Разработка направлений эффективного использования энергии жидкой стали

Настоящее время характеризуется значительным ростом цен на энергоресурсы, поэтому энергосбережение в промышленной теплоэнергетике и тепло-технологиях приобретает важное значение. Проблема энергосбережения является актуальной для любого промышленного предприятия, но особенно — для производящего энергоемкую продукцию.

В данной работе затрагиваются вопросы энергосбережения в такой тепло-технологии, как черная металлургия, поскольку эта отрасль является одной из наиболее энергоемких (до 1500 кг у. т. на тонну готовой продукции), и для чёрной металлургии вопросы энергосбережения чрезвычайно актуальны. В числе причин высокой энергоемкости продукции черной металлургии — большие потери энергии с охлаждающимися продуктами и полупродуктами.

В технологической цепочке металлургического предприятия на отрезке до сталеплавильного производства, затрачивается 2/3 общего объема потребляемой энергии, а разливка и охлаждение стали предоставляет первую и самую большую возможность частичного возврата данной энергии, что позволяет снизить высокую энергоемкость процесса, а значит снизить и зависимость от внешних, по отношению к металлургическому предприятию, источников энергии — углю, природному газу, электроэнергии.

В последовательных операциях переработки железных руд в металлопрокат на различных стадиях передела, начиная от производства концентрата, агломерата, окатышей и заканчивая производством чугуна, необходимо отметить возрастанием потока массы, который достигает своего максимума в сталеплавильном процессе. Другой важной характеристикой является возрастание температуры процессов в указанной технологической цепочке от 1300 °C в агломерационном производстве до 1600 °C в сталеплавильном процессе. После сталеплавильного производства потоки массы и температуры процессов уменьшаются. Одновременное достижение максимумов потоков массы и температуры именно в сталеплавильном процессе определяет высокие потери энергии с жидкой сталью, и одновременно — наивысшие возможности использования этой высокопотенциальной теплоты. Этим определяется первоочередное внимание к этому специфичному энергетическому ресурсу, так как количество и качество теплоты жидкой стали — наибольшее среди прочих потоков охлаждающихся продуктов, полупродуктов или отходов черной металлургии.

Производство жидкой стали в мире за 2004 год достигло 1000 млн. т, в том числе в Российской Федерации производится около 80 млн. тонн стали в год по трем основным технологиям. В тонне стали содержится до 1400 МДж и эта теплота характеризуется высоким температурным потенциалам около 1600 °C. Таким образом, работа направлена на потенциальную экономию энергии, которая может составить до 40 млн. тонн условного топлива в год в расчете на мировое производство стали.

Известны некоторые решения по использованию теплоты разливаемой стали, однако все они относятся к низкопотенциальной (примерно ниже 800 °С) части и последующим технологическим операциям. Гораздо больший энергосберегающий эффект могло бы дать использование наивысшего температурного потенциала жидкой стали (до 1500 °С) и в предыдущей операции — согласно известному мощному энергосберегающему принципу технологической регенерации. В перспективе черной металлургии предстоит осуществить переход к преимущественно непрерывной разливке стали, которая в настоящее время производит заготовки, превышающие конечные размеры в несколько сот раз. Наиболее интересным направлением, с точки зрения как металлургической технологии, так энергосбережения, является непрерывная разливка стали на профиль, близкий к конечному продукту.

Одним из направлений сокращения энергетических затрат в данном секторе является применение новых и перспективных технологий на технологической цепочке сталеплавильный агрегат-разливка-прокатка. В связи с этим продолжаются исследования по разработке менее энергозатратных технологий на данном участке металлургического производства. Решение задач по снижению энергопотребления с одновременным уменьшением технологических операций и использованием всевозможных внутренних энергетических ресурсов при производстве того же продукта невозможно без теплотехнического исследования самого процесса охлаждения и затвердевания разливаемого металла.

