RU120025U1 - Система охлаждения металлургических агрегатов - Google Patents

Abstract

1. Система охлаждения металлургических агрегатов, включающая баки, насосы для перемещения воды, отверстия в охлаждаемом агрегате и трубопроводы, образующие замкнутый контур циркуляции воды, отличающаяся тем, что на части длины трубопроводов они расположены в теплообменном аппарате, соединенном с вентиляторными установками для подачи в него воздуха и отвода нагретого воздуха. ! 2. Система охлаждения металлургических агрегатов по п.1, отличающаяся тем, что трубопроводы, расположенные в теплообменном аппарате, разделены на ряд каналов малого сечения, снабженных наружными ребрами.

Description

Полезная модель относится к металлургической промышленности. В металлургии широко используются металлургические агрегаты, которые необходимо охлаждать в процессе их эксплуатации, например печи, кристаллизаторы установок непрерывной разливки металлов, ролики систем вторичного охлаждения, валки прокатных станов и литейно-прокатных валковых агрегатов.

Для таких валков тепловые потоки достигают при разливке стали 5-6 МВт/м² и отвод таких количеств тепла является сложной задачей. Известны системы охлаждения, включающие гильзу кристаллизатора с продольными и поперечными ребрами на ее наружной поверхности, см. А.С. СССР №835614, МПК В22Д, 11/04. Кристаллизатор для непрерывной разливки металлов. В.Е.Гирский. Открытия. Изобретения 1961. №21. С.54.

Ребра на охлаждаемой поверхности образуют прямоугольные ячейки и напротив каждой такой ячейки расположены форсунки (сопла) для подачи воды. Однако, расход воды при этом весьма значителен, например, для непрерывного литья стального слитка сечением 200×200 мм требуется 80-100 м³/час воды, а для стального слитка сечением 200×2000 мм 440÷550 м³/час.

Вода нагревается за время движения через охлаждаемый агрегат, в данном случае через кристаллизатор, всего на 4-8°C, т.е. используется весьма неэффективно.

Уменьшение расхода воды может привести к ее локальному кипению у охлаждаемых поверхностей, что приводит к быстрому отложению слоя солей-накипи. Это приводит к сильному нагреванию деталей кристаллизатора за счет уменьшения теплового потока и выходу их из строя. Осуществление химической очистки воды таких объемов требует громадных затрат и практически неосуществимо.

Ближайшим аналогом данной полезной модели является система охлаждения, описанная в монографии: Бровман М.Я. Кристаллизаторы установок непрерывного литья металлов. Москва. Теплотехник. 2011. 425 с.

Система включает, (см. стр.308-310 указанной монографии), насос, бак для охлаждающей жидкости - воды и замкнутую систему трубопроводов, часть труб которой находится внутри теплообменного аппарата, в который подают охлаждающую воду из системы водоснабжения, а после се нагрева - удаляют в градирни для охлаждения. Такая система имеет ряд преимуществ, главное из которых то, что через охлаждаемый агрегат, (в данном примере - через кристаллизатор), циркулирует постоянный, нерасходуемый объем воды. Такой ограниченный объем воды легко можно очистить от всех примесей, добавить в воду полимеры, снижающие гидравлическое сопротивление, (за счет, так называемого «эффекта Томса» см. указанную монографию, (стр.309): малые добавки полиокса позволяют уменьшить гидравлическое сопротивление на 50%). Это допустимо, поскольку этот объем воды постоянен, его расход равен нулю, (если конечно нет утечек в трубопроводах или самом охлаждаемом агрегате). Однако, имеется расход воды во вторичном контуре, т.е. в воде, которая необходима для охлаждения нагретой воды, циркулирующей по первичному, замкнутому контуру. С этим объемом воды имеют место затруднения и из-за загрязнения в градирне, и из-за появления отложения солей на внутренних поверхностях трубы.

Данная полезная модель имеет целью обеспечить решение технической задачи - существенно уменьшить расход воды для охлаждения металлургических агрегатов, в ряде случаев уменьшить расход воды до нуля.

Данная техническая задача решается за счет того, что в системе охлаждения, включающей баки, насосы для перемещения воды, отверстия в охлаждаемом агрегате и трубопроводы, образующие замкнутый контур, на части длины трубопроводы расположены в теплообменном аппарате, соединенным с вентиляторными установками для подачи в него воздуха и отвода нагретого воздуха.

Кроме того, трубопроводы для воды, расположенные в теплообменном аппарате, разделены на ряд каналов малого сечения, снабженных наружными ребрами.

