установка для нагрева изделий в регулируемой газовой среде

Формула изобретения

УСТАНОВКА ДЛЯ НАГРЕВА ИЗДЕЛИЙ В РЕГУЛИРУЕМОЙ ГАЗОВОЙ СРЕДЕ, содержащая корпус с расположенным в нем электронагревателем и систему подачи холодного газа, отличающаяся тем, что электронагреватель выполнен по крайней мере с одним сквозным каналом в его токопроводящем слое, при этом входные отверстия каналов герметично соединены с системой подачи холодного газа, а выходные отверстия направлены на изделие.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к термообработке металлоизделий при высоких температурах и может быть применено для нагрева металлических и неметаллических изделий и материалов в регулируемой газовой среде в металлургии, металлообработке, химии, производстве стройматериалов.

Известна установка для нагрева в нагревательных печах в инертном газе, которая содержит высокотемпературный каупер, электронагреватель для нагрева газа, сфутерованные трубопроводы для подачи нагретого газа в корпус печи, где происходит нагрев изделий.

Недостатками данного устройства являются:

Нагрев корпуса печи и других конструкционных элементов оборудования за счет распространения горячего газа во всем объеме печи. Это приводит к значительным потерям тепла и необходимости использования дорогостоящих специальных жаропрочных материалов в конструкции установки.

Отсутствие практической возможности нагреть газ выше 1500^оС, ввиду значительных потерь тепла при транспортировке газа по трубопроводам в корпус печи и высокой стоимости конструкционных материалов, способных длительное время выдерживать температуры свыше 1500^оС, что ограничивает область применения данного устройства температурами ниже 1500^оС и производительность установки (по скорости нагрева изделий), ведет к увеличению ее габаритных размеров в условиях непрерывного производства, например, обжига проволоки или стальной полосы. Из-за высоких температур может изменяться состав среды в атмосфере печи, особенно вблизи обрабатываемого изделия.

Известна установка по авт.св. СССР N 116602, кл. F 27 D 11/02, 1957, в которой холодный воздух, подаваемый в винтовые каналы керамической рубашки нагревателя, обеспечивает одновременно и охлаждение нагревателя, и нагрев рабочей среды, при этом нагреваемое изделие размещается внутри нагревателя.

Однако имеются существенные недостатки в реализации указанного режима:

Нагрев газа происходит в 2 этапа: предварительно в многоходовых винтовых каналах огнеупорной керамической рубашки, затем в теплопроводящем слое в рабочей трубе, что снижает производительность установки и повышает теплопотери.

Предлагаемый нагрев образца в трубчатой электропечи не позволяет получить направленного потока нагретого газа к поверхности изделия, а также накладывает ограничения на размеры обрабатываемого изделия, ограниченные габаритами печи.

Нагреваемое изделие находится в токопроводящей трубе, что ограничивает использование установки для широкого ассортимента нагреваемых изделий.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту к предлагаемому техническому решению является установка для отжига проволоки в среде водорода (т. е. в регулируемой газовой среде), включающая корпус (печь), расположенное в нем электронагревательное устройство, в виде спирали, систему подачи холодного газа и механизмы протяжки проволоки.

В данном устройстве поступающий в корпус печи холодный газ нагревается, обтекая электронагреватель по наружной его поверхности. Конструкция выполнена таким образом, что нагрев изделия (в данном случае проволоки) происходит внутри витков спирали электронагревателя, что отчасти интенсифицирует процесс теплопередачи за счет некоторой локализации места нагрева в объеме камеры печи.

Однако устройство обладает следующими недостатками. Горячий газ не образует направленного к поверхности изделия потока. Имеют место значительные теплопотери, обусловленные не только излучением нагревателя, но и теплоотдачей нагретого газа; происходит нагрев корпуса и других конструктивных элементов расположенного в нем оборудования, что ведет к необходимости использования дорогостоящих специальных конструкционных материалов. В связи с тем, что теплопотери велики для поддержания необходимой температуры, требуется увеличить мощность нагревателя, что приводит к дополнительным энергозатратам.

