Эффективность от использования тепла горячей воды для бытовых нужд
Для слябовых кристаллизаторов сечением 200 х 1500: 350 х 2500 мм со средним расходом холодной воды 600 м3/час даёт экономию горячейводы с температурой 60-70 0С,расходом до 200 м3/час на бытовые нужды на сумму более 50 млн. руб/год. Данные получены при скорости разливки 1 м/мин, q = 1,5 МВт/м2, времени работы в году 6132 час, перепаде те-мператур воды ∆t = 40 - 60 0С, потери низкопотенциального тепла воды в существующей
конструкции кристаллизатора составляют Q = 137.1012 Дж.
Таблица
Экономические показатели модернизации системы охлаждения слябового кристаллизатора машины непрерывной разливки стали
Оценка отводимого ∕используемого тепла сляба
При средней скорости разливки стали ν = 1 м ∕мин, средней плотности теплового потока
q = 1 – 1,5 МВт ∕м2 , сечении кристаллизатора 250 х 1850 мм2 = 0,463 м2, полезной высоте
кристаллизатора Н = 1000 мм имеем средний объемный секундный расход стали V = 7,72.
10-3 м3∕с, массовый секундный расход стали М = 60 кг ∕с. При средней площади поверхнос-
ти контакта заготовки в кристаллизаторе Fк = 4,2 м2 получаем значение отводимого в кри-
сталлизаторе теплового потока Q = (4,2 – 5,04).106 Вт.
Тепло разливаемой стали слябовой заготовки определяется по выражению
Qс = С.М. ∆t + r.М,
где С = 750 Дж ∕(кг.0С) – теплоемкость стали, r = 268 кДж ∕кг, ∆t = 1450 0С – перепад
температур разливаемой и остывшей стали.После подстановки в приведенное выражение
исходных данных получаем Qс = 81,33.106 Вт.
Сравнение полученного значения Qс с тепловым потоком, отводимым в кристаллизаторе
Q = (4,2 – 5,04).106 Вт, показывает, что (5,2 – 6,2) % тепла разливаемой стали отводится в
кристаллизаторе водой и которое до настоящего времени полезно не используется.
Выбрасывание низкопотенциального тепла в окружающую среду (в градирнях) негативно
отражается на экологию, а использование нагретой воды в холодильных машинах приво –
дит к перерасходу электроэнергии и дополнительным затратам на закупку холодильного
оборудования.
Решение: использование новых конструкций кристаллизаторов (слябовых, сортовых)
позволит через встроенный во – втором контуре охлаждения теплообменник использо-
вать уже достаточно высокопотенциальное тепло воды на бытовые нужды. Значение
полезно используемого тепла, отводимого в кристаллизаторе, может достигать 5 % от
тепла разливаемой стали.
Возможность использования дополнительного тепла от разливаемой стали в
слябовом кристаллизаторе и ограничения для существующей конструкции
В первую очередь это относится к повышению эффективности охлаждения стали в
слябовом кристаллизаторе, что было опробовано на практике с внедрением и опубликова-
но в работах [1,2]. В 2009 г. получен Акт внедрения разработки на ОАО «Амурметалл» по
результатам выполненного в 2008 г. договора. Суть разработки заключается в изменении
способа разливки стали в слябовый кристаллизатор, а именно, в подаче плоских струй в
пристеночные слои в верхней части кристаллизатора, где корочка только начинает форми-
роваться, а потому подплавляется и расширяется область жидкого металла в менисковой
зоне с дополнительным отводом тепла перегрева стали и ее кристаллизации [3,4]. По
результатам калориметрирования кристаллизатора на металлургическом комбинате
«Азовсталь» (1991 – 1992 г.) установлено, что дополнительно в кристаллизаторе может
быть отведено еще до 10 – 12 % тепла [1,5]. В итоге эффективность работы кристалли-
затора слябовой машины > (5 – 6)%. В этом случае использование новой системы охла-
ждения кристаллизатора и его конструкции представляется еще более целесообразным.
