СПОСОБ ОБНАРУЖЕНИЯ УТЕЧЕК ВОДЫ ИЗ ПЛАВИЛЬНЫХ ПЕЧЕЙ В УСТАНОВКАХ ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА МЕТАЛЛОВ ИЛИ СПЛАВОВ И СООТВЕТСТВУЮЩАЯ УСТАНОВКА
METHOD FOR DETECTING WATER LEAKAGE FROM MELTING FURNACES IN INSTALLATIONS FOR PRODUCTION OF METALS OR ALLOYS AND CORRESPONDING INSTALLATION

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к способу обнаружения утечек воды в плавильных печах для производства металлов или сплавов, таких как сталь, чугун, медь; в частности, оно может быть использовано в электродуговых печах, которые снабжены системой водяного охлаждения и соединены с системой вытяжки и отвода дымовых газов. Более конкретно, способ применим для случая косвенного охлаждения, при котором вода протекает внутри охлаждающего контура, содержащего соответствующие охлаждающие панели. Описанный способ и соответствующая установка могут быть также использованы в других областях применения, в которых предусмотрен охлаждающий контур, например в установках вакуумной обработки (дегазации) стали, таких как установки вакуумной (ВД) или вакуум-кислородной (ВКД) дегазации.
Уровень техники
2
2
2
2
Из уровня техники известно, что электрические печи требуют большого количества воды для охлаждения некоторых своих частей: эти охлаждающие потоки могут легко достигать сотен литров в минуту. В этом случае любые утечки немедленно обнаруживаются расходомерами, которые устанавливаются в линиях подачи текучей среды и которые, однако, должны считывать большие ее объемы и не обладают высокой чувствительностью. С другой стороны, проблема обнаружения небольших утечек воды вышла на первый план с самого начала использования внутри электрических печей охлаждающих панелей, в которые подается вода. На сегодняшний день в этой области фактически все еще не существует безопасного и надежного метода для отслеживания микроутечек объемом около десятков литров в минуту. Последствия и ущерб, вызванные утечками из охлаждающих панелей, имеют самый разный характер и охватывают широкий диапазон от повреждения огнеупоров, с риском перфорации чана, до увеличения энергопотребления печи и риска взрыва из-за бурного испарения воды и, иногда, из-за расщепления молекулы HO, образования Н и его взрыва, когда создаются условия для состава и температуры, попадающие во взрывоопасные пределы кислородно-водородных смесей Н/О.
В документе NL 1002 377 С2 предложен способ обнаружения утечек воды из систем охлаждения плавильных печей путем добавления в охлаждающую текучую среду индикатора утечки (трассера), в частности инертного газа.
Раскрытие изобретения
Целью изобретения является преодоление вышеупомянутых недостатков и предложение способа и соответствующей установки для обнаружения утечек воды из электрических печей, позволяющих обнаружить наличие даже незначительных утечек, быстро остановить печь для ремонта и тем самым избежать ущерба для технологических установок и людей.
Указанная цель достигается с помощью способа обнаружения утечек воды в плавильных печах, рафинировочных печах или в установках для обработки металлов или сплавов, таких как установки дегазации, включающего следующие этапы:
(i) подготовку по меньшей мере одной плавильной печи, в частности электродуговой печи, или по меньшей мере одной установки для обработки металлов или сплавов, снабженной системой водяного охлаждения и соединенной с системой/установкой отвода технологических дымовых газов,
(ii) примешивание к охлаждающей воде химиката-трассера, улетучивающегося в случае утечки воды вместе с отходящими газами из плавильной печи или установки для обработки металлов или сплавов и подходящего для обнаружения системой анализа отходящих газов, образующихся в упомянутой по меньшей мере одной плавильной печи или в упомянутой по меньшей мере одной установке для обработки металлов или сплавов,
(iii) обнаружение упомянутого химиката-трассера, содержащегося в отходящих газах, с помощью упомянутой системы анализа, предусмотренной в упомянутой системе отвода технологических дымовых газов.