Недостатком данной конструкции является также и то, что в процессе нагрева вблизи обрабатываемого изделия, из-за диффундирования при высоких температурах, некоторых элементов с его поверхности, изменяется состав газовой среды, т.е. она становится нерегулируемой по составу. В этой установке из-за ограничения плотности теплового потока относительно невысока скорость нагрева проволоки, что ограничивает производительность установки или ведет к увеличению ее габаритных размеров.

Цель изобретения - уменьшение теплопотерь и количества используемых в конструкциях дорогостоящих жаропрочных материалов, возможности нагрева большого количества газа до 3000^оС (в частности, на вольфрамовых и графитовых нагревателях) возможность увеличения производительности установки (по скорости нагрева изделий) и снижение ее габаритных размеров в условиях непрерывных производств, при сохранении постоянного состава газовой среды вблизи объекта ведения технологического процесса, уменьшение энергозатрат.

Цель достигается тем, что в установке для нагрева изделий в регулируемой газовой среде, содержащей корпус, расположенное в нем электронагревательное устройство и систему подачи холодного газа, электронагреватель выполнен по крайней мере с одним сквозным каналом в его токопроводящем слое, при этом входные сечения герметично соединены с системой подачи холодного газа, а выходные направлены на нагреваемое изделие.

Отличительные от прототипа признаки свидетельствуют о соответствии заявленного решения критерию "новизна".

При поиске по патентной и научно-технической литературе не обнаружены известные технические решения, имеющие признаки, сходные с признаками, отличающими предлагаемое изобретение от прототипа, т.е. решение соответствует критерию "существенные отличия".

В способе защиты держателя электронагревателя от перегрева (авт.св. N 834694, кл. F 27 D 11/0,2, 1979) газ подают вовнутрь каркаса, (нагрев газа происходит внутри токопроводящего слоя, что позволяет повысить производительность установки и уменьшить теплопотери, т.е. получить положительный эффект).

Конструкция данной установки позволяет снизить тепловые потери от электронагревателя в направлениях, отличных от направления, в котором расположен нагревательный объект (за счет герметичных соединений входных отверстий нагревателя с системой подачи холодного газа).

Анизотропия в распределении тепловой энергии достигается за счет двух факторов. Во-первых, за счет истечения нагретого газа в направлении нагреваемого объекта: количество тепловой энергии переносимой (за счет разности давлений) в данном направлении будет больше, чем без истечения газа на величину Q:

Q=VSC_vT,

где V - скорость истечения газа через выходное сечение площадью S;

C_v - теплоемкость единицы объема газа при давлении, равном давлению в корпусе печи; Т - разность температур холодного и нагретого газа.

Во-вторых, газ, истекающий из выходного отверстия, увлекает за собой за счет сил вязкого трения прилегающий к нагревательному элементу газ, тем самым увеличивая поток тепла в направлении нагреваемого объекта.

В отличие от прототипа в данной установке нагрев газа происходит под давлением внутри токопроводящего слоя, что позволяет в силу повышения теплопроводности и теплоемкости единицы объема газа при повышении давления, увеличить скорость его нагрева, что создает возможности для повышения производительности установки, уменьшения ее габаритных размеров.

Таким образом, благодаря уменьшению теплопотерь снижаются энергозатраты на нагрев газа. Кроме того, истекающий из выходных отверстий поток газа, омывая изделие, увлекает за собой диффундирующие с его поверхности вещества, что обеспечивает постоянство газовой среды вблизи изделия.

Преимуществом данной установки является также то, что в случае термообработки изделий, на поверхности которых имеется оксидная пленка, в среде водорода или иной восстановительной атмосфере, по сравнению с прототипом обеспечиваются лучшие физико-химические условия для ее удаления, также за счет эффективного удаления продуктов реакции из приповерхностного слоя изделий.

Изобретение поясняется фиг. 1-4.

На фиг. 1 представлен общий вид установки для термообработки тонкой металлической полосы; на фиг. 2 - фрагмент установки, изображенной на фиг. 1, показывающий взаимодействие электронагревательного устройства с отжигаемой проволокой.