Именно указанные отличительные признаки обеспечивают решение поставленной технической задачи, поскольку в замкнутом контуре трубопроводов циркулирует постоянный, нерасходуемый объем воды, а сама эта вода охлаждается воздухом, подаваемым вентиляторными установками в теплообменный аппарат, поэтому расход воды, (расходуемый на охлаждение агрегата), равен нулю.

Система охлаждения иллюстрируется Фиг 1 и Фиг 2, при этом на фиг.1 показана схема охлаждения кристаллизатора установки непрерывной разливки металлов; а на фиг.2 - схема охлаждения валка - кристаллизатора установки непрерывного литья тонких листов, в которой два валка являются и кристаллизатором, и деформирующим инструментом.

Приняты следующие обозначения: бак для воды 1 соединен с кристаллизатором 2 и трубой 3 с теплообменным узлом 4, где вода проходит по системе труб 5. С этим же узлом соединены вентиляционные агрегаты 6, 7.

Трубы 8 обеспечивают отвод охлажденной воды, а труба 9 - отвод нагретого газа. Насос 10 обеспечивает движение воды по замкнутому контуру.

При охлаждении валков 11 с бандажами 12 на осях валков предусмотрены винтовые пазы 13 для движения воды, которая затем отводится по осевым каналам 14.

Устройство работает следующим образом. Из бака 1 вода поступает в кристаллизатор 2, а отводится из него через трубу 3 в теплообменный узел 4, представляющий из себя корпус, в котором расположена система труб 5, в которые подают нагретую воду, поступающую из кристаллизатора. В этот же корпус нагнетают воздух с помощью вентиляторных установок 6 и 7, так что воздух циркулирует, как показано пунктиром на фиг.1, омывая трубы, по которым течет вода и за счет теплообмена вода охлаждается, а воздух нагревается. Охлажденная вода отводится из теплообменного узла 4 по трубе 8 насосом, а нагретый воздух по трубе 9 подается либо в агрегат утилизации тепла, (например, в систему отопления зданий), либо в атмосферу. Движение воды обеспечивается насосом 10, который перемещает воду по всему контуру: бак 1 - кристаллизатор 2, труба 3; система труб 5 теплообменного аппарата 4 и далее труба 8 и вновь к насосу 10 и баку 1.

В теплообменном аппарате 4 трубы 5 выполнены так, что поток воды разделен на ряд каналов (труб) малого сечения, которые снабжены наружными ребрами для интенсификации их охлаждения воздухом, подаваемым вентиляторными установками 6 и 7.

Можно, конечно, использовать не один насос для воды, а несколько, расположив их на различных участках замкнутого трубопровода. Используется «нерасходуемая система», т.к. «расхода» воды в процессе эксплуатации установки непрерывного литья фактически нет. Одно и то же количество воды циркулирует по замкнутому контуру через один или несколько, соединенных последовательно, кристаллизаторов, поэтому нет потерь воды, (если, конечно, нет утечек).

Таким образом, обеспечивается решение важной задачи - предотвращение появления слоя солей, («накипи»), на поверхностях каналов для подачи воды: известно, что слой накипи толщиной 1,5÷2,0 мм может уменьшить тепловой поток в 1,8-2,0 раза и привести к чрезмерному нагреву медных стенок кристаллизатора и их выходу из строя.

В каналах внутри кристаллизатора 2 используются турбулизаторы в виде выступов, диафрагм, винтовой нарезки - для круглых каналов, с целью обеспечить перемешивание воды и усреднение температуры по толщине потока.

На фиг.2 показана система охлаждения другого вида изделий металлургического агрегата - двухвалковой установки непрерывного литья - прокатки тонких листов. На таких агрегатах получают листы толщиной 1-4 мм и тепловые потоки очень велики: например, при литье стальных слитков удельные тепловые потоки достигают 5÷6 мВт/м². Воду для охлаждения валка - кристаллизатора 11 с бандажом 12 подают вдоль оси и далее в винтовой канал 13 на поверхности оси. Таким образом, мы обеспечиваем приближение охладителя - воды к поверхности нагрева - наружной поверхности бандажа 12. Нагретая вода удаляется по осевому каналу 14. Далее эта вода по трубе 3 подается в теплообменный агрегат 4, где проходит по трубам 5, где охлаждается потоками воздуха от вентиляционных агрегатов 6, 7, (см. фиг.2). Охлажденная вода по трубе 8 подается к насосу 10 и вновь в бак 1, а нагретый воздух отводят по трубе 9.