Таким образом, идея изобретения заключается в примешивании к охлаждающей воде химиката-трассера, который в случае утечки воды из охлаждающего контура легко может быть обнаружен системой анализа, выполненной с возможностью отбора проб отходящих газов, выпускаемых из печи или установки для обработки металлов или сплавов, и расположенной по потоку после выпускного канала печи или установки для обработки металлов или сплавов. Трассер, который испаряется вместе с "потерянной" охлаждающей водой, представляет собой надежный индикатор присутствия самой воды внутри чана печи. Очевидно, что этот химикат, который может представлять собой элемент или соединение, вводится в подходящей концентрации в охлаждающую воду, но предпочтительно отсутствует или присутствует в исключительно низкой концентрации в обычной охлаждающей воде либо находится в плавильной печи или установке для обработки металлов или сплавов. Помимо того, что трассер является летучим и легко обнаруживаемым, он предпочтительно не диспергирует и не разлагается со временем. Трассер предпочтительно представляет собой жидкость, которая полностью смешивается с охлаждающей водой.
Возможны различные типы трассеров: например, была опробована возможность использования газообразного трассера, такого как гелий (Не), но этот вариант не является легко осуществимым из-за низкой растворимости этого газа в охлаждающей воде, что чревато риском ухудшения теплового обмена. Использование других газов, таких как криптон (Kr) и ксенон (Хе), возможно, но сопряжено с проблемами, описанными для гелия (Не).
При производстве металлов, в частности стали, используются различные типы электропечей или установок для обработки металлов, которые содержат системы охлаждения, подверженные потенциальным потерям воды, такие как ковш-печь (КП) или электродуговая печь (ЭДП) либо установки дегазации стали, такие как системы вакуумной (ВД) или вакуум-кислородной (ВКД) дегазации. В одном из вариантов осуществления изобретения система охлаждения включает в себя охлаждающие панели, снабженные водопроводными трубами. В частности, электродуговая печь подвержена потерям воды из-за многочисленных охлаждающих панелей, образующих ее боковые стены и свод.
2
2
2
В особенно предпочтительном варианте осуществления изобретения в качестве химиката-трассера используется дейтерир о ванная вода. Дейтерированная вода может присутствовать в форме DO или HDO. В результате обменных реакций HDO образует равновесие с HO и DO.
Предлагаемое техническое решение удивляет своей простотой и не вызывает никаких изменений в теплообменных свойствах водяных панелей.
2
2
В качестве жидкого трассера выбрана DO (тяжелая вода), содержащая вместо водорода дейтерий (изотоп водорода с массой 2). Тяжелая вода нетоксична в концентрациях, необходимых для реализации изобретения, и полностью смешивается с HO при любой концентрации. Технология, представленная в настоящем описании и предлагаемая в изобретении, позволяет обнаруживать трассеры, присутствующие лишь в ничтожных количествах (в виде следов), что позволяет избежать высоких затрат на трассеры.
В предпочтительном варианте осуществления изобретения система охлаждения представляет собой систему с замкнутым контуром. Замкнутый контур позволяет избежать высокого расхода трассера, поскольку он будет находиться только в упомянутом контуре (если только не испарится в имеющемся количестве в случае утечек). Возможно, однако, также использование трассера в охлаждающем контуре открытого типа, то есть в контуре, в котором вода после выполнения своей функции направляется в резервуары для сбора, часто открытые и используемые также для приема воды из других установок. Тем не менее, в этом случае необходимо постоянное пополнение трассера вблизи установки, в которой требуется обнаружить утечки, поскольку он рассеивается/разбавляется в резервуарах для сбора. При этом жидкий трассер можно также подавать только для периодических проверок.
Предлагаемое техническое решение применяется в предпочтительной форме для контура, подающего охлаждающую воду на панели и свод электропечи.
