Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

Введение

1. Проблема использования теплоты, отводимой в системе охлаждения МНЛЗ

1.1 Описание системы охлаждения МНЛЗ

1.2 Зона вторичного охлаждения

1.3 Способы использования тепла низких параметров

1.4 Система испарительного охлаждения

1.5 Постановка задач исследования

2. Разработка способов получения горячей воды в МНЛЗ

2.1 Возможность и целесообразность утилизации теплоты ПВС и неиспарившейся воды

2.2 Возможность и целесообразность утилизации теплоты, отводимой кристаллизатором и роликами

2.3 Способы получения горячей воды в кристаллизаторе и роликах при существующей геометрии охлаждаемых каналов

3. Разработка схем утилизации теплоты от МНЛЗ

3.1 Схемы утилизации теплоты, отводимой в оборудовании МНЛЗ

3.2 Характеристики промежуточных теплообменников

3.3 Утилизация теплоты от МНЛЗ в системе теплоснабжения ЧМК

4. Экономическая целесообразность проекта

4.1 Расчет капитальных вложений при проектировании нового оборудования

4.2 Расходы на содержание и эксплуатацию оборудования

4.3 Определение экономического эффекта и экономической эффективности

5. Безопасность жизнедеятельности

5.1 Анализ условий труда персонала при обслуживании системы охлаждения МНЛЗ

5.2 Меры по обеспечению безопасности и здоровых условий труда

5.3 Меры по обеспечению устойчивой работы системы охлаждения МНЛЗ в условиях чрезвычайных ситуаций

6. Меры по охране окружающей среды

Заключение

Список использованных источников

Введение

Повышение эффективности использования топливно-энергетических ресурсов (ТЭР) на предприятиях черной металлургии в современных условиях является одним из главных направлений выживания. Черная металлургия -- одна из наиболее энергоемких отраслей промышленности. Доля затрат на ТЭР в общих заводских затратах на производство продукции составляет более 30 %. Высокая энергоемкость металлургических производств при постоянном росте цен на ТЭР ставит на одно из первых мест проблему энергоресурсосбережения. Потенциал энергосбережения в этой отрасли достигает 30 %.

Наиболее полное решение вопросов, связанных с оптимизацией структуры энергетического хозяйства промышленных объектов, дает системный подход в его классическом понимании. Рассмотрение энергохозяйства в качестве сложной системы, оптимизация работы каждого элемента и учет их влияния на работу объекта в целом могут дать значимый результат, особенно на реконструируемых и проектируемых объектах. Однако такие этапы решения задачи оптимизации как получение корректной исходной информации для составления моделей всех элементов системы, разработка программ для ЭВМ, увязка частных решений требуют значительных затрат времени. Сами модели часто теряют смысл при изменении внешних факторов, особенно, в современной экономической ситуации.

Особенность потенциала энергосбережения на металлургических предприятиях заключается в том, что на сегодняшний момент времени существует значительный моральный и физический износ основного энерготехнологического оборудования и наблюдается существенная неритмичность работы металлургических комбинатов, связанная с особенностью современного рынка продукции. Эти два фактора вместе с проблемой системы учета и контроля за расходом ТЭР, требующей коренного улучшения на всех уровнях производства, в основном определяют значительную часть нерациональных потерь ТЭР на производстве (до 70 % от потенциала энергосбережения).

Кроме этого для металлургических заводов вопросы энергосбережения являются одним из основных направлений для снижения издержек производства и повышения конкурентоспособности их продукции на рынке.

В настоящее время в металлургическом производстве возрастают требования к качеству продукции, снижению энергозатрат и улучшению экологической обстановки.

Конвертерное производство стали является одним из наиболее перспективных переделов в сталеплавильном производстве. При этом жидкая сталь, получаемая в конверторах, разливается на слябовых машинах непрерывного литья заготовок (МНЛЗ). МНЛЗ - современный высокотемпературный металлургический агрегат, в котором температура жидкой стали, подаваемой в кристаллизатор МНЛЗ, составляет примерно 1550 С. Основная технологическая задача установки - превратить жидкую сталь в твёрдую заготовку правильной формы (сляб). Для этого нужно отвести от металла значительное количество теплоты. Примерно треть поступившей теплоты отводится в системе охлаждения МНЛЗ и далее теряется в окружающей среде. Использование даже части этой теплоты может дать значительный энергетический, экологический и экономический эффекты. Поэтому, проблема утилизации теплоты является актуальной темой для моей работы.

1. Проблема использования теплоты, отводимой в системе охлаждения МНЛЗ

1.1 Описание системы охлаждения МНЛЗ

Разливка стальных слябов (слитков) на машинах непрерывного литья заготовок (МНЛЗ) это современный, высокопроизводительный, технологический процесс в металлургии.

Рассмотрим конструкцию МНЛЗ на рисунке 1.1 и её основные функции на примере криволинейной слябовой машины конструкции АО «Уралмаш». Такие машины успешно эксплуатируются в конвертерном производстве ЧМК ОАО «Северсталь» с 1980 г.

Рисунок 1.1- Принципиальная схема криволинейной МНЛЗ

Криволинейная МНЛЗ состоит из криволинейного, радиального и горизонтального участка. Жидкая сталь из разливочного ковша поступает в промежуточный ковш, а из него через разливочный стакан в кристаллизатор. В кристаллизаторе происходит формирование оболочки непрерывного слитка, который следует в зону вторичного охлаждения (ЗВО), где осуществляется его охлаждение с помощью водовоздушных или водяных форсунок. Для предохранения поверхности заготовки от выпучивания ЗВО оборудуется специальной поддерживающей системой в виде брусьев, роликов, и др. Далее слиток проходит через правящую и тянущую клети в зону резки, на выходе из которой получается готовый сляб. Длина кристаллизатора составляет 900-1000 мм.

Основное требование к кристаллизатору - это получение однородной затвердевающей оболочки заготовки посредством эффективной однородной теплопередачи. кристаллизатор охлаждаемый теплота

Медные кристаллизаторы бывают двух типов: гильзовые и сборные. В обоих случаях они изготавливаются либо из рафинированной меди, либо из сплавов меди с хромом и цирконием либо из сплава с серебром. Для повышения эксплуатационной стойкости на внутреннюю поверхность кристаллизатора наносятся специальные защитные покрытия на основе хрома или никеля.

