автореферат диссертации по металлургии, 05.16.03, диссертация на тему:Разработка и внедрение системы водяного охлаждения под разрежением узлов металлургических печей

На правах рукописи

ЧУМАКОВ Юрий Алексеевич рр£ ^д

разработка и внедрение системы водяного

охлаждения под разрежением узлов

металлургических печей

Специальность 05.16.03 - Металлургия цветных

и редких металлов

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

САНКТ-ПЕТЕРБУРГ 2000

Работа выполнена в ОАО «Кольская горнометаллургическая компания» РАО «Норильский никель».

Научный руководитель:

доктор технических наук И.А.Блатов

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Л.Ш.Цемехман

кандидат технических наук, доцент А.Ю.Баймаков

Ведущее предприятие: Федеральный научный центр АО «Институт Гинцветмет».

Защита диссертации состоится « июня 2000 г. в /V ч ¿О мин на заседании диссертационного совета Д 063.15.09 при Санкт-Петербургском государственном горном институте имени Г.В.Плеханова (техническом университете) по адресу: 199106 Санкт-Петербург, 21-я линия, дом 2, ауд. 6309.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Санкт-Петербургского государственного горного института.

Автореферат разослан «

мая 2000 года.

УЧЕНЫЙ СЕКРЕТАРЬ

диссертационного е к.т.н., доцент

А.К.ОРЛОВ

¡<330.3-51-046,0

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

• АКТУАЛЬНОСТЬ РАБОТЫ. Современные металлургические печи для производства цветных металлов имеют в своей конструкции, как правило, различные охлаждаемые узлы, причем в некоторых печах такие узлы составляют основу конструкции.

В настоящее время охлаждение узлов печей осуществляется исключительно холодной водой под положительным избыточным давлением («водой под давлением») или испарительным. Обе эти системы обладают одним общим недостатком: они взрывоопасны при применении в узлах, находящихся в непосредственном контакте или в определенной близости от сульфидных (штейновых), сульфидно-шлаковых и металлических расплавов, попадание воды в которые приводит к взрыву. Это нередко ведет к авариям, иногда тяжелым, и (или) ограничивает применение охлаждаемых узлов в печах, что уменьшает возможности их совершенствования. Применение же в печах иных известных взрывобезопасных систем охлаждения (с органическими, кремнийорганическими, жидкометаллическими теплоносителями, водовоздушного и др.) ввиду тех или иных особенностей является невозможным или неэффективным.

Поэтому актуальной является задача разработки новой системы охлаждения узлов печей, которая сочетала бы в себе взрывобезопасность с другими приемлемыми показателями. Такой системой является недавно предложенная система водяного охлаждения под разрежением (ВОПР). Исследования в области ВОПР проводились до сих пор преимущественно в лабораторном масштабе и носили характер поисковых. Для получения всех данных, необходимых для промышленной реализации системы, требуется проведение расширенного объема исследований, в том числе на установках крупного масштаба.

Настоящая работа выполнялась в рамках отраслевых планов НИР и ОКР по Министерству металлургии РФ и по планам НИР РАО «Норильский никель».

ЦЕЛЬ РАБОТЫ - разработка и внедрение системы водяного охлаждения под разрежением узлов металлургических печей, обеспечивающей взрывобезопасность и эффективность охлаждения.

ОСНОВНЫЕ ЗАДАЧИ РАБОТЫ: выявление гидродинамических особенностей, которые характеризуют течение воды под разрежением в линиях системы ВОПР, и оценка влияния этих особенностей на показатели работы системы;

- разработка принципиальной схемы устройства насосного варианта системы ВОПР, анализ взаимосвязей между его параметрами и условий устойчивости к возмущениям, создание математической модели для расчета и проектирования системы;

- анализ и обоснование технологической эффективности создания на базе охлаждаемой разделительной перегородки двухзонной электропечи обеднения конвертерных шлаков и ее промышленное опробование;

- разработка конструкции и (или) схемы охлаждения по системе ВОПР ряда узлов металлургических печей и их внедрение на действующих печах.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА РАБОТЫ:

- выполненным анализом условий течения воды при давлении ниже атмосферного установлено, что образующийся в результате выделения растворенных в воде газов двухфазный поток представлен пузырьковой структурой таких параметров, которые позволяют с достаточной для практических целей точностью проводить его гидравлический расчет как для сплошного потока жидкости;

- получены зависимости, описывающие взаимосвязь показателей и параметров, характеризующих насосный вариант системы водяного охлаждения под разрежением, и разработана математическая модель расчета этой системы;

- предложен механизм осаждения механической взвеси сульфидов в шлаковой ванне электропечей обеднения шлаков и получены математические зависимости, описывающие этот механизм; показано, что разделение шлаковой ванны печи охлаждаемой перегородкой на две технологически обособленные зоны снижает механические потери цветных металлов с отвальными шлаками.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЗНАЧИМОСТЬ РАБОТЫ.

- разработана аппаратурная схема системы ВОПР, пригодная для охлаждения различных узлов печей в сифонном и насосном вариантах системы;

- разработана методика расчета системы ВОПР, необходимая для ее проектирования и заводского применения в различных конкретных условиях;

- разработана конструкция охлаждаемых по системе ВОПР секций свода руднотермических печей и осуществлено промышленное их внедрение;

- разработана конструкция охлаждаемой по системе ВОПР разделительной перегородки шлаковой ванны электропечи обеднения шлаков и заводскими испытаниями показана ее пригодность к промышленной реализации;

- разработана схема установки и осуществлено промышленное внедрение системы ВОПР кессонов штейновых шпуров руднотермической печи.

МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ состояли в проведении экспериментов на опытных установках заводского масштаба и испытаний объектов разработок на промышленных печах. Использовался также метод математического моделирования для описания исследуемых процессов. При проведении экспериментов использовались стандартные средства измерений параметров. Химический анализ проб выполнялся заводской лабораторией по стандартной методике.

ДОСТОВЕРНОСТЬ ПОЛУЧЕННЫХ РЕЗУЛЬТАТОВ подтверждается совпадением рассчитанных и экспериментально полученных значений параметров, использованием современных методов расчета и анализа гидродинамических показателей, применением стандартных методик анализа химического состава штейна и шлака, длительной эксплуатацией схем охлаждения и конструкций охлаждаемых узлов на промышленных печах.

ЗАЩИЩАЕМЫЕ НАУЧНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ.

1. Исследованные характеристики системы водяного охлаждения под разрежением позволяют оценивать ее параметры и показатели с достаточной для практических целей точностью как однофазную жидкостную систему, без учета наличия газовой фазы; на этой основе выведены зависимости, описывающие взаимосвязь этих параметров и показателей.

2. Обеднение шлака механической взвесью сульфидов в ванне электропечей обеднения конвертерных шлаков можно рассматривать как процесс, скорость которого определяется осаждением взвеси в тонком приштейновом слое шлака; на основе этого предложенного механизма выведены уравнения, позволяющие сопоставить показатели обеднения в существующих печах и предлагаемых двухзонных печах, оборудованных охлаждаемой водой под разрежением разделительной перегородкой.

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Основные материалы диссертации докладывались на I и II Международных симпозиумах «Проблемы комплексного использования руд», Санкт-Петербург, 1994 и 1996 г.г., на заседаниях научно-технических советов металлургического факультета Санкт-Петербургского горного института (технического университета) и ГМК «Печенганикель».

ПУБЛИКАЦИИ. Основные положения диссертации опубликованы в четырех печатных работах и одном авторском свидетельстве. .

СТРУКТУРА И ОБЪЕМ РАБОТЫ. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, общих выводов и списка использованной литературы. Она изложена на 242 стр. текста и содержит 2 таблицы и 53 рисунка. Список литературы включает 101 наименование.

Автор приносит искреннюю благодарность заведующему кафедрой печей, контроля и автоматизации металлургического производства Санкт-Петербургского горного института (технического университета) профессору Гальнбеку A.A. за советы и помощь в проведении работы.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

Во введении охарактеризована роль охлаждения металлургических печей, перечислены основные параметры и показатели работы охлаждаемых узлов печей, указаны требования, предъявляемые к системам их охлаждения. Обращено особое внимание на требования взрывобезопасности охлаждения узлов, контактирующих с взрывоопасными в отношении воды расплавами.

В главе «Аналитический обзор» рассматриваются особенности тепловой работы охлаждаемых элементов в металлургических печах и анализируются характеристики, особенности эксплуатации и возможности применения в печах известных систем охлаждения оборудования.

Сделан вывод, что широко применяемые в печах системы охлаждения водой под давлением и испарительное не отвечают требованию взрывобезопасности для тех узлов печей, которые или непосредственно контактируют с взрывоопасными в отношении воды металлургическими расплавами , или расположение которых в печи может привести к попаданию из них в расплав воды. Другие известные способы охлаждения, будучи взрывобезопасными, в то же время неприменимы в металлургических печах вследствие тех или иных их специфических особенностей.

