СПОСОБ ОХЛАЖДЕНИЯ УЗЛОВ МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИХ ПЕЧЕЙ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD OF COOLING METALLURGICAL FURNACE ASSEMBLIES AND DEVICE TO THIS END

Изобретение относится к металлургии, а именно: к способам и устройствам (установкам) для охлаждения узлов металлургических печей, и может быть использовано в химической промышленности, энергетике и других отраслях техники.
Известен способ охлаждения труднодоступных элементов рудно-термической печи (авторское свидетельство СССР №394647), заключающийся в подводе в охлаждаемый узел (элемент) воды (теплоносителя) и отвода из него теплоносителя под давлением ниже атмосферного.
Недостатком способа является то, что на вход охлаждаемого узла устройства подают воду под давлением выше атмосферного. Давление редуцируют до необходимого значения. Сложность аппаратурного оформления устройства и невозможность контроля подачи воды, в случае прогара элемента (случайный фактор), лишают данный способ и устройство одного из главных преимуществ - взрывобезопасности охлаждения узлов печей. Разгерметизация элемента не обеспечивает отключение напорной сети, что может привести к нежелательным эффектам, например прогару, «хлопкам», взрыву.
Наиболее близким техническим решением к заявляемым способу и установке, принятым в качестве ближайшего аналога - прототипа изобретения, является установка для охлаждения узлов металлургических печей (авторское свидетельство СССР №1198119), содержащая охлаждаемые узлы и сообщенную с атмосферой питающую емкость с переливной трубой, и уровнем теплоносителя в ней, расположенным ниже охлаждаемых узлов, причем, выходные отверстия отводящих трубопроводов охлаждаемых узлов соединены с насосом для откачки теплоносителя. Во всасывающем трубопроводе давление снижают за счет разности (высотных отметок расположения уровня в питающей емкости и выходного отверстия) напора или пьезометрического напора (насосной установки).
Недостатком ближайшего способа является высокое гидравлическое сопротивление всасывающего трубопровода и, вследствие этого, высокое газовыделение на входе в охлаждаемый узел, что приводит к образованию снарядного режима течения теплоносителя в охлаждаемом узле и возможности его прогара
Недостатками способа и установки является также то, что наличие одной питающей емкости для всех групп охлаждаемых узлов с различными высотными отметками не позволяет обеспечить минимальное разрежение на входе в охлаждаемые узлы, расположенные на различных высотных отметках агрегата за счет высокого гидравлического сопротивления всасывающего трубопровода, что приводит к увеличению выделения газа на входе в узел и дополнительному выделению пара, что, в свою очередь, приводит к образованию снарядного режима течения теплоносителя в охлаждаемом узле и возможности его прогара. Кроме того, в аварийных случаях отключения электроэнергии прекращается охлаждение узлов, что также приводит к их прогару.
Недостатками способа и устройства (установки) является невозможность обеспечения минимального гидравлического сопротивления и минимального разрежения на входе в охлаждаемые узлы, а также невозможность сохранения аппаратурного оформления устройства и печи в аварийных ситуациях (отключение электроэнергии).
Задачей предлагаемого технического решения является разработка способа и создание устройства (установки), реализующей данный способ, согласно которым повышается эффективность охлаждения и повышается надежность установки.
Технический результат предлагаемого технического решения заключается в том, что в способе охлаждения узлов металлургических печей, включающем подачу теплоносителя в охлаждаемые узлы из питающей емкости, всасывающего трубопровода, коллектора, подводящих трубопроводов и истечение теплоносителя по отводящим трубопроводам, согласно изобретению теплоноситель подают в охлаждаемые узлы, размещенные на различных высотных отметках металлургической печи, каждый из охлаждающих узлов снабжают сообщенной с атмосферой питающей емкостью, при этом питающие емкости охлаждающих узлов размещают с каскадным соединением каждой питающей емкости охлаждаемого узла с питающей емкостью нижнего охлаждаемого узла, обеспечивают истечение теплоносителя по отводящим трубопроводам в герметичную емкость за счет разрежения в ее газовой полости и ускоряют во всасывающем трубопроводе поток теплоносителя до скорости, равной 0,05-0,2 от скорости теплоносителя в охлаждаемом узле, при этом обеспечивают объемное содержание газовой и паровой фаз на выходе из охлаждаемых узлов менее 25% от жидкой фазы.