При скорости разливки стали ν = 1–1, 5 м ∕мин и потока струй в пристеночном слое со
скоростью ω = 0,6 – 0,8 м ∕с значение коэффициента теплоотдачи стали определяется по
выражению α = 41519.ω0,8[5]. После подстановки в приведенное выражение значений
скорости получаем α = 27400 –34700 Вт ∕(м2.0С).
Плотность теплового потока от расплава в корочку определяется по формуле Ньютона
q = α. (tр - tк), (1)
где tр и tк – температура, соответственно расплава и корочки заготовки.
При tр = 1500 0С и tк = 1300 0С [6] (на расстоянии 50 – 100 мм от мениска) после подстанов-
ки в (1) исходных данных получаем q = 5,48 – 6,94 МВт ∕м2.
Определим для существующей конструкции медного кристаллизатора температуру
стенки при максимальном значении q = 6,94 МВт ∕м2.
Температура поверхности водоохлаждаемого канала определяется из уравнения
Ньютона
q = αв. (tс2 – tв).
После подстановки в уравнение исходных данных tв = 30 0С и αв = 35 кВт ∕(м2.0С) [4]
получаем tс2 = 228 0С.
Температура на рабочей поверхности стенки кристаллизатора tс1 определяется из
уравнения Фурье
q = λ∕δ. (tс1 – tc2), (2)
где δ = 0,020 м – толщина медной стенки, λ = 350 Вт∕ (м.0С) – теплопроводность меди.
После подстановки в уравнение (2) исходных данных получаем значение tс1 = 625 0С.
Полученное значение tс1 превышает температуру разупрочнения меди 250 – 300 0С и
бронзы БрХЦр, равную 550 0С [4].
Вывод. При высокоэффективных режимах работы кристаллизатора с отбором тепла пе -
регрева и кристаллизации стали в районе мениска традиционно применяемые материалы
стенок (медь и бронза) не подходят по причине их разупрочнения.
Библиографический список
тепловой работы радиального кристаллизатора МНЛЗ // Изв. Вузов. Черная металлургия. 1990. № 9. – С. 25 – 26.
слябовых заготовок на МНЛЗ. Монография. Комсомольск – на – Амуре: ИМиМ Дальнево-
сточного отделения Российской Академии наук, 2008. – 158 с.
ков ∕В.В. Стулов, В.И. Одиноков, М.Е. Зубарев и др. Опубл. 10.02.2010.
ных слитков ∕ В.В. Стулов. Опубл. 20.01.2010.
исследования гидродинамики и теплообмена в кристаллизаторе. Дисс. канд. техн. наук.
Днепропетровск, ДГУ. 1992. 159 с.
товок. Теория и расчет. Под общ.ред. Шалаева Г.А. Екатеринбург: Уральский центр ПР
и рекламы, 2003. 320 с.
Снижение затрат на зачистку поверхности (при толщине снимаемого слоя δ = 2,5 мм) слябов сеч.250 х 1800 мм (при производстве 100 тыс.т ∕год) обеспечивает экономию на объеме и массе снимаемого слоя: V =291 м3 и М =2,27.103 т. При цене металла Ц =45.103 руб. ∕т обеспечивает эффективность (от снижения потерь металла) Эп = 102,2 млн. руб. При производстве М = 1 млн.т ∕г, то Эп = 1022 млн.руб. ∕год.
Описание стоимости изготовления слябового кристаллизатора
Расчет стоимости изготовления выполним с учетом опыта выполнения механических и
сварочных работ. В качестве примера рассмотрим стоимость изготовления слябового
кристаллизатора типа № 2 сечением 250 х 1850 мм. При его изготовлении с целью прода-
жи будут использованы: стоимость основных материалов, себестоимость выполнения
механических и сварочных работ, а также увеличивающие коэффициенты (%).
1.1. Лист из никелевого сплава НП2 толщиной δ = 0, 006 м (ГОСТ6235-91). Стоимость его
составляет С = 850,6 руб/кг (на 25.02.2020), компания «МетТрансТерминал», Москва:
msk.pulscen.ru. Листы никеля холоднокатанные производятся шириной от 300 до 800 мм и
длиной до 2000 мм. Имеют временное сопротивление σв ≤ 540 МПа.
