Металлургические мини-заводы
  2.3.2 Водоохлаждаемые стеновые панели дуговой сталеплавильной печи (ДСП)

В настоящее время в практике электропечестроения нет альтернативы применению гарнисажной футеровки стен и свода ДСП. При теплопроводности около 0,12 - 0,13 Вт/(м*К) слой гарнисажа представляет собой достаточно надежную тепловую изоляцию рабочего пространства печи, а также служит для механической и электрической защиты охлаждаемых панелей. Водоохлаждаемые панели при работе печи конденсируют на своей поверхности жидкие частицы плавильной пыли, шлака и покрываются слоем гарнисажа. Толщина слоя гарнисажа, находясь в состоянии термического равновесия, изменяется в ходе плавки в зависимости от условий теплообмена: уменьшается за счет оплавления внешнего слоя в случае повышения тепловой нагрузки стен или температуры охлаждающей воды и нарастает до определенного предела в обратной ситуации. Благодаря тому, что величина температуры поверхности гарнисажа постоянна и соответствует температуре его плавления, происходит саморегуляция толщины (теплового сопротивления) слоя.

Анализ данных о тепловых потерях с охлаждающей водой показывает, что эта величина колеблется в довольно широких пределах. Например, согласно энергетическому балансу [180], около 16% подводимой энергии теряется с охлаждающей водой, с другой стороны, согласно данным [186], расход электроэнергии при применении водоохлаждаемых стеновых элементов увеличивается в среднем на 3%, или на 15 кВт*ч/т. Существует мнение, что применение стеновых водоохлаждаемых панелей почти не увеличивает расход электроэнергии, хотя в отдельных случаях отмечается некоторое ее увеличение (до 10 кВт*ч/т, или на 2%) [185].

Очевидно, что такое отличие в оценках потерь обусловлено особенностями технологии плавки, ее продолжительностью, мощностью печного трансформатора, вместимостью печи и чистотой эксперимента.

В связи с вышеизложенным можно отметить, что для современных высокопроизводительных ДСП, работающих в составе мини-заводов, удельные потери с охлаждающей водой составляют от 70 до 80 кВт*ч при общем расходе тепла 600-680 кВт*ч/ т выпущенной стали и удельной интенсивности подачи охлаждающей воды около 8-10 м3/т*ч [192].

Естественно, что применение водоохлаждаемых конструкций приводит к росту энергетических затрат, величина которых зависит от вместимости печи, удельной мощности печного трансформатора, технологии и организации производства. Если учесть достаточно высокую стойкость водоохлаждаемых панелей (около 10 тыс. часов), экономию огнеупоров (с 26 до 1,5 кг/т), а также обеспечение высокой степени готовности агрегата к работе, экономическая эффективность эксплуатации водоохлаждаемых элементов не вызывает сомнений.

Известно, что максимальную механическую нагрузку панели испытывают в процессе завалки шихты. При малой толщине стенки охлаждающих труб соударения с тяжелыми кусками лома во время завалки могут привести к их деформации или даже разрушению. Поэтому рекомендуемая толщина стенки трубы обычно находится в диапазоне 8-16 мм, что обеспечивает достаточную стойкость к механическим нагрузкам и, с другой стороны, обеспечивает достаточно низкое термическое сопротивление [193].

Установлено, что срок службы охлаждаемых панелей определяется, в первую очередь, величиной термических напряжений. Во-первых, охлаждающие трубы подвержены одностороннему воздействию высокой температуры с внутренней стороны печи, что приводит к их деформации, во-вторых - циклические термические и механические напряжения в ходе плавки также сказываются на их стойкости, особенно в районе сварных швов. Имеется прямая связь между сроком службы охлаждающих труб и теплопередачей: чем лучше перенос тепла к охлаждающей среде, тем меньше тепловая нагрузка на трубчатую конструкцию [194]. В настоящее время в основном уже решены вопросы обеспечения стойкости и надежности водоохлаждаемых элементов, что позволяет увеличить площадь охлаждаемой поверхности стен до 80 - 95%, а свода – до 100% [195]. Однако в подходе к проектированию и изготовлению охлаждаемых элементов имеются некоторые различия.

При конструировании водоохлаждаемых панелей стремятся к получению максимальной толщины теплоизолирующей поверхности для уменьшения тепловой нагрузки трубы и обеспечению наиболее благоприятных условий передачи тепла к охлаждающей среде. Оптимальный материал для охлаждающих труб выбирают с учетом экономических соображений. В большинстве случаев это трубы из котельной стали (например, из стали 20к), которые технологичны, имеют достаточно высокий коэффициент теплопроводности - около 50 Вт/(м*К) и приемлемую цену. В случае высокой величины плотности теплового потока (более 2000 кВт/м2) применяют медные трубы, коэффициент теплопроводности которых заметно выше и составляет 383 Вт/(м*К). Медные водоохлаждаемые элементы позволяют допускать максимальную плотность теплового потока до 5500 кВт/м2.

