СИСТЕМА ОХЛАЖДЕНИЯ МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИХ АГРЕГАТОВ

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.
2
Для таких валков тепловые потоки достигают при разливке стали 5-6 МВт/м 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.
3
3
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 м/час воды, а для стального слитка сечением 200×2000 мм 440÷550 м/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.
2
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/м. 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).
2
2
Удельный тепловой поток в кристаллизаторах установок непрерывного литья стали достигает 2,0÷2,4 мВт/м в районе мениска жидкого металла, а далее по длине кристаллизатора тепловой поток уменьшается до 0,4÷0,6 мВт/м, см. Бровман М.Я. «Кристаллизаторы установок непрерывного литья металлов». Москва. Теплотехник. 2011. 425 с. (стр.112-114).
2
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/м.
2
3
во
Очевидно, что при контактной площади слитка с кристаллизатором 2(0,2+2)·1=4,4 м 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 м/час, и ее начальная температура t, то имеем:
,
в
где C - теплоемкость воды,
в
ρ - ее плотность,
t - конечная («на выходе» из кристаллизатора) температура воды.
во
При , , , t=20°C
,
3
3
Следовательно, расход воды 500 м/час (0,139 м/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 м<sup>3</sup>/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 t<sub>во</sub>=20°C)
126
73
55
46,4
37,6
33
31
29
3
Конечно, это средние величины нагрева, при этом уменьшение расхода воды менее 100 м/час приведет к ее интенсивному кипению.
3
При A>100 м/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).
3
Исходя из изложенного, можно принять для данного примера, (т.е. для литья сляба из стали сечением 200×2000 мм), расход воды 100÷150 м/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).
в
в
3
3
3
3
4
При этом будет отведено (при нагреве на 53°C), количество тепла, равное CρΔt=4,2·10·10·53=222,6 мДж/м и при расходе 100 м/час: 2,23·10 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.
0
0
Это тепло при расходе газа (воздуха) «B», его теплоемкости «C» и плотности ρ составит:
0
0
3
При C=1000 Дж/кГ·гр, ρ=1,293 кГ/м (см. Н.И.Кошкин, М.Г.Ширкевич. Справочник по элементарной физике. М.: Наука. 1980. стр.35) и Δt=50°C.
3
3
С учетом необходимого «запаса» следует вывод, что вентиляционные установки 6, 7 (фиг.1) должны обеспечить при расходе воды 100 м/час расход воздуха 450-500 тысяч м/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.
3
Установка Д1 с вентиляторами ВС 160/850У имеет производительность 500 тысяч м 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.).
3
Для охлаждения валка литейно-прокатного агрегата, Фиг.2 требуется подвести количество воды A м/час, где
в
в
A·ρ·CΔt=Q,
Q - количество тепловой энергии выделяемое за один час.
1
2
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 t=-1000°C, а до затвердевания t=1520°C, выделится количество тепла
5
где С, ρ - теплоемкость и плотность стали, L=2,68·10 Дж/кг - скрытая теплота затвердевания.
в
в
3
3
При ρ=10 кг/м, С=4200 Дж/кг·гр и приняв температуру нагрева воды Δt=50°C получим
3
Примем с запасом 1,5 величину А=65 м/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
3
В=141 тыс. м/час.
3
3
При таких величинах расхода воды (40-65 м/час) и воздуха (141-200) тыс. м/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.