2
2
2
2
2
2
2
2
Для обнаружения следов DO в воде и, следовательно, в отходящих газах / дыме особенно подходит масс-спектрометрия. Увеличение концентрации DO в отходящих газах или дыме в случае утечки воды может быть обнаружено с помощью масс-спектрометра. В этом случае спектрометр может быть соединен, например, с помощью пробоотборного зонда, с расположенным дальше по потоку каналом отсасывания отходящих газов из плавильной печи или из установки для обработки металлов или сплавов. Другие аналитические методы, такие как ядерно-магнитный резонанс (ЯМР), требуют мощного магнитного поля и не подходят для промышленного применения. При использовании масс-спектрометрии для обнаружения DO в воде утечки оптимальная концентрация DO в водяном контуре должна определяться с учетом следующей информации: обычная используемая водопроводная вода содержит небольшую естественную концентрацию DO, равную его изотопной концентрации, то есть приблизительно 150 ppm. Для спектрометрического анализа можно работать как по пику 20 а.е.м., так и (предпочтительно) пику 19 а.е.м., поскольку для низких концентраций естественный изотопный баланс воды включает рекомбинацию молекул, дающую HDO в более высокой концентрации, чем у DO. В качестве альтернативы может быть рассмотрено использование массового пика 4 (D), который выделяется масс-спектрометром, но который также совпадает с пиком элемента гелия, присутствующего в воздухе с концентрацией около 5 ppm. Концентрация DO, которая должна быть достигнута в отходящих газах и дымах для получения надежного отклика системы анализа, предпочтительно должна превышать 25 ppm.
Моделируя различные объемы утечки воды и зная скорость потока технологических дымовых газов в системе их отвода и объемы охлаждающей воды, специалисты в данной области, обладающие общими знаниями и выполняющие обычные испытания, легко могут рассчитать необходимое количество дейтерированной воды, которое необходимо добавить в охлаждающую воду для обнаружения любой утечки с помощью способа и установки, предлагаемых в изобретении.
2
2
2
В качестве примера: для получения в отходящих газах концентрации DO, составляющей около 25 ppm (тогда как без использования DO эта концентрация в дымовых газах составляла бы несколько ppm, что недостаточно для получения надежного результата измерения) в установках обычного размера и с потерей воды около 250 мл/с, в контур охлаждающей воды следует предпочтительно добавить DO в количестве 0,15% по массе от общей массы воды.
2
Система отвода дымовых газов предпочтительно включает в себя по меньшей мере одно устройство для удаления пыли из дымовых газов, выходящих из печи, и, предпочтительно, устройство для охлаждения отходящих газов. В этом случае система анализа располагается по потоку после этого(-их) устройства(устройств). Устройство для охлаждения предпочтительно не вызывает конденсацию HO, и охлаждение не производится с помощью скрубберов или аналогичных систем во избежание потерь трассера. Очищенный от частиц и охлажденный газ готов к отбору проб зондом, при этом капилляр зонда не забивается.
Еще одним объектом изобретения является установка для производства металлов или сплавов, содержащая:
а) по меньшей мере одну плавильную печь, в частности электродуговую печь, или по меньшей мере одну установку для обработки металлов или сплавов, снабженную системой водяного охлаждения,
б) систему отвода технологических дымовых газов, выполненную с возможностью отвода и удаления отходящих газов, образующихся в упомянутой по меньшей мере одной плавильной печи или в упомянутой установке для обработки металлов или сплавов,
отличающаяся тем, что:
в) упомянутая охлаждающая вода смешивается с химикатом-трассером, улетучивающимся вместе с отходящими газами из плавильной печи или установки для обработки металлов или сплавов и применимым для обнаружения системой анализа в отходящих газах, образующихся в по меньшей мере одной плавильной печи или в по меньшей мере одной установке для обработки металлов или сплавов,
г) упомянутая система анализа расположена в упомянутой системе отвода технологических дымовых газов.
2
Признаки, описанные для одного объекта изобретения, могут быть перенесены, с учетом необходимых изменений, на другие объекты изобретения. Это относится, в частности, к трассеру в форме DO, его обнаружению с помощью масс-спектрометра, использованию замкнутого контура для охлаждающей воды и расположению системы анализа в системе отвода технологических дымовых газов по потоку после устройства для удаления пыли и, предпочтительно, после устройства для охлаждения отходящих газов.
