СИСТЕМА ОХЛАЖДЕНИЯ МЕТАЛЛУРГИЧЕСКОГО АГРЕГАТА
MELTING FACILITY COOLING SYSTEM

Изобретение относится к черной металлургии и может быть использовано для охлаждения металлургических агрегатов, например доменных печей, нагревательных печей толкательного типа.
Наиболее близким по совокупности признаков к заявляемому объекту является, выбранная в качестве прототипа, система охлаждения доменной печи, содержащая секции охлаждения, каждая из которых состоит из охлаждаемых зон, которые соединены с подводящими и отводящими коллекторами, циркуляционный насос, соединенный всасывающим магистральным трубопроводом с баком и напорным магистральным трубопроводом с подводящими коллекторами зон охлаждения. Отводящие коллекторы каждой зоны охлаждения соединены с отводящими трубопроводами. Эта система охлаждения доменной печи оборудована сборным коллектором нижней зоны охлаждения и сборным коллектором верхней зоны охлаждения. При этом сборный коллектор нижней зоны охлаждения соединен отводящим трубопроводом с подводящим коллектором верхней зоны охлаждения. Сборный коллектор верхней зоны охлаждения соединен всасывающим магистральным трубопроводом через циркуляционный насос с напорным магистральным трубопроводом. Система также оборудована баком, который расположен выше отводящих коллекторов верхней зоны охлаждения и соединен со всасывающим магистральным трубопроводом; теплообменником, который установлен на всасывающем магистральном трубопроводе; устройством для подпитки воды, соединенным электроавтоматикой с датчиком уровня воды в баке; устройством для создания повышенного давления газа в баке (патент UA №76652, МПК С21В 7/10, опубл. 15.08.2006, Бюл. №8, 2006).
У заявляемой системы охлаждения металлургического агрегата и выбранного прототипа совпадают такие существенные признаки. Обе системы содержат охлаждаемую секцию, состоящую из зон охлаждения с охлаждаемыми элементами, которые соединены с подводящими и отводящими коллекторами; бак, который расположен выше отводящих коллекторов; циркуляционный насос, соединенный всасывающим магистральным трубопроводом с баком и напорным магистральным трубопроводом с подводящими коллекторами зон охлаждения; отводящие трубопроводы, соединенные с отводящими коллекторами каждой зоны охлаждения; устройство для подпитки воды в системе охлаждения, соединенное электроавтоматикой с датчиком уровня воды в баке; устройство для создания повышенного давления газа в баке и теплообменник.
Анализ технических свойств прототипа, обусловленных его признаками, показывает, что получению ожидаемого нового технического результата при использовании прототипа препятствуют такие причины. Охлаждение металлургического агрегата недостаточно надежно и эффективно из-за того, что температура охлаждающей воды, которая подается в каждую зону охлаждения каждой охлаждаемой секции, неодинакова. В каждую последующую зону охлаждения данной охлаждаемой секции подается вода уже нагретая в предыдущей зоне охлаждения, из-за чего, при нарушении работы в одной зоне охлаждения, нарушается работа всей системы охлаждения металлургического агрегата. При этом расход охлаждающей воды в каждой охлаждаемой зоне при последовательном прохождении водой всех охлаждаемых зон одинаков, что затрудняет обеспечение эффективного охлаждения зон, находящихся в разных температурных условиях. Кроме того, при выходе из строя циркуляционного насоса система охлаждения в аварийном режиме не работает, а образование в охлаждаемых элементах паров воды может привести к разрушению всей системы охлаждения металлургического агрегата.
В основу заявляемого объекта поставлена техническая задача создать такую систему охлаждения металлургического агрегата, в которой усовершенствования путем введения новых элементов и новых связей между элементами позволяют при использовании заявляемого объекта обеспечить достижение технического результата, заключающегося в повышении надежности и эффективности охлаждения металлургического агрегата.