В настоящее время энергия стали, являясь вторичным энергетическим ресурсом, с её высокими как температурным потенциалом, так и объемом энергии, используется недостаточно и с низкой эффективностью. На широко применяемых машинах непрерывного литья заготовок (МНЛЗ) с водяным охлаждением, тепловая энергия стали передаётся воде, нагревающейся до 40 °C, что затрудняет использование такой энергии, а фактически — вода, охлаждаясь в устройствах охлаждения циркуляционной воды, теряет и эту теплоту.

В связи с этим, разработка направлений эффективного использования энергии, содержащейся в жидкой стали является актуальной задачей в черной металлургии. Разработанная в последнее время методология интенсивного энергосбережения открывает возможности выявления и реализации предельно полного и предельно высокого уровня резерва энергосбережения, при использовании полного состава энергосберегающих мероприятий.

В общем случае, наиболее высокий энергетический эффект достигается на базе изменения принципиальных основ технологии, техники, управления, повышения качества технологической продукции и полноты полезного использования конечного технологического продукта. В связи с вышесказанным, в основу исследований и была положена данная методология, включающая, в том числе и — принцип технологической регенерации.

Совместное использование данных математического (компьютерного) и экспериментального моделирования позволяет выполнить прогнозирование возможности тех или иных процессов, в том числе и процессах, позволяющих снижать энергопотребление за счет изменения технологии и использования вторичных энергетических ресурсов.

В связи с этим исследование и разработка предельно эффективного направления использования энергии жидкой стали, в виду высокого потенциала и объема этого вторичного энергетического ресурса, является актуальной для металлургических предприятий.

Принятые обозначения нач.

1тн ~ начальная температура теплоносителя, °Снач.

1Ме — начальная температура металла, °Скон.

1тн ~ конечная температура теплоносителя, °С;

0нач. тн — начальная теплота теплоносителя, Дж;

01 нач.

Ме — начальная теплота металла, Дж;

0КОН. тн — конечная теплота теплоносителя, ДжЕ — энтальпия, кДж/кга — коэффициент температуропроводности, м2/сср — изобарная удельная теплоёмкость (при постоянном давлении), кДж/(кг-К) — сжм — удельная теплоёмкость жидкого металла, кДж/(кг-К) — стм — удельная теплоёмкость твердого металла, кДж/(кг-К) — сп — удельная теплоёмкость подложки, кДж/(кг-К);

Я — коэффициент теплопроводности, Вт/(м*К);

Л-жм — коэффициент теплопроводности жидкого металла, Вт/(м'К);

Яум — коэффициент теплопроводности твердого металла, Вт/(м-К);

Лп — коэффициент теплопроводности подложки, Вт/(м*К) — р — плотность, кг/м3;

Ржм ~ плотность жидкого металла, кг/м3- ртм — плотность твердого металла, кг/м3- рп — плотность подложки, кг/м3;

— температура ликвидуса разливаемого металла, °Сts — температура солидуса разливаемого металла, °С;

10С — температура окружающей среды, °С;

1Ж — температура жидкой фазы, °Стемпература твердой фазы, °СНп — толщина подложки, мг.

НМе — толщина металла, м;

Вп — ширина подложки, мВме — ширина металла, м;

Ь0бщ — общая длина жидкого участка и участка затвердевания, мЛ q[1 — тепловой поток, Вт/м — 4л — температура плавления, °С- ¡-кип — температура кипения, °СЛ, а — коэффициент теплоотдачи, Вт/(мК) — W — скорость, м/сл.

V— кинематическая вязкость воды, м /с- 8— толщина, мV — объём, м3- э — эквивалентный диаметр, равный отношению учетверённой площади поперечного сечения 8 к омываемому периметру и, м.

Числа подобия: лг а'1.

Ми = —г~ - НуссельтаА.

Ке =— Рейнольдса: V v-ci.

Ре = ЯеРг =-2. пеклеа па'1.

1 = —— - БиоА ат — Фурье. о.

4.6. Выводы по главе.