Хромовое покрытие - износостойкое традиционное покрытие внутренней поверхности кристаллизатора. Его применяют непосредственно на медных пластинах при разливке блюмовой и сортовой заготовки. На сегодняшний день основные задачи применения хрома - снижение трения и уменьшение прилипания в кристаллизаторе при резком изменении уровня металла при запуске.

Кристаллизатор является одним из наиболее функционально важных узлов, которые определяют эффективную работу МНЛЗ и требуемое качество полученного слитка.

1.2 Зона вторичного охлаждения

Зона вторичного охлаждения МНЛЗ располагается сразу после кристаллизатора. Ее длина на современных МНЛЗ может составлять от десяти до нескольких десятков метров.

Равномерное охлаждение заготовки при помощи воды или водовоздушной смеси - основная задача зоны вторичного охлаждения (ЗВО).

Отвод тепла от поверхности слитка в ЗВО достигается путем интенсивного опрыскивания ее поверхности водой, передачи тепла к поддерживающим роликам с внутренним охлаждением и вследствие конвекции и лучеиспускания в окружающую среду.

Интенсивность охлаждения во вторичной зоне должна выбираться так, чтобы температура на границе заготовки в процессе её перемещения оставалась постоянной или медленно уменьшалась. Более приоритетным считается вариант, при котором температура поверхности медленно снижается по всей длине ЗВО.

На рисунке 1.2 приведена схема расположения форсунок относительно сляба, а так же график заданного и реального режимов охлаждения.

Рисунок 1.2- Форсуночное охлаждение сляба в ЗВО

Так как непрерывная разливка стали протекает при высоких температурах, то нельзя рассматривать этот процесс без учёта явлений тепло- и массопереноса. Необходимо обеспечить соответствующее охлаждение слитка для отвода физического тепла и скрытой теплоты плавления. Теплообмен слитка с охлаждающими его элементами решающим образом влияет на формирование его твёрдой оболочки и на получающуюся структуру металла [10, 11].

В зоне начального формирования слитка охлаждение осуществляется в кристаллизаторе, где образуется твёрдая оболочка (корочка) слитка, которая контактирует с водоохлаждаемыми стенками. В зоне вторичного охлаждения (ЗВО) процесс затвердевания слитка продолжается. Передача тепла от поверхности слитка к охлаждающей воде происходит в основном за счёт конвекции. В зоне охлаждения на воздухе процесс протекает в условиях свободной конвекции и излучения.

По итогам экспериментов и расчётов многих авторов следует, что в пределах МНЛЗ от слитка отводится порядка 55% тепла стали [34]. Из всего тепла, отводимого от металла в пределах машины, в кристаллизаторе отводится около 15%, в ЗВО - 70%, в зоне воздушного охлаждения - 15%.

Количество теплоты, отводимой от слитка, соизмеримо с теплотой выдаваемой ТЭЦ, которое в настоящее время нигде не используется и теряется на градирнях. Сложность обуславливается низким температурным потенциалом (вода с температурой 3050 °С и паро-воздушная смесь с температурой 6070 °С).

1.3 Способы использования тепла низких параметров

Запасы низкопотенциального тепла (НПТ) огромны. Величина энергии для России равна 31,5 млн. т/год условного топлива даже без учета НПТ отходящих газов энергетических и технологических установок. Это составляет 22 % общего энергопотребления страны, превосходит экономический потенциал ветра и солнечной энергии [4].

Разработка технологий непрерывной разливки с минимальными потерями тепла занимает лидирующее место среди научных исследований, как в России, так и за рубежом [6, 13, 36]. Такие технологии улучшают энергетические и теплотехнические показатели прокатных станов и линий МНЛЗ.

Особенности утилизации НПТ связаны с их использованием в энергосиловых установках с легкокипящими теплоносителями, холодильных устройствах, экономайзерах и теплообменниках, тепловых насосах.

Установки с легкокипящими теплоносителями находят большое применение («холодный» пар, или цикл Ренкина) [29, 37]. Кроме электроэнергии, установка выдает конденсат греющего пара. В соответствии с расчетами, себестоимость вырабатываемой электроэнергии получается в три раза ниже, чем на ТЭЦ [31, 33].

Весьма эффективны при использовании НПТ тепловые насосы (ТН). Они предназначены для повышения потенциала рабочего тела от величин, непригодных для использования в данном процессе, до достаточных для этого. Часто имеется в виду увеличение давления паров рабочего тела с соответствующей новой температурой конденсации. Изменение последней до значений, превышающих температуру кипения этого рабочего тела при обычном давлении, делает возможным его испарение (кипение). Данная схема соответствует второму закону термодинамики[3].

Известны три вида тепловых насосов: термоэлектрические , компрессионные и сорбционные .Самой распространенной моделью является - компрессионный тепловой насос.

Принципиальная схема компрессионного теплового насоса изображена на рисунке 1.3. Компрессор засасывает из испарителя пары легкокипящего рабочего вещества, например фреона, и сжимает их. Сжатие сопровождается увеличением температуры и давления паров. Далее пары поступают в конденсатор, где отдают тепло другому теплоносителю, например воде, используемой далее в системе горячего водоснабжения. Поскольку температура конденсации сжатого газа выше, чем кипения рабочего тела при обычном давлении, то через регулирующий вентиль конденсат подают в испаритель. Таким образом, работа теплового насоса непрерывно воспроизводится [27, 31].

Рисунок 1.3- Принципиальная схема работы компрессионного теплового насоса

В качестве источника НПТ в тепловых насосах могут применяться вытяжной воздух и отработанная вода системы горячего водоснабжения. Извлеченная теплота передается воде (водо-водяные ТН) или воздуху (воздушные или воздухо-воздушные ТН).

В нашей стране ТН практически не применяются из-за сложившейся ситуации цен на ТЭР и значительных капитальных затрат. [14, 15, 16].

