Область техники

Предложенный элемент насадки относится к черной и цветной металлургии, к конструктивным элементам воздухонагревателей доменных печей, в частности, регенеративных нагревателей, в которых насадка формируется из упорядоченно расположенных элементов определенной формы, имеющих сквозные каналы для прохода газов. Элемент насадки может быть применен также в других областях техники, где используются процессы теплообмена между протекающими через насадку нагревающими и нагреваемыми газами, например, при тепловой обработке металлов в пламенных печах прямого и косвенного нагрева, в котельных установках тепловых электростанций и промышленных предприятий. Предшествующий уровень техники

В стандарте [ГОСТ 20901-75, стр 9, изделие J b 80] представлен элемент насадки (кирпич насадочный шестигранный) в виде тела, ограниченного двумя параллельными друг другу поверхностями и несколькими перпендикулярными им боковыми поверхностями, содержащего семь параллельных боковым поверхностям сквозных отверстий (каналов), выполненных диаметром 40 мм, и содержащий три пары фиксирующих элементов. Каждая пара фиксирующих элементов включает выступ и углубление, при этом фиксирующий выступ расположен на одном конце сквозного канала, а соответствующее ему углубление расположено на другом конце этого же канала.

Используемый в указанном аналоге увеличенный диаметр каналов не является наилучшим для получения оптимальных параметров теплообмена насадки воздухонагревателя, составленной их таких элементов насадки. Это является недостатком аналога.

Наиболее близким к предложенному элементу насадки (прототипом) является элемент насадки [патент России 80126] в виде тела, ограниченного двумя параллельными друг другу поверхностями и несколькими перпендикулярными им боковыми поверхностями, содержащий тридцать семь сквозных каналов, параллельных боковым поверхностям, выполненных диаметром 17 23 мм, и включающий три пары фиксирующих элементов, каждая из которых состоит из выступа и углубления, расположенных на параллельных друг другу поверхностях вокруг концов одного из сквозных каналов, не затрагивая соседних каналов. Все сквозные каналы в элементе насадки по прототипу расположены относительно друг друга в соответствии с взаимосвязью расстояния между каналами и их радиусом, выраженной соотношением

t = 10 + 25 / R, (1) где:

t — расстояние между цилиндрическим поверхностями соседних каналов, измеренное по линии, соединяющей центры их поперечных сечений, мм;

R - радиус каждого канала, находящийся в пределах от 8,5 до 11 ,5 мм.

Использование в прототипе элемента насадки каналов с диаметром 17 -Ξ- 23 мм и соотношения (1) обеспечивает достижение оптимального отношения между массой элемента насадки и поверхностью каналов элемента насадки, соприкасающейся с газами, повышение удельной поверхности нагрева этого элемента насадки и эффективности теплообмена. Обеспечивается возможность создания воздухонагревателей с меньшей массой насадки и уменьшенными габаритами. При использовании соотношения (1) расстояние между каналами составляет 13 -^ 15 мм.

Недостатком прототипа является пониженная прочность фиксирующих выступов вследствие уменьшенных расстояний между каналами. Раскрытие изобретения

Задачей создания предложенного элемента насадки является обеспечение повышения прочности фиксирующих выступов.

Задача решена тремя вариантами элемента насадки, прототипом каждого из которых является указанный выше элемент насадки по патенту России 80126.

Для решения поставленной задачи в элементе насадки по первому варианту в виде тела, ограниченного двумя параллельными друг другу поверхностями и несколькими перпендикулярными им боковыми поверхностями, включающем не менее семи сквозных каналов, по крайней мере шесть из которых выполнены диаметром 20 мм, и содержащем по крайней мере одну пару фиксирующих элементов, состоящую из выступа и углубления, расположенных на параллельных друг другу поверхностях вокруг концов одного из сквозных каналов, каждый из сквозных каналов, вокруг концов которого расположены фиксирующие элементы, выполнен диаметром 18 мм.

Для решения поставленной задачи в элементе насадки по второму варианту в виде тела, ограниченного двумя параллельными друг другу поверхностями и несколькими перпендикулярными им боковыми поверхностями, содержащем тридцать семь сквозных каналов, тридцать четыре из которых выполнены диаметром 20 мм, и три пары фиксирующих элементов, каждая из которых состоит из выступа и углубления, расположенных на параллельных друг другу поверхностях вокруг концов одного из сквозных каналов, каждый из трех сквозных каналов, вокруг 90 которого расположены фиксирующие выступ и впадина, выполнен диаметром 18 мм.

