
Со ссылкой на фиг.6-10 ниже будут более подробно описаны некоторые конфигурации систем охлаждения согласно изобретению, в частности поворотный контур охлаждения. Уже упомянутые выше повторяющиеся признаки могут быть опущены.
На фиг.6-9 теплообменник обозначен ссылочной позицией 40, хотя его варианты 140, 240, 340 и 440 точно также применимы. Помимо этого, неподвижный контур охлаждения на фиг.6-10 обозначен ссылочной позицией 32. В предпочтительных вариантах осуществления изобретения благодаря теплообменным элементам 42, 44 неподвижный контур охлаждения лишен каких-либо, направленных в окружающую среду отверстий. Это делает возможным объединение неподвижного контура охлаждения с закрытым контуром пресной воды системы охлаждения доменной печи (не показано). Аналогично, поворотный контур охлаждения расположен как контур замкнутого цикла. Таким образом, отпадает необходимость в дорогой установке для очистки охлаждающей жидкости, используемой в системе охлаждения для завалочной машины 12. Тип используемой в поворотном контуре охлаждения охлаждающей жидкости будет зависеть, как это станет ясным ниже, от соответствующей конструкции.
Первая конфигурация системы 112 охлаждения показана очень схематично на фиг.6. Поворотный контур 130 охлаждения сконфигурирован в виде замкнутой петли контура естественной конвекции и соединена с теплообменником 40. Система 112 охлаждения содержит свернутые в спираль трубы 170 охлаждения, расположенные в тепловом контакте с наиболее подвергаемыми воздействию частями завалочной машины 10 (например, участок 24 внутренней стены и участок 26 нижнего фланца) и расширительный бак 172 для того, чтобы позволить поддержание повышенного давления охлаждающей жидкости для того, чтобы повысить ее точку испарения. Циркуляция охлаждающей жидкости, например, деминерализованной пресной воды, происходит в системе 112 охлаждения путем естественной конвекции, вызванной нагревом охлаждающей жидкости на подвергаемых воздействию поворотных частях и охлаждением на поворотном теплообменном элементе 42. Как понятно из фиг.6, во время работы неподвижный теплообменный элемент 44 охлаждается текущей через неподвижный контур 32 охлаждения охлаждающей жидкостью, в то время как поворотный теплообменный элемент 42 нагревается циркулирующей в поворотном контуре 130 охлаждения изолированной охлаждающей жидкостью. Получаемый в результате перепад температуры между элементами 42, 44 служит причиной желаемого теплообмена в теплообменнике 40.
На фиг.7 представлена вторая конфигурация системы 212 охлаждения, отличающаяся от предыдущей конфигурации в том, что поворотный контур 230 охлаждения сконфигурирован в виде замкнутой петли контура принудительной конвекции. Остальные части являются схожими с первой конфигурацией, система 212 охлаждения содержит циркуляционный насос 274, расположенный вниз по течению потока от теплообменника 40 для того, чтобы обеспечивать принудительную рециркуляцию охлаждающей жидкости, например, деминерализованной пресной водой, используемой в поворотном контуре 230 охлаждения. Снабжение электроэнергией циркуляционного насоса 274 может быть осуществлено путем различных решений, таких как коллекторное кольцо со скользящими контактами или устройство генератор-батарея (установленный на опору 14 генератор и приводимый в действие посредством вращения последней) или бесконтактным индуктивным переносом тока (не показано). Альтернативно, циркуляционный насос 274 может быть также снабжаем энергией механически посредством механизма, приводимого в действие вращением поворотной опоры 14, как описано в LU 84520.
На фиг.8 представлена третья конфигурация системы 12 охлаждения. В сравнении с другими, описываемыми здесь конфигурациями, поворотный контур 330 охлаждения на фиг.8 содержит множество самих по себе хорошо известных тепловых трубок 376. Горячая (нижняя) часть каждой тепловой трубки 376 расположена в тепловом контакте с подвергающимся воздействию поворотными компонентами завалочной машины 10, в то время как холодная (верхняя) часть тепловой трубки 376 расположена в тепловом контакте с поворотный теплообменным элементом 42. Соответственно, тепловая трубка 376 может иметь изогнутую форму, согласованную с внутренней конструкцией завалочной машины 10. За счет тепловых трубок 376 вращающаяся часть системы 312 охлаждения является полностью пассивной, т.е. отсутствуют какие-либо механические части или какая-либо энергия, требуемая для перемещения тепла от подлежащих охлаждению частей к поворотному теплообменному элементу 42. Несмотря на это, в силу значительного количества энергии, заключенного в скрытой теплоте, тепловые трубки 376 очень эффективны в теплообмене.