Вместе с тем расширение применения ВЭР, как и другие направления рационального использования сырьевых и топливно-энергетических ресурсов, требуют прогрессивной технологии и внедрения новой техники, что связано с дополнительными капитальными затратами.

В этой ситуации рациональное использование ТЭР является одним из основных направлений повышения энергоэффективности производства. Решением энергосбережения в промышленности является внедрение трансформаторов теплоты и комбинированных установок теплохладоснабжения.

1.4 Получение пара и горячей воды в системах охлаждения технологических агрегатов

Возможности эффективного использования теплоты жидкой стали открываются при непрерывной разливке стали с охлаждаемыми кристаллизаторами, при применении испарительного охлаждения [8].

При испарительном охлаждении снижается расход электроэнергии на подачу воды, отпадает необходимость в сооружении громоздких дорогостоящих водоводов, градирен, бассейнов, насосных станций, прудов[1].

В отличие от водяного, испарительное охлаждение предусматривает полное согласование отвода теплоты с технологией работы МНЛЗ. При водяном способе количество охлаждающей воды должно соответствовать максимальным нагрузкам, для избежания перегрева охлаждающей среды и выпадения накипи. При испарительном - увеличение тепловой нагрузки приводит к турбулизации потока пароводяной смеси, и надежность охлаждения сохраняется, т. е. процесс отбора тепла саморегулируется [9, 24].

Принципиальная схема системы испарительного охлаждения представлена на рисунке 1.4. Охлаждаемые детали двумя трубами присоединяют к барабану-сепаратору. По опускной трубе (к нижней ее части) подводится вода. По подъемной трубе образовавшаяся пароводяная смесь отводится (из верхней части) в барабан-сепаратор, где пар отделяется от жидкой фазы и направляется в паропровод. Взамен испарившейся в барабан подаётся свежая питательная вода, и смесь её с отсепарированной водой опять попадает в охлаждаемую деталь. Циркуляция воды в системе непрерывна. При этом возможна естественная или принудительная циркуляция.

Рисунок 1.4 -Принципиальная схема СИО: 1 опускная труба; 2 охлаждаемая деталь; 3 подъемная труба; 4 водозаборное устройство; 5 станция перекачки воды; 6 химическая водоочистка; 7 питательный насос; 8 подвод питательной воды; 9 барабан-сепаратор; 10 отвод насыщенного пара.

При естественной циркуляции движущей силой является разность плотностей воды в опускной трубе и пароводяной смеси в подъёмной. В случае принудительной циркуляции на опускной трубе устанавливают циркуляционный насос. На отечественных предприятиях в СИО обычно применяют естественную циркуляцию, обеспечивающую работу системы независимо от подачи электроэнергии.

Применение CИО не всегда возможно, поэтому многие агрегаты продолжают охлаждать неочищенной водой, большей частью оборотной. Такую воду нельзя подогревать в охлаждаемых элементах агрегатов более чем на 1015 °С из-за выпадения солей и опасности образования нагаров в отдельных местах с большими теплонапряжениями. Для исключения выпадения взвесей приходится поддерживать определённую скорость движения воды. Поэтому при проточном охлаждении сырой водой её нагрев обычно не превышает 510 °С. Экономичное использование такой теплоты невозможно. Но оно становится возможным, если применять схему, показанную на рисунке 1.5. Элементы агрегата охлаждаются химически очищенной водой, не дающей отложений даже при местных высоких подогревах. Это позволяет нагревать воду до 80100 °С и выше, если поддерживать в замкнутом контуре давление выше атмосферного [32].

Рисунок 1.5- Схема использования теплоты охлаждения конструктивных элементов технологических агрегатов: 1 охлаждаемые элементы; 2 теплообменник; 3 насосы; 4 обратный трубопровод; 5 подающий трубопровод.

Циркулирующая по замкнутому контуру химически очищенная вода отдаёт теплоту потребителям через поверхностный теплообменник. Зимой, когда требуется отопление, сетевая вода может нагреваться в ТО до вполне достаточной температуры.

При обеспечении предприятий обессоленной и умягченной водой от испарительных установок (ИУ) резко снижается количество сбросных вод, поэтому не требуется химических реагентов, ионообменных смол и других материалов.

Если летом горячую воду использовать негде (нет производственных ее потребителей), то отвод теплоты в ТО может осуществляться той же проточной сырой водой, которой охлаждаются агрегаты по обычной схеме. При этом подогрев последней в ТО производится до температур, при которых не происходит выпадение солей и их оседание на стенках, что достигается поддержанием соответствующего расхода.

1.5 Постановка задач исследования

На машинах непрерывного литья заготовок в системе охлаждения теряется большое количество низкопотенциальной теплоты. Её возможно утилизировать различными способами, например: применением тепловых насосов и испарительного охлаждения, повышением температуры охлаждающей воды, применением различных теплообменников. Однако, внедрение мероприятий по утилизации тепловых выбросов неизбежно потребует капитальных затрат.

При утилизации низкопотенциальной теплоты от криволинейных ролико-форсуночных МНЛЗ имеются следующие особенности:

1. Наличие источника сбросного тепла промышленного предприятия идеальный вариант для тепловых насосов. Однако, получение финансовой выгоды при сложившейся ситуации цен в России на электроэнергию и топливо, а также с учетом значительных капитальных и эксплуатационных затрат на ТН, вряд ли возможно из-за значительного срока окупаемости, необходимости монтажа дополнительного оборудования и проведения обширных реконструкционных работ.

2. При испарительном охлаждении кристаллизатора снижается расход электроэнергии на подачу воды, отпадает необходимость в сооружении громоздких дорогостоящих водоводов, насосных станций, градирен, бассейнов, прудов. Теплота, теряемая при водяном охлаждении, используется для получения пара, направляемого потребителям. В настоящее время СИО кристаллизатора является перспективным направлением в энергосбережении, однако применение таких систем возможно лишь на вновь строящихся мощностях.

3. Элементы технологических агрегатов можно охлаждать химически очищенной водой, не дающей отложений. Это позволит нагревать воду в охлаждаемых элементах до 80100 °С и выше.