Для решения поставленной задачи в элементе насадки по третьему варианту в виде тела, ограниченного двумя параллельными друг другу поверхностями и несколькими перпендикулярными им боковыми 95 поверхностями, содержащем тридцать семь сквозных каналов, тридцать четыре из которых выполнены диаметром 20 мм, и три пары фиксирующих элементов, каждая из которых состоит из выступа и углубления, расположенных на параллельных друг другу поверхностях вокруг концов одного из сквозных каналов, не затрагивая соседних каналов, каждый из трех

100 сквозных каналов, вокруг концов которого расположены фиксирующие элементы, выполнен диаметром 18 мм, при этом каналы с диаметром 20 мм расположены в элементе насадки на расстояниях друг от друга, находящихся в диапазоне от 13 до 15 мм и измеренных по линии, соединяющей центры поперечных сечений соседних каналов, а каналы с диаметром 18 мм

105 расположены в элементе насадки на расстояниях от соседних каналов диаметром 20 мм, находящихся в диапазоне от 16 до 17 мм и измеренных по линии, соединяющей центры поперечных сечений соседних каналов.

Технический результат предложенного элемента насадки по каждому из трех вариантов заключается в обеспечении повышения прочности

ПО фиксирующих выступов. Уменьшенный в сравнении с прототипом диаметр сквозного канала (18 мм вместо 20 мм), вокруг которого расположены фиксирующие выступ и углубление, позволяет соответственно увеличить площадь и массивность выступа, а, значит, и его прочность. Указанный полезный технический результат больше всего значим для третьего варианта

115 элемента насадки, в котором выступ и соответствующее ему углубление не затрагивают сквозных каналов, соседних с каналом, на котором расположены выступ и углубление. При этом выступ занимает ограниченное пространство между соседними сквозными каналами и его массивность увеличивается только за счет уменьшения диаметра канала, вокруг которого расположен

120 этот выступ.

При уменьшении диаметра сквозного канала от 20 до 18 мм площадь и массивность фиксирующего выступа 8 увеличиваются на 20 40 процентов, в зависимости от величины максимального диаметра выступа.

Дополнительным техническим результатом является увеличение срока

125 службы элемента насадки и всей насадки воздухонагревателя. Это связано с истиранием выступов при взаимодействии друг с другом элементов насадки в процессе эксплуатации воздухонагревателя. Взаимодействие обусловлено перемещениями элементов насадки вследствие изменений температурных режимов в насадке.

130 Напряжение, возникающее при взаимном истирании выступа и углубления элемента насадки, пропорционально силе их взаимодействия и обратно пропорционально площади взаимодействия. Площадь взаимодействия пропорциональна поперечной площади выступа и растет с уменьшением диаметра сквозного канала, проходящего через выступ. При

135 одинаковой силе напряжение будет меньше при уменьшении диаметра сквозного канала. Чем меньше напряжение, тем меньше истирание взаимодействующих элементов. Это особенно значимо для выступа, площадь поперечного сечения которого меньше площади поперечного сечения окружающих выступ частей элемента насадки.

140 Чем меньше истирание, тем больше время, требующееся для истирания выступа до предела, при котором происходит его разрушение. Так увеличивается срок службы каждого выступа, элемента насадки с выступами и насадки в целом. Соответственно увеличению массивности и площади поперечного сечения выступа на 20 40 процентов время истирания

145 увеличивается в 1,2 1 4 раза в сравнении с прототипом. При этом срок службы насадки и, соответственно, воздухонагревателя, увеличивается в среднем в 1,3 раза. Краткое описание чертежей

150

Предложенный элемент насадки поясняется чертежами:

фиг.1 -элемент насадки в виде шестиугольной прямой правильной призмы, вид в плане;

фиг.2 - сечение элемента насадки в виде шестиугольной прямой 155 правильной призмы.

Варианты осуществления предложенного элемента насадки

Элемент насадки 1 (фиг.1, 2) представляет собой шестиугольную 160 прямую правильную призму, имеющую первую, верхнюю по чертежу плоскую поверхность 2, параллельную ей вторую, нижнюю по чертежу плоскую поверхность 3 и шесть других, тоже плоских боковых поверхностей 4, перпендикулярных поверхностям 2, 3. В объеме (теле) элемента насадки 1 выполнены тридцать семь сквозных цилиндрических каналов 5 диаметром 20 165 мм, параллельных боковым поверхностям 4. Соседние боковые поверхности 4 элемента насадки 1 расположены относительно друг друга под углом 120 градусов.

На шести боковых поверхностях 4 расположены двадцать четыре полуцилиндрических канала 6, радиус которых одинаков с радиусами

170 цилиндрических каналов 5. Полуцилиндрические каналы 6 параллельны боковым поверхностям 4. Все указанные каналы 5, 6 расположены в элементе насадки 1 на расстояниях t-1 друг от друга. Полуцилиндрические каналы 6, принадлежащие соседним элементам насадки, размещенным в одном слое насадки воздухонагревателя, образуют цилиндрические каналы

175 для прохода газов (на чертежах не показано).