На фиг.9 представлена четвертая конфигурация системы 412 охлаждения, в которой поворотный контур 430 охлаждения сконфигурирован в виде замкнутой петли контура охлаждения путем сжатия пара, использующей подходящий хладагент, например типа галогенизированного углеводорода. Расположенные в тепловом контакте с подлежащими охлаждению частями свернутые в спираль трубы 470 охлаждения представляют собой испаритель холодильного цикла. Компрессор 474 выше по течению потока теплообменника 40 повышает давление полученного в охлажденных трубах 470 охлаждения пара, который затем конденсируется в поворотном элементе 42, представляющий собой конденсатор (холодильник). Конденсированная охлаждающая жидкость расширяется до давления испарения с помощью расширительного (дросселирующего) устройства 478, расположенного вниз по потоку от поворотного элемента 42. Любые меры, упомянутые в связи со второй конфигурацией, могут служить в качестве источника энергии для компрессора 474.
Фиг.10 представляет пятую конфигурацию системы 512 охлаждения, в которой поворотный контур 530 охлаждения сконфигурирован в виде адсорбционного блока, основанного на адсорбционном цикле охлаждения. Адсорбционный блок 530, расположенный по типу двустороннего закрытого цикла, содержит адсорбер с твердым адсорбентом и конденсатор для жидкого/газообразного адсорбата, оба которые расположены в поворотном элементе 542 модифицированного теплообменника 540. Испаритель для адсорбата выполнен в виде свернутых в спираль труб 570 охлаждения, расположенных в тепловом контакте с подлежащими охлаждению частями. Система подогрева, образованная дополнительными свернутыми в спираль трубами 580, расположена на выполненном с возможностью вращения участке 26 нижнего фланца для того, чтобы быть обращенной к внутренней части доменной печи. Оба контура труб 570 и 580 соединены с теплообменником 540. Известным способом адсорбционный блок 530 обеспечивает периодическое охлаждение посредством прохождения четырех различных периодов во время одного цикла. Как схематически обозначено на фиг.10, свернутые в спираль трубы 570 охлаждения расположены снаружи печи на участке 26 нижнего фланца и/или части 24 внутренней стены, в то время как свернутые в спираль трубы 580 нагрева расположены на противоположной стороне, т.е. внутри печи. Следовательно, теплообменник 540 в пятой конфигурации имеет тройную функцию отвода тепла, снимаемого свернутыми в спираль трубами 570 охлаждения и выступающего как адсорбер, так и конденсатор адсорбционного блока 530. Периодический цикл, т.е. прохождение различных периодов адсорбционного блока 530 (нагрев & повышение давления -> десорбация & конденсирование -> охлаждение & понижение давления -> охлаждение & адсорбция) управляется посредством первого и второго насоса 574 и 574' и соответственно расположенными клапанами (не показано). Механическая/электрическая энергия для этих элементов обеспечивается посредством любых упомянутых выше, в отношении второй конфигурации средств. Хотя это не показано на изображениях, для специалиста понятно, что различные конфигурации могут быть предусмотрены основываясь на адсорбционном цикле с регенерацией тепла для квазибеспрерывной работы конденсатора и испарителя и, таким образом, квазибеспрерывным охлаждением. Такая конфигурация требует, однако, дополнительных частей, среди которых, в частности, второй адсорбционный блок, который должен работать в противофазе по сравнению с первым адсорбционным блоком.
На фиг.11 представлен альтернативный вариант осуществления системы 612 охлаждения по настоящему изобретению, в завалочной машине 10, установленной на верхней части доменной печи. Другие части являются схожими и только отличия по сравнению с показанным на фиг.1 вариантом осуществления будут подробно рассмотрены ниже.