Решением проблемы может явиться разработка недавно предложенной системы ВОПР. В обзоре проанализированы предыдущие исследования, выполненные в области этой системы и представленные в основном результатами лабораторных поисковых экспериментов, и показано, что имеющийся уровень разработки ВОПР недостаточен для ее промышленного внедрения.

Глава «Постановка задачи работы» определяет круг вопросов, которые должны решаться при выполнении работы, исходя из выводов аналитического обзора. Одним из главных является вопрос о степени влияния газовыделения, происходящего в результате снижения давления воды, на гидродинамические характеристики, прежде всего на

определяющую для ВОПР величину гидравлического сопротивления. На основе полученных результатов должна быть определена методика расчета потерь напора в системе.

Вторая задача - исследование закономерностей насосного варианта системы ВОПР(н), который является наиболее универсальной ее разновидностью. Эта задача должна решаться разработкой математического описания взаимосвязей между характеристиками ВОПР(н), основанного на выводах первой части работы, и экспериментальной проверкой полученного описания на установке крупного, заводского масштаба.

ВОПР позволяет решать задачи аппаратурного совершенствования металлургических печей путем создания в них с помощью охлаждаемых разделительных перегородок технологически различающихся зон. Таким объектом является электропечь обеднения конвертерных шлаков, разделение шлаковой ванны которой на две зоны (камеры) может снизить потери цветных металлов с отвальным шлаком. Целесообразность этого решения требует обоснования. Задачей работы явилось создание математической модели обеднения шлака механической взвесью сульфидов цветных металлов и сравнение с ее помощью показателей обеднения в одно- и двухзонной электропечах.

На основе полученных научных результатов должны быть проведены заводские испытания охлаждаемых узлов печей и осуществлено их промышленное внедрение.

1. Исследованные характеристики системы водяного охлаждения под разрежением позволяют оценивать ее параметры и показатели с достаточной для практических целей точностью как однофазную жидкостную систему, без учета наличия газовой фазы: на этой основе выведены зависимости, описывающие взаимосвязь этих параметров и показателей.

Вода в линию охлаждаемого элемента при ВОПР поступает из открытой питающей емкости, на поверхности воды в которой давление равно атмосферному. По мере течения воды из емкости к элементу (а при насосном варианте ВОПР - и за элементом) абсолютное давление в линии постепенно снижается, и в некотором сечении тракта разрежение достигает максимума. При попадании из области атмосферного давления в область разрежения из воды выделяются растворенные в ней азот и кислород воздуха, и поток становится газожидкостным. В предыдущих исследованиях было высказано предположение, что это должно приводить к существенному росту гидравлических потерь по сравнению с течением однофазной жидкости.

Для оценки гидравлических потерь в системе ВОПР был проведен анализ величин газосодержания в потоке. Для этого составлена система уравнений, основанная на соотношениях закона Генри-Дальтона и газовой механики. Для ее численного решения использованы известные данные по растворимости газов в воде при разных температурах. Рассчитанные величины общего объемного газосодержания потока при разных температурах представлены на рис. 1. Как видно, даже при весьма низком абсолютном давлении истинное объемное газосодержание потока не превышает нескольких процентов.

У,м>м>

и 0,01 0,02 0,03 0,04 0,05 0,06 ?Ша

Рис.1 Зависимость общего объема V выделившихся из воды газов от абсолютного давления р при разной температуре воды. Температура, "С: 1 - 10; 2 -20; 3 - 30.

По данным о газосодержании были определены по картам газожидкостных течений структуры потоков при ВОПР в горизонтальных и вертикальных трубах. Для возможных при ВОПР газосодержаниях двухфазный поток представлен пузырьковой структурой, удаленной от пробкового или снарядного режимов. Это позволяет с достаточной для практических целей точностью рассчитать потери давления при ВОПР по гомогенной модели газожидкостного течения. Выполненные расчеты показали, что учет двухфазности потока вносит в данном случае в величину потерь давления, рассчитанную для сплошной жидкости, очень небольшую поправку. Принимая во внимание в общем ограниченную точность расчета потерь напора в коротких трубопроводах, этим уточнением можно пренебречь и рассчитывать поток как чисто жидкостный.

Учитывая решающее влияние на работоспособность ВОПР потерь напора, были проведены экспериментальные исследования изменения

гидравлического сопротивления заводских трубопроводов во времени. Для этого в плавильном цехе ГМК «Печенганикель» был смонтирован стенд, на котором в течение 5 месяцев производились замеры расходов воды на стальных трубопроводах разного диаметра (от 1" до 2"), работавших по системе ВОПР.

Проведение опытов было вызвано известным из заводской практики фактом, что сопротивление стальных трубопроводов, работающих под давлением на оборотной воде систем охлаждения печей, со временем существенно возрастает. Как было показано в исследованиях других авторов, это обусловлено кислородной коррозией, приводящей к отложению в трубах осадков гидроокиси железа. Их наличие вызывает увеличение эквивалентной шероховатости труб, а рост осадков - к уменьшению их проходного сечения.

На рис. 2 показана динамика изменения расходов воды в трубах экспериментального стенда. Во всех трубопроводах имеет место заметное снижение расхода во времени, причем относительное снижение тем больше, чем меньше диаметр трубы. Эти данные показывают, что для ВОПР использование обычных стальных труб при работе на оборотной воде того качества, которое обычно имеет место в пирометаллургических цехах, резко ограничивает сроки кампании системы. Выход состоит в применении для нее труб из коррозионностойких материалов.

Рис. 2. Изменение расхода воды 0 в сифонных трубах разного диаметра в ходе эксплуатации

Хотя наиболее простым и экономичным из вариантов ВОПР является сифонный, его применение возможно только при наличии достаточно значительной разницы высот расположения охлаждаемого элемента и безнапорной канализации. Этого ограничения лишен насосный вариант - ВОПР(н).

На рис. 3 приведена принципиальная схема ВОПР(н). Головная часть схемы включает питающую емкость ПЕ, подающие линии элементов ПЛ и сами охлаждаемые элементы ОЭ и не отличается от аналогичной части сифонного варианта ВОПР(с). Однако в отличие от последнего, отводящие линии элементов ОЛ в насосном варианте отводят воду не в канализацию, а в вакуумный шкаф ВШ, где они заканчиваются свободным изливом в его газовое пространство. Из шкафа вода забирается всасывающей линией ВС лопастного насоса Н, после которого по нагнетательной линии НГ она сбрасывается обратно в питающую емкость ПЕ. Таким образом создается собственная схема оборотного водоснабжения, постоянство температуры воды в которой обеспечивается подпиткой.

г-

$в X

ф

ь„

Рис. 3 Принципиальная схема насосного варианта ВОПР

Часть схемы между сечениями 1-1 и 2-2, включающая линии ПЛ и ОЛ и элементы ОЭ представляет собой, условно говоря, линию элементов. Другая часть, включающая водный объем шкафа и насос с линиями ВС и

НГ, является насосной линией. Обе части сообщаются газовым объемом шкафа, который играет роль упругого буфера. Для линии элементов:

ДН = Нш\ак-Ь = Ь2,-д2£,м, (1)

где НШКвак - разрежение в вакуумном шкафе, м; И - высота подачи воды в линиях элементов (положительна, если сеч. 2-2 находится выше, чем сечение 1-1),м;

12 2 5

Ь э - общее сопротивление всей линии с /м ;

— общий расход воды в линии, м3/с. При параллельной схеме охлаждения одинаковых элементов

= ? > где - сопротивление линии одного элемента, п - число / п

элементов. При этом

ДН = ЬэГ<5,2,М, (2)

где - расход воды на один элемент, м3/с. В типичных условиях охлаждения печей для труб диаметром от 50 до 15 мм значения Ьэ лежат в пределах от 0.2-106 до 100-Ю6 с2/м5, а диапазон расходов для обычных пределов АН от 2 до 8 м оказывается довольно узким для каждого диаметра труб (рис .4)

0.2 1 5 20 100 ,

о ■

Рис, 4. Область возможных значений расхода воды 0 в линии элемента (заштрихована) при разных сопротивлениях линии Ь, и движущего напора ДН.

Для стабильной работы ВОПР(н) необходимо, чтобы расход воды в линиях элементов в точности соответствовал производительности насосной линии. При их рассогласовании вакуумный шкаф будет либо опоражниваться (что приведет к срыву всасывания насоса), либо переполняться (что сделает невозможным визуальный контроль за расходом воды в отдельных элементах). Ввиду разного рода возмущений, прежде всего изменения сопротивления линий, строгого постоянства режима работы схемы не приходится ожидать. Обеспечение необходимого уровня воды в шкафе в этих условиях возможно при способности системы к самовыравниванию или при использовании автоматического регулирования; последнее нежелательно.