На первой и второй поверхностях 2, 3 элемента насадки 1 выполнены фиксирующие углубления 7 и выступы 8, имеющие цилиндрическое поперечное сечение и конический уклон, размещенные вокруг трех цилиндрических каналов 9, 10, И симметрично относительно центра

180 поверхности 2. углубления 7 расположены на верхней поверхности 2 элемента насадки, а выступы 8— на нижней поверхности 3. Выступ и углубление, расположенные на концах одного и того же сквозного канала, составляют пару фиксирующих элементов. Расположение фиксирующих элементов обеспечивает требуемую фиксацию элементов насадки 1

185 относительно друг друга при составлении из них насадки воздухонагревателя. Фиксацией элементов насадки 1 друг с другом достигается пространственное совпадение между собой цилиндрических и полуцилиндрических каналов 5, 6 элементов насадки, располагаемых в соседних слоях насадки воздухонагревателя (на чертежах не показано), и

190 формирование каналов прохода газа в объеме насадки.

Три цилиндрических канала 9, 10, 11, вокруг которых расположены выступы 8 и углубления 7, имеют диаметры 18 мм.

Элемент насадки 1 имеет высоту L (фиг.2), равную расстоянию между параллельными друг другу поверхностями 2 и 3 элемента, определенному

195 перпендикулярно этим поверхностям. Высота L элементов насадки по фигурам 1, 2, 3 и 4 может находиться в пределах от 40 до 180 мм, например, 80 мм или 120 мм.

В конструкции элемента насадки 1 (фиг.1, 2) каналы 5, 6 диаметром 20 мм расположены относительно друг друга на расстояниях t-1, находящихся в

200 диапазоне 13 ^- 15 мм. Каналы 9, 10 и 11 диаметром 18 мм расположены относительно каналов 5 диаметром 20 мм на расстояниях t-2, равных 16 17 мм. Расстояния t-1 и t-2 между соседними каналами измеряются по линии, соединяющей центры поперечных сечений соседних каналов.

Показанные на фиг.1, 2 фиксирующие выступы 8 и углубления 7

205 расположены вокруг сквозных каналов 9 - 11 диаметром 18 мм так, что выступы и углубления не затрагивают соседних каналов 5 диаметром 20 мм. В других исполнениях выступы 8 и углубления 7 могут иметь такие размеры поперечного сечения, что они затрагивают соседние каналы 5 диаметром 20 мм (на чертеже не показано). Боковые каналы 6 могут отсутствовать, 210 например, в периферических элементах насадки, примыкающих к стенкам воздухонагревателя (на чертежах не показано).

Сквозные каналы 5, 6, 9, 10, 11 могут быть выполнены конической формы (на чертежах не показано). В частности, коническая форма указанных каналов определяется технологией изготовления элементов насадки. При 215 конической форме сквозных каналов их диаметр определяется как средний диаметр по высоте.

Элемент насадки по фиг.1, 2 правильной шестиугольной формы с тридцатью семью сквозными каналами представляет устройство по второму и третьему вариантам. Элемент насадки по первому варианту может 220 содержать меньше или больше сквозных каналов, чем элемент насадки, показанный на фиг.1 и 2, а также может иметь другую форму в плане, например, прямоугольную или неправильную многоугольную (на чертежах не показано).

Элемент насадки может быть изготовлен из природной или 225 синтетической глины, неолита, кордиерита, глинозема, циркониевого ангидрида, кремнезема или их смесей, а также из чугуна, стали, сплавов алюминия и других металлов и сплавов, обладающих достаточно высокой температурой плавления. Воздухонагреватели с металлическими элементами насадки позволяют нагревать воздух до 450-600°С, воздухонагреватели с 230 керамической насадкой - до 900-1200°С и более. Воздухонагреватель для доменной печи с керамическими элементами насадки может содержать более трехсот тысяч элементов насадки, иметь общую высоту до 25 метров и вес до 2500 тонн. Работа при больших значениях температуры и давления предъявляет особо повышенные требования к прочности элементов насадки 235 и их фиксирующих элементов. Промышленная применимость

240

Элементы насадки 1 работают следующим образом. Через уложенные в насадке воздухонагревателя элементы насадки 1 в одном цикле работы воздухонагревателя пропускают нагретый до соответствующей температуры газ (продукты горения). Проходя через каналы 5, 6, 9, 10 и 11, газ отдает

245 тепло каждому элементу насадки. В другом цикле работы воздухонагревателя через каналы 5, 6, 9, 10 и 11 пропускают нагреваемый газ (воздух), который отбирает тепло от каждого элемента насадки при соприкосновении с поверхностями каналов. При этом фиксирующие выступы 8, более прочные в сравнении с прототипом вследствие

250 увеличенных размеров, обеспечивают повышенную надежность работы воздухонагревателя.