Физическая модель и проведенные на ней эксперименты показали принципиальную возможность осуществления разливки жидкого, менее плотного материала на твердый, более плотный материал с формированием в лист. Кроме того, эти опыты указывают на то, что возможно осуществление непрерывного процесса, в котором будут состыкованы такие процессы, как разливка, прокатка и смотка в рулон полученного листа.

Проведенный эксперимент с организацией противоточной схемы подтвердил, что возможно получение теплоносителя, приближенного по температуре к температуре разливаемого материала.

Эксперимент по моделированию разливки стали алюминием подтвердил предположение о возможности получения листа из расплава, близкого к конечному продукту, путем разливки жидкого металла на жидкий теплоноситель с одновременным затвердеванием разливаемого материала.

Эксперимент с обжатием наглядно показал, что качество полосы после прокатки образцов удовлетворительное.

Исследования образцов показали, что на поверхности алюминиевой полосы присутствует пленка свинца, которая подтверждает тот факт, что полоса получена путем разливки жидкого металла на жидкий теплоноситель. Спектральный анализ, проведенный на образцах, подтверждает известные данные о том, что свинец и алюминий химически не взаимодействуют.

Представленные теоретические и практические исследования требуют рекомендаций по практическому применению и ориентировочной энергоэкономической оценки возможного энергосберегающего эффекта от внедрения представленных решений.

Глава 5. Практическое применение использования энергии стали.

Энергоэкономический эффект Поскольку ранее была поставлена задача выдачи рекомендаций по практическому применению и ориентировочной энергоэкономической оценки возможного энергосберегающего эффекта, от внедрения представленных решений, далее последовательно приводится возможное применение жидкометалличе-ского теплоносителя на MHJI3 с медным кристаллизатором. Отдельным пунктом представлен разработанный энергосберегающий способ разливки металлов и проведена оценка возможного энергосберегающего эффекта от применения разработанного способа в сравнении с широко распространенным MHJI3 ради-ально-криволинейного типа и широкополосными станами горячей прокатки. 5.1. Энергоэффективная схема с применением Na-K сплава Некоторые энергоносители, например Na-K, Na, К (как наиболее используемые в промышленности), позволяют работать с температурами на уровне 700 °C [63], что дает повод говорить о возможности использования таких энергоносителей, как промежуточных, для использования энергии стали, например, на производство пара [98, 99].

Идея применения жидкометаллических теплоносителей в целях получения пара применяется не только на АЭС. В период с 1947 по 1950 г. фирма «General Electric» по заказу главного управления судостроения военно-морского флота США спроектировала, построила и эксплуатировала установку (установка получила название «Жени») для производства пара, в которой в качестве теплоносителей были применены натрий и натрий-калиевый сплав [100]. В марте 1951 г. управление судостроения США предложило фирме «Майн сэйфти эпплайен-сиз» (MSA) спроектировать и изготовить установку для производства пара с применением жидких металлов при высоких температурах в качестве теплоносителей [100].

Принципиальная схема, позволяющая передать энергию стали к промежуточному теплоносителю, а затем охладить теплоноситель, подогрев воду и произведя пар, показана на рис. 5.1.

Схема (рис. 5.1) предлагает заменить существующий теплоноситель (вода) на более эффективный с точки зрения энергетики и теплофизических характеристик энергоноситель. В данном случае конструкция работающих МНЛЗ не должна существенно измениться, измениться могут только подводящие трубопроводы и оборудование, утилизирующее теплоту жидкого металла.

11=1540 °С.

МНЛЗ.

450 °C.

Р=5МПа г=435°с топка г2=1250 °с.

Парогенератор

Вода 1=226°С.

270 °C.

Подогрев пит. воды О.

200 °C.

Пит. вода 1=100°С.

Рис. 5.1. Схема движения энергоносителя.