2
2
2
Вообще говоря, можно заметить, что для осуществления изобретения в установках обычного размера желательно, чтобы замкнутый контур охлаждения HO содержал по меньшей мере 0,1% по массе DO. Как следует из упомянутого ниже примера, показанного на фиг. 1, концентрация добавляемого DO также зависит от точки, для которой выполняется анализ и которая может находиться в упомянутой ниже первичной ветви отвода дымовых газов или непосредственно в выводной трубе, в которую поступают отходящие газы из обеих ветвей.
2
Может быть предусмотрена система предупредительной сигнализации, которая в случае превышения максимальной концентрации, установленной для DO и, следовательно, косвенно для утечки воды, предупреждает пользователя и/или отключает печь.
Предлагаемый способ применим, даже вне металлургического контекста, к любой системе с предусмотренным водяным охлаждением, которая в соответствии с настоящим описанием может быть подвержена утечке воды, и к любой системе, включающей в себя установку для отвода технологических дымов/газов.
Описанные варианты осуществления изобретения обеспечивают достижение целей изобретения. В частности, они позволяют определить микроутечки воды из контуров охлаждения, присутствующих в плавильных печах, в частности в электрических печах.
На практике могут использоваться другие, соответствующие требованиям, материалы, а также размеры, количество и формы, при условии, что они совместимы с конкретным и не оговоренным иным образом применением. Кроме того, все детали могут быть заменены другими технически эквивалентными элементами.
Упомянутые объекты и преимущества более подробно представлены ниже в описании предпочтительных вариантов осуществления изобретения, приведенных в качестве примера, а не ограничения.
Варианты осуществления изобретения приведены в зависимых пунктах формулы изобретения. Описание предпочтительных вариантов осуществления способа и установки, предлагаемых в изобретении, приведено в качестве примера, а не ограничения, со ссылкой на приложенные чертежи.
Краткое описание чертежей
На чертежах показано:
фиг.  1 установка для производства стали и соответствующая система отвода дымовых газов, предлагаемая в изобретении,
фиг.  2 - схематическое изображение электродуговой печи, которая соответствует уровню техники и к которой применима идея изобретения,
2
2
2
2
фиг. 3 график зависимости мольных долей HO, DO и HDO от изотопной доли D/(D+H), иллюстрирующий обменное равновесие между HO/DO и HDO,
2
фиг. 4 - обнаружение следов DO при соотношении атомных масс 18:19 для симуляции утечки воды.
Описание варианта осуществления изобретения
На фиг. 1 показана установка для производства стали, соответствующая изобретению. Данная установка содержит две печи: электродуговую плавильную печь 2 и ковш-печь 4 для рафинирования.
Отходящие газы, образующиеся внутри дуговой печи 2, выводятся из системы отвода дымовых газов, которая может содержать самые разнообразные компоненты очистных элементов в различных комбинациях и размерах в диапазоне от различных форм устройств охлаждения дымовых, или отходящих, газов до различных типов сепараторов твердых и жидких компонентов, содержащихся в дымовых газах, таких как вытяжные колпаки, фильтры, циклоны, устройства сжигания, седиментационные камеры. Другими типичными элементами таких установок являются клапаны и вентиляторы для управления потоками.
2
В примерном виде линия системы отвода дымовых газов состоит из охлаждаемого трубопровода 6, который включает в себя седиментационную камеру 8, удаляющую тяжелые частицы при охлаждении дымовых газов. После этой камеры по потоку расположен циклон 10 для удаления пыли из отходящих газов, которые затем проходят через теплообменник 12. Эта линия отходящих газов, выходящая непосредственно из внутренней части электродуговой печи 2, представляет собой основную ветвь 14 установки и вмещает в себя любую воду, поступающую из-за утечек в неисправных охлаждающих панелях электропечи. Отходящие газы из ковша-печи 4 и газы, удаляемые вытяжным колпаком 16 над электродуговой печью 2, содержат любую воду утечки, поступающую извне дуговой печи 2 и из охлаждаемого и обшитого панелями свода ковша-печи 4, образуя вторичную ветвь 18 системы отвода газов установки для производства стали. Первичная ветвь 14 и вторичная ветвь 18 соединяются и все отходящие газы проходят для дальнейшей очистки через рукавный фильтр 20 и затем выходят из установки через выводную трубу 22. Вся линия вытяжки находится под вакуумом, создаваемым вентиляторами, расположенными, как правило, у основания выводной трубы и предназначенными для удаления дымовых газов. Как уже упоминалось, изображенная установка представляет собой лишь один из примеров и содержит электрическую печь, в которой может быть применено настоящее изобретение и в которую может быть интегрирована в различных точках система анализа для определения присутствия трассера, добавляемого в охлаждающую воду и обнаруживаемого в отходящих газах в случае утечки воды. Система анализа предпочтительно может быть размещена в дымоходном канале выводной трубы 22 (вариант 11 с), но, в качестве альтернативы, также и в первичной ветви 14, располагаясь, очевидно, по потоку после электродуговой печи 2, например, сразу после электропечи (вариант 11а) или перед фильтром 20 (вариант 11b). Если DO добавляется только в охлаждающую воду дуговой печи 2, но не в охлаждающую воду ковша-печи 4, то обнаружение трассера является надежным индикатором утечки в дуговой печи 2.
