УСТРОЙСТВО ДЛЯ СУШКИ И НАГРЕВА ФУТЕРОВКИ МЕТАЛЛУРГИЧЕСКОГО КОВША

Полезная модель может быть использована при сушке и нагреве футеровки ковшей в металлургической и машиностроительной промышленности, а также в других отраслях при нагреве емкостей продуктами горения топлива.
Требования, которые остаются актуальными для такого рода устройств - повышение теплового КПД, снижение расхода топлива, обеспечение качества нагрева футеровки при сохранении стойкости оборудования.
Эти требования являются более жесткими для устройств, которые предназначены для высокотемпературного нагрева, т.к. в этом случае увеличиваются потери тепла с отходящими газами, а также затраты на обеспечение стойкости оборудования, контактирующего с высокотемпературными отходящими газами.
Из уровня техники известна установка для нагрева футеровки ковшей (Патент РФ №2218240, публ.2003 г.) /1/.
Известное устройство содержит стационарную, вертикально установленную крышку, размещенную в ней горелку, и газоотводящий тракт.
В крышке размещена кольцевая камера, внутренняя полость которой предназначена для отвода отходящих газов, а кольцевая - для подачи холодного воздуха во внутреннюю полость камеры.
Отходящие газы, покидая внутреннюю полость ковша, попадают в эту камеру, разбавляются в ней холодным воздухом и, будучи охлажденными, менее агрессивно воздействуют на оборудование.
Тепловой КПД такого устройства не может быть высоким, т.к. снижение температуры горячих отходящих газов путем разбавления холодным воздухом служит только для предотвращения разрушений оборудования.
Этот технологический прием приводит к потерям тепла отходящих газов и требует, кроме того, дополнительных затрат энергии.
Кольцевая камера, встроенная в крышку, в особенности ее внутренняя полость, не позволяют крышке в полной мере выполнять свою основную технологическую функцию - препятствовать охлаждению внутренней полости ковша и способствовать равномерности нагрева его футеровки.
Известны технические решения, направленные на утилизацию тепла отходящих газов, в которых часть тепла продуктов сгорания передают воздуху, идущему на горение.
Так известно устройство для нагрева футеровки металлургических емкостей (А.с. СССР №1447565, публ. 1988 г.) /2/, оснащенное вертикально установленным радиационным щелевым рекуператором, в котором продукты горения, удаляемые из ковша через дымооотводящий патрубок в крышке, передают часть своего тепла холодному воздуху.
Такие рекуператоры довольно громоздкие по габаритам и не обеспечивают глубокую утилизацию тепла.
Появление позже таких решений, как /1/ свидетельствует о том, что использование традиционных рекуператоров в устройствах для нагрева футеровки металлургических емкостей оказалось неэффективным и их не стали применять.
Известны попытки использовать для этих целей более компактные теплообменные устройства.
Так, известно устройство для сушки и подогрева ковшей (А.с. СССР №1046017, публ. 1983 г.) /3/, в котором крышка помимо своей технологической функции выполняет роль теплообменного устройства.
Конструктивным теплопередающим элементом в известном устройстве /3/ является теплопроводная разделительная стенка (лист), передающая тепло от продуктов сгорания к воздуху. Стенка смонтирована внутри крышки и разделяет ее корпус на верхнюю и нижнюю полости.
При этом верхняя полость соединена с патрубком подвода воздуха, а нижняя - с патрубком отвода дыма. Продукты сгорания, передав часть тепла разделительной стенке, покидают крышку, а воздух, подогретый теплом от разделительной стенки, попадает в горелку.
Из науки и техники известно, что при продольном смывании потоком теплоносителя гладкой разделительной стенки, происходит передача лишь небольшой части тепла от теплоносителя к стенке (или наоборот) и такая стенка не может обеспечить интенсивный теплообмен между теплоносителями, особенно газообразными.
Как следует из описания к источнику /3/, использование такого теплообменного устройства всего лишь позволяет уменьшить разбавление продуктов горения холодным воздухом. Говорить о глубокой утилизации тепла в этом случае вряд ли возможно.
Кроме того, в процессе нагрева ковша металлическая крышка-теплообменник /3/ охлаждается холодным воздухом, в том числе локально охлаждается поверхность крышки, обращенная к внутренней полости ковша.
В результате, крышка не может в полной мере выполнять свою технологическую функцию.
Металлическая крышка-теплообменник не может быть применена эффективно при высоких температурах нагрева футеровки ковша, т.к. она не обладает достаточной стойкостью при этих условиях.