Заявляемая система охлаждения металлургического агрегата содержит охлаждаемую секцию, состоящую из зон охлаждения с охлаждаемыми элементами, которые соединены с подводящими и отводящими коллекторами, бак, расположенный выше отводящих коллекторов, циркуляционный насос, всасывающий и напорный магистральные трубопроводы, общий подводящий трубопровод, отводящие трубопроводы, соединенные с отводящими коллекторами каждой зоны охлаждения, устройство для подпитки воды в системе охлаждения, соединенное электроавтоматикой с датчиком уровня воды в баке, устройство для создания повышенного давления газа в баке и теплообменник. Отличительной особенностью заявляемой системы охлаждения металлургического агрегата является следующее. Заявляемая система охлаждения металлургического агрегата снабжена общим раздающим коллектором, выполненным из всасывающего и напорного участков, разделенных запорной арматурой, трубопроводом технической воды резервного назначения и сливными желобами. Причем всасывающий участок общего раздающего коллектора соединен всасывающим магистральным трубопроводом с циркуляционным насосом и общим подводящим трубопроводом с баком, а напорный участок общего раздающего коллектора соединен с напорным магистральным трубопроводом, с подводящими коллекторами каждой зоны охлаждения и через запорную арматуру с трубопроводом технической воды резервного назначения. При этом отводящие коллекторы каждой зоны охлаждения соединены через запорную арматуру со сливными желобами и отводящими трубопроводами с баком, а выходы отводящих трубопроводов расположены выше уровня воды в баке, который снабжен патрубком для выпуска пара с установленной на нем запорной арматурой.
В отдельных случаях выполнения система охлаждения металлургического агрегата характеризуется тем, что:
- уровень воды в баке определен из условия обеспечения заданной продолжительности работы системы в аварийном режиме с использованием испарительного охлаждения с естественной циркуляцией;
- теплообменник установлен на напорном магистральном трубопроводе.
При использовании заявляемого объекта обеспечивается достижение технического результата, заключающегося в повышении надежности и эффективности охлаждения металлургического агрегата.
Между совокупностью существенных признаков заявляемого объекта и достигаемым техническим результатом имеется такая причинно-следственная связь. Снабжение системы охлаждения металлургического агрегата общим раздающим коллектором, выполненным из всасывающего и напорного участков, разделенных запорной арматурой, соединение всасывающего участка всасывающим магистральным трубопроводом с циркуляционным насосом и общим подводящим трубопроводом с баком, соединение напорного участка с напорным магистральным трубопроводом и с подводящими коллекторами каждой зоны охлаждения, соединение отводящих коллекторов каждой зоны охлаждения с баком отводящими трубопроводами, выходы которых расположены выше уровня воды в баке, обеспечивает параллельную (а не последовательную) подачу охлажденной в теплообменнике воды ко всем зонам охлаждения и выравнивание давления и температуры охлаждающей воды, поступившей в бак через отводящие трубопроводы от всех охлаждаемых зон, перед новым циклом подачи воды из бака в общий раздающий коллектор. При этом температура охлаждающей воды, которая подается в каждую зону охлаждения охлаждаемой секции, будет одинакова, и нарушение работы в одной зоне охлаждения не будет нарушать работу всей системы охлаждения металлургического агрегата. Кроме того, при параллельном прохождении водой всех охлаждаемых зон можно задавать разный расход охлаждающей воды в каждой охлаждаемой зоне, что облегчает обеспечение эффективного охлаждения зон, находящихся в разных температурных условиях.
Разделение общего раздающего коллектора запорной арматурой на всасывающий участок и напорный участок, при этом всасывающий участок соединен с циркуляционным насосом и баком, а напорный участок соединен с напорным магистральным трубопроводом и с подводящими коллекторами каждой зоны охлаждения; снабжение бака патрубком для выпуска пара с установленной на нем запорной арматурой обеспечивает возможность работы системы в аварийном режиме с использованием испарительного охлаждения с естественной циркуляцией при обесточивании системы (отключении электроснабжения циркуляционного насоса) путем возвращения в бак образовавшейся в охлаждаемых элементах пароводяной смеси за счет разности удельного веса воды и удельного веса пароводяной смеси, отвода пара из бака и возвращения воды самотеком с высоты расположения бака в охлаждаемые элементы.