Для оценки способности системы к самовыравниванию были совместно решены уравнения, описывающие взаимосвязь параметров линий элементов и насосной линии, а также уравнения напорной характеристики насосной установки. Последнее получено линеаризацией напорной характеристики на участке, отвечающем экономичной работе насоса. Совместное решение имеет вид:

= - Г-4-Ьн -(ьгеом +Ншквак ~с))°5 '(2-Ь,,)-1, (3)

где <3„ - производительность насоса, м3/с;

с и Г - константы в линеаризованной характеристике насоса, м и

с/м2;

Ь„ - сопротивление всей насосной линии, с2/м5;

^геом - геометрическая высота подачи насоса (см. рис. 2), м.

Анализ выражения (3) показывает, что изменение разрежения в шкафе мало сказывается на производительности насоса, причем тем меньше, чем больше сопротивление насосной линии. Это позволяет не

учитывать влияние НшкВак на С)н .

При возмущении в шкафе изменяется уровень воды и объем газового пространства. Последнее ведет к изменению в нем разрежения и в соответствии с (2) - общего расхода воды в линиях элементов. Для этой взаимосвязи получено выражение:

0г =

( /р / \ \0-5

У £н

(4)

1-Ф Ь2э-(1-ф) где С^ и общий расход воды в линиях элементов,

соответственно после и до внесения возмущения, м3/с; Ра - атмосферное давление;

у - удельный вес воды, Н/м3;

Ьн„ К

и и ф - константы, доли ед., причем а =- и ф = —— , где

Ьн„ - начальный (номинальный) уровень воды в шкафе, м; Ьв - уровень, установившийся после внесения возмущения, м; Ьщ - полная рабочая высота шкафа, м.

Из приведенной на рис. 5 зависимости = (}£ -(32н от величины

Ф, построенной для трех вариантов из десяти параллельных линий с разными значениями Ь3, видно, что уровень допустимых положительных значений ДСУС^,, (ср < 0.5) составляет до 25 % - в этом диапазоне происходит самовыравнивание системы в случае снижения <3£ по сравнению с постоянной производительностью насосной установки С^. При отрицательных значениях Ар (ср > 0.5) система обладает неограниченными возможностями самовыравнивания, причем вакуумный шкаф не может быть переполнен - при любых линиях элементов имеется величина фпред, при которой эти линии полностью запираются.

_ - Ь,--6,88-10". 4Н-5 м вод ст

____- Ь.^2,15104; ДН=5 м вод сг

. Рис. 5. Зависимость относительного изменения суммарной производительности линий элементов от относительного уровня воды ф в вакуумном шкафе.

Для проверки полученных зависимостей в плавильном цехе был сооружен экспериментальный стенд промышленных масштабов, воспроизводящий схему рис. 3. Он имел три линии элементов с перемененными Ьэ и был оборудован центробежным насосом марки ЗК-6. Вакуумный шкаф размером 1450 х 1000 х 600 мм имел смотровое окно для наблюдения за сливом воды из линий элементов и ее уровнем в шкафе; конструкция шкафа была усилена для предотвращения его раздавливания атмосферным давлением. Для регулирования, в случае необходимости, уровня воды в шкафе он был оборудован поплавковым регулятором уровня с эжектором, который мог отсасывать газ из газового пространства шкафа при понижении уровня в нем воды.

Испытания ВОПР(н) подтвердили результаты теории и показали, что система может функционировать в стабильном режиме в отсутствие внешнего регулирования. Лишь в период пуска требуется определенное время, чтобы периодическим дросселированием нагнетательной линии насоса привести систему в статическое состояние при выбранном номинальном уровне воды в шкафе (рис. 6).

Ь, ,мм ' О,л/с п м рт.ш __Ун

1200+ 600'

Т.Ш1С

Рис. 6 Пример запуска системы ВОПР(н), выхода на номинальный режим и стабилизированной работы в этом режиме в испытаниях на заводском стенде

Наличие регулятора уровня с эжектором, хотя и не является обязательным, но весьма убыстряет и упрощает запуск системы и служит страховкой на случай нештатных ситуаций.

На основе изученных закономерностей разработана обобщенная математическая модель ВОПР, предназначенная для проектирования

системы для разных объектов. Она состоит из выражений, позволяющих определить все параметры и показатели любой конкретной системы ВОПР.

2. Обеднение шлака механической взвесью сульфидов в ванне электропечей обеднения конвертерных шлаков можно рассматривать как процесс, скорость которого определяется осаждением взвеси в тонком приштейновом слое шлака; на основе этого предложенного механизма выведены уравнения, позволяющие сопоставить показатели обеднения в существующих печах н в предлагаемых двухзонных печах, оборудованных охлаждаемой водой под разрежением разделительной перегородкой.

Исследованиями других авторов на промышленных электропечах обеднения (ЭПО) было показано, что шлаковая ванна печи в целом представляет собой систему, весьма близкую к аппарату идеального перемешивания - залитая в печь порция шлака в течение нескольких десятков секунд равномерно распределяется по всему объему ванны. Наряду с этим в ванне печи протекает процесс обеднения шлака механической взвесью сульфидов, поступающих с заливаемым шлаком.

Механизм этого процесса не нашел описания в литературе. Вместе с тем, оно необходимо для обоснования целесообразности разделения шлаковой ванны ЭПО охлаждаемой разделительной перегородкой, превращающей печь в двухзонный агрегат, обеспечивающий снижение потерь цветных металлов с отвальным шлаком.

Представляется, что механизм обеднения шлака взвесью состоит в осаждении ее частиц в тонком заторможенном слое шлака у поверхности относительно неподвижного штейнового слоя. Исходя из этих представлений, составлено описание процесса осаждения.

Выделив в заторможенном шлаке слой <1Н бесконечно малой толщины, в котором за время с!т осаждаются все капли взвеси числом с1п0С, получим:

с!п0С =пуд-Р-с!Н = пуд-Р^-с1т, (5)

где Р - площадь контакта шлак-штейн, м2;

пуд - удельное число капель взвеси, содержащееся в слое с!Н, 1/м3; - скорость осаждения капель, м/с; определяется законом Стокса.

Поскольку пуп = —где Писх _ исходное число капель у V

взвеси в общем объеме шлака V, то н

где Н - высота шлаковой ванны, м.

После интегрирования при начальных условиях (т = 0, пое = 0) получаем:

/ \

пос=писх'1--, 1.. ч (7)

f W-т ]

I Ч-н-JJ

С использованием (7) выводится ряд зависимостей, определяющих концентрацию взвеси в конце периода отстаивания в печи и в конце выпуска шлака и ее массу, и среднюю концентрацию в выпускаемом из печи шлаке.

На базе полученных выражений описано поведение взвеси сульфидов в ванне ЭПО при принятой технологии обеднения шлаков, включающей в себя операции заливки порции шлака в печь, отстаивания его без выпуска и выпуска отвального шлака при одновременном его отстаивании.

Эти операции рассмотрены в сравнении для существующей однозонной ЭПО и предлагаемой двухзонной электропечи обеднения.

На рис. 7 в качестве примера приведены зависимости содержания взвеси сульфидов в шлаке, остающемся в печи после выпуска отвального шлака Сост, и среднего содержания в выпускаемом отвальном шлаке Свьш от продолжительности выпуска таы„. Зависимости получены для условий,

Рис. 7. Зависимость содержания механической взвеси в шлаке от продолжительности его

выпуска из печи; печи _ однокамерная;__________двухкамерная.

Той = 600 с; с1 = 1 мм

примерно отвечающих ЭПО ГМК «Печенганикель». Крупность капель взвеси принята 1 мм, время отстаивания шлака до начала выпуска - 600 с.

Как видно, обеднение в двухзонной ЭПО дает значительное снижение механических потерь по сравнению с существующим процессом.

В последней главе диссертации приведены данные о практической реализации результатов работы - заводских испытаниях и промышленном внедрении системы ВОПР. Первым объектом явились конструкция охлаждаемых элементов торцевых секций сводов руднотермических печей плавильного цеха ГМК «Печенганикель» и схема их охлаждения. Были разработаны и испытаны в ходе длительной заводской эксплуатации несколько вариантов конструкций охлаждаемых элементов секций. Все они охлаждались по сифонному варианту ВОПР.

В итоге была определена наиболее приемлемая конструкция секции свода и ее элементов. Секция состоит из плоских элементов с наклоном в сторону боковых стен печи. Каждый элемент представляет собой стальной лист («огневой» лист), на нерабочую поверхность которого наварены уголковые профили, образующие змеевиковый канал для течения охлаждающей воды (рис. 8). Наклон элементов и наличие углов между осями смежных каналов на листе в сочетании с устройством схемы охлаждения обеспечивают самопроизвольный слив воды из каналов в случае нарушения целостности элемента.