Это относится к поверхности крышки, обращенной к внутренней полости ковша, и к разделительной стенке (листу), которая, взаимодействуя с горячими продуктами сгорания не может быть футерованной, т.к. выполняет роль проводника тепла.
Задача, на решение которой направлено техническое решение -создание устройства для сушки и нагрева футеровки металлургических емкостей с высоким тепловым КПД при снижении расхода топлива на нагрев без нарушения условий нагрева футеровки при высокой стойкости соприкасающегося с отходящими газами оборудования.
Для решения поставленной задачи устройство содержит крышку со встроенной в нее горелкой, разделенные стенкой каналы для отвода продуктов горения и подачи воздуха на горение, стенка между каналами выполнена керамической, в стенке равномерно по ее площади перпендикулярно поверхности установлены теплопроводные стержни, выступающие части которых находятся в каналах для отвода продуктов горения и для подачи воздуха.
В частном случае выполнения устройства каналы для отвода продуктов горения и подачи воздуха на горение могут быть выполнены спиралеобразными.
В частном случае устройство может содержать как минимум по два канала для отвода продуктов горения и для подачи воздуха на горение.
В новом решении стенка между каналами не является основным проводником тепла, основной поток тепла отходящих газов передается воздуху через теплопроводные стержни разделительной стенки.
В результате интенсивной передачи тепла теплопроводностью через стержни разделительной стенки и нагрева воздуха для горения повышается тепловой КПД устройства и снижается расход топлива.
Эффективное охлаждение отходящих газов положительно влияет на стойкость оборудования.
В отличие от прототипа, крышка ковша может эффективно выполнять свою основную технологическую функцию - препятствовать охлаждению внутренней полости ковша при его нагреве.
Каналы должны быть выполнены таким образом, чтобы скорости теплоносителей соответствовали интенсивному теплообмену в устройстве при допустимой величине аэродинамического сопротивления.
Новый технический результат, достигаемый заявленным решением, заключается в существенном снижении расхода топлива, повышении температуры воздуха, подаваемого в горелку, а также в снижении температуры отходящих газов без разбавления холодным воздухом или с минимальным его объемом.
Полезная модель иллюстрируется рисунками, где на фиг.1 изображен горизонтально расположенный ковш со стационарной, вертикально установленной крышкой; на фиг.2 - сечение А-А; на фиг.3 - вертикально расположенный ковш; на фиг.4 - сечение Б-Б, на фиг.5 - сечение В-В; на фиг.6 - вертикально расположенный ковш; на фиг.7 - сечение Г-Г; на фиг.8 - сечение Д-Д.
Устройство содержит ковш 1, футерованную крышку 2 ковша со встроенной в нее горелкой 3.
Параллельно крышке 2 выполнена керамическая стенка 4, разделяющая два канала: канал 5 для отвода продуктов горения и канал 6 для нагрева воздуха горения.
В стенке 4 перпендикулярно ее поверхности равномерно по ее площади выполнены металлические стержни 7, выступающие части которых находятся в каналах 5 и 6.
Форма каналов, их количество могут быть различными в зависимости от конкретных условий работы устройства.
В устройстве фиг.1 каналы выполнены таким образом, что продукты горения (дымовые газы) и воздух для нагрева двигаются прямолинейно навстречу друг другу по схеме противотока.
Для зигзагообразного движения одного или обоих теплоносителей в каналах можно выполнить соответствующие перегородки.
При нагреве вертикально установленных ковшей устройство может иметь по одному каналу для каждого из теплоносителей, при этом каналы имеют спиралеобразную форму для обеспечения противоточной схемы движения дымовых газов и воздуха (фиг.3-5), либо по два дымовых и два воздушных канала для противоточного движения теплоносителей (фиг.6-8). Возможны и другие варианты исполнения устройства.
Устройство работает следующим образом.
После установки ковша 1 на место нагрева (сушки) и плотного примыкания к крышке 2, осуществляется подача воздуха через соответствующий патрубок и канал 6 в горелку 3.
С подачей газа в горелку 3 происходит зажигание факела во внутренней полости ковша, сушка и нагрев его футеровки.
Продукты горения удаляются из ковша через отверстия 8 в крышке 2 в канал 5, в котором тепло от дымовых газов через теплопроводные металлические стержни 7 передается воздуху, проходящему по каналу 6.
Нагретый в канале 6 воздух подают в горелку 3.
При работе заявленного устройства в результате интенсивной передачи тепла теплопроводностью через стержни разделительной стенки воздух, поступающий в горелку, может быть нагрет до 500-700°С.
Это позволит уменьшить расход газа на нагрев футеровки ковша на 25-35% по сравнению с нагревом, осуществляемом без утилизации тепла.