Суммарный объем необходимых листов на 2 широкие и 2 узкие стенки кристаллизатора
составит V = 33,12. 10-3 м3. При плотности никеля ρ = 8900 кг/м3 масса необходимых лис-
тов составит Мл = 295 кг. В результате стоимость никелевых листов на кристаллизатор
Цл = 250730 руб.
1.2. Определим стоимость заготовок из нержавеющей стали толщиной 50 мм для опорных
стенок.
Цена заготовок 240 руб/кг (компания «МеталлЭнергоХолдинг). Суммарный объем сталь-
ных листов на 4 стенки кристаллизатора V = 0,276 м3. При плотности стали ρ = 7800 кг/м3
масса заготовок составит Мс = 2153 кг. В результате цена листов из нержавеющей стали
Цс = 767450 руб.
1.3. Определим стоимость трубных заготовок для водяных коллекторов.
При использовании для верхних и нижних коллекторов труб диаметром 188 мм с толщи –
ной стенки 6 мм и общей длиной 13 м из стали 12Х18Н10Т (ГОСТ9941-81) получаем их
массу Мт = 359 кг. При стоимости труб Ст = 670 руб/кг (компания ООО «Альфа-Сталь,
Москва) цена составит Цт = 240630 руб.
1.4. Определим стоимость наружных плит кристаллизатора толщиной 50 мм с целью
крепления водяных коллекторов и сборки кристаллизатора.
В качестве материала используем нержавеющую сталь. Аналогично п.1.2 цена стали
Цн = 767450 руб.
1.5. Общая стоимость основных материалов для изготовления слябового кристаллизатора
Суммируя цены по п. 1.1 – 1.4 получаем Цм = 2026261 руб.
2.1. Трудоемкость изготовления рабочей поверхности стенок из никелевых листов
Изготовление рабочей поверхности стенок из листов включает их разметку, гибку, подго-
товку под сварку и сварку, сверление отверстий.
С учетом опыта выполняемых работ трудоемкость изготовления 1 листа на узкую стенку
не превышает 4 часов, а на широкую стенку – 8 часов. В результате общая трудоемкость
изготовления рабочей поверхности из никелевых листов τ = 24 час.
2.2. Трудоемкость изготовления опорных стенок из нержавеющей стали
Трудоемкость изготовления опорных стенок включает разметку заготовок и их порезку,
зачистку кромок, фрезерование углублений в стенках в виде каналов для охлаждающей
воды, сверление отверстий для поступления воды, а также сверление отверстий с нареза-
нием в них резьбы для крепления. С учетом опыта выполняемых работ трудоемкость
изготовления узкой опорной стенки может достигать 50 часов, а широкой опорной стенки-
150 часов. В итоге трудоемкость изготовления опорных стенок составляет τ ≤ 400 часов.
2.3. Трудоемкость изготовления наружных стенок кристаллизатора (для крепления водя –
ных коллекторов, механизма качания и самого кристаллизатора)
Трудоемкость изготовления наружных стенок включает разметку заготовок и их порезку,
зачистку кромок, фрезерование отверстий для крепления коллекторов, фрезерование и
сверление отверстий для крепления механизма качания и кристаллизатора в целом. Трудо-
емкость изготовления 4-х наружных стенок слябового кристаллизатора может достигать
τн ≤ 500 часов.
2.4. Трудоемкость изготовления коллекторов для подвода и отвода воды
Трудоемкость изготовления коллекторов включат разметку труб и их порезку, зачистку
кромок, сверление отверстий для крепления труб меньшего диаметра, подготовку под сва-
рку донышек, сварку донышек и отводящих труб. С учетом опыта выполняемых работ
трудоемкость изготовления коллектора на узкую стенку может достигать 20 часов, а на
широкую стенку -30 часов. В итоге трудоемкость изготовления 4-х коллекторов на 2 узкие
стенки и 4-х коллекторов на 2 широкие стенки τк = 200 часов.
2.5. Трудоемкость сборки стенок и кристаллизатора в целом
Трудоемкость сборки стенок и кристаллизатора включает сборку 2-х узких стенок, сборку
2-х широких стенок, сборку кристаллизатора, крепление коллекторов для подвода и отво –
да воды. Трудоемкость сборки узкой стенки может достигать 7 часов, а широкой стенки –
12 часов. Трудоемкость сборки кристаллизатора в целом достигает 10 часов. Общая тру –
доемкость сборки стенок и кристаллизатора равняется τск = 48 часов.