Снабжение системы охлаждения трубопроводом технической воды резервного назначения, соединенным через запорную арматуру с напорным участком общего раздающего коллектора, и соединение отводящих коллекторов каждой зоны охлаждения через запорную арматуру со сливными желобами обеспечивает возможность выборочного охлаждения секций металлургического агрегата технической водой при отсутствии химически очищенной воды или в случае технологической необходимости, или при аварийном охлаждении после исчерпания запаса химически очищенной воды в баке.
3
Необходимый уровень аварийного запаса химически очищенной воды в баке определяют из условия обеспечения заданной продолжительности работы системы в аварийном режиме с использованием испарительного охлаждения с естественной циркуляцией. Например, для обеспечения охлаждения в аварийном режиме одной секции доменной печи №3 ОАО «ЕМЗ» с использованием испарительного охлаждения с естественной циркуляцией в течение двух часов расчетный объем воды в баке составляет около 20 м.
Установка теплообменника на напорном магистральном трубопроводе (а не на отводящем магистральном трубопроводе) обеспечивает снижение рабочего давления в баке, что способствует уменьшению металлоемкости бака, повышению безопасности работы системы и уменьшению насыщения охлаждающей воды газом в баке.
Сущность заявляемого объекта поясняется графическим материалом, на котором изображена принципиальная схема системы охлаждения такого металлургического агрегата, как доменная печь, с изображением четырех зон охлаждения одной из охлаждаемых секций доменной печи.
На представленной принципиальной схеме системы охлаждения доменной печи позициями обозначены такие элементы:
1 - нижняя зона охлаждения;
2 - средняя зона охлаждения;
3 - верхняя зона охлаждения;
4 - зона подлещадного охлаждения;
5 - подводящие коллекторы;
6 - отводящие коллекторы;
7 - подводящие коллекторы;
8 - отводящие коллекторы;
9 - подводящие коллекторы;
10 - отводящие коллекторы;
11 - подводящий коллектор;
12 - отводящий коллектор;
13 - общий раздающий коллектор;
14 - всасывающий магистральный трубопровод;
15 - напорный магистральный трубопровод;
16 - отводящий трубопровод;
17 - отводящий трубопровод;
18 - отводящий трубопровод;
19 - отводящий трубопровод;
20 - бак;
21 - общий подводящий трубопровод;
22 - циркуляционный насос;
23 - устройство для подпитки воды;
24 - клапан;
25 - датчик уровня воды;
26 - устройство для создания повышенного давления газа;
27 - клапан;
28 - теплообменник;
29 - нормальный уровень воды в баке;
30 - запорная арматура (обратный клапан);
31 - всасывающий участок общего раздающего коллектора;
32 - напорный участок общего раздающего коллектора;
33- запорная арматура;
34 - запорная арматура;
35 - подводящий трубопровод;
36 - подводящий трубопровод;
37 - подводящий трубопровод;
38 - подводящий трубопровод;
39 - запорная арматура;
40 - запорная арматура;
41 - запорная арматура;
42 - запорная арматура;
43 - патрубок для выпуска пара;
44 - запорная арматура.
45 - трубопровод технической воды резервного назначения;
46 - запорная арматура;
47 - сливной желоб;
48 - сливной желоб;
49 - сливной желоб;
50 - сливной желоб;
51 - запорная арматура;
52 - запорная арматура;
53 - запорная арматура;
54 - запорная арматура.