В связи с этими особенностями, в работе поставлены следующие задачи:

1. Оценить энергетический потенциал теплоты, отводимой в системе охлаждения МНЛЗ.

2. Оценить возможность и целесообразность утилизации теплоты охлаждения кристаллизатора, роликов, паровоздушной смеси и неиспарившейся воды отводимых от МНЛЗ.

3. Обосновать возможность повышения температурного уровня воды, охлаждающей кристаллизаторы и ролики МНЛЗ без ущерба для технологического оборудования и процесса.

4. Разработать способы получения горячей воды с использованием низкопотенциальных ВЭР, получаемых на МНЛЗ, не влияющие на технологический процесс и нормальную работу оборудования.

5. Разработать схемы утилизации теплоты, отводимой в кристаллизаторах и роликах МНЛЗ, в системе теплоснабжения металлургического комбината.

2. Разработка способов получения горячей воды в МНЛЗ

2.1 Возможность и целесообразность утилизации теплоты ПВС и неиспарившейся воды

Вместе с паровоздушной смесью из бункера ЗВО МНЛЗ отводится значительное количество теплоты в системе охлаждения (доля теплоты ПВС составляет примерно q_ПВС 17 % от теплоты жидкой стали), однако температура ПВС из-за значительных присосов воздуха на выходе из бункера составляет в зависимости от скорости разливки t_пв = 5565 С.

Поток энтальпии ПВС, кВт, при температуре t_пв можно рассчитать по выражению [19]:

(2.1)

где G_возд - расход воздуха в ПВС, кг/с;

h_пв - энтальпия ПВС, кДж/кг, в расчете на 1 кг воздуха;

= G_возд/G_п0 относительное содержание воздуха в ПВС;

G_п0 - суммарный расход пара на выходе из ЗВО,кг/с; d_п - паросодержание, кг/кг;

(2.2)

где р_н(t_пв) - давление насыщенного водяного пара при t_пв, Па;

р_пв - давление ПВС, Па.

Выражение (2.1) не учитывает энтальпию взвешенного конденсата, который образуется при смешении пара с воздухом.

При уменьшении температуры ПВС от t_пв = t_пв до t_пв может быть выделено такое количество теплоты, кВт:

(2.3)

Относительное количество теплоты ПВС, которое выделяется при этом, с учетом (2.1) и (2.2) можно рассчитать по выражению:

(2.4)

На рисунке 2.1 показана рассчитанная по выражению (2.3) зависимость Q_ПВС/Q_ПВС, %, от понижения температуры ПВС t_пв = t_пв t_пв при различной температуре ПВС t_пв = t_пв на выходе из бункера МНЛЗ.

Рисунок 2.1- Зависимость Q_ПВС/Q_ПВС от t_пв

Из рисунка 2.1 видно, что если исходная температура ПВС t_пв = 60 С, то при охлаждении ПВС на t_пв = 40 С, т.е. от 60 до 20 С, будет выделено 94 % теплоты Q_ПВС, отводимой ПВС из бункера МНЛЗ. В этом случае начальная температура вторичного теплоносителя, нагреваемого за счет теплоты ПВС, должна быть меньше 20 С, например, 15 С (5 С - минимальный температурный напор, необходимый для передачи теплоты в поверхностном теплообменнике).

Если исходная температура ПВС t_пв = 95 С, то при охлаждении ПВС на t_пв = 40 С, т.е. от 95 до 55 С, выделяется практически 100 % теплоты Q_ПВС. В этом случае начальная температура вторичного теплоносителя, нагреваемого за счет теплоты ПВС, должна быть меньше 55 С, например, 50 С.

Поскольку ПВС достаточно загрязнена, то утилизация ее теплоты может быть произведена в поверхностном теплообменнике-конденсаторе с противоточной схемой движения ПВС и охлаждающей воды, показанной на рисунке 2.2.

Рисунок 2.2 -Схема движения ПВС и воды в теплообменнике.

Если исходная температура воды t_в, то ПВС можно охладить до температуры t_пв t_в + t_min, а воду нагреть до температуры t_в t_пв t_min, где t_min 5 С минимальный температурный напор, необходимый для теплопередачи от ПВС к воде. Расход нагреваемой воды G_в, кг/с, определяется из теплового баланса теплообменника [18]:

(2.5)

Утилизация теплоты ПВС может быть эффективной только при достаточно высокой температуре ПВС (t_пв > 90 С), т.е. при исключении присосов воздуха в бункер МНЛЗ, т.к. при низкой температуре ПВС (t_пв 60 С), имеются следующие недостатки: теплообменник-конденсатор будет очень громоздким и дорогим из-за большого содержания воздуха в ПВС, и соответственно, невысокого коэффициента теплоотдачи от ПВС; такой теплообменник-конденсатор будет создавать значительное аэродинамическое сопротивление в паровоздуховоде.

Неиспарившаяся вода, сливающаяся со сляба, отводит примерно
q_сл 4 % теплоты жидкой стали, и имеет среднюю температуру
t_сл = 8090 С. Неиспарившаяся вода в настоящее время практически на всех МНЛЗ стекает в желоб под машиной и перекачивается на фильтровальную станцию. Такая вода содержит большое количество примесей (частицы окалины), что накладывает условия по ее очистке.

Для утилизации теплоты неиспарившейся воды необходима установка поверхностного водоводяного теплообменника, но из-за сильного загрязнения сливающейся воды работа теплообменника будет неэффективной.

Таким образом, утилизация теплоты ПВС и неиспарившейся воды в системе теплоснабжения предприятия является на сегодняшний день малоэффективной и достаточно затратной, несмотря на значительное количество теплоты, отводимой ПВС и неиспарившейся водой (примерно половина всей теплоты, отводимой в системе охлаждения МНЛЗ). Утилизация теплоты ПВС может стать эффективной при исключении присосов воздуха в бункер ЗВО.

2.2 Возможность и целесообразность утилизации теплоты, отводимой кристаллизатором и роликами

Примерно 50 % теплоты охлаждения сляба, отводимой в МНЛЗ, отводится кристаллизаторами и роликами, имеющими охлаждаемые водой внутренние каналы, причем в роликах отводится в несколько раз больше теплоты, чем в кристаллизаторе.