Устройство (фиг. 1) для термообработки тонкой металлической полосы включает корпус 1, систему подачи холодного газа 2, герметичное соединение 3 названной системы с входными отверстиями 4 канала в токопроводящем слое электронагревателя 5, расположенного в корпусе 1 устройства с выходным отверстием 6, направленным на металлическую полосу 7, и механизмы протяжки ленты 8.

Электронагревательный элемент 5 (фиг. 2) представляет собой полый графитовый цилиндр с узкой прорезью длиной не менее ширины металлической полосы и устанавливается таким образом, что ось цилиндра перпендикулярна направлению движения металлической полосы 7 на расстоянии от нее 0,5-50 см, которое определяется конструктивными особенностями установки в целом, учитывающими неплоскостность ленты, а технологический режим, обусловленный спецификой обрабатываемого металлического материала и целями обработки. Подача холодного газа (стрелка на фиг. 3, 4) осуществляется через герметичные соединения 3 системы подачи холодного газа 2 и входного отверстия 4 канала электронагревателя 5 с торцов цилиндра. Подвод электрического тока осуществляется также с торцов цилиндра. Разность диаметров витков нагревателя обусловлена режимом термообработки. В данном примере показана установка для обжига стальной проволоки. Для холодной проволоки, поступающей в печь, вначале требуется повышенная тепловая нагрузка и витки нагревателя расположены ближе к нагреваемой проволоке, на выходе же из печи, где требуется более низкая температура (отпуск), диаметр витков нагревателя наибольший. Такая конструктивная особенность нагревателя известна.

Устройство работает следующим образом.

В полость электронагревателя 5 с торцов подается под избыточным давлением холодный водород. К торцам электронагревательного элемента 5 прикладывается напряжение с токопроводящего устройства 9, достаточное для нагрева элемента до 1500-3000^оС. Нагретый внутри токопроводящего слоя электронагревателя 5 водород истекает из выходного отверстия 6 на поверхность обрабатываемой металлической полосы 7, восстанавливая оксидную пленку на поверхности металла и разогревая металл до температуры, обеспечивающей его эффективную обработку.

На фиг. 3, 4 показан пример установки для отжига металлической полосы 7 (проволоки) в атмосфере водорода. Электронагреватель 5 выполнен в виде спирали со сквозным каналом, проходящим через все тело спирали, входы которого выполнены в торцах и соединены с помощью герметичного соединения 3 с системой подачи холодного водорода 2, а выходы выполнены в виде отверстий 6 и направлены на проволоку, проходящую внутри ее витков. Холодный газ подается внутрь токопроводящего слоя и, выходя, нагревает проволоку 7.

Таким образом, по сравнению с прототипом предлагаемое техническое решение позволяет сократить теплопотери при нагреве газа до заданной температуры за счет практически полного исключения теплоотдачи нагретого газа в направлениях, не совпадающих с местом расположения обрабатываемого изделия. Снижается нагрев, а соответственно повышается надежность, находящегося в корпусе оборудования, не требуется применение дорогостоящих специальных жаропрочных конструкционных материалов, обеспечивается возможность сохранения постоянного состава среды вблизи изделия. Обеспечивается возможность повышения производительности процесса за счет нагрева газа под давлением и соответственно увеличения скорости нагрева изделия и удаления продуктов реакций из приповерхностного слоя.

С ростом давления, подаваемого в нагреватель холодного газа, повышается интенсивность отвода тепла от нагревателя, а следовательно, его производительность. Температура нагрева газа зависит от многих параметров: конструкции нагревателя, температуры и давления подводимого газа, параметров электросети, температуры и давления в печи и некоторых других. Практически все эти параметры можно регулировать, добиваясь необходимого для конкретного технологического процесса регулирования температуры поступающего из нагревателя газа.

Следует также отметить, что снижение температуры газа не во всех случаях является негативным процессом. Например, при остановке печи снижение температуры необходимо и достигается оно также регулированием вышеперечисленных параметров.

Одновременная подача холодного газа в два отверстия сквозного канала (фиг. 3, 4) позволяет получить боле равномерное распределение давления газа внутри нагревателя. Чем больше длина нагревателя, тем больше перепад давления, и тем больше необходимость в его компенсации. Кроме того, такая подача газа обеспечивает охлаждение обоих токоотводов, увеличивая тем самым срок их службы.