Рис. 8. «Уголковый» вариант конструкции элемента сводовой секции на огневом листе

Секции свода указанной конструкции приняты в промышленную эксплуатацию на печах комбината.

Были проведены серии промышленных испытаний охлаждаемой разделительной перегородки в ванне ЭПО. Для этого была разработана конструкция собственно перегородки, ее размещение в электропечи и

з

2

схема охлаждения по системе ВОПР(н). Перегородка представляет собой плоский регистр из 8 или 10 стальных труб (рис. 9).

Рис. 9. Схема расположения в электропечи разделительной перегородки в 3-ей серии

испытаний

1 - основные трубы перегородки; 2 - петлевые трубы перегородки; 3 - держатели труб; 4 -электроизолирующая подвеска.

В первой серии испытаний трубы были из обычной стали, в двух других - из нержавеющей. Наружный диаметр труб составлял 50-60 мм; таким же примерно был зазор между ними, перекрываемый при работе гарниссажем. Перегородка электрически изолировалась от металлоконструкций печи и трубопроводов системы охлаждения.

Перегородка монтировалась в работающей печи во время ее короткой остановки при недостаточно опорожненной ванне и наличии на стенах печи больших настылей. Это сделало невозможным размещение перегородки на требуемом уровне и надежное перекрытие зазоров между перегородкой и боковыми стенами печи.

Три проведенные серии испытаний, наиболее продолжительная из которых была около 84 суток, показали, что конструкция и схема охлаждения перегородки в целом удовлетворяют поставленным требованиям. В ходе эксплуатации наблюдался рост гидравлического сопротивления линий, что подтвердило вывод о необходимости применения для ВОПР коррозионностойких трубопроводов. Тепловая нагрузка на трубы перегородки после пускового периода

стабилизировалась на уровне 15-20 кВт/м2; трубы были покрыты прочным гарниссажем.

Технологические результаты испытаний оказались неоднозначными. Наряду с показателями обеднения, намного превосходящими обычные, которые были получены в отдельные периоды испытаний, в другие периоды преимуществ двухзонной печи не проявлялось.

Причиной этого, подтвержденной анализом проб из обеих зон печи, явилось плохое их разделение, вызванное дефектами монтажа перегородки в работающей печи.

Последней промышленной реализацией ВОПР явилось охлаждение кессонов штейновых шпуров руднотермической печи. Эти кессоны, представляющие собой литые медные плиты с залитыми в них змеевиками, ограждающие шпуровые каналы, находятся в непосредственной близости от потока выпускаемого из печи штейна и являются частыми причинами аварий из-за их прожига и попадания воды в штейн.

Была разработана схема охлаждения кессонов шпуров по системе ВОПР(н). Смонтированная на руднотермической печи №4 установка охлаждения после проведения испытаний принята в промышленную эксплуатацию.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.

Диссертация является законченным научным исследованием, направленным на решение актуальной для цветной металлургии задачи -создания безопасного и эффективного способа охлаждения узлов металлургических печей. Эта задача решена путем разработки системы водяного охлаждения под разрежением (ВОПР) и ее промышленного внедрения на базе полученных научных данных.

В диссертационной работе получены следующие результаты:

1. Выполненным теоретическим анализом показано, что в условиях системы ВОПР уровень газовыделения из водяного потока незначителен и газосодержание в образующемся двухфазном потоке приводит к образованию в линиях охлаждения пузырьковой структуры течения, потери давления в котором близки по значениям к потерям в однофазном жидкостном потоке.

2. Экспериментами на заводском стенде промышленных масштабов выявлено значительное возрастание во времени гидравлических потерь в стальных водогазопроводных трубах, что является следствием кислородной коррозии труб в оборотной воде систем охлаждения печей.

3. Разработано теоретическое описание закономерностей, характеризующих насосный вариант системы ВОПР. Выведены зависимости, связывающие его параметры и показатели. Проанализировано влияние возмущений в системе на ее характеристики и определены условия, при которых система обладает способностью к самовыравниванию. Экспериментальная проверка на заводском стенде промышленных масштабов подтвердила правильность выведенных зависимостей.

4. Предложен механизм осаждения механической взвеси сульфидов цветных металлов в шлаковой ванне электропечи обеднения шлаков и разработана динамическая математическая модель, описывающая этот механизм. На этой основе разработана методика расчета динамики осаждения взвеси в ванне существующей печи обеднения и в двухзонной печи, оборудованной перегородкой шлаковой ванны. Показано, что работа двухзонной печи характеризуется значительным снижением механических потерь металлов с отвальным шлаком.

5. Разработаны конструкции и схема охлаждения по сифонному варианту ВОПР торцевых секций сводов руднотермических печей. Проведены промышленные испытания секций с различными типами охлаждаемых элементов и определена наиболее приемлемая их конструкция. Разработанные конструкция и схема охлаждения приняты в промышленную эксплуатацию.

6. Проведенными на промышленной печи испытаниями разработанных конструкции охлаждаемой разделительной перегородки шлаковой ванны электропечи обеднения и схемы ее охлаждения по насосному варианту системы ВОПР показана их пригодность к заводской эксплуатации.

7. Разработана схема охлаждения по насосному варианту системы ВОПР кессонов штейновых шпуров руднотермической печи и проведены ее промышленные испытания. Система охлаждения принята в заводскую эксплуатацию.

ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ СЛЕДУЮЩИЕ

РАБОТЫ:

1. Гальнбек A.A., Барсуков Н.М., Чумаков Ю.А. Водяное охлаждение под разрежением узлов печей. - Цветные металлы. №6. 1989. С. 42 -45

2. Гальнбек A.A., Барсуков Н.М., Чумаков Ю.А. и др. Охлаждение узлов печей водой под разрежением. - Цветная металлургия (бюлл. ЦНИИЭН ЦМ), №10. 1990. с.

3. Гальнбек A.A., Блатов И.А., Чумаков Ю.А. и др. Взрывобезопасное охлаждение узлов металлургических печей. - Тезисы докладов I Международного симпозиума «Проблемы комплексного использования руд». Санкт-Петербург. Изд. СПГГИ (ТУ). 1994. с.

4. Гальнбек A.A., Блатов И.А., Чумаков Ю.А, и др. Освоение водяного охлаждения под разрежением на печах плавильного цеха. - Цветная металлургия (бюлл. ЦНИИЭН ЦМ), №10. 1994. с. 11-15

5. Установка для охлаждения узлов металлургических печей/ A.A. Гальнбек, Н.М. Барсуков, Ю.А. Чумаков и др. А. с. СССР № 1549078. 1988.

1. Введение.

2. Аналитический обзор.

2.1. Особенности тепловой работы охлаждаемых элементов в металлургических печах.

2.2. Существующие системы охлаждения промышленного оборудования.

2.2.1. Охлаждение холодной водой под положительным избыточным давлением.

2.2.2. Испарительное охлаждение.

2.2.3. Охлаждение высокотемпературными теплоносителями.

2.2.4. Газожидкостные системы охлаждения.

2.3. Предшествующие исследования в области водяного охлаждения под разрежением (ВОПР).

2.3.1. Принципиальная схема системы ВОПР.

2.3.2. Экспериментальные исследования системы.

Охлаждение узлов оборудования широко применяется в самых различных областях техники. По своему назначению его можно подразделить на два вида: охлаждение с целью понижения температуры в рабочем объеме оборудования и охлаждение с целью обеспечение стойкости конструкции собственно охлаждаемого узла. В ряде случаев эти две цели фактически совпадают. Так, в компрессоре с водяным охлаждением последнее, с одной стороны, снижает показатель политропы сжатия, делая процесс сжатия более экономичным, а, - с другой, предотвращает опасный перегрев конструктивного обрамления рабочего пространства машины. Напротив, при охлаждении, например, псевдоожи-женного слоя в печах обжига в кипящем слое погруженными в него холодильниками-теплообменниками целью является лишь понижение температуры рабочего объема (самого слоя); если эта цель не ставится, холодильники просто не нужны.

Последний пример, вообще говоря, является нетипичным для пирометал-лургического оборудования. Для него целью охлаждения в подавляющем большинстве случаев является обеспечение стойкости конструктивных узлов (элементов) печи, а не снижение температуры в рабочем объеме агрегата.

В настоящее время подавляющее большинство пирометаллургического оборудования - металлургических печей - в той или иной степени относится к охлаждаемым агрегатам. В некоторых из них - шахтных, Ванюкова, фьюмин-говых и некоторых других - охлаждаемые узлы являются основой конструкции печи. В других печах эти узлы составляют небольшую часть конструкции, однако при этом могут играть весьма значительную роль в работе агрегата, во много раз увеличивая его межремонтную кампанию или делая возможным осуществление в печи таких технологических функций, которые в отсутствие охлаждения узла были бы практически невозможны.