В конкретном примере выполнения система охлаждения металлургического агрегата, например доменной печи, имеющей две аналогичные вертикальные охлаждаемые секции, содержит нижнюю зону охлаждения 1, среднюю зону охлаждения 2, верхнюю зону охлаждения 3 и зону подлещадного охлаждения 4. Охлаждаемые элементы нижней зоны охлаждения 1 соединены с подводящими коллекторами 5 и отводящими коллекторами 6. Охлаждаемые элементы средней зоны охлаждения 2 соединены с подводящими коллекторами 7 и отводящими коллекторами 8. Охлаждаемые элементы верхней зоны охлаждения 3 соединены с подводящими коллекторами 9 и отводящими коллекторами 10. Охлаждаемые элементы зоны подлещадного охлаждения 4 соединены с подводящим коллектором 11 и отводящим коллектором 12. Система охлаждения содержит общий раздающий коллектор 13 и всасывающий магистральный трубопровод 14, при этом общий раздающий коллектор 13 соединен с напорным магистральным трубопроводом 15 и с подводящими коллекторами 5, 7, 9 и 11, соответственно, зон охлаждения 1, 2, 3 и 4. Отводящие коллекторы 6, 8, 10 и 12 зон охлаждения 1, 2, 3 и 4 соединены, соответственно, с отводящими трубопроводами 16, 17, 18 и 19. Бак 20 расположен выше отводящих коллекторов 10 верхней зоны охлаждения 3 и соединен с общим подводящим трубопроводом 21 с циркуляционным насосом 22. Устройство 23 для подпитки воды соединено через клапан 24 с баком 20. Клапан 24 электроавтоматикой электрически соединен с датчиком 25 уровня воды в баке. Система охлаждения содержит устройство 26 для создания повышенного давления газа в баке, соединенное с баком 20 через трубопровод с клапаном 27. На напорном магистральном трубопроводе 15 установлен теплообменник 28. Выходы отводящих трубопроводов 16, 17, 18 и 19 расположены в баке 20 выше нормального уровня воды 29.
Общий раздающий коллектор 13 разделен запорной арматурой 30 на всасывающий участок 31 и напорный участок 32. При этом всасывающий участок 31 раздающего коллектора 13 соединен с общим подводящим трубопроводом 21 и со всасывающим магистральным трубопроводом 14 через запорную арматуру 33. Напорный участок 32 раздающего коллектора 13 соединен через запорную арматуру 34 с напорным магистральным трубопроводом 15 и подводящими трубопроводами 35, 36, 37 и 38 с подводящими коллекторами 5, 7, 9 и 11, соответственно, нижней зоны охлаждения 1, средней зоны охлаждения 2, верхней зоны охлаждения 3 и зоны подлещадного охлаждения 4. Подводящие коллекторы 5, 7, 9 и 11, соответственно, нижней зоны охлаждения 1, средней зоны охлаждения 2, верхней зоны охлаждения 3 и зоны подлещадного охлаждения 4 соединены с напорным участком 32 раздающего коллектора 13 через соответствующую запорную арматуру 39, 40, 41 и 42.
В верхней части бака 20 установлен патрубок для выпуска пара 43 с установленной на нем запорной арматурой 44 для обеспечения работы системы в аварийном режиме с испарительным охлаждением.
Кроме того, система охлаждения снабжена трубопроводом технической воды резервного назначения 45, соединенным через запорную арматуру 46 с напорным участком 32 общего раздающего коллектора 13, и сливными желобами 47, 48, 49 и 50, соединенными, соответственно, запорной арматурой 51, 52, 53 и 54 с отводящими трубопроводами 16, 17, 18 и 19 соответствующих зон охлаждения 1-4.
Охлаждение доменной печи с использованием заявляемой системы охлаждения осуществляется следующим образом. Сначала система охлаждения при открытом воздушном клапане на баке 20 заполняется химически очищенной водой с помощью устройства для подпитки воды 23 через клапан 24. После достижения заданного уровня воды в баке 20 по сигналу датчика уровня воды 25 клапан 24 закрывается, и в баке 20, после его продувки азотом, создают необходимое избыточное давление азота, подавая его от источника газа 26 через клапан 27. Затем, после достижения в охлаждаемых элементах доменной печи и на входе циркуляционного насоса оптимального давления в баке, включают циркуляционный насос 22.