Как видно на фиг.11, система 612 охлаждения также содержит теплообменник 640 с поворотным теплообменным элементом 642 и неподвижным теплообменным элементом 644. В показанной на фиг.11 конфигурации теплообменник 640 расположен в нижней части корпуса поворотной завалочной машины 10, точнее, на нижней окружности участка 26 нижнего фланца поворачиваемой опоры 14. Таким образом, поворачиваемый контур 630 охлаждения соединяется с поворотным теплообменным элементом 642 в этой нижней области. Понятно, что актуальная конфигурация поворотного контура 630 охлаждения может быть любой из описанных выше со ссылкой на фиг.6-10 или их комбинацией. Неподвижный контур 632 охлаждения соединен с неподвижным теплообменным элементом 644 также в нижней области неподвижного корпуса 18. Как описано выше, неподвижный теплообменный элемент 644 охлаждается охлаждающей жидкостью, текущей через неподвижный контур 632 охлаждения, в то время как тепло переноситься от требующих охлаждения элементов завалочной машины 10 к поворотному теплообменному элементу 630. Благодаря теплообменнику 640 охлаждающая жидкость поворотного теплообменного элемента 630 изолирована от и не смешивается с охлаждающей жидкостью неподвижного контура 632 охлаждения. Понятно, что в представленном на фиг.11 варианте осуществления увеличенный диаметр в целом кольцеобразного теплообменника 640 позволяет получить большую суммарную площадь расположенных напротив друг друга поверхностей элементов 642, 644 и, следовательно, увеличенный теплообмен по сравнению с представленным на фиг.1 вариантом осуществления.
На фиг.12 представлен теплообменник 640 фиг.11 более детально. Как видно на фиг.12 как поворотный, так и неподвижный теплообменные элементы 642 и 644 содержат выступы 643, соответственно 645, сконфигурированные для того, чтобы смыкаться друг с другом по принципу пальцев сомкнутых в замок рук и образовывать между ними небольшую область 646 теплообмена, имеющую изгибающееся поперечное сечение. Во время работы за счет области 646 теплообмена достигается теплообмен от поворотного элемента 642 к неподвижному элементу 644, в особенности от выступов 643 к выступам 645. Понятно, что теплообмен происходит посредством конвекции и/или излучения в среду области 646 теплообмена. Каждый теплообменный элемент 642 и 644 содержит базовый элемент 651, соответственно 653, выполненный в форме массивного кругового кольца, расположенного во вращательной симметрии на оси А. Выступы 643 и 645 выступают перпендикулярно от их базового элемента 651, соответственно 653, в представленном на фиг.12 случае вертикально по направлению к другому смежному теплообменному элементу. Внутренние каналы 652 в базовом элементе 651 поворотного теплообменного элемента 642 соединены с поворотным контуром 630 охлаждения посредством соединительных трубопроводов 655, как видно на фиг.12. Аналогично, соединительные трубопроводы 657 соединяют внутренний канал 654 в базовом элементе 653 неподвижного теплообменного элемента 644 с неподвижным контуром 632 охлаждения.
На фиг.12 теплообменные элементы 642, 644 расположены внутри кольцеобразного желоба 690, используемого для размещения теплопроводящей жидкости в качестве связующей жидкости в области 646 теплообмена между элементами 642, 644 и между их выступами 643, 645. При установке теплообменника 640 внутри желоба 690 оба элемента 642, 644 для увеличения теплообмена между ними могут быть погружены в теплопроводящую жидкость. Как видно на фиг.12, желоб 690 закреплен для вращении вместе с поворотным теплообменным элементом 642 и поддерживает также последний на участке 26 нижнего фланца. Как далее видно на фиг.12, каждый теплообменный элемент 642, 644 снабжен соответствующей крышкой 692 или 694, скомпонованной как выполненный в форме крыши кожух с верхней поверхностью типа шиферной кровли. Крышки 692, 694 расположены с прилеганием друг к другу, оставляя между ними только небольшую щель, позволяющую относительное вращение. Крышки 692, 694 позволяют уменьшить поверхность теплопроводной жидкости в области 646 теплообмена, подвергающейся воздействию переносимой по воздуху пыли. Часть неподвижной крышки 694 расположена с перекрытием поворотной крышки 692 для уменьшения проникновения пыли (например, печной пыли) в жидкость в области 646 теплообмена. Для этой же цели внешняя боковая стенка желоба 690 простирается вверх, примыкая к неподвижному теплообменному элементу 644 и его крышке 694. Хотя это не показано на фиг.12, нижняя часть желоба 690, обращенная к внутренней части печи, предпочтительно снабжена подходящей термоизоляцией для уменьшения количества тепла, переносимого к теплообменнику 640 через стены желоба 690.