В отечественной металлургии производства металлов использование охлаждения в печах особенно велико по сравнению с зарубежной практикой. Это объясняется тем, что до последнего времени одним из генеральных направлений развития нашего пирометаллургического производства являлось форсирование печей, стремление повысить их удельную производительность. Это давало возможность снизить капитальные затраты при строительстве и реконструкции металлургических объектов или повысить мощность действующих переделов без значительных капиталовложений. Поскольку увеличение удельной производительности ведет к повышенному износу конструкции печи, прежде всего ее огнеупорной футеровки, форсированный режим работы становится возможным только при защите конструкции путем использования охлаждения.

Вследствие этого отечественная металлургия обладает несомненным приоритетом в части использования в различных печах охлаждаемых узлов разных конструкций, а также в отношении применения в них разных систем охлаждения.

Надо заметить, что отмеченная тенденция в нашем производстве к форсированию режима работы печей является, по меньшей мере, спорной. Не касаясь здесь вопроса об ухудшении экологической обстановки при высокой удельной производительности печей, об ухудшении условий труда обслуживающего персонала на печных переделах, об увеличении безвозвратных потерь цветных металлов и др., отметим, что форсированная работа приводит обычно к повышенным энергетическим затратам на единицу продукции. Хотя при высокой удельной производительности печи снижается доля потерь тепла печью во внешнюю среду через огнеупорную футеровку и открытые отверстия, однако отвод тепла системой охлаждения чаще всего намного превосходит это снижение тепловых потерь, и в итоге удельные энергетические затраты возрастают.

На зарубежных предприятиях удельная мощность печных агрегатов при прочих равных условиях обычно существенно, иногда в 2-3 раза и более, меньше, чем на отечественных. Соответственно, отпадает надобность и в охлаждении многих узлов и корпуса печей в целом. Тем не менее, и в данном случае полностью отказаться от охлаждения чаще всего не представляется возможным. Однако используется охлаждение при этом обычно только для ограниченных по площади узлов, которые работают в тяжелых условиях даже при небольшой удельной производительности печи.

Как бы то ни было, в наших условиях в настоящее время охлаждение металлургических печей играет столь существенную роль, что эта сторона работы и конструкции печных агрегатов представляет важный раздел печной теплотехники, которому посвящено большое число научно-исследовательских работ и инженерных разработок.

Работа охлаждаемого узла или элемента в печи характеризуется рядом показателей, которые определяются тремя группами величин. Первая группа, -это характеристика воздействия на охлаждаемый элемент со стороны рабочего пространства печи. К этой группе относятся температура рабочего пространства, теплофизические и физико-химические свойства печной среды, которая контактирует с элементом, показатели гидроаэродинамического воздействия среды на элемент и ряд других. Вторая группа, - это характеристика стенки охлаждаемого элемента, разделяющей печное пространство и среду, охлаждающую элемент. К этой группе относятся конструкция стенки элемента и тепло-физические и физико-химические свойства материала стенки. Наконец, третья группа, - это характеристики охлаждающей элемент среды. К ним относятся температура среды, ее теплофизические и физико-химические свойства, показатели гидроаэродинамического воздействия охлаждающей среды на стенку элемента и некоторые другие. На показатели работы охлаждаемого элемента в печи все три группы характеристик влияют совместно, однако во многих случаях лишь одна из них является определяющей в тех или иных конкретных условиях работы элемента. В системе печная среда-стенка элемента-охлаждающая среда стенка играет, условно говоря, пассивную роль, являясь передатчиком теплоты от печной среды к охлаждающей. Эта пассивность выражается в том, что при работе данной печи характеристики стенки не могут быть произвольно изменены - они меняются только в зависимости от условий, характеризующих состояние печной и охлаждающей сред. Последние, таким образом, играют активную роль в теплопередаче. Количественно эту роль можно охарактеризовать (тоже условно) некоторой обобщенной величиной. Назовем ее пока интенсивностью. Со стороны печной среды - это интенсивность воздействия последней на рабочую (печную) поверхность охлаждаемого элемента, со стороны охлаждающей среды (охладителя) - интенсивность отвода тепла к охладителю.

Способ (система) охлаждения непосредственно определяет интенсивность процесса отвода тепла к охладителю, хотя в той или иной степени влияет и на характеристики стенки, а через последние - на интенсивность воздействия печной среды на элемент. Все же, поскольку система охлаждения в наибольшей степени определяет интенсивность охлаждения, именно с точки зрения последней обычно в первую очередь характеризуют разные системы.

В настоящее время для охлаждения узлов металлургических печей преимущественно используют три системы: воздушную, холодной водой под положительным избыточным давлением (ее называют просто водяным охлаждением; мы для краткости также будем часто использовать это название) и испарительную. Воздушное охлаждение ввиду, прежде всего, особых теплофизиче-ских свойств охладителя - воздуха характеризуется весьма низкой интенсивностью охлаждения, в силу чего может применяться и применяется только для ограниченного круга условий, в которых работают охлаждаемые узлы. Интенсивность охлаждения холодной водой, по меньшей мере, на два порядка выше, чем при воздушном охлаждении; еще больше, как правило, интенсивность при испарительной системе охлаждения. Эти две системы охлаждения и применяются для печных узлов, работающих в тяжелых условиях.

Особым вопросом охлаждения узлов печей металлургического производства, а также оборудования некоторых других производств, является проблема взрывобезопасности охлаждения. Она определяется тем фактом, что попадание воды в массу сульфидного или металлического расплава, а также шлаковых расплавов некоторого диапазона составов приводит к взрыву. В практике металлургического производства многократно происходили аварии, вызванные взрывами вследствие попадания воды в указанные расплавы; многие из этих аварий приводили к разрушению печей и человеческим жертвам. Это обстоятельство существенно ограничивает применение в металлургических печах наиболее массовых систем охлаждения- водяного и испарительного. Ограничения касаются, прежде всего, тех узлов печей, которые находятся ниже уровня находящегося в агрегате взрывоопасного в отношении воды расплава, особенно жидких штейна или металла. Это предотвращает попадание воды под напором в слой расплава в случае разгерметизации (например, прогара) охлаждаемого элемента. Однако, даже при использовании упомянутых систем для охлаждения элементов, находящихся выше уровня расплава, опасность взрыва при разгерметизации элемента во многих случаях не исключается. Так, имели место взрывы вследствие «намокания» контактирующих со штейном нижних слоев огнеупорной кладки печи при протечке воды из вышележащих охлаждаемых элементов; возрастает мощность взрыва вследствие увлажнения опрокидывающихся шихтовых откосов рудных электропечей при течи воды из охлаждаемых элементов свода и электродов и т.п.

Взрывоопасность применения водяного и испарительного систем охлаждения привела к попыткам использования в металлургии других известных взрывобезопасных систем охлаждения, нашедших более или менее широкое использование в других областях техники: охлаждения жидкими металлами, кремнийорганическими теплоносителями, влажным паром. Эти попытки, однако, не дали положительных результатов вследствие дороговизны, эксплуатационных неудобств, сложности в управлении и ряда других недостатков.

Сложившееся положение привело в 70-х годах к началу разработок новых взрывобезопасных систем охлаждения. Эти разработки выполнялись совместно Ленинградским (ныне Санкт-Петербургским) горным институтом, ГМК «Пе-ченганикель» и институтом «Гипроникель». Задача состояла в создании такой системы, которая, обладая взрывобезопасностью, в то же время обеспечивала бы высокую интенсивность охлаждения и была достаточно простой в осуществлении.

Первой разработкой в этом направлении явилось создание системы водо-воздушного охлаждения (ВВО). Эта система в результате проведенных всесторонних лабораторных исследований, полупромышленных испытаний и промышленного опробования доведена до внедрения и используется на ряде объектов. Однако в силу ряда особенностей, присущих системе ВВО, она может быть использована только для относительно узкого круга конструкций охлаждаемых элементов. Это обусловило продолжение, тем же коллективом исследователей, работ в области создания взрывобезопасных систем охлаждения. Результатом предпринятых исследований оказалась разработка системы водяного охлаждения под разрежением (ВОПР).

Автор являлся одним из разработчиков системы ВОПР с самого начала упомянутых исследований. Будучи начальником плавильного цеха комбината «Печенганикель», он руководил и принимал непосредственное участие во всех заводских исследованиях и испытаниях системы, проводившихся в течение ряда лет на комбинате, и возглавлял промышленное ее освоение на печах плавильного цеха. Проведению всех этих работ предшествовали математическое описание и моделирование системы и расчет на этой основе параметров испы-тывавшихся установок, а также ряд лабораторных исследований.