В качестве теплообменного узла 5 можно использовать пластинчато-ребристые теплообменники (ПРТ), применяемые при давлении газа (воздуха) до 5 мПа, см. П.И.Пластинин. Поршневые компрессоры. Том 1. М.: Колос. 2000. 456 с.

Более высокие давления воздуха, чем 5 мПа использовать нецелесообразно т.к. это усложняет оборудование, вынуждает увеличивать его массу. Желательно применять давление до 1÷2 мПа. Пластинчато-ребристые теплообменники выпускают в виде набора унифицированных блоков с общими коллекторами подвода и отвода воздуха, подаваемого вентиляторами. Число секций, блоков определяется необходимой площадью теплообмена, что облегчает проектирование систем охлаждения. Воздух проходит через каналы омывая их стенки и ребра, при этом тепло от воды через эти стенки и ребра передается к воздуху (эти теплообменники применяют в компрессорах, где водой охлаждают нагретый воздух, в отличие от нашей задачи: воздухом охлаждать воду).

Удельный тепловой поток в кристаллизаторах установок непрерывного литья стали достигает 2,0÷2,4 мВт/м² в районе мениска жидкого металла, а далее по длине кристаллизатора тепловой поток уменьшается до 0,4÷0,6 мВт/м², см. Бровман М.Я. «Кристаллизаторы установок непрерывного литья металлов». Москва. Теплотехник. 2011. 425 с. (стр.112-114).

С удалением от мениска тепловой поток быстро уменьшается. Приведем в качестве примера литье стального сляба сечением 200×2000 мм в кристаллизаторе длиной 1000 мм при среднем тепловом потоке q=1,4 мВт/м².

Очевидно, что при контактной площади слитка с кристаллизатором 2(0,2+2)·1=4,4 м² тепловой поток от слитка к кристаллизатору составит Q=l,4·4,4=6,16 мВт и для обеспечения стационарного распределения температуры такое же количество тепла должно быть отведено охлаждающей водой. Если расход воды (в час) А м³/час, и ее начальная температура t_во, то имеем:

,

где C_в - теплоемкость воды,

ρ_в - ее плотность,

t - конечная («на выходе» из кристаллизатора) температура воды.

При , , , t_во=20°C

,

Следовательно, расход воды 500 м³/час (0,139 м³/с) обеспечит теплоотвод данного количества тепла от кристаллизатора при нагреве воды на ~11°C (от 20°C до 31°C).

Ниже приведены температуры воды при различных величинах ее расхода.

Таблица 1.
Величины нагрева воды в кристаллизаторе.
Расход воды А м3/час	50	100	150	200	300	400	500	600
Δt-температура нагрева воды	106	53	35	26,4	17,6	13	11	9
t - конечная температура воды (при tво=20°C)	126	73	55	46,4	37,6	33	31	29

Конечно, это средние величины нагрева, при этом уменьшение расхода воды менее 100 м³/час приведет к ее интенсивному кипению.

При A>100 м³/час может произойти локальное кипение узкого слоя охлаждающей воды у стенки канала (для подачи воды), через которую поступает тепловой поток.

В известных системах охлаждения такое локальное кипение приводит к интенсивному выделению солей (накипи), что резко снижает тепловой поток и еще более увеличивает температуру нагрева медных листов кристаллизатора и может привести к их выходу из строя ввиду термических напряжений (и уменьшения пределов прочности и текучести при нагреве).

Но в предлагаемой конструкции эти отрицательные факторы исключаются, поскольку через кристаллизатор циркулирует ограниченный, постоянный («нерасходуемый») объем воды. Такой объем воды содержит незначительное количество солей, к тому же эту воду легко обработать, удалив ее нежелательные примеси.

Для интенсивного перемешивания воды и усреднения температуры целесообразно в отверстиях для воды, выполненных в кристаллизаторе, предусматривать турбулизаторы - в виде винтовой нарезки (в круглых каналах), выступов, диафрагм (в прямоугольных каналах) и т.д. см. стр.291-195 монографии М.Я.Бровмана Кристаллизаторы установок непрерывного литья металлов. М.: Теплотехник. 2011).

Исходя из изложенного, можно принять для данного примера, (т.е. для литья сляба из стали сечением 200×2000 мм), расход воды 100÷150 м³/час, что обеспечит экономичный расход (уменьшение расхода воды в 2,0-2,5 раза по сравнению с действующими установками) при нагреве воды до 53°C за время ее прохождения через кристаллизатор).

При этом будет отведено (при нагреве на 53°C), количество тепла, равное C_вρ_вΔt=4,2·10³·10³·53=222,6 мДж/м³ и при расходе 100 м³/час: 2,23·10⁴ мДж/час. Понятно, что такое же количество тепловой энергии: Q=22,3 ГДж/час надо передать за счет теплообмена в агрегате 4 (фиг 1) охлаждающему воздуху.