Охлаждающая вода поступает из бака 20 через общий подводящий трубопровод 21 во всасывающий участок 31 общего раздающего коллектора 13, откуда при открытой запорной арматуре 30 заполняется водой вся система. При открытой запорной арматуре 33 через всасывающий магистральный трубопровод 14 охлаждающая вода всасывается циркуляционным насосом 22 и подается в теплообменник 28, где охлаждается. Охлажденная вода поступает по напорному магистральному трубопроводу 15 через открытую запорную арматуру 34 в напорный участок 32 общего раздающего коллектора 13, создавая необходимое давление для закрытия запорной арматуры 30 (обратного клапана). При этом напорный участок 32 отключается от всасывающего участка 31 общего раздающего коллектора 13. Далее поток охлаждающей воды разделяется на параллельные потоки по числу охлаждаемых зон, при этом в каждой охлаждаемой зоне обеспечивается заданный расход охлаждающей воды. После прохождения каждой из охлаждаемых зон нагретая вода через отводящие трубопроводы 16, 17, 18 и 19 поступает в бак 20 выше нормального уровня воды 29. При этом выравнивается давление воды, поступившей в бак через отводящие трубопроводы от всех охлаждаемых зон, и после смешения в баке выравнивается температура охлаждающей воды. Далее через общий подводящий трубопровод 21 вода снова поступает во всасывающий участок 31 общего раздающего коллектора 13 и процесс повторяется.
Если в процессе охлаждения доменной печи уровень воды в баке 20 снижается, то по команде датчика уровня воды 25 открывается клапан 24, и система через устройство для подпитки воды 23 пополняется химически очищенной водой. Необходимое избыточное давление азота в баке 20 регулируется устройством для создания повышенного давления газа 26, подающим по команде датчика азот от источника газа 26 в бак 20 через клапан 27.
При аварийном отключении электроэнергии отключается циркуляционный насос 22, устройство для подпитки воды 23 и устройство для создания повышенного давления газа 26. Аварийное охлаждение доменной печи с использованием заявляемой системы охлаждения осуществляется следующим образом. Открывают запорную арматуру 44 на патрубке 43 для выпуска пара, установленном на баке 20. В связи с падением давления воды на напорном участке 32 общего раздающего коллектора 13 открывается обратный клапан запорной арматуры 30 и общий подводящий трубопровод 21 соединяет бак 20 и напорный участок 32 общего раздающего коллектора 13.
Вода из бака 20 поступает через общий подводящий трубопровод 21 в общий раздающий коллектор 13 и, разделившись на параллельные потоки, через подводящие трубопроводы 35, 36, 37, 38 и подводящие коллекторы 5, 7, 9, 11 поступает на охлаждение всех зон. При прохождении каждой из охлаждаемых зон 1, 2, 3 и 4 вода, нагреваясь, превращается в пароводяную смесь и через отводящие коллекторы 6, 8, 10, 12 и отводящие трубопроводы 16, 17, 18, 19, за счет разности удельных весов воды и пароводяной смеси, поступает в бак 20, где разделяется на воду и пар. Из бака 20 пар удаляется через патрубок для выпуска пара 43 при открытой запорной арматуре 44, а вода опять поступает из бака 20 в общий раздающий коллектора 13, и процесс повторяется до исчерпания запаса воды в баке 20.
При отсутствии химически очищенной воды, или в случае технологической необходимости выборочного охлаждения секций доменной печи, или при аварийном охлаждении после исчерпания запаса химически очищенной воды в баке 20, для охлаждения элементов доменной печи может быть использована техническая вода резервного назначения. Эта вода через трубопровод технической воды резервного назначения 45 при открытой запорной арматуре 46, закрытой запорной арматуре 33 на всасывающем магистральном трубопроводе 14, закрытой запорной арматуре 34 на напорном магистральном трубопроводе 15 подается в напорный участок 32 общего раздающего коллектора 13. Далее поток технической воды разделяется на параллельные потоки по числу охлаждаемых зон. После прохождения каждой из охлаждаемых зон 1, 2, 3 и 4 нагретая вода через отводящие коллекторы 6, 8, 10 и 12, отводящие трубопроводы 16, 17, 18 и 19 поступает на слив в сливные желоба 47, 48, 49 и 50, соответственно, через запорную арматуру 51, 52, 53 и 54.
Независимое охлаждение каждой зоны доменной печи химически очищенной водой с одинаковой для каждой зоны охлаждения начальной температурой воды при заданном расходе охлаждающей воды в каждой охлаждаемой зоне и обеспечение работы системы в аварийном режиме (при обесточивании электрооборудования) за счет обеспечения испарительного охлаждения с естественной циркуляцией, а также возможность использования выборочного охлаждения технической водой повышает надежность и эффективность охлаждения металлургического агрегата.