Авторы Лысюк В. С., к.т.н., академик МАНЭБ, Рисухин В.В., к.т.н., член-корр. МАНЭБ
В системе охлаждения машин непрерывного литья заготовки (МНЛЗ) имеются закрытые и открытые контуры циркуляции охлаждающей воды. Закрытыми являются первичные контуры охлаждения кристаллизатора, крышки печи-ковша, дымососа, куда входит перечисленное оборудование с подводящими и отводящими трубопроводами и циркуляционные насосы, водо-водяные теплообменники, аккумулирующие емкости. Эти контуры заполняются деминерализованной водой и находятся в более комфортных условиях защиты от коррозии за исключением самого кристаллизатора, непосредственно контактирующего с расплавленным металлом.
Вторичные контуры охлаждения, включающие в себя водо-водяные теплообменники, циркуляционные насосы, трубопроводы и градирни с аккумулирующими емкостями, являются открытыми. Кроме того, они заполнены и подпитываются при упаривании воды через градирни отфильтрованной водой, разбавляемой деминерализованной водой.
Сезонное колебание солесодержания исходной воды для ОАО АМК (г. Алчевск) в пределах от 1100 до 1600 мг/л может быстро привести к обрастанию поверхностей нагрева теплообменного оборудования карбонатными отложениями, что нарушит условия теплообмена в контурах циркуляции охлаждающей воды. Поэтому отфильтрованная вода смешивается с деминерализованной для снижения жесткости охлаждающей воды во вторичном контуре. В градирне вода подвергается испарительному охлаждению. В результате испарения концентрация растворенных в воде веществ повышается. Недостаток воды, возникший вследствие испарения и утечек, восполняется за счет поступления свежей воды. Испарение сопровождается поглощением из воздуха газов, аэрозольных частиц и веществ, способствующих росту бактерий. Кроме того, уменьшается растворимость примесей, имеющихся в циркулирующей воде.
Совместное воздействие этих факторов повышает коррозионную активность воды, вызывает образование осадков, которые ухудшают теплопроводность аппаратов, создает благоприятные условия для размножения бактерий.
Во вторичных контурах вода на градирне охлаждается потоком воздуха, который в заводских условиях содержит много пыли и агрессивных газов NO 2 , O 2 , CO 2 , SO 2 и других. Например, ОАО АМК (г.Алчевск) выбрасывает в год более 70 тыс. тонн вредных выбросов в атмосферу [1]. Перечисленные газы, контактируя с водой, формируют кислую среду и вызывают коррозию теплообменного оборудования.
Попадание в воду микроорганизмов из воздуха через градирню приводит к вырабатыванию бактериями серной, муравьиной, уксусной и других карбоновых кислот, также вызывающих коррозию оборудования.
При взаимодействии металла с водой, кислотами и щелочами наиболее распространена электрохимическая и микробиологическая коррозия. Коррозии под действием свободного хлора в воде подвержены все металлы.
При этом реакции имеют экзотермический характер и, если отвод тепла будет ниже скорости реакции, то металлы «горят» в атмосфере хлора [2]. Поэтому нужна защита от свободного хлора в воде.
Для кристаллизатора наиболее сильным видом химической коррозии является газовая коррозия — коррозия металла в газах при высоких температурах. Здесь к коррозионным газовым агентам относятся O 2 , H 2 O, CO 2 , H 2 S, SO 2 и Cl 2 .
Вместе с тем, продукты коррозии остаются на металле в виде оксидной пленки, которая обладает защитными свойствами от дальнейшего развития коррозии в зависимости от ее сплошности.
Защитными свойствами могут обладать только сплошные пленки. Возможность образования такой пленки определяется условием сплошности, сформулированным Пиллингом и Бедвордсом в виде критерия ( á ), рассчитываемого по формуле:
где М ok — молекулярная масса оксидов;
А — атомная масса металла;
ñ ok — плотность оксида;
ñ me — плотность металла;
m — число атомов металла в молекуле оксида (например, для Fe 2 O 3 m = 2).
Оксидная пленка является сплошной и обладает защитными свойствами тогда, когда выполняется условие:
Успешно развивается коррозия в стали теплообменника при взаимодействии карбида железа с кислородосодержащими реагентами:
Здесь поверхностный слой металла обедняется углеродом и это ухудшает антикоррозионные свойства теплообменника.
Трудности в работе первой очереди МНЛЗ на Енакиевском металлургическом заводе, связанные с коррозией теплообменного оборудования системы охлаждения, показали, что защита от коррозии — это комплекс мер, которые должны закладываться на стадии конструирования машины непрерывного литья заготовок и проводиться в ходе ее эксплуатации. Защиту можно осуществлять путем воздействия либо на материал, либо на конструкцию, либо на саму коррозионную среду. Выбор способа защиты должен определяться его эффективностью и экономической целесообразностью [2].
Возможны следующие способы защиты от коррозии:
1. Рациональное конструирование системы охлаждения МНЛЗ
2. Легирование металлических материалов
3. Изменение свойств коррозионной среды
4. Электрохимическая защита
5. Защитные покрытия и консервация.