Установка для производства стали может включать в себя одну или несколько печей или печи различных типов в различных комбинациях. Если требуется определить утечку воды в соответствующих контурах охлаждения, то достаточно установить один или более анализаторов на участке(-ах) системы отвода дымовых газов, расположенном(-ых) по потоку после каждой исследуемой печи (а именно по одному на каждую печь, в которую поступает дейтерированная вода). Для обнаружения утечек воды из ковша-печи 4 рекомендуется расположить систему анализа (не показана) в линии 18 до точек соединения с другими линиями, которые могли бы содержать трассеры, поступающие вследствие утечек воды не из ковша-печи 4. Наибольший интерес обычно представляет обнаружение утечек из дуговой печи 2, и только в охлаждающую воду этой печи примешивается трассер. В этом случае система анализа может быть расположена в выводной трубе 22 (вариант 11 с) после точки соединения двух ветвей 18 и 14, поскольку трассер может поступать только из дуговой печи 2. Если требуется контролировать утечки как в дуговой печи 2, так и в ковше-печи 4, то необходимо предусмотреть две отдельные системы анализа, расположенные по потоку после соответствующей печи и до точки соединения соответствующих линий отвода дыма/газа.
Изобретение применимо ко всем вариантам систем отвода технологических дымовых газов и комбинациям печей, упомянутым выше, с единственной вариацией, заключающейся в необходимости адаптации количества добавляемого трассера к размеру установки и расположению системы анализа и размещения анализаторов в соответствующих точках.
На фиг. 2 представлено схематическое изображение электродуговой печи 2, которая соответствует уровню техники и к которой применима идея изобретения. Как показано на чертеже, данная печь разделена на нижнюю часть 1 с днищем и чаном для сбора расплавленного металла 15, покрытым шлаком 17, и верхнюю часть 3, покрытую охлаждающими панелями 5 и перекрытую панельным сводом 9, который часто подвержен утечке воды из соответствующих охлаждающих панелей. В стенке верхнего чана 3 имеются отверстия, через которые могут быть вставлены форсунки 7 для подачи кислорода (для сжигания), угля, извести и вспомогательных плавильных материалов, а также для придания определенных химических, механических или физических свойств получаемому металлу. С помощью электродов 11 образуется электрическая дуга, которая расплавляет металл. Отходящие газы или дымы могут быть выведены из печи через вытяжное отверстие 13 в трубу 6. Вместо этого расплавленный металл может выпускаться из отверстия 19 в нижней части печи 2. Печь может наклоняться на изогнутых стойках (не показаны) вправо для выливания через отверстие 19 и влево для выпуска избыточного шлака из шлаковой дверцы 21. Для загрузки лома в общем случае (в случае загрузки корзинами) открывается свод 9, перемещающийся вбок вокруг штыря. В альтернативном варианте посередине между дверцей 21 и отверстием 19 расположена еще одна боковая дверца (не показана) для подачи лома с помощью так называемого конвейера непрерывной загрузки.