В зависимости от количества тепла, которое нужно удалить с облучаемой поверхности, минимальный расход охлаждающей воды определяется допустимым повышением ее температуры (при перепаде 20°С и расходе охлаждающей воды 1 м3/ч удаляется около 83,6 МДж/ч). Обязательным условием для этого является достаточная степень турбулентности потока внутри охлаждающей трубы. Минимальная скорость потока воды должна превышать 1,2 м/с и обычно составляет от 1,5 до 2,0 м/с при внутреннем диаметре трубы от 60 до 80 мм, а ее температура на выходе зависит от качества охлаждающей жидкости и обычно не превышает 40-60°С. В настоящее время большинство компаний эксплуатируют водоохлаждаемые элементы, прототипом которых являются панели TW-2000 (разработка «Mannesman Demag»). Конструкция панелей основана на применении трубчатых элементов равной длины, которые прилегают друг к другу. Для обеспечения поворота охлаждающей среды отрезки трубы последовательно соединены переходниками, которые приваривают с внешней стороны панели (рис.2.4).

Водоохлаждаемый элемент типа TW-2000

Рис.2.4. Водоохлаждаемый элемент типа TW-2000

Для удержания набивки и гарнисажа поверхность панели может быть ошипована. Из элементов аналогичной конструкции изготавливают водоохлаждаемые стены и свод. Тыльная часть панели закреплена на стальном листе, фронтальная - представляет собой сплошную водоохлаждаемую поверхность.

Принято считать, что слабое место такой конструкции – наличие открытого сварного шва в области высокой термической нагрузки.

Конструкция компании «KSK» устраняет этот недостаток и отличается способом крепления труб, который позволяет сократить до минимума количество открытых сварных швов (рис.2.5). Однако такое решение, очевидно, увеличивает гидравлическое сопротивление панелей [193].

Способ соединения труб водоохлаждаемой панели

Рис.2.5. Способ соединения труб водоохлаждаемой панели

К общим недостаткам сварных конструкций, прежде всего, следует отнести высокую стоимость изготовления и необходимость дефектоскопии всех мест соединения деталей. Кроме того, высокая жесткость панелей такого типа в сочетании с большим количеством сварных швов снижают стойкость и надежность конструкции.

Разработка и промышленное производство трубчатых водоохлаждаемых панелей в СССР были организованы на предприятии «Сибэлектротерм». Панели изготавливали из цельнотянутой толстостенной трубы диаметром 76 мм с толщиной стенки 16 мм без сварных швов по всей облучаемой поверхности [194]. Панель отличается оригинальной конструкцией и включает два змеевика, вложенных один в другой. При изготовлении водоохлаждаемых элементов сварка применяется только в местах соединения подводящих и отводящих воду трубопроводов за пределами кожуха электропечи.

Известны разработки [195], в которых основные сплошные панели (типа TW-2000) с целью создания благоприятных условий формирования на их поверхности теплоизолирующего слоя гарнисажа оснащены дополнительными фронтальными змеевиками с независимым контуром охлаждения (рис.2.6).

Трубчатая водоохлаждаемая панель с фронтальным змеевиком ДСП-120 Danieli

Рис.2.6. Трубчатая водоохлаждаемая панель с фронтальным змеевиком ДСП-120 «Danieli»

Такой подход за счет формирования на поверхности основной панели утолщенного слоя гарнисажа позволяет в 2,3-2,7 раза сократить площадь поверхности труб, которые подвержены прямому воздействию излучения в рабочем пространстве печи. При этом, как показывает практика, в случае прогара фронтального водоохлаждаемого элемента его можно отключить, а тыльную часть панели продолжать эксплуатировать.

Отличительными особенностями водоохлаждаемых панелей с дополнительным змеевиком являются:

  • обеспечение благоприятных условий для закрепления гарнисажа на трубах фронтального ряда и между ними;
  • высокая стойкость за счет снижения термических напряжений благодаря гибкости и цельности конструкции фронтального ряда.

К основным недостаткам водоохлаждаемых панелей с дополнительным фронтальным элементом следует, прежде всего, отнести:

  • повышенную металлоемкость и, следовательно, их стоимость;
  • уменьшение на 5 - 10% объема рабочего пространства ДСП;
  • увеличение, в определенных условиях, расхода охлаждающей жидкости из-за наличия дополнительного контура.
  2.3.2 Водоохлаждаемые стеновые панели дуговой сталеплавильной печи (ДСП)
РЕКЛАМА НА САЙТЕ

КНИГИ ПО МЕТАЛЛУРГИИ