Предлагаемый способ реализуют с помощью установки для охлаждения узлов металлургической печи, содержащей всасывающий трубопровод, коллектор, трубопроводы, подводящие в охлаждаемые узлы и отводящие от них теплоноситель, согласно изобретению она снабжена герметичной емкостью, оборудованной гидрозатвором, насосом и устройством для удаления газа и пара, в газовой полости которой размещены выходные отверстия отводящих трубопроводов, при этом каждый из охлаждаемых узлов, размещенных на различных высотных отметках металлургической печи, имеет сообщенную с атмосферой питающую емкость с теплоносителем, причем указанные питающие емкости охлаждаемых узлов размещены с каскадным соединением каждой питающей емкости охлаждаемого узла с питающей емкостью нижнего охлаждаемого узла, уровень теплоносителя в герметичной емкости установлен ниже уровня теплоносителя нижней питающей емкости, а уровень отверстия гидрозатвора расположен ниже отметки расположения герметичной емкости.
Сущность предлагаемого способа охлаждения узлов металлургической печи состоит в следующем.
Снижают скорость теплоносителя до значения равного нулю в питающей емкости, во всасывающем трубопроводе ускоряют поток теплоносителя от скорости равной нулю до скорости 0,05-0,2 от скорости теплоносителя в охлаждаемом узле, за счет этого обеспечивается минимальное гидравлическое сопротивление всасывающего трубопровода, что позволяет получить минимальное газовыделение из потока и исключить возникновение снарядного режима течения теплоносителя при объемном газосодержании менее 25% от жидкой фазы. Если скорость во всасывающем трубопроводе будет меньше 0,05 от скорости теплоносителя в охлаждаемом узле, то имеет место низкий теплосъем в охлаждаемом узле при высоком газовыделении, что может привести к прогару охлаждаемого узла. Если скорость во всасывающем трубопроводе будет превышать 0,2 от скорости теплоносителя в охлаждаемом узле, то имеет место увеличение гидравлического сопротивления всасывающего трубопровода и повышенное газовыделение на входе в охлаждаемый узел, что также может привести к прогару охлаждаемого узла. Истечение теплоносителя из отверстий отводящих линий, размещенных в герметичной емкости, находящейся под давлением ниже атмосферного за счет пьезометрического напора (насосной установки) и геодезического напора (разности высот расположение уровня воды в питающей и герметичной емкости) обеспечивает ускорение потока. Возможно истечение теплоносителя под давлением ниже атмосферного только за счет пьезометрического напора, но увеличение гидравлического сопротивления всей системы в процессе эксплуатации снижает продолжительность работы установки, если используется только пьезометрический напор. Кроме того, расположение уровня теплоносителя герметичной емкости ниже уровня теплоносителя самой нижней питающей емкости и оборудование слива из герметичной емкости гидрозатвором позволяют в случае выхода из строя насоса (насосов) обеспечить охлаждение узлов при отключении электроснабжения. Увеличение гидравлического сопротивления всасывающего трубопровода приводит к увеличению разрежения в нем и повышению газовыделения на входе в узел, что при наличии паровыделения в узле обуславливает возникновение снарядного режима, образование пробок и возможный прогар узлов. При скорости теплоносителя во всасывающем трубопроводе равной 0,05-0,2 от скорости теплоносителя в элементе на стенке всасывающего трубопровода имеет место минимальное касательное напряжение, что обеспечивает низкое гидравлическое сопротивление этой линии и минимальное разрежение на входе в узел, т.е. обеспечивается взрывобезопасность и эффективность охлаждения.