Согласно первому пункту целесообразно все подводящие и отводящие трубопроводы выполнить из металлопластиковых труб, которые не ржавеют и при старении не выделяют коррозионно-активных агентов, усугубляющих коррозию.
Способ легирования теплообменного оборудования относительно дорог и применяется тогда, когда отсутствуют другие способы защиты.
Наиболее эффективными методами предотвращения коррозии теплообменного оборудования системы охлаждения МНЛЗ являются методы изменения свойств коррозионной среды, т.е. охлаждающей воды.
Свойства коррозионной среды можно изменять:
1. введением в охлаждающую воду ингибиторов (ортофосфат, полифосфаты, фосфониты, молибдат и др.), замедляющих процесс коррозии;
2. нейтрализацией 82 ксвободного хлора, содержащегося в воде, дозированием в нее метабисульфита натрия NaHSO 3 . Нейтрализация свободного хлора в воде нужна также для защиты синтетических мембран обратноосмотических установок;
3. инжектированием в воду гипохлорита натрия (NaOCl), подавляющего органику, которая способствует развитиюмикробиологической коррозии;
4. самым эффективным средством защиты от микробиологической коррозии является ультрафильтрация воды на UF-машинах, которая осуществляет стерилизацию воды на 100% и отфильтровывает взвешенные частицы, превышающие размер 0,035 микрона;
5. созданием антикоррозионной сплошной защитной пленки путем регулирования рН воды введением NaOH [3]. Чем выше рН, тем меньше коррозионная активность воды. Чаще всего величина рН находится в пределах от 7,8 до 8,8.
Все эти средства защиты от коррозии являются одновременно и функционально необходимыми для системы производства отфильтрованной и деминерализованной воды.
На рис. приведена система подготовки отфильтрованной и деминерализованной воды и показано ее включение в контуры I и II для их подпитки соответственно отфильтрованной и деминерализованной водой. Кроме того, показана возможность включения системы очистки в контуры I и II для периодической очистки циркулирующей в них воды, которая загрязняется в процессе работы.
Система очистки состоит из насоса подачи сырой воды 6 , аккумулирующей емкости 11 , трансферного насоса 7 , сетчатого фильтра 15 , ультрафильтрационной машины 16 , емкости 12 , трансферного насоса 8 и обратноосмотической машины 17 . Системы дозирования химреагентов 1, 2, 3, 4, 5 включают в себя:
датчик расхода воды, емкость, дозирующий насос со встроенным микропроцессорным регулятором и клапан впрыска химреагента в трубопровод. Назначение систем дозирования NaOCl, NaHSO 3 , NaOH описано выше. Система дозирования антискаланта (NaPO 3 ) 6 предназначена для защиты пор мембран RO -машин от их загрязнения взвешенными частицами, которые удерживаются в сатурированном состоянии в воде.
Технологическое оборудование I контура включает: градирню 19 , емкость 13 , насос 9 и теплообменник 20 . В контур II входят: теплообменник 20 , емкость 14 , насос 10 и кристаллизатор 21 .
Система автоматизированного контроля и управления установкой производства охлаждающей воды и системой охлаждения МНЛЗ осуществляет контроль мутности сырой воды, давления, расхода, рН, солесодержания воды по всему тракту производства охлаждающей воды и воды в циркуляционных контурах. Информация об уровнях воды в емкостях Е3 и Е4 контуров используется для их подпитки, а солесодержание и рН воды в циркуляционных контурах сигнализируют о необходимости проведения очистки циркулирующей воды в контурах. Очистка воды в контуре I производится в периоды технологических пауз подачей воды в систему очистки (в емкость Е1 под номером 11 ) через автоматический клапан 23 при открытых клапанах 24, 25 и 29 в определенной пропорции. При необходимости очистки воды в процессе работы МНЛЗ с помощью регулирующих клапанов 23 и 24 настраивается режим частичного отбора воды на фильтрацию с помощью сетчатых фильтров СФ и ультрафильтрационной машины UF .
Охлаждающая вода для контура II проходит последовательно очистку на сетчатых фильтрах СФ , на UF -машине и на RO -машине. Принцип управления режимом подпитки и режимом очистки воды в контуре II остается таким же как и для контура I .
Выводы
Предложенная схема производства отфильтрованной и деминерализованной воды по баромембранной технологии позволяет получать воду с требованиями для циркуляционных контуров охлаждения оборудования МНЛЗ и периодически производить очистку воды, защищающую систему охлаждения МНЛЗ от электрохимической, микробиологической, газовой и жидкостной коррозии.
Литература
1. М-лы межд. конф. «Экология и безопасность жизнедеятельности 2002» // Алчевск: ВУО МАНЭБ, ДГМИ, 2002. — C. 169.
2. Пожидаева Э.Ю. Коррозия и защита металлов: Учебное пособие. Алчевск: П46 ДГМИ, 2003. — C. 192.
3. Жуков А.П., Малахов Ф.И. Основы металловедения и теории коррозии. М.: Высшая школа, 1991.