Высокие коэффициенты теплоотдачи у жидких металлов намного превышают таковые у других возможных теплоносителей, этим объясняется актуальность применения жидкометаллических теплоносителей. По предложенной схеме (рис. 5.1) выбранный теплоноситель (Иа-К сплав), нагревшись в стандартном кристаллизаторе (рис. 5.2) до температуры 450 °C, через топку, необходимую для поддержания температуры теплоносителя перед подачей в котел-утилизатор при экстренных ситуациях (прекращение разливки), поступает в парогенератор (котелутилизатор) (рис. 5.3, табл. 5.1, 5.2), где, отдавая тепло, превращает воду в пар с давлением 5 МПа и температурой 435 °C, остывая до температуры 268 °C. Затем теплоноситель подается в подогреватель питательной воды, где подогревает воду, по.

Рис. 5.2. Кристаллизатор наиболее распространенных МНЛЗ еле этого через нагнетатель теплоноситель снова подаётся в МНЛЗ. Схема построена с учётом работы реально существующих парогенераторов [101, 102].

Кроме того, за счет особенностей теплофизических свойств жидкометаллических теплоносителей теплообмен может быть интенсифицирован [103]. Условия работы парогенераторов, работающих на жидкометаллических теплоносителях, представлены на рис. 5.4.

114 Заключение.

В данной работе предложены энергоэффективные направления использования высокопотенциальной энергии жидкой стали, которое стало возможным благодаря использованию методологии интенсивного энергосбережения и разработанного способа. По данным работы получены следующие результаты:

1. На основе проведенного аналитического обзора показано, что энергия жидкой стали в низкопотенциальной части используется неэффективно, а в высокопотенциальной части не используется.

2. Поставлена задача использования энергии жидкой стали, включая ее наиболее высокопотенциальную часть.

3. Проведен анализ возможных направлений использования энергии жидкой стали и показано, что предельным, наиболее эффективным направлением является плавление лома.

4. Термодинамический анализ процесса охлаждения стали и теплофизи-ческих свойств энергоносителей показал, что вода может быть эффективно заменена промышленными теплоносителями, такими, как, например, эвтектика, или свинцово-висмутовые сплавы.

5. Рассчитаны теоретический коэффициент трансформации (сохранения) теплоты при передаче от жидкой стали к теплоносителям, который может составить 0,857, а коэффициент трансформации (сохранения) температуры в пределах от 0,034 до 0,995, в зависимости от выбранной схемы организации теплообмена.

6. Группа легких высокотемпературных энергоносителей позволила указать на энергетическое направление использования энергии жидкой стали, а именно выработку пара энергетических параметров.

7. Группа тяжелых жидкометаллических теплоносителей открывает возможность скоростной разливки стали на профиль, близкий к листу, при сохранении возможности использования энергии жидкой стали.

8. На группе тяжелых теплоносителей разработан способ охлаждения и затвердевания жидкой стали, позволяющий реализовать поставленную цель использования энергии жидкой стали в ее наиболее высокопотенциальной части.

9. На основе принципа технологической регенерации разработана предельно эффективная схема использования энергии жидкой стали на нагрев и плавление лома.

10. Разработана математическая модель, описывающая затвердевание металла с организацией двухстороннего охлаждения при разливке на жидкий теплоноситель.

11. При помощи компьютерного моделирования установлено, что наиболее существенными параметрами, влияющими на длину жидкого и затвердевающего участков, в предлагаемом способе, являются толщина разливаемой заготовки и скорость разливки.

12. Разработана, спроектирована и изготовлена экспериментальная установка. Проведенные на ней эксперименты показали техническую осуществимость предлагаемого способа, на примере разливки алюминия на жидкометал-лический теплоноситель — свинец. Кроме этого, показано, что теплоноситель воспринимает теплоту разливаемого металла с достаточно высоким коэффициентом трансформации температуры.

13. Анализ теоретических и экспериментальных значений укладывается в доверительный интервал и позволяет говорить о достаточной адекватности разработанной математической модели.

14. На основании полученных результатов даны рекомендации по применению легких теплоносителей в действующем оборудовании и тяжелых теплоносителей для разработки нового оборудования по скоростной разливке стали.

15. Проведена общая оценка энергоэффективности разработанного направления, которая заключается в том, что потребление топлива, электроэнергии, пресной воды и других энергоносителей сокращается на порядок.