На фиг.13 частично показана кольцеобразная конструкция теплообменных элементов 642, 644. Точнее, на фиг.13 частично показаны базовые элементы 651 и 653 и их соответствующие выступы 643 и 645. Каждый выступ 643, 645 имеет форму сравнительно плоской кольцеобразной полосы. Выступы альтернативно закреплены, например, сваркой, к поворотному базовому элементу 651 или неподвижному базовому элементу 653. В силу того, что должно быть обеспечено беспрепятственное относительное вращение, выступы 643, 645 и, следовательно, также область 646 теплообмена имеют по существу вращательно симметричное устройство относительно оси вращения А. Соответствующий диаметр каждого выступа 643, 645 уменьшается по направлению к оси А. Необходимо отметить, что в целях упрощения находящийся в самой глубине выступ поворотного теплообменного элемента 642 не показан на частичном виде фиг.13 и 14.
На фиг.14 частично показаны теплообменные элементы 642 и 644 в разобранном состоянии. Как понятно из фиг.14 каждый кольцеобразный, выполненный в форме полосы выступ 643, 645 снабжен соответственно множеством распределенных по окружности поперечных сквозных прорезей 696. Понятно, что во время вращения поворотной опоры 14 сквозные прорези 696 позволяют создавать завихрение (турбуленцию) в связующей жидкости в области 646 теплообмена, например, в содержащейся в желобе 690 теплопроводящей жидкости. Понятно также, что связующая жидкость между элементами 642 и 644 увеличивает теплообмен, который может быть достигнут теплообменником 640. Хотя это не показано на изображениях, выступы 643, 645 не обязательно должны быть полосообразной формы. На самом деле, для достижения завихрения могут использоваться другие типы выступов, при условии, что суммарный теплообмен поверхности является достаточным, вращение не затруднено и достигается термическое соединение с соответствующим поворотным или неподвижным контуром 30, 32 охлаждения. Например, можно было бы рассматривать выступы полосообразной формы с непроникающими углублениями на каждой стороне или кольцеобразные ряды распределенных по окружности изолированных штырей или полос, формирующих выступы, выступая из соответствующего базового элемента поворотного или неподвижного элемента.
На фиг.15 показан вертикальный поперечный разрез показанного на фиг.12 теплообменника 640, в другом сечении. Как видно на фиг.12, установленный на неподвижном корпусе 18 питающий трубопровод 700 прерывает один из выступов неподвижного теплообменного элемента 644. Питающий трубопровод 700 имеет на его нижнем конце питающую головку 702, расположенную в нижней части желоба 690 в непосредственной близости от поворотного теплообменного элемента 642. Питающий трубопровод 700 соединен с источником теплопроводной жидкости посредством клапана 704. Как упомянуто выше, используя подходящее управление уровнем обнаружения клапана 704, питающий трубопровод 700 обеспечивает автоматическое пополнение теплопроводящей жидкости в области 646 теплообмена. Таким образом, потеря жидкости вследствие испарения компенсируется и автоматически гарантируется достаточный уровень жидкости.
На фиг.16 показан вертикальный поперечный разрез показанного на фиг.12 теплообменника 640 в другом, отличающемся разрезе. На фиг.16 показана сливная головка 706, соединенная с установленным согласно фиг.15 питающим трубопроводом 708. Благодаря давлению печного колошника, поддерживающего повышенное, по отношению к атмосферному, давление в области 646 теплообмена, жидкость может быть просто очищена путем простого открытия соответствующего (обычно закрытого) вентиля на сливном трубопроводе 708. Слив жидкости может быть необходим, когда последняя была чрезмерно загрязнена частичками пыли или когда необходима очистка теплообменных элементов 642, 644 для удаления чрезмерных отложений.