Металлургические установки имеют значительные высотные отметки, и подключение элементов к одной питающей емкости приводит к росту гидравлического сопротивления во всасывающем трубопроводе и охлаждаемом узле, если высота всасывающего трубопровода значительна. Каскадное расположение питающей емкости позволяет обеспечить режим охлаждения узлов с различными высотными отметками при минимальном гидравлическом сопротивлении и минимальном газовыделении.
Отключение электроэнергии и, вследствие этого, прекращение охлаждения узлов может привести к аварии металлургической установки. Расположение уровня теплоносителя в герметичной емкости ниже уровня теплоносителя в питающей емкости и оборудование емкости гидрозатвором позволяет в случае отключения электроэнергии обеспечить минимальный режим охлаждения узлов и исключить аварию металлургической установки.
Сущность предлагаемого изобретения поясняется чертежом, где в общем виде представлена схема установки для охлаждения узлов металлургических печей.
Примером конкретного выполнения изобретения является установка для охлаждения узлов металлургической печи, которая включает металлургический агрегат 1, охлаждаемые узлы 2, линии напорного водоснабжения 3, линию канализации 4, переливные трубы 5, питающие емкости 6, всасывающие трубопроводы 7, обратные клапаны 8, коллекторы 9, запорную арматуру 10, смотровое окно 11, индивидуальные трубопроводы элементов 12, клапан удаления пара и газа 13, поплавковый регулятор 14, герметичную емкость (всасывающий шкаф) 15, гидрозатвор 16, отметку уровня теплоносителя в герметичной емкости 17, отметку уровня теплоносителя в нижней питающей емкости 18, насосную установку 19, всасывающую линию 20, нагнетательную линию насоса 21, эжектор 22, линию удаления газа и пара 23, отводящие трубопроводы 24, всасывающий блок 25, клапаны удаления газа 26, уровень теплоносителя в герметичной емкости 27, линии опорожнения питающей емкости 28, линию сброса избытка воды с нагнетательной линии насоса 29, линию подачи воды высокого давления на эжектор 30, запорную арматуру на линии подачи воды на эжектор 31, линию возврата теплоносителя в питающую емкость 32, запорную арматуру на линии возврата теплоносителя 33.
Реализуют заявляемый способ охлаждения узлов металлургической печи в предложенной установке следующим образом.
Открывается запорная арматура 10 на нагнетательной линии (линии напорного водоснабжения) 3 и заполняются теплоносителем питающие емкости 6. Открываются клапаны удаления газа 26. Открывается запорная арматура 10 на коллектор 9. Заполняется теплоносителем герметичная емкость 15 до смотрового окна 11. Закрываются клапаны 26, закрывается запорная арматура 10 подачи теплоносителя к коллектору и включается насосная установка 19. Во всасывающем трубопроводе 7 двухфазный поток ускоряют до скорости (0,05-0,2) от скорости теплоносителя в охлаждаемом узле, а за счет разрежения в газовом пространстве герметичной емкости 15, устанавливают скорость течения теплоносителя в охлаждаемом узле в зависимости от тепловой нагрузки, обеспечивая содержание газовой и паровой фазы на выходе из узлов менее 25% от жидкой фазы. При работе насосной установки 19 уровень теплоносителя в герметичной емкости 15 понижается и в ней создается разрежение, обеспечивающее течение теплоносителя из питающих емкостей 6 в охлаждаемые узлы 2 и герметичную емкость 15. После поступления теплоносителя по отводящим трубопроводам 24 в герметичную емкость 15 насосная установка 19 подает теплоноситель высокого давления по линии 30 на эжектор 22. По мере скопления воздуха и пара в герметичной емкости 15 понижается разрежение и уровень теплоносителя, что приводит к открытию клапана 13 и скопившийся в емкости воздух и пар удаляются по линии 23. Разрежение в емкости 15 повышается, и уровень теплоносителя поднимается за счет увеличения потока теплоносителя по линиям 24. Для визуального контроля истечения теплоносителя из герметичной емкости предусмотрено смотровое окно 11. Таким образом, установка регулирует свой режим в зависимости от уровня теплового воздействия на охлаждаемые узлы и изменение разрежения в них.