Результаты указанных разработок системы водяного охлаждения под разрежением составляют содержание излагаемой ниже работы.

7. Общие выводы по работе.

1. Обзор существующих систем охлаждения узлов металлургических печей показывает, что в настоящее время, несмотря на разнообразие интенсивных способов охлаждения оборудования, в печах ввиду ряда недостатков других способов, почти исключительно используется только два — холодной водой под давлением и испарительное. Оба этих способа взрывоопасны при охлаждении узлов, контактирующих со штейновыми и металлическими расплавами. В связи с этим актуальной является разработка нового способа взрывобезопасного охлаждения - водяного охлаждения под разрежением (ВОПР), которая была начата в 80-е годы работами других авторов.

2. Анализом выполненных ранее работ в области ВОПР выявлены направления исследований, необходимых для реализации этой системы. Ввиду большой чувствительности ВОПР к потерям напора первоочередной задачей является выявление влияния на гидравлическое сопротивление в системе газовыделения из воды вследствие пониженного давления. Поскольку наиболее универсальным является ранее не исследованный насосный вариант системы - ВОПР(н), важным является изучение закономерностей этого варианта.

3. Разработка системы ВОПР открывает возможности улучшения показателей некоторых пирометаллургических процессов путем осуществления их в агрегатах, разделенных на отдельные технологические зоны охлаждаемыми по системе ВОПР перегородками. Одним из таких процессов является обеднение конвертерных шлаков в электропечи, шлаковая ванна которой может быть разделена перегородкой на две зоны - заливочную и отстойную. Однако технологическая результативность такого разделения не была показана в предшествующих работах и нуждается в обосновании.

4. Выполненным в настоящей работе теоретическим анализом, основанном на известных закономерностях растворения газов в жидкостях и приведенных в литературе количественных данных, показано, что в условиях системы ВОПР уровень газовыделения из воды вследствие понижения давления незначителен и истинное объемное газосодержание в любом сечении водяного тракта не превышает 0,1 м3 газа на 1м3 воды. В этих условиях газожидкостный поток представлен пузырьковой структурой. Расчетами, выполненными по наиболее принятым методам расчета газожидкостных потоков, установлено, что при указанных выше газосодержаниях погрешность в определении гидравлических потерь давления в линиях системы ВОПР по зависимостям, используемым для однофазного потока жидкостей, не превышает нескольких процентов. Эти зависимости поэтому могут быть достаточно уверенно использоваться в гидродинамических расчетах ВОПР.

5. Экспериментами, выполненными на заводском стенде с трубопроводами промышленных размеров, установлено, что гидравлическое сопротивление стальных некоррозионностойких труб, работающих на оборотной воде систем охлаждения печей плавильного цеха, существенно возрастает во времени, что вызвано кислородной коррозией труб с отложением в них осадка гидрооксида железа. Рост коэффициента сопротивления труб зависит от их диаметра. Наиболее значителен он для труб малого заводского диаметра (1дюйм), где он достигает 100% увеличения за 1 месяц эксплуатации; для труб большего диаметра (l'/2 - 2 дюйма) он существенно меньше: 8 - 10% за месяц. Значительный рост гидравлического сопротивления во времени делает невозможной длительную работу системы ВОПР на обычных стальных трубах ввиду ограниченных резервов этой системы по движущему напору.

6. Разработано теоретическое описание закономерностей, характеризующих насосный вариант системы ВОПР. Выведены зависимости, связывающие определяющие параметры ВОПР(н) - расход воды в линиях охлаждения, разрежение в вакуумном шкафе, гидравлическое сопротивление линий, геодезические отметки расположения узлов схемы, напорную характеристику насосной установки. Проанализировано влияние возмущений, приводящих к изменению расхода воды в системе, на ее параметры и выведена зависимость, определяющая условия самовыравнивания системы.

7. Приведена экспериментальная проверка полученных теоретических зависимостей, характеризующих систему ВОПР(н) на установке промышленных масштабов. Фактические показатели работы установки подтвердили результаты расчетов. В ходе экспериментов отработана конструкция основного узла системы - вакуумного шкафа, в частности, обосновано оснащение шкафа поплавковым регулятором уровня с эжекторным отсосом газа.

8. На основании выполненных теоретических и экспериментальных исследований разработана математическая модель системы ВОПР, позволяющая рассчитать параметры проектируемой системы для широкого диапазона условий.

9. Предложен механизм осаждения механической взвеси сульфидов в шлаковой ванне электропечи обеднения конвертерных шлаков и разработана динамическая математическая модель, описывающая этот механизм. На этой основе составлена схема расчета динамики осаждения взвеси в ванне существующей печи обеднения и в двухзонной печи, оборудованной охлаждаемой перегородкой шлаковой ванны. Проведены сопоставительные расчеты отстаивания взвеси в этих двух агрегатах при существующей технологии обеднения, включающей порционные заливку исходного шлака и выпуска отвального, разделенные во времени. Показано, что проведение процесса в двухзонной печи дает существенное снижение механических потерь цветных металлов с отвальным шлаком.

10. Приведена разработка конструкции охлаждаемых по системе ВОПР (сифонный вариант) торцевых секций сводов руднотермических печей и схемы их охлаждения. Проведены промышленные испытания разработанных конструкций секций: с коробчатыми кессонами и с огневыми листами, охлаждаемыми наружными змеевиками каналами разных типов. Длительными испытаниями на различных печах определена наиболее приемлемая конструкция - с огневым листом и уголковым каналом охлаждения. Секции этого типа приняты в промышленную эксплуатацию.

11. Проведены промышленные испытания разделительной перегородки шлаковой ванны электропечи обеднения конвертерных шлаков, охлаждаемой по разработанной схеме ВОПР(н). В трех сериях испытаний продолжительностью от 46 до 84 суток эксплуатировалась перегородка, представляющая собой плоский регистр из 8 - 10 труб, размещенный между 1-м и 2-м (считая от штейнового торца печи) электродами. Испытания показали, что конструкция перегородки и система ее охлаждения работоспособны и могут быть использованы для организации обеднения шлаков по схеме двухзонного агрегата. Устойчивого улучшения технологических показателей обеднения в испытаниях получено не было ввиду недостаточно стабильного разделения шлаковой ванны перегородкой, которого не удалось достичь при ее монтаже на работающей печи.

12. Разработана на основе упомянутой выше (см.п.8)математической модели схема охлаждения по системе ВОПР(н) кессонов штейновых шпуров руд-нотермической печи и проведены ее промышленные испытания. Результаты испытаний показали, что фактические параметры схемы отвечают рассчитанным, а система охлаждения удовлетворяет заводским требованиям. В настоящее время система находится в промышленной эксплуатации.

6.4 Заключение

1. Проведены разработки и многолетние заводские испытания в плавильном цехе ГМК «Печенганикель» нескольких вариантов конструкций охлаждаемых торцевых секций сводов руднотермических печей и схемы их охлаждения по сифонному варианту системы ВОПР. Испытывались конструкции элементов секций в виде коробчатых кессонов с перегородками для направленного течения воды в виде огневых листов с наружными наварными змеевиковыми каналами.

2. Испытаниями установлено, что наилучшим вариантом охлаждаемой по системе ВОПР торцевой секции свода является конструкция из четырех охлаждаемых элементов в виде огневого листа с наваренном на нем змее-виковым каналом из равнобочного уголкового профиля; каждый элемент имеет индивидуальный тракт охлаждения. Форма канала и размещение элемента на печи обеспечивают самопроизвольное опорожнение элемента в случае его разгерметизации. Указанные элементы секций находятся в промышленной эксплуатации.

3. Разработана схема охлаждения по насосному варианту системы ВОПР разделительной перегородки шлаковой ванны электропечи обеднения конвертерных шлаков и в плавцехе ГМК «Печенганикель», проведены три серии заводских испытаний двухзонной электропечи с перегородкой продолжительностью от 46 до 84 суток. Конструкция перегородки представляла собой плоский регистр из труб в форме перевернутой буквы П и размещалась в шлаке между первым и вторым электродами (считая от штейнового торца печи) в зазоре между сводовыми секциями. В испытаниях ставились задачи отработки конструкции и системы охлаждения перегородки и определения технологической эффективности организации обеднения шлака в двухзонной электропечи.

4. Испытания собственно разделительной перегородки показали, что разработанные ее конструкция и система охлаждения работоспособны и пригодны для длительной эксплуатации в шлаковой ванне электропечи при условии использования в схеме некорродируемых в заводской оборотной воде труб перегородки и подводяще-отводящих линий. После периода пуска тепловая нагрузка на трубы перегородки не превышает 15-20 кВт/м ; трубы покрыты толстым слоем естественного гарниссажа.