На фиг.17 показан вертикальный поперечный разрез показанного на фиг.12 теплообменника 640 еще в другом, отличающемся разрезе. Как видно на фиг.17 промывочная головка 710 установлена на конце соответствующего промывочного трубопровода 712, снабженного клапаном как показано на фиг.15. Промывочная головка 710 скомпонована для обеспечения промывки под высоким давлением посредством горизонтально-направленного распыления жидкости. Т.к. поворотный теплообменный элемент 642 расположен в нижней части желоба 690, он будет более всего подвергаться воздействию отложений пыли или других наносов. Представленная на фиг.12 конфигурация облегчает очистку теплообменника 640, так как при вращении весь поворотный теплообменный элемент 642 может быть беспрепятственно очищен посредством одной или нескольких промывочных головок 710. Таким образом, необходимость демонтажа теплообменника 640 в целях очистки, как правило, отсутствует. Во время очистки накопившаяся в области 646 теплообмена чистящая жидкость также как теплопроводящая жидкость может быть выгружена через показанный на фиг.16 сливной трубопровод 708 без принятия дополнительных мер, за счет использования давления печного колошника.
Хотя это не детально показано на изображениях, понятно, что там, где это необходимо, любая из систем 12, 112, 212, 312, 412, 512 или 612 охлаждения включает в себя средства для охлаждения поворотного желоба 16. В действительности, среди элементов завалочной машины 10, поворотный желоб 16 наиболее обращен к внутренней атмосфере печи. Поэтому, если необходимо, модифицированная установка для охлаждения желоба, аналогичная описанной в US 5252063, включается в систему охлаждения. В этом варианте осуществления, поворотный распределительный желоб 16 содержит участок контура (не показано) для охлаждения нижней поверхности его корпуса, находящегося в водном контакте с поворотным контуром 30, 130, 230, 33, 430, 530 или 630 охлаждения. Контакт достигается, как известно из US 5252063, посредством каналов, проходящих через штифты подвески, посредством которых желоб 16 поворачиваемо прикреплен к поворачиваемой основе 14 и посредством подходящих поворотных соединительных элементов. В отличие от US 5252063, согласно настоящему изобретению участок контура для охлаждения желоба является, однако, составной частью конфигурации замкнутого контура поворотного контура 30, 130, 230, 33, 430, 530 или 630 охлаждения.
В другом варианте, в случае если охлаждающая текучая среда, используемая поворотном контуре охлаждения, является жидкостью, она может использоваться для снабжения области 146, 446 теплообмена в теплообменнике 140, 440 охлаждающей жидкостью 156, 456. Это может быть достигнуто посредством определения уровня и подходящего питающего вентиля, управляющего подачей жидкости в область 146, 446 теплообмена. В этом случае, питающий бак установлен, предпочтительно, на неподвижной части завалочной машины 10 для снабжения теплопроводящей жидкостью с целью компенсации потерь испарения связующей жидкости 156, 456.
Остается отметить, что в любых, описанных выше вариантах и конфигурациях поворотный и неподвижный теплообменные элементы 42, 44, 142, 144, 242, 244, 342, 344, 442, 444, 542, 544, или 642, 644 выполнены из имеющего высокую теплопроводность материала, такого как серебро, медь или алюминий, или из подходящего сплава, содержащего один или более из таких материалов. Понятно, что на теплообменные элементы с целью увеличения их срока службы предпочтительно нанесено противокоррозионное теплопроводное покрытие.
Наконец, некоторые общие преимущества описанных выше систем охлаждения должны быть еще раз повторены. Благодаря устройству закрытого цикла поворотного контура охлаждения отпадает необходимость в независимом контуре с установкой очистки воды. Неподвижный контур охлаждения может быть полностью встроен в как правило уже имеющуюся у печи замкнутую петлю контура охлаждения. Система охлаждения лишена каких-либо значительных изнашивающихся частей. Частота и стоимость технического обслуживания снижены. Перепад температуры или сопротивление потока в поворотном контуре охлаждения ниже критического, т.к. текучая среда перемещается не только под воздействием гравитационных сил. Поэтому могут быть использованы менее дорогие и более простые в установке трубопроводы, такие как медные трубы малого диаметра, подходящие для их изгибания вручную. Максимальная рабочая температура поворотного контура охлаждения может быть повышена по сравнению с известным уровнем техники. В действительности, во-первых, в закрытом цикле может быть использован более дорогой хладагент, посредством которого предотвращаются какие-либо вредные отложения и, во-вторых, благодаря конфигурации закрытого контура поворотного контура хладагент может быть под высоким давлением для того, чтобы повысить его точку испарения.