2.6. Трудоемкость испытания кристаллизатора на рабочих температурах
Трудоемкость испытания кристаллизатора может составлять τи = 30 часов.
2.7. Общая трудоемкость выполнения основных работ по изготовлению кристаллизатора
Общая трудоемкость определяется путем суммирования времени по п.2.1 – 2.6. В резуль-
тате получаем τо = 1202 часов.
кристаллизатора
Допустим, максимальное значение заработной платы 100 тыс. руб./месяц. При среднем
числе рабочих дней в месяце 22 дня и 8 часовом рабочем дне получаем 176 час./месяц.
В результате заработная плата З1 = 568,2 руб/час. Заработная плата рабочих, участвую-
щих в изготовлении кристаллизатора Зр = 682955 руб. Заработную плату
руководителя, контролирующего выполнение работ, принимаем Зрр = 340000 руб. В
итоге заработная плата З = 1022955 руб.
Таблица
Для сравнения цена тонкослябового кристаллизатора сеч.90 х 2000 мм зарубежного произ-
водства Цк2 = 634500 Евро = 53298000 руб. Соотношение цен Цк2/Цк1 = 7,25 раз.
Стоимость изготовления инновационного цилиндрического кристаллизатора
Расчет стоимости изготовления выполним с учетом опыта выполнения механических и
сварочных работ. В качестве примера рассмотрим стоимость изготовления инновацион-
ного цилиндрического кристаллизатора для получения заготовок диаметром 150 мм. При
его изготовлении с целью продажи будут использованы: стоимость основных материалов,
себестоимость выполнения механических, сварочных работ, а также стоимость
сборочных и сварочных работ, увеличивающие коэффициенты (%).
Примечание: при изготовлении внутренней никелевой стенки могут быть использованы листы. Стоимость листов: лист из никелевого сплава НП2 толщиной δ =0, 005 м. (ГОСТ 6235-91). Стоимость его составляет С= 850,6 руб/кг (на 25.02.2020), компания «МетТранс Терминал», Москва:msk.pulscen.ru. Листы никеля холоднокатанные производятся шириной от 300 до 800 мм и длиной до 2000 мм. Имеют временное сопротивление σв ≤ 540 МПа. При сборке кристаллизатора выполняются сварные работы объемом Vсв=2000 см. При стоимости сварных работ 25 руб/см (Источник: https://stroyvolga.ru/расценки-на-сварочные-работы-трубоп/) получаем стоимость сварных работ на кристаллизатор Cсв. =50 000 руб.
Масса кристаллизатора с учетом конструктивных изменений ≈ 500 кг. Сложив крайний правый столбец получим стоимость материалов для изготовления кристаллизатора Скр = 149327 руб. Стоимость всех материалов ( http://metal100.ru/prodazha/Nerzhaveyuschij-prokat/List-n-zh/08KH18N10T_p2) .
2.1. Труба наружная. Трудоемкость включает: разметку, порезку, подготовку под сварку.
С учетом опыта работ τ1 = 3 час.
2.2. Конденсатор: труба внутренняя. Трудоемкость включает разметку, гибку, порезку,
подготовку под сварку, сверление отверстий. Суммарное время τ2 = 5,5 час.
2.3. Конденсатор: труба наружная. Трудоемкость включает разметку, гибку, порезку,
подготовку под сварку, сверление отверстий. Суммарное время τ3 = 7,5 час.
2.4. Паропроводы (7 шт.). Трудоемкость работ включает разметку, гибку, порезку,
подготовку под сварку. τ4 = 4 час.
2.5. Конденсатопроводы (4 шт.). Трудоемкость работ включает разметку, гибку, порезку,
подготовку под сварку. τ5 = 2 час.
2.6. Стояк. Трудоемкость работ включает разметку, гибку, порезку, подготовку под сварку.
τ6 = 1 час.