5. Технологические показатели испытаний электропечи обеднения с разделительной перегородкой оказались неоднозначными. Наряду с показателями обеднения, намного превосходящими обычные, которые были получены в отдельные периоды испытаний, в другие периоды никаких преимуществ при работе двухзонной печи не было выявлено. Предположительной причиной этого, подтвержденной анализом проб из обеих зон печи, явилось плохое разделение ванны перегородкой, что было следствием трудностей с ее установкой в работающей печи. Ввиду того, что на ГМК «Печенганикель» обеднительный передел сейчас ликвидирован, эта сторона работы пока не получила продолжения.

6. Разработана по насосному варианту системы ВОПР схема охлаждения кессонов штеЙновых шпуров руднотермических печей плавцеха ГМК «Печенганикель». Проведены заводские испытания системы на действующей печи, показавшие ее эксплутационную надежность. Система принята в промышленную эксплуатацию и внедрена на руднотермиче-ской печи № 4 плавцеха.

1. Декопов Ю.Д., Гальнбек А.А. Влияние материала стенки элемента и интенсивности охлаждения на работу гарниссажных элементов в штейновом расплаве. - В сб.: Процессы и оборудование цветной металлургии (Записки ЛГИ, т.38). Л.: РИО ЛГИ, 1978. С.78-80.

2. Гальнбек А.А., Декопов Ю.Д. Тепловая работа гарниссажных элементов металлургических печей. В сб.: Новые исследования в цветной металлургии и обогащении (Тр. ЛГИ). Л.: РИО ЛГИ, 1969. С.139-153.

3. Декопов Ю.Д., Гальнбек А.А. Определение коэффициента теплостойкости от расплава к поверхности твердого тела. В сб.: Новые исследования в металлургии, химии и обогащении (Труды ЛГИ, №2).: Л., РИО ЛГИ, 1971. С.47-52.

4. Гребер Г., Эрк С., Григулль У. Основы учения о теплообмене. М.: ИЛ, 1958. 566с.

5. Кейс Б.М. Конвективный тепло- и массообмен. М.: Энергия, 1972. 446с.

6. Кутателадзе С.С., Баришанский В.М. Справочник по теплопередаче. М.гЛ.: Госэнергоиздат, 1959. 414с.

7. Справочник теплоэнергетика предприятий цветной металлургии (под ред. О.Н. Багрова и З.Л. Берлина). М.: Металлургия, 1982. 455с.

8. Кутателадзе С.С. Теплопередача и гидродинамическое сопротивление (справочное пособие). М.: Энергоатомиздат, 1990. 366с.

9. Крейт Ф., Блэк У. Основы теплопередачи. М.: Мир, 1983. 512с.

10. ЛыковА.В. Тепломассобмен. Справочник. М.: Энергия, 1972. 560с.

11. Методика и зависимости для теоретического расчета теплообмена и гидравлического сопротивления теплообменного оборудования АЭС (руководящий технический материал 24.031.05-72). М.: Минтяжэнерготранс, 1972. 125с.

12. Гальнбек А.А. Водовоздушное хозяйство металлургических заводов. Л.: РИО ЛГИ, 1974. 284с.

13. Гречко А.В., Гнатовский Е.С., Лебедев B.C. Достижения в практике кессо-нирования барботажных пирометаллургических агрегатов. М.: ЦНИИТЭИ ЦМ, 1982.24с.

14. Гречко А.В. Теплообмен между расплавом и гарниссажем в жидкой ванне пирометаллургических агрегатов. Изв. АН СССР, Металлы, 1986, №5. С.9-19.

15. Гальнбек А.А., Декопов Ю.Д., Шмонин Ю.Б. и др. Опыт работы охлаждаемой перегородки в штейновой ванне агрегата непрерывного конвертирования. -В сб.: Процессы и оборудование цветной металлургии (Записки ЛГИ, т.78). Л.: РИО ЛГИ, 1978. С.74-77.

16. Гальнбек А.А., Шмонин Ю.Б., Серебряный Я.Л. и др. Полупромышленные испытания конвертирования медно-никелевых штейнов в двухкамерном агрегате. Цветные металлы, №7, 1980. С. 5 8-61.

17. Гальнбек А.А., Барсуков Н.М., Иванов А.А. и др. О возможности охлаждения фурменного пояса горизонтального конвертера. Цветные металлы, №4, 1981. С.22-24.

18. Берлин З.Л. Рациональное использование вторичных энергоресурсов цветной металлургии. М.: Металлургия, 1972. 247с.

19. Городецкий Я.И., Пустовар B.C., Филипьев О.В. Система испарительного охлаждения металлургических агрегатов. М.: Металлургия, 1987. 272с.

20. Апдоньев С.М. Испарительное охлаждение металлургических печей. М.: Металлургия, 1970. 420с.

21. Багров О.Н. Испарительное охлаждение печей в цветной металлругии. М.: Металлургия, 1979. 160с.

22. Кудинов Г.А. Охлаждение современных доменных печей. М.: Металлургия, 1988.253с.

23. Дорощук В.Е. Кризисы теплообмена при кипении воды в трубах. М.: Энергия, 1970. 167с.

24. Васильев Ю.В., Гальнбек А.А., Китанин Э.Л. Метод расчета критических тепловых нагрузок для водовоздушной системы охлаждения пирометаллургических агрегатов. Тр. ин-та «Гипроникель», вып.8(72), 1978. С.53-58.

25. Тонг Л. Кризис кипения и критический тепловой поток. М. Атомиздат, 1976.99с.

26. Чечеткин А.В. Высокотемпературные теплоносители. М.: Энергия, 1971. 496с.

27. Гальнбек А.А., Ванюков А.В., Ежов Е.И. и др. Охлаждение узлов печей кремнийорганическими теплоносителями. Цветные металлы. № 6, 1988. С.26-29.

28. Батиков Ю.М., Рассказов Д.С. Органические и кремнийорганические теплоносители. М.: Энергия, 1975. 218с.

29. Петухов Б.С., Тенин Л.Г., Ковалев С.А. Теплообмен в ядерных энергетических установках. М.: Атомиздат, 1974. 321с.

30. Гордеев А.П., Мечев В.В. и др. Испытания кессонированного фурменного пояса в конвертере медно-никелевого производства. Цветная металлургия (бюлл. ЦНИИТЭИ ЦМ) № 6, 1968. С.26.

31. Ванюков А.В. Комплексная переработка медного и никелевого сырья. Алма-Ата: Наука Каз. ССР, ч.1, 1980. 272с.

32. Быстров В.П., Ванюков А.В. Исследования состава штейно-шлаковой эмульсии при плавке в жидкой ванне. Цветные металлы,№ 10,1980. С.56-59.

33. Кремнев О.А., Сатановский A.JI. Воздушно-водоиспарительное охлаждение оборудования. М.: Машиностроение, 1967. 240с.

34. Колльер Д. Обзор работ по теплообмену к двухфазным системам. М.: Энергия, 1962. 179с.

35. Баттерворт Д., Хьюнтт Т. Теплопередача в двухфазном потоке. М., Энергия, 1980. 328с.

36. Кутателадзе С.С., Стырикович И.А. Гидродинамика газожидкостных систем. М.: Энергия, 1976. 296с.

37. Чисколм Д. Двухфазные течения в трубопроводах и теплообменниках. М.: Недра, 1986. 204с.

38. Уоллис Г. Одномерные двухфазные течения. М.: Мир, 1972. 440с.

39. Хьюитт Д., Холл-Тейлор Н. Кольцевые двухфазные течения. М.: Энергия, 1974.407с.

40. Гречко А.В., Ермаков А.Б., Чижов Д.И. и др. Повышение надежности работы охладительных пирометаллургических агрегатов. Цветная металлургия (бюлл.ЦНИИТЭИ ЦМ), № 22, 1980. С.29-32

41. Гальнбек А.А., Декопов Ю.Д., Гнедин И.И. и др. Способ охлаждения узлов оборудования. А.с.СССР № 595902, 1977.

42. Гальнбек А.А. Водовоздушное охлаждение узлов металлургических печей. Цветная металлургия (бюлл.ЦНИИТЭИ ЦМ), № 9, 1976. С.40-42.

43. Гальнбек А.А., Барсуков Н.М., Ермаков Г.П., Тимофеев Г.А. Полупромышленные испытания водовоздушного охлаждения стен печи плавки на ферроникель. В сб.: Процессы и оборудование цветной металлургии (Записки ЛГИ, т.78), Л.: РИО ЛГИ, 1978. С.81-84.

44. Васильев Ю.В., Китанин Э.Л., Гальнбек А.А., Барсуков Н.М. Кризис теплообмена при движении воздухо-водяной смеси в горизонтальной трубе. В сб. Газотермодинамика многофазных потоков в энергоустановках. Вып.2. Харьков, 1979. С.83-85.