Это тепло при расходе газа (воздуха) «B», его теплоемкости «C₀» и плотности ρ₀ составит:

При C₀=1000 Дж/кГ·гр, ρ=1,293 кГ/м³ (см. Н.И.Кошкин, М.Г.Ширкевич. Справочник по элементарной физике. М.: Наука. 1980. стр.35) и Δt₀=50°C.

С учетом необходимого «запаса» следует вывод, что вентиляционные установки 6, 7 (фиг.1) должны обеспечить при расходе воды 100 м³/час расход воздуха 450-500 тысяч м³/час.

Такие установки могут быть созданы без особых трудностей: так называемые тяго-дутьевые агрегаты, используются в металлургии, например, агрегаты типа Д1, предназначенные для работы совместно с обжиговыми машинами, см. В.И.Бессараб, Н.М.Флакс, Г.И. Пилинский, Ю.А.Дубинин «Пути совершенствования тяго-дутьевых средств обжиговых конвейерных машин ОК-108». В сб. Металлургическое машиноведение и ремонт оборудования, вып.6. М.: Металлургия. 1979. С.43-44.

Установка Д1 с вентиляторами ВС 160/850У имеет производительность 500 тысяч м³ в час при температуре газов до 200°C, что вполне удовлетворяет требованиям, предъявляемым к металлургическим агрегатам, в частности, к установкам непрерывного литья металлов. Один вентиляционный агрегат может обеспечить охлаждение воды, циркулирующей по замкнутому контуру через кристаллизатор, а второй - охлаждение воды циркулирующий через ролики системы вторичного охлаждения. (Целесообразно подавать ее последовательно через 4-10 роликов без расхода воды из этого контура) с охлаждением нагретой воды в теплообменном аппарате с вентиляционной системой подачи газа. Количество же воды, подаваемой непосредственно на слиток надо сокращать, (пока сохранив ее только для охлаждения слитка в зоне под кристаллизатором), а в дальнейшем следует стремиться только к охлаждению без контакта воды со слитком (и без ее загрязнения окалиной, маслом и т.д.).

Для охлаждения валка литейно-прокатного агрегата, Фиг.2 требуется подвести количество воды A м³/час, где

A·ρ_в·C_вΔt=Q,

Q - количество тепловой энергии выделяемое за один час.

Для примера рассмотрим литье стального листа толщиной h=4 мм, шириной в=1 м со скоростью V=10 м/мин. За одну минуту, если лист имеет после затвердевания и прокатки температуру t₁=-1000°C, а до затвердевания t₂=1520°C, выделится количество тепла

где С, ρ - теплоемкость и плотность стали, L=2,68·10⁵ Дж/кг - скрытая теплота затвердевания.

При ρ_в=10³ кг/м³, С_в=4200 Дж/кг·гр и приняв температуру нагрева воды Δt=50°C получим

Примем с запасом 1,5 величину А=65 м³/час, но это количество воды надо распределить на два валка. Можно пропускать воду последовательно через один, а потом через второй валок.

Для отвода этого же количества тепла от воды к воздуху необходим расход воздуха

В=141 тыс. м³/час.

При таких величинах расхода воды (40-65 м³/час) и воздуха (141-200) тыс. м³/час будет обеспечен устойчивый теплоотвод от затвердевающей стали и охлаждаемого слитка: сначала к воде, (к ее нерасходуемому объему, циркулирующему по замкнутому контуру), а затем от воды к воздуху. Система может быть использована для кристаллизаторов, прокатных валков, роликов рольгангов, деталей печного оборудования и других агрегатов.

Особенно значительные преимущества обеспечивает применение этой системы в районах, где имеет место нехватка водных ресурсов.

Использование системы позволяет сократить расход воды на охлаждение ряда агрегатов до нуля.

Claims (2)

1. Система охлаждения металлургических агрегатов, включающая баки, насосы для перемещения воды, отверстия в охлаждаемом агрегате и трубопроводы, образующие замкнутый контур циркуляции воды, отличающаяся тем, что на части длины трубопроводов они расположены в теплообменном аппарате, соединенном с вентиляторными установками для подачи в него воздуха и отвода нагретого воздуха.

2. Система охлаждения металлургических агрегатов по п.1, отличающаяся тем, что трубопроводы, расположенные в теплообменном аппарате, разделены на ряд каналов малого сечения, снабженных наружными ребрами.