На рисунке 2.3 показана схема охлаждения слитка в кристаллизаторе.

Рисунок 2.3- Схема охлаждения слитка в кристаллизаторе

Через разливочный стакан из промежуточного ковша в кристаллизатор поступает жидкая фаза, которая из-за интенсивного теплообмена с рабочими стенками кристаллизатора затвердевает. При этом образуется твердая оболочка сляба, которая контактирует с рабочими стенками кристаллизатора и непрерывно нарастает вдоль технологической оси МНЛЗ. Теплота, отведенная через рабочую стенку кристаллизатора, передается охлаждающей воде, циркулирующей по каналам в рабочей стенке кристаллизатора. Обычно охлаждающая вода проходит каналы снизу вверх.

Максимальная температура рабочей поверхности стенки кристаллизатора соответствует уровню мениска жидкого металла, где плотность теплового потока, отводимого от сляба к стенке составляет для слябовых кристаллизаторов q_max = 22,5 МВт/м² [19]. Максимальная температура стенки зависит от температуры охлаждающей воды. При повышении температуры воды возрастает и максимальная температура рабочей поверхности стенки. Она не должна превышать 350 С (температура рекристаллизации меди, выше которой начинается интенсивный износ стенки из-за трения со слябом) [19].

На рисунке 2.4 показана схема медной стенки щелевого кристаллизатора с прямоугольными каналами.

Рисунок 2.4- Схема рабочей стенки щелевого кристаллизатора: 1 - рабочая стенка; 2 - стальной корпус; 3 - канал; 4 - рабочая поверхность; - толщина стенки от рабочей поверхности до канала; 2s - расстояние между каналами; h - глубина канала; 2l - ширина канала; q - плотность теплового потока, подводимого к стенке от сляба.

В таблице 2.1 приведены геометрические параметры рабочих стенок прямоугольного щелевого кристаллизатора, установленного на одной МНЛЗ сталеплавильного цеха ЧерМК ОАО «Северсталь».

Таблица 2.1- Геометрические параметры рабочих стенок

Параметр	Узкая стенка	Широкая стенка
Ширина паза 2l, мм	9	9
Высота паза h, мм	25	25
Расстояние между пазами 2s, мм	17	26
Минимальная толщина стенки д, мм	10	10
Максимальная толщина стенки д, мм	30	30

Прямоугольный кристаллизатор имеет две узких и две широких рабочих стенки, высотой H = 1 м. На каждую рабочую стенку расход воды подается отдельно. В прямоугольные пазы охлаждаемых стенок кристаллизатора вода поступает снизу с температурой 3035 С и выходит сверху с температурой до 4045 С. Скорость движения воды в пазах составляет примерно 6 мс.

Верхние и нижние ролики служат для поддержания и транспортировки затвердевающего или затвердевшего сляба, и число их пар составляет, например, на МНЛЗ № 3 ЧерМК, 92 шт. Ролики контактируют с широкими гранями сляба, как показано на рисунке 2.5. Шаг S и диаметр D роликов увеличиваются вдоль технологической оси МНЛЗ, стабилизируясь на выходе из бункера ЗВО.

Ролики, в отличие от рабочей стенки кристаллизатора, находятся в нестационарных температурных условиях. Максимальная температура поверхности ролика t_max соответствует текущему месту контакта с поверхностью сляба, и не зависит от температуры охлаждающей воды t_в. Температурные напряжения, пропорциональны разности температур (t_max t_в), поэтому чем выше температура охлаждающей воды, тем меньше температурные напряжения в ролике, и тем большую стойкость от ролика можно ожидать [38].

Рисунок 2.5-Схема взаимодействия роликов со слябом

На рисунке 2.6 показана схема охлаждения роликов МНЛЗ. Охлаждающая вода поступает по внутренней круглой трубе внутрь ролика, а затем по кольцевому каналу возвращается назад, забирая теплоту от внутренней поверхности ролика. Внешняя поверхность вращающегося ролика получает теплоту от сляба за счет излучения и контактного теплообмена. Путем теплопроводности в бочке ролика теплота передается охлаждающей воде. В настоящее время температура охлаждающей воды, нагретой в роликах МНЛЗ, обычно не превышает 4550С, а нагрев воды при этом составляет 1520С.

Рисунок 2.6-Схема охлаждения ролика

Теплоту, отводимую охлаждающей водой в кристаллизаторе и роликах возможно утилизировать, но для этого необходимо повысить ее температурный уровень. Для этого нужно перевести эти элементы МНЛЗ с охлаждения оборотной технической водой на охлаждение химически очищенной водой, циркулирующей по замкнутому контуру. Охлаждение нагретой воды производится в промежуточном поверхностном теплообменнике.

Нагрев охлаждающей воды в элементах МНЛЗ (кристаллизаторе и роликов) до 100 С и выше можно осуществить разными способами. Например, в несколько раз уменьшить ее расход на эти элементы при той же температуре воды на входе (30 С), однако при этом из-за уменьшения скорости воды резко уменьшится коэффициент теплоотдачи к охлаждающей воде, и значительно возрастет температура рабочей поверхности этих элементов, что неблагоприятно отразится на их работе. Это связано с высокой плотностью теплового потока, отводимого в элементах МНЛЗ. На поверхности роликов плотность теплового потока значительно меньше (порядка 100 кВт/м²), при этом поверхность роликов, в отличие от поверхности рабочей стенки кристаллизатора, подвержена циклической тепловой нагрузке.

2.3 Способы получения горячей воды в кристаллизаторе и роликах при существующей геометрии охлаждаемых каналов

В настоящее время ролики и кристаллизаторы МНЛЗ на ЧерМК ОАО «Северсталь» охлаждаются химочищенной водой с t_в 30 °C. Вода, отводя теплоту, нагревается на 510 °С. Затем эта вода охлаждается в промежуточных теплообменниках технической водой, и вновь направляется в ролики и кристаллизатор. Нагретая техническая вода, пройдя через промежуточные теплообменники направляется на градирни, там же охлаждается, отдавая теплоту окружающему воздуху (рисунок 2.7).