2
В печи могут присутствовать следы воды, обычно возникающие из-за влажности загружаемого материала, влажности воздуха и водяных струй, охлаждающих электроды, однако в соответствии с изобретением только в воде утечки, поступающей из охлаждающих панелей, обеспечивается концентрация дейтерия, превышающая естественную концентрацию, причем DO добавляется только в воду, подаваемую на охлаждаемые панели.
2
2
2
2
2
2
На фиг. 3 представлен график зависимости мольных долей HO, DO и HDO от изотопной доли D/(D+H), иллюстрирующий обменное равновесие между HO/DO и HDO. Вследствие этого равновесия концентрация HDO в рассматриваемом диапазоне превышает концентрацию DO, поэтому измерения предпочтительнее выполнять по пику HDO (19), а не DO (20).
Масс-спектрометр измеряет массу атомов или молекул. Для этого газообразный материал, подлежащий анализу, вводят в пустую ионизационную камеру. Пучок ускоренных электронов превращает введенный материал в положительные ионы, которые выталкиваются из камеры сильным электрическим полем. Скорость, достигаемая ионами, зависит от массы, причем более легкие ионы определенно достигают больших скоростей, чем более тяжелые. Проходя через магнитное поле, каждый ион отклоняется от своей первоначальной траектории из-за своей скорости и, следовательно, массы. Напряженность магнитного поля слегка изменяется, так что сигнал генерируется, когда поле является достаточно сильным, чтобы отклонить пучок ионов для попадания его в детектор. Масса образовавшегося иона рассчитывается на основе ускоряющего напряжения и напряженности магнитного поля, приложенных для получения сигнала. Масс-спектр представляет собой график зависимости обнаруженного сигнала от магнитного поля. Положение пиков используется для расчета массы ускоренных ионов, а их относительная высота указывает на долю различных типов ионов. Масс-спектрометры известны специалистам в данной области и не нуждаются в более подробном описании. На рынке предлагается широкий спектр приборов, применимых для этой цели. Подходящими спектрометрами являются, например, устройства для непрерывного анализа дыма и пара на основе масс-спектрометра с квадрупольным масс-анализатором и двойной системой детектирования, включающей в себя вторичный электронный умножитель (ВЭУ) и коллектор Фарадея. Масса находится в диапазоне от 0 до 50 а.е.м. с чувствительностью 100% при 100 ppb. Скорость предпочтительно составляет более 500 измерений в секунду, а время отклика менее 300 мс. В качестве вакуумной системы может быть предусмотрен турбомолекулярный насос сверхвысокого вакуума (СВВ) со скоростью потока 60 л/с и встроенным мембранным насосом для отбора пробы по линии предварительной и байпасной откачки. Вход для капиллярного отбора проб газа применим для непрерывного отбора проб с давлением пробы от 100 мбар до 2 бар. Компоненты могут представлять собой коллекторный байпас с молекулярной утечкой, обогреваемую кварцевую капиллярную линию отбора проб длиной 2 метра, систему подогрева на впуске от комнатной температуры до 200°С и байпасную линию откачки с регулирующим клапаном для отбора проб.
Измерительная система может быть усовершенствована за счет снижения ее вибраций, минимизации холодных зон, оптимизации диаметра капилляра и разбавления паров или отходящих газов.
С целью демонстрации функциональных возможностей, основанных на идее изобретения, в системе, показанной на фиг. 1, впрыскивали в печь и седиментационную камеру дейтерированную воду в разных концентрациях и с разной частотой в течение ограниченного периода времени.
2
2
2
2
На фиг. 4 представлен пример обнаружения следов DO при соотношении атомных масс 18:19 для симуляции утечки воды при двух впрысках в течение одной минуты. На графике четко выделяются два разнесенных во времени пика, соответствующие двум выполненным впрыскам и отображающие изменение соотношения HO/DO, вызванное присутствием DO в высокой концентрации. На графике показана симуляция утечек, ограниченных по времени; очевидно, что в случае непрерывных утечек ход кривой обнаружения был бы другим.
В ходе работы могут быть реализованы другие модификации или варианты объектов изобретения: способа и установки. Если такие модификации или варианты находятся в пределах объема изобретения, определяемого приведенной ниже формулой изобретения, то всех их следует рассматривать как защищенных настоящим патентом.