2.7. Коллектор. Трудоемкость работ включает разметку, гибку, порезку, гибку, сверление
отверстий, подготовку под сварку. τ7 = 7 час.
2.8. Труба внутренняя (гильза). Изготавливается из листа. Трудоемкость работ включает
разметку, гибку, порезку, подготовку под сварку, прихватку, сварку. τ8 = 5 час.
2.9. Крышка. Трудоемкость работ включает разметку, порезку, зачистку, подготовку под
сварку. τ9 = 2,5 час.
2.10. Крышка нижняя (дно). Трудоемкость работ включает разметку, порезку, зачистку,
подготовку под сварку. τ10 = 3 час.
2.11. Ребра нижние (8 шт.). Трудоемкость работ включает разметку, порезку, зачистку,
подготовку под сварку. Трудоемкость изготовления 1 ребра τ = 2 час. В итоге τ11 = 16 час.
2.12. Фланец (2 шт.). Трудоемкость работ включает разметку, порезку, зачистку, подго-
товку под сварку. Трудоемкость изготовления 1 фланца τ = 2 час. В итоге τ12 = 4 час.
2.13. Змеевик конденсатора (2 шт.). Трудоемкость работ включает разметку, навивку,
порезку, подготовку под пайку. Трудоемкость изготовления 1 змеевика τ = 3 час. На 2 зме-
евика τ13 = 6 час.
2.14. Конус. Трудоемкость работ включает разметку, порезку, сверление отверстий, зачист-
ку. τ14 = 2,5 час.
2.15. Кожух. Трудоемкость работ включает разметку, порезку, зачистку, подготовку под
сварку. τ15 = 4 час.
2.16. Фланец кожуха. Трудоемкость работ включает разметку, порезку, зачистку, подготовку
под сварку. τ16 = 4 час.
3.1. Трудоемкость сборки конденсатора включает прихватки и приварку паропроводов и
конденсатопроводов. τс.1 = 2,5 час.
3.2. Трудоемкость сборки и сварки стенок кристаллизатора. τс.2 = 2 час.
3.3. Трудоемкость сборки и приварки паропроводов и конденсатопроводов к кристаллиза-
тору. τс.3 = 2,5 час.
3.4. Трудоемкость сборки и пайки змеевика конденсатора. τс.4= 2 час.
3.5. Трудоемкость сборки и сварки кожуха. τс.5 = 3 час.
3.6. Трудоемкость всех операций сборки и сварки кристаллизатора. τс = 12 час.
τо = 88 час.
τи = 30 час.
кристаллизатора
Допустим, максимальное значение заработной платы 100 тыс. руб./месяц. При среднем
числе рабочих дней в месяце 22 дня и 8 часовом рабочем дне получаем 176 час./месяц.
Почасовая заработная плата рабочих З1 = 568,2 руб/час. В результате заработная плата
рабочих, участвующих в изготовлении кристаллизатора Зр = 67000 руб. Принимаем
заработную плату руководителя работ Зрр = 100000 руб. Итого, заработная плата лиц,
участвующих в изготовлении и испытании кристаллизатора З = 167000 руб.
Таблица
РАСЧЕТ ЦЕНЫ на выполнение работ по теме: «Изготовление и испытание опытного
кристаллизатора для получения цилиндрических заготовок»
Для сравнения цена сортового кристаллизатора сеч.150 мм и массой ~1000 кг зарубежного
производства Цк2 = 27000 Евро/шт. = 2295000 руб./шт. Цена медной гильзы зарубежного
производства Цг = 340000 руб./шт. Соотношение цен кристаллизаторов Цк2/Цк1 = 2,1 раз.
При изготовлении опытного кристаллизатора возможны некоторые конструктивные
изменения с целью уменьшения трудоемкости и стоимости работ, например, изготовление
конденсатора без гибки труб (из 2- частей прямолинейных труб). Поэтому трудоемкость
изготовления может меняться в сторону уменьшения на 10 – 20 %.
Стоимость максимальная изготовления инновационного кристаллизатора
Максимальную стоимость изготовления инновационного кристаллизатора определим
путем сопоставления периметров поперечных сечений. Например, периметр слябового
кристаллизатора сеч. 250 х 1850 мм равняется П = 4,2 м. При равнозначном периметре
для цилиндрического кристаллизатора получаем диаметр заготовки Д = 1300 мм.