Рисунок 2.7-Принципиальная схема охлаждения оборудования МНЛЗ

Таким образом, отводимая от роликов и кристаллизатора теплота никак не используется и выбрасывается в атмосферу в градирнях. Это вызвано низким тепловым потенциалом охлаждающей воды и невозможностью ее дальнейшего использования. Повышение температуры охлаждающей воды до 80100 °С позволило бы использовать теплоту, отводимую от роликов и кристаллизатора МНЛЗ, например, в системе теплоснабжения предприятия.

Нагрев охлаждающей воды в элементах МНЛЗ до 100С можно осуществить, если уменьшить расход (скорость) охлаждающей воды на эти элементы при той же температуре воды на входе (30 С). На рисунке 2.8 приведена зависимость температуры охлаждающей воды на выходе из кристаллизатора t_кр от скорости ее движения по каналам кристаллизатора w. За исходное взяли значение скорости w₀ = 6 м/с, при котором нагрев воды в кристаллизаторе t_кр0 = 5 С.

Рисунок 2.8-Зависимость температуры t_кр от w

Температура t_кр рассчитывалась по выражению:

(2.6)

где температура воды на входе в кристаллизатор t_кр = 30 С.

Как видно из рисунке 2.8 для того чтобы температура воды на выходе из кристаллизатора стала равной 100 °С необходимо снизить расход (скорость) воды в 15 раз, т.е. до w = 0,4 м/с. При этом из-за уменьшения скорости воды резко уменьшится коэффициент теплоотдачи к охлаждающей воде, и значительно возрастет температура рабочей поверхности этих элементов, что неблагоприятно отразится на их работе.

Максимальную температуру рабочей поверхности стенки кристаллизатора можно оценить по выражению [20]:

(2.7)

где q_max - максимальная плотность теплового потока на уровне мениска жидкой стали; 385 Вт/(мК) - коэффициент теплопроводность меди;

_в = _в(, h, l, s) - эффективный коэффициент теплоотдачи от рабочей стенки к охлаждающей воде;

= (w, t_вод, h, l) - обычный коэффициент теплоотдачи от стенок каналов к воде;

, h, l, s геометрические размеры стенки щелевого кристаллизатора, показанные на рисунке 2.4; w - скорость воды в каналах.

Для расчета эффективного коэффициента теплоотдачи _в в [20] получено выражение:

(2.8)

где линейное термическое сопротивления ребра рабочей стенки:

(2.9)

Коэффициенты D_k в (3.6) определяются по формуле:

где _k корни характеристического уравнения:

(2.10)

где критерий Био.

Известно, что корни _k уравнения (2.10) представляют бесконечную последовательность возрастающих чисел: ₁ < ₂ < …< _n < ….. Поэтому ряд в (2.6) является быстро сходящимся для точек с координатой х < h.

Обычный коэффициент теплоотдачи определяется по известным эмпирическим зависимостям. Достаточно точной является формула Петухова [26], полученная при турбулентном течении капельных жидкостей и газов при 0,5 < Pr < 200 и 4000 < Re < 10⁷:

(2.11)

где критерий Рейнольдса;

критерий Нуссельта;

Pr - число Прандтля для воды;

коэффициент гидравлического сопротивления;

w - средняя скорость движения воды в охлаждаемых каналах;

d_э эквивалентный диаметр канала; v_в коэффициент кинематической вязкости для воды;

_в коэффициент теплопроводности для воды.

Величины v_в, _в и Pr выбираются по температуре охлаждающей воды t_в. Коэффициент можно рассчитать по формуле [26]:

(2.12)

Эквивалентный диаметр прямоугольного канала определяется так:

(2.13)

где f = 2l2h - площадь сечения канала; р = 2(2l + 2h) - периметр канала.

На ЧерМК применяются кристаллизаторы с параметрами: h = 0,025 м; 2l = 0,009 м; 2s = 0,026 м; = 0,02 м. Например, при w = 6 м/с и t_в = 40 С эффективный коэффициент теплоотдачи, рассчитанный по формулам (3.5)(3.8), при данных размерах каналов равен _в 21920 Вт/(м²К). При w = 0,4 м/с и t_в = 100 С эффективный коэффициент теплоотдачи составит _в 2290 Вт/(м²К). На рисунке 2.9 показана зависимость t_max от скорости воды в каналах w, рассчитанная по формуле (2.4) при q_max = 2,5 Вт/м².

Рисунок 2.9-Зависимость t_max от скорости движения воды в каналах w

Из рисунке 2.9 следует, что при скорости w = 6 м/с максимальная температура стенки кристаллизатора t_ст,max = 290 С, что меньше критического значения 350 С, при котором начинается интенсивный износ меди. При уменьшении скорости воды температура t_ст,max возрастает. Например, при w = 3,5 м/с температура t_ст,max 350 С, а при w = 1 м/с t_ст,max 710 С. При скорости w = 0,4 м/с, когда температура воды на выходе из кристаллизатора составит 100 С, максимальная температура рабочей поверхности составит t_ст,max 1320 С, что совершенно недопустимо.

Из приведенного примера видно, что простое уменьшение расхода охлаждающей воды через ролики и кристаллизатор МНЛЗ для увеличения нагрева воды недопустимо, т.к. это приведет к быстрому выходу оборудования МНЛЗ из строя.

Нагрев воды, охлаждающей кристаллизатор и ролики, до 100 С, и выше, при существующих геометрических размерах каналов можно осуществить, если расходы охлаждающей воды на кристаллизатор и ролики и скорости воды в каналах оставить неизменными, а температуру охлаждающей воды на входе - увеличить. При неизменных расходах воды G_кр и G_рол нагрев воды в кристаллизаторах и роликах t_кр и t_рол не изменятся, т.к. температура охлаждающей воды практически не влияет на тепловые потоки, отводимые в кристаллизаторе и роликах.