45. Гальнбек А.А., Барсуков Н.М., Иванов А.А. и др. Тепловая работа гарнис-сажного элемента в электропечи обеднения конвертерных шлаков. Деп. ЦНИИЭИ ЦМ. Деп.763. Реф. 71241, деп. РЖ мет, 1981.

46. Способ охлаждения труднодоступных элементов руднотермической печи. Авт. свид. СССР №394647, 1973. Бюлл. изобр. №34.

47. Иоффе Р.С. Как важен свежий взгляд. Рационализатор и изобретатель, №1, 1973. С.16.

48. Исследование тепловой работы конструктивных элементов печи плавки в жидкой ванне и разработка системы охлаждения узлов печей. Отчет по НИР ХД 15/79. Фонд ЛГИ, 1981.

49. Способ охлаждения шахтной печи, в частности, доменной. Патент ФРГ №153383, 1975.

50. Охлаждающее устройство для периодически работающей печи. Патент ФРГ №2618434,1979.

51. Разработка, курирование проектирования и строительства и внедрение агрегатов непрерывного конвертирования и способов охлаждения узлов металлургических агрегатов, контактирующих с расплавами. Отчет по НИР ХД №899. Фонд ЛГИ, 1978.

52. Установка для охлаждения узлов металлургических печей. Авт. свид. СССР №1198119,1985.

53. Справочник металлурга по цветным металлам / под ред. Н.Н. Мурача. М.: Метал л ургиздат, 1953.1154с.

54. Совершенствование аппаратуры для процессов плавки в жидкой ванне в производстве никеля и меди. Отчет по НИР ХД 65/81. Фонд ЛГИ. 4.1, 1982; ч.2, 1983; ч.З, 1984.

55. Direct smelting of metallic ores. Патент США, №3326671.

56. Worner H.K. Worcra (continious) steelmaking. J. Met., 1969, v.22, №6, p.50-56.

57. Worner H.K. Worcra processes for continious smelting and refining. Austr. Min., 1967, v.59, №4, p.7-9.

58. Монтильо И.А. Свердлов С.С. Непрерывный процесс получения черновой меди при плавке и конвертировании медно-цинковых концентратов. -Цветная металлургия (бюлл. ЦНИИТЭИ ЦМ), 1970, №11, с.24-25.

59. Позняков В.Я. Перспективные процессы комплексной переработки медно-никелевых руд. Цветные металлы, 1975, №9, с. 1-5.

60. Электропечь для обеднения шлаков. / Гальнбек А.А., Барсуков Н.М., Алексеев М.С. и др. Авт. свид. СССР, №1068520, 1983.

61. Испытания системы водовоздушного охлаждения фурменного пояса конвертеров и перегородки ванны электропечи обеднения на комбинате «Пе-ченганикель». Отчет по НИР 3-77-001т /п-2/. Фонд ин-та «Гипроникель», 1977.

62. Гальнбек А.А. Непрерывное конвертирование штейнов. Челябинск: Металлургия, 1990. 85с.

63. Бочкарев JI.M., Ушаков К.И. Разработки, внедрение и развитие процесса кислородно-факельной плавки медных концентратов. Цветные металлы, 1980, №2, с.9-11.

64. Монтильо И.А. Совмещение процессов плавки и конвертирования. Цветные металлы, 1979, №12, с.20-26.

65. Николадзе Г.И. Водоснабжение. М.: Госстройиздат, 1972. 244с.

66. Альтшуль А.Д., Живатовский Л.С., Иванов С.П. Гидравлика и аэродинамика. М.: Стройиздат, 1987. 414с.

67. Альтшуль А.Д. Гидравлическое сопротивление. М.: Недра, 1982. 223с.

68. Справочник по гидравлическим расчетам / под ред. П.Г. Киселева. М: Энергия, 1977.312с.

69. Блатов А.И. Гальнбек А.А., Пархемовский В.Л. и др. Водосливные линии из специального полиэтилена в системе охлаждения печей. Цветная металлургия, №3, 1994. С.18-19.

70. Идельчик И.Е. Справочник по гидравлическим сопротивлениям. М.-Л.: Гос-энергоиздат, 1960. 212 с.

71. Краткий справочник физико-химических величин / под ред. К.П. Мищенко и А.А. Равделя. Л. Госхимиздат, 1959. 123 с.

72. Разработка и промышленные испытания системы водовоздушного охлаждения конвертеров и электропечей комбината. Отчет по НИР ХД 930. Фонд ЛГИ, 1976.

73. Разработка узлов конструкции агрегата непрерывного конвертирования (АНК) и системы охлаждения узлов электропечей, контактирующих со штейном. Отчет по НИР ХД 8078 разд. II. Фонд ЛГИ, 1983.

74. Гальнбек А.А., Декопов Ю.Д., Шмонин Ю.Б. и др. Опыт работы охлаждаемой перегородки в штейновой ванне агрегата непрерывного конвертирования. Записки ЛГИ, t.LXXVIII, 1978. С.74-77.

75. Гальнбек А.А. Барсуков Н.М., Иванов А.А. и др. Распределение компонентов в ванне электропечи обеднения шлаков. Цветная металлургия (бюлл. ЦНИИТЭИ ЦМ), №23,1981.

76. Справочник химика, т. III. Госхимиздат, 1952. 1192 с.

77. Цымбал В.П. Математическое моделирование металлургических процессов. М.: Металлургия, 1986. 239 с.

78. Кафаров В.В., Гистов М.Б. Математическое моделирование основных процессов химического производства. М.: Высшая школа, 1991. 400 с.

79. Вильнер Я.М., Ковалев Я.Т., Некрасов Б.Б. Справочное пособие по гидравлике, гидромашинам и гидроприводам. Минск: Вышейшая школа, 1976. 415 с.

80. Вахлер Б.Л. Оборудование насосных и воздуходувных станций металлургических заводов. М.: Металлургия, 1968. 276 с.

81. Вахлер Б.Л. Насосные станции металлургических предприятий (справочник). М.: Металлургия, 1964. 288 с.

82. Разработка узлов конструкции агрегата непрерывного конвертирования (АНК) и системы охлаждения узлов электропечей, контактирующих со штейном. Отчет по НИР ХД 8078, разд. II. Фонд ЛГИ, 1983.

83. Кафаров В.В. Методы кибернетики в химии и химической технологии. М.: Химия, 1968. 379 с.

84. Закгейм А.Ю. Введение в моделирование химико-технологических процессов. М.: Химия, 1982. 288 с.

85. Мелвин-Хьюз Э.А. Физическая химия, книга 2. М.: ИЛ, 1962. 1148 с.

86. Гидравлика, гидравлические машины и гидравлические приводы / Т.М. Башта, С.С. Руднев, Б.Б. Некрасов и др. М.: Машиностроение, 1970. 504 с.

87. Соколов Е.Я., Зингер Н.М. Струйные аппараты. М.: Энергия, 1970. 287 с.

88. Аксенов В.И. Замкнутые системы водного хозяйства металлургических предприятий. М.: Металлургия, 1991. 126 с.

89. Электропечь для обеднения шлаков / Гальнбек А.А., Барсуков Н.М., Алексеев М.С. и др. А.с. СССР, № 1068520, 1983.

90. Казаков А.А. Непрерывные сталеплавильные процессы. М.: Металлургия, 1977. 271 с.

91. Костин В.Н., Сычев А.П., Череднин И.М. Кивцэтный способ переработки сульфидных концентратов цветных металлов. Цветные металлы, №5, 1974. С. 17-20.

92. Сычев А.П. Кислородно-электротермическая технология переработки свинцовых концентратов в агрегате кивцэт-ЦС. Цветные металлы, №8, 1977. С.8-14.

93. Производство меди в капиталистических и развивающихся странах, ч. II. М.: ЦНИИЭИЦМ, 1979. 127 с.243

94. Боровкин В.Г., Пиотровский В.К. Переработка жидких конвертерных шлаков. М.: Металлургия, 1978. 104 с.

95. Технологическая инструкция передела конвертирования медно-никелевого штейна. Норильский ГМК. Норильск, 1976. 135 с.

96. Технологическая инструкция передела конвертирования медно-никелевого штейна. ГМК «Печенганикель». Никель, 1992. 135 с.

97. Ванюков А.В., Зайцев В .Я. Шлаки и штейны в цветной металлургии. М. Металлургия, 1969. 406 с.

98. Шмонин Ю.Б. Пирометаллургическое обеднение шлаков цветной металлургии. М.: Металлургия, 1981. 131 с.

99. Серебряный Я. Л. Электроплавка медно-никелевых руд и концентратов. М.: Металлургия, 1974. 247 с.