顶燃式热风炉受力分析及格子砖优化研究

发布时间：2020-07-06 13:20

【摘要】：长寿、高效、节能和环保是衡量热风炉设计水平的重要指标,随着高炉大型化的不断发展,热风炉作为高炉的送风设备,更高的设计风温以及更高的工作压力也带来了更多的安全隐患,热风炉系统各类安全问题时有发生。因此,对热风炉的受力与变形、格子砖的结构优化进行研究十分必要。本文针对前人研究存在的不足之处及实际热风炉破损情况,对目前使用的两种典型热风炉本体炉壳、热风支管及热风总管管壳及热风炉本体耐火内衬的受力及变形进行了较为详细的研究,通过分析其各向应力、应变与位移分量,研究各处变形发生的机理,并对影响蓄热室格子砖换热的因素进行分析,为热风炉设计、操作中有针对性的降低各处受力、变形及提高风温奠定基础。以上研究为热风炉的长寿及高效设计、操作及维护奠定了坚实的理论基础。(1)建立了包含热风炉预燃室、燃烧室、蓄热室、热风支管、热风总管、热风阀、拉杆、波纹补偿器在内的两种典型顶燃式热风炉及管道炉壳热弹塑性应力数学物理模型,并将计算结果与现场实际测量数据进行对照,计算结果与测试结果基本吻合,验证了模型的准确性。(2)通过对A型热风炉及管道系统进行数值模拟分析,计算了盲板力作用下热风炉本体、总管及支管钢壳的应力及位移分布。在盲板力作用下,热风炉炉壳及热风总管发生不同程度的伸长及弯曲变形,导致支管两端扭曲变形,引发不同程度应力集中,热风出口上部、下部发生塑性应变。(3)研究了在燃烧期与送风期的循环工作过程中热风炉本体、总管及支管钢壳反复变形。A型热风炉本体炉壳反复升高、降低并靠近、远离热风总管,热风支管反复伸长或缩短,热风总管反复的靠近、远离热风炉本体,各支管补偿器随支管反复伸长或缩短,总管补偿器长度变化很小。(4)对含4座热风炉的B型热风炉及管道系统进行了数值模拟分析,研究了不同管道布局、操作制度以及主要设计、操作参数对炉壳受力、变形的影响,并与A型热风炉进行比较。B型热风炉本体炉壳受力与A型热风炉相似,但管道变形存在差异。在燃烧期与送风期的循环工作过程中,B型4座热风炉分别位于总管两侧,热风总管基本保持在总管中轴线附近;A型热风炉位于总管同侧,总管有明显远离热风炉的趋势。此外,B型热风炉同侧交替工作状态下热风总管位移比相对交替状态下小,但各补偿器长度变化较大。(5)建立了 B型顶燃式热风炉耐火内衬热弹性应力数学物理模型,对耐火材料在高温及耐火砖自身重力因素的作用下受力及变形进行研究分析,并与热风炉炉壳受力变形状态相结合,分析了热风炉耐火材料及炉壳间的相互作用。计算不同载荷下的热风炉本体内衬变形情况,发现热风炉内衬发生损坏可能性较高的区域有两处:在热风出口上部,耐火材料沿内衬圆周方向受拉、伸长,内衬较易松动,导致无法承受上方砖重;热风出口以上、燃烧室锥段下部,内衬向外扩张最明显,沿圆周方向受拉、伸长,内衬圆周方向极有可能松动或出现缝隙,这一结论与实际热风炉破损相符。(6)建立了蓄热室格子砖二维传热数学模型,提出了最优混风量的计算方法,得到了最优混风量。随着活面积的增大,风温升高,当活面积超过临界值时,高温区向下扩展,送风期温降加快,所需最优混风量增大,风温降低。随着格孔直径的减小、导热系数的升高、比热容的减小、当单位体积风量消耗的燃气减小、CO浓度的减小、预热温度的降低、空气过剩系数的降低,最优活面积逐渐减小。另外,随着空气过剩系数的升高,最高送风温度呈先增大,后减小的趋势,存在最合适的空气过剩系数。
【学位授予单位】：北京科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TF578
【图文】：

逦顶燃式热风炉受力分析及格子砖优化研宄逦逡逑过程以及改进煤气、空气通道结构，使煤气在空气过剩系数较低的条件下可逡逑以充分燃烧；二、改善蓄热室的气流分布，加强气体和格子砖之间的热交换；逡逑三、对热风炉结构进行改进，延长热风炉使用寿命。逡逑

图２－２各种送风制度的时间分配逡逑生产实践表明，当热风炉其它条件相同时，工作周期或送风制度的改变逡逑都会影响热风温度和热风炉热效率［１７］—［１９］，图２－２为热风炉常见的各种操作逡逑制度。逡逑（２）燃烧制度逡逑选择合理的燃烧操作制度对提高热风温度非常重要。热风炉的合理燃烧逡逑有三点要求：一是单位时间燃烧的煤气量大；二是燃烧完全；三是热损失最逡逑小［２＆｜。燃烧操作制度一般有普通燃烧和快速燃烧两种基本燃烧制度。普通燃逡逑烧是在整个燃烧期内，拱顶温度逐步升高，需要很长时间才能达到设定的拱逡逑顶温度，蓄热时间较短，而且煤气燃烧不完全，热效率降低，因此，这种燃逡逑烧显然是不合理的。热风炉的快速燃烧制度早在五十年代初就广泛推行了，逡逑快速燃烧主要是以较小的助燃空气量促使拱顶温度尽快升高，拱顶温度达到逡逑设定值后进入蓄热期。快速燃烧制度一般有以下两种操作方法：（１）固定空逡逑气量，调节煤气量。在整个燃烧期内，空气量始终不变，用调节煤气量的方逡逑－８－逡逑

等［２８］建议开发新型格子砖，通过减小格孔直径来达到增加格子砖蓄热面积的逡逑目的。格子砖的开发是高风温热风炉设计的重要课题之一［２９］。常见格子砖的逡逑砖型如图２－３所示。逡逑ｍｍｍ逡逑ＴＯＴ逡逑图２－３常见格子砖的砖型逡逑热风炉在一定送风周期条件下，格子砖应有一个合适的换热面积与砖重逡逑的比值。单位体积换热面积保证在单位时间内格子砖和流体之间具有足够的逡逑热交换面积，单位体积的格子砖重保证有充足的热量存储。郑州安耐克实业逡逑有限公司成功研制了几种典型的小格孔高效蜂窝格子砖［３Ｇ］。随着格孔直径的逡逑减小，格子砖各项热工特性逐渐改善。但是在实际生产过程中，由于热风炉逡逑上部格子砖长期处于高温状态，同时受到从炉顶、火道以及高炉煤气中粉尘逡逑的侵蚀，格子砖容易局部渣化，格孔直径过小容易导致格子砖发生堵塞［３１］。逡逑郑州豫兴耐火材料有限公司开发了格孔互通的均压均流格子砖，改变了蓄热逡逑体的结构，使蓄热体内的气流分布分布更加均匀，从而有效的提高了蓄热体逡逑的通气率和利用率

本文编号：2743688