При известных ценах кристаллизаторов для получения цилиндрических заготовок диамет-
ром 150 и 1300 мм можно определить цены кристаллизаторов для получения заготовок
других диаметров.
Как отмечалось в проекте два подхода ∕ отличия:1.1.Охлаждение цилиндрического кристаллизатора с кипением теплоносителя (d < 200 мм); 1.2. Охлаждение слябового и цилиндрического кристаллизаторов большого (более 200 мм) поперечного сечения перегретой водой.
На основании имеющегося доступа к цене зарубежных конструкций кристаллизаторов
при оценке предлагаемых проектов (конфиденциальная информация) установлено:
1). Цена сортового кристаллизатора сечением 150х150 мм Цс з = 27000 Евро ∕шт.(1 млн.
987,2 тыс.руб), масса кристаллизатора в пределах 1000 кг. Цена медной гильзы: 340000 руб./шт.
2). Тонкослябовый кристаллизатор сечением 90 х 2000 мм массой 23500 кг, из которой на широкие стенки с рубашкой охлаждения приходится 19 т, имеет цену Цслз = 634500
Евро ∕шт. (46 700000 руб. ∕шт.).
3). Цены кристаллизаторов зарубежного производства других поперечных сечений зани-
мают промежуточное положение : 27000 Евро ∕шт. < Цзп < 634500 Евро ∕шт.
Причем, по оценке экспертов по оборудованию цена кристаллизатора китайского производства на 20 – 30 % ниже цены кристаллизатора европейского производства.
Продажная цена кристаллизатора новой конструкции (улучшенного) для получения цилиндрических заготовок d = 150 мм: Цн1 = 1094222 руб. ∕шт. (13592 Евро ∕шт.).
Сопоставление продажной цены улучшенного кристаллизатора Цн1 и продажной цены
кристаллизатора зарубежного производства Цс з одинакового поперечного сечения 150 мм показывает, что соотношение Цс з ∕ Цн1 = 2,1 раз.
Экономические показатели от снижения затрат, на зачистку поверхности
заготовок, использование тепла горячей воды из системы охлаждения
Для сортовых (цилиндрических) заготовок. а). При толщине снимаемого слоя при
зачистке поверхности (δ = 2,5 мм) заготовок диаметром 150 мм (при производстве 100
тыс.т ∕год) обеспечивает экономию на объеме и массе снимаемого слоя: V = 854 м3 и М =
6,66.103 т. При средней цене металла Ц1 = 50 .103 руб. ∕т обеспечивается эффективность (от
снижения потерь металла) Эп1 = 333 млн. руб.
б). При производстве 10 тыс.т ∕год цилиндрических заготовок диаметром 150 мм из высо-
колегированной стали (например, Сталь ХН77ТЮГ-у, цена металла Ц2 = 4,49.106 руб. ∕т) и
снижении затрат на производство на 10 % обеспечивает экономию Э = 4,5.109 руб/год.
Таблица
Экономические показатели модернизации системы охлаждения цилиндрического
кристаллизатора с диаметром заготовки 150 мм (при среднем значении плотности
теплового потока q = 0,7 – 1 МВт/м2 и скорости разливки 0,5 – 0,7 м/мин)
Экономические показатели от снижения затрат, на зачистку поверхности
заготовок, использование тепла горячей воды из системы охлаждения
Для слябовых заготовок. При толщине снимаемого слоя при зачистке поверхности (δ = 2,5 мм) слябов сеч.250 х 1800 мм (при производстве 100 тыс.т ∕год) обеспечивается экономия на объеме и массе снимаемого слоя: V =291 м3 и М = 2,27.103 т. При средней цене металла Ц = 45.103 руб. ∕т обеспечивается эффективность (от снижения потерь металла) Эп = 102,2 млн. руб. При производстве М = 1 млн.т ∕г, Эп = 1022 млн.руб. ∕год.
Таблица
Экономические показатели модернизации системы охлаждения слябового
кристаллизатора машины непрерывной разливки стали