Расчеты показывают, что при температуре воды t_кр = 40 С величина _в составит 21920 Вт/(м²К), а максимальная температура рабочей поверхности t_max (при q_max = 2,5 МВт/м²) по формуле (2.4) не превысит
290 С. При увеличении температуры воды до t_кр = 100 С величина _в возрастет до 26080 Вт/(м²К), а t_max не превысит 325 С. Таким образом, при увеличении температуры охлаждающей воды на выходе из кристаллизатора на 60 С максимальная температура рабочей поверхности возрастет всего на 35 С, и останется в пределах допустимой нормы. Это объясняется тем, что при увеличении температуры воды увеличивается коэффициент теплоотдачи из-за снижения вязкости воды, в результате чего температура рабочей поверхности возрастает в меньшей степени, чем температура воды.

Плотность теплового потока, подводимого к поверхности ролика из легированной стали, во много раз меньше, чем к рабочей стенке кристаллизатора, кроме того, сталь является более прочной, чем медь. Средняя температура поверхности бочки ролика не превышает 400 С. Максимальная температура поверхности ролика, в месте контакта с поверхностью сляба, слабо зависит от температуры охлаждающей воды, поэтому повышение средней температуры ролика уменьшит термические напряжения в бочке ролика, возникающие при его вращении. Стойкость роликов при этом не уменьшится, а может даже возрасти. Тепловой поток, отводимый роликами от сляба, при этом также практически не изменится. Ролик получает теплоту от сляба во многом за счет излучения, и при температуре поверхности сляба порядка 950С небольшое увеличение температуры поверхности ролика (которая обычно меньше 400С) практически не повлияет на теплообмен ролика со слябом.

Таким образом, повышение средней температуры охлаждающей воды в роликах может положительно влиять на их стойкость и срок службы в отличие от кристаллизатора, где такое повышение может несколько снизить стойкость кристаллизатора.

Чтобы никак не повлиять на стойкость кристаллизатора и теплообмен в кристаллизаторе, можно предложить еще один способ получения горячей воды, заключающийся в последовательном охлаждении кристаллизатора и роликов.

В настоящее время охлаждающая вода движется параллельно через кристаллизатор и группы роликов, по схеме, показанной на рисунке 2.10. При этом она имеет значительный расход и низкую температуру на сливе с оборудования, порядка 3545 С.

Рисунок 2.10- Существующая схема движения охлаждающей воды

Для повышения температурного уровня нагреваемой воды можно применить последовательное движение воды, когда вода с тем же расходом G_кр проходит сначала кристаллизатор, где нагревается как обычно, например, от 30 до 40 С (t_кр = 10 С), а дополнительный нагрев воды от 40 С и выше будет происходить при ее последовательном прохождении через роликовые секции (рисунок 2.11).

Рисунок 2.11- Схема последовательного охлаждения кристаллизатора и роликов

Т.к. тепловой поток Q_рол, отводимый в роликах, в несколько раз превышает тепловой поток Q_кр, отводимый в кристаллизаторе той же МНЛЗ (Q_рол/Q_кр = 24 раза в зависимости от длины МНЛЗ), то подогрев воды в МНЛЗ в схеме на рисунке 2.11 составит:

(2.14)

При t_кр = 10 С и Q_рол/Q_кр = 3 подогрев воды в МНЛЗ составит t_м = 40 С. При исходной температуре воды 30 С температура нагретой воды на выходе из МНЛЗ составит 70 С, что достаточно, например, для целей горячего водоснабжения.

Недостаток схемы на рисунке 2.11 в том, что, во-первых, необходимо менять схему движения охлаждающей воды на МНЛЗ. Для этого придется заменить перекачивающие насосы, и в любом случае придется останавливать действующие МНЛЗ. Во-вторых, данная схема не является гибкой - при изменении сечения разливаемого сляба или скорости разливки изменяются тепловые потоки Q_кр, Q_рол, и изменяется нагрев воды в МНЛЗ t_м.

Из рассмотренных мною способов получения горячей воды в оборудовании МНЛЗ наиболее предпочтительным является способ, когда расходы охлаждающей воды и схемы движения воды остаются без изменения. В этом случае лишь повышается температура охлаждающей воды на входе и на выходе из оборудования. Данный способ используется в следующей главе при разработке схем утилизации теплоты, отводимой в кристаллизаторе и роликах МНЛЗ.

3. Разработка схем утилизации теплоты от МНЛЗ

3.1 Схемы утилизации теплоты, отводимой в оборудовании МНЛЗ

На рисунке 3.1 показана схема охлаждения кристаллизатора и роликов МНЛЗ технической водой. Охлаждающая вода с расходом G_охл и температурой t_охл поступает с градирни, и разделяется на два потока. Один поток с расходом G_кр направляется на охлаждение кристаллизатора МНЛЗ, где нагревается от температуры t_кр = t_охл до температуры t_кр, а второй поток с расходом G_рол направляется на охлаждение роликов, где нагревается от температуры t_рол = t_охл до температуры t_рол. Нагретые потоки G_кр и G_рол смешиваются, и суммарный поток с расходом G_охл и температурой t_охл направляется для охлаждения в градирню. В данной схеме вся теплота, которая отводится вместе с охлаждающей водой в роликах и кристаллизаторе теряется в градирне.

Рисунок 3.1- Существующая схема охлаждения оборудования МНЛЗ технической водой

На некоторых современных МНЛЗ (в частности, на ЧерМК ОАО «Северсталь») применяется схема охлаждения химочищенной водой с применением промежуточных теплообменников, показанная на рисунке 3.2.

Рисунок 3.2 - Схема охлаждения оборудования МНЛЗ химочищенной водой

В схеме на рисунке 3.2 кристаллизатор и ролики охлаждаются химочищенной водой, циркулирующей по замкнутым контурам (отдельно для кристаллизатора и роликов). Вода в количестве G_кр, нагретая в кристаллизаторе, охлаждается в поверхностном теплообменнике Т1, а вода в количестве G_рол, нагретая в роликах, охлаждается в теплообменнике Т2. Техническая вода, поступающая с градирни в количестве G_охл, разделяется на два потока: один в количестве G_охл1 направляется для нагрева в теплообменник Т1, другой в количестве G_охл2 направляется для нагрева в теплообменник Т2. После теплообменников нагретые потоки G_охл1 и G_охл2 смешиваются, и направляются для охлаждения в градирню. На рисунке 3.2 теплота, отводимая с охлаждающей водой в роликах и кристаллизаторе, также теряется в градирне.

Для утилизации теплоты охлаждения оборудования МНЛЗ можно предложить схему, показанную на рисунке 3.3. От водогрейной котельной (ВК) к коммунально-бытовым тепловым потребителям (ТП) по прямой магистрали подается прямая сетевая вода с расходом G_с.в и температурой t_пс. От тепловых потребителей обратная сетевая вода возвращается с температурой t_ос. Если расход сетевой воды G_с.в не превышает суммарного расхода охлаждающей воды G_охл на кристаллизаторы и ролики всех МНЛЗ при обычной схеме охлаждения, то вся обратная сетевая вода в количестве
G_м = G_с.в направляется в промежуточные теплообменники МНЛЗ, включенные параллельно: поток сетевой воды с расходом G_м1 проходит теплообменник Т1, входящий в контур охлаждения кристаллизатора, поток сетевой воды с расходом G_м2 проходит через теплообменник Т2, входящий в контур охлаждения роликов. Затем потоки G_м1 и G_м2 смешиваются и получатся общий поток сетевой воды с расходом G_м и температурой t_м, которая по условиям нормальной работы оборудования не должна превышать 95100 С. Подогретая в теплообменниках сетевая вода направляется в водогрейную котельную, где нагревается до нужной температуры t_пс.

Если расход сетевой воды G_с.в превышает суммарный расход охлаждающей воды G_охл на кристаллизаторы и ролики всех МНЛЗ при обычной схеме охлаждения, то расход сетевой воды, направляемый для подогрева в теплообменники МНЛЗ, следует принимать равным G_м = G_охл, чтобы обеспечить нормальный гидравлический режим работы теплообменников.

При росте температуры наружного воздуха t_нар тепловая нагрузка Q_т, отпускаемая тепловым потребителям, значительно уменьшается. В определенных случаях величина Q_т при некоторой температуре t_нар может стать меньше величины Q_м - суммарного выхода теплоты, отводимой от кристаллизаторов и роликов всех работающих МНЛЗ. В этом случае появляется избыточная теплота Q = Q_м - Q_т, которую некуда девать.

Рисунок 3.3 - Схема утилизации теплоты, отводимой в кристаллизаторах и роликах МНЛЗ

В этом случае теплота охлаждения оборудования большинства МНЛЗ может стать излишней, а отпуск переменной теплоты Q_гвс от одной или нескольких МНЛЗ становиться невозможно регулировать.

Поэтому более гибкой схемой, позволяющей плавно регулировать отпуск теплоты от всех МНЛЗ, является схема, показанная на рисунке 3.4.

Эта схема отличается наличием дополнительного теплообменника Т3, который охлаждается технической водой из градирни. Избыточная теплота Q, которая появляется при повышении температуры наружного воздуха, отводится от сетевой воды, предварительно нагретой в теплообменниках Т1 и Т2, в теплообменнике Т3.

Рисунок 3.4 - Схема утилизации теплоты МНЛЗ (усложненная)

Штриховые линии на рисунке 3.4 соответствуют случаю, когда Q_м > Q_т, т.е. когда появляется избыточная теплота. В этом случае сетевая вода (или ее часть), нагретая в Т1 и Т2, пропускается через теплообменник Т3, где охлаждается технической водой из градирни. Температура t_м сетевой воды после теплообменника Т3 должна равняться температуре прямой сетевой воды t_пс, и в этом случае, сетевая вода, минуя водогрейную котельную, направляется к тепловому потребителю, что показано соответствующей штриховой линией. В данной схеме нет необходимости резко «выключать» одну из МНЛЗ, а можно плавно уменьшать количество утилизируемой теплоты Q_УУ = Q_м Q. Поскольку на МНЛЗ наряду с работающими теплообменниками Т1 и Т2 всегда имеются резервные теплообменники Т1 и Т2, то в качестве теплообменника Т3 можно использовать резервные теплообменники.

3.2 Характеристики промежуточных теплообменников

От тепловой работы промежуточного теплообменника, изображённого на рисунке 3.4, зависит тепловая работа оборудования МНЛЗ. Рассмотрим тепловую работу промежуточных теплообменников, где охлаждается химочищенная вода из кристаллизатора и роликов, и нагревается сетевая вода. На рисунке 3.5 показана тепловая схема промежуточных теплообменников.

Рисунок 3.5- Тепловая схема промежуточных теплообменников

Обратная сетевая вода в количестве G_м (для данной МНЛЗ) с температурой t_о.с, направляется в промежуточные теплообменники МНЛЗ, включенные параллельно: поток сетевой воды с расходом G_м1 проходит теплообменник Т1, входящий в контур охлаждения кристаллизатора, поток сетевой воды с расходом G_м2 проходит через теплообменник Т2, входящий в контур охлаждения роликов. Затем потоки G_м1 и G_м2 смешиваются и получается общий поток сетевой воды с расходом G_м и температурой t_м. Химочищенная вода с расходом G_кр, охлаждающая кристаллизатор, нагревается в кристаллизаторе от температуры t_кр до t_кр, и соответственно, охлаждается в теплообменнике Т1 от t_кр до t_кр. Химочищенная вода с расходом G_рол, охлаждающая ролики, нагревается в роликах от температуры t_рол до t_рол, и охлаждается в теплообменнике Т2 от t_рол до t_рол.

Температуры химочищенной воды на выходе из кристаллизатора и роликов будут зависеть от температуры обратной сетевой воды t_о.с, от соотношения расходов первичного и вторичного теплоносителей, и от эффективности теплопередачи в теплообменниках. По условиям нормальной работы оборудования МНЛЗ температуры t_кр и t_рол не должны превышать 100110 С.

Уравнения теплового баланса для кристаллизатора и роликов:

(3.1)

где W_кр = с_вG_кр;

W_рол = с_вG_рол - водяные эквиваленты для воды, охлаждающей кристаллизатор и ролики;

с_в 4,19 кДж/(кгК) - теплоемкость воды, которую в интервале температур 0100 С можно считать постоянной;