печь-ванна с погружными нагревателями и способ контроля их выхода из строя

Формула изобретения

1. Печь-ванна с погружными нагревателями, содержащая ванну, при этом погружные нагреватели выполнены в форме многоветвевых труб, во входных концах которых установлены горелки с соплами, отличающаяся тем, что поперечное сечение ванны имеет перевернутую Т-образную форму с открытой стойкой и закрытыми полками, на которых установлены и закреплены погружные нагреватели, дымосборники и газовоздушная разводка, а под ними расположены нагреватели, дымосборники и газовоздушная разводка, а под ними расположены стабилизаторы горения горелок погружных нагревателей, при этом в выходных концах нагревателей размещены рекуператоры, донышки которых также расположены под полками ванны.

2. Печь-ванна по п. 1, отличающаяся тем, что погружные нагреватели снабжены датчиками изменения давления, вырабатывающими сигнал об отключении нагревателя при повышении давления во внутреннем пространстве входных ветвей нагревателей сверх заданного максимального рабочего давления.

3. Способ контроля за выходом из строя погружных нагревателей печи-ванны, выполненных в виде многоветвевых труб, отличающийся тем, что используют датчики изменения давления, размещенные во входных ветвях погружных нагревателей и вырабатывающие сигнал об отключении нагревателя при повышении давления во внутреннем пространстве входных ветвей нагревателей сверх заданного максимального рабочего давления, обусловленном гидродинамическим запором ветвей при разгерметизации корпуса нагревателя и заполнении его рабочего пространства расплавом легкоплавкого вещества.

Описание изобретения к патенту

Предлагаемое изобретение относится к металлургической теплотехнике и может быть использовано на металлургических и машиностроительных заводах в печах-ваннах для термохимической обработки стальной металлопродукции расплавами легкоплавких веществ, например щелочей, солей, а также нанесения на ее поверхность покрытий легкоплавких металлов (цинка, алюминия и т.п.).

Известна печь для нанесения покрытий легкоплавких металлов на изделия и способ ее отопления (Патенты РФ 1570443, 1658704, кл. F 27 B, C 21 D 1/52, опубл. в БИ 4, 5, 1994г.). Эта печь содержит ванну с расплавом, форкамеру с горелками и рекуператор. Новизной печи является снабжение форкамеры промежуточным сводом и соплами подачи вторичного воздуха. В этой печи исключен контактный нагрев расплава легкоплавкого металла высокотемпературными окислительными продуктами полного сгорания топлива.

Однако окисление расплава цинка в печи весьма существенно и, несмотря на наличие эффективного рекуператора, ее КПД составляет 20-25%.

Известна наиболее близкая к предлагаемой печь-ванна с погружными нагревателями (Англ. патент 124967, кл. F 23 С 3/00, опубл. 2.09.71г.). Эта печь состоит из ванны для расплава легкоплавкого металла типа цинка и погруженной в него U-образной трубы, концы которой выведены выше зеркала расплава в ванне. Во входном конце трубы установлена горелка с соплом, к которой подведена газовоздушная смесь. Для исключения перегрева корпуса погружного нагревателя в месте установки горелки она окружена концентрическим металлическим экраном. Сопло и нижняя часть экрана расположены ниже уровня расплава. В выходной конец трубы погружного нагревателя вставлен керамический вкладыш, который изолирует ее выше зеркала расплава. Над вкладышем, как его продолжение, установлена чугунная дымовая труба.

Описанная печь-ванна с погружным нагревателем имеет существенные преимущества перед печами открытого нагрева расплава. Во-первых, нагрев расплава погружным нагревателем, муфелирующим пламя, полностью исключает контакт расплава с продуктами сгорания топлива, и, как следствие, его окисление. Во-вторых, даже при использовании нерекуперативного погружного нагревателя КПД печи-ванны значительно выше, чем при открытых способах нагрева расплава, и составляет в режиме поддержания легкоплавкого вещества в расплавленном состоянии не менее 40-50%.

Главным концептуальным недостатком реализованного в этой печи способа отопления является периодический выход погружных нагревателей из строя, регламентируемый процессами образования железоцинковых фаз и травления стали.

К недостаткам этой печи также относятся низкая тепловая мощность, вполне достаточная для плавления и поддержания в расплавленном состоянии небольшого количества легкоплавкого металла и недостаточная для одновременного его нанесения на поверхность полосы, проволоки и другой металлопродукции.

Использование одного погружного нагревателя также не позволяет производить термохимическую обработку в расплаве щелочей и солей такой массивной металлопродукции, как стальные бунты и пакеты прутков. Расположение нагревателя поперек ванны не позволяет производить его замену без прерывания технологического процесса. Явным недостатком также является отсутствие рекуператора в погружном нагревателе, который, помимо теплоизолирующих возможностей установленного в выходной ветви нагревателя выше уровня расплава керамического вкладыша, позволяет улучшить горение в нагревателе и получить существенную экономию топлива.

Следует отметить, что в отличие от корпуса погружного нагревателя его внутренние элементы, в частности горелка, не контактируют непосредственно с расплавом, поэтому срок их службы можно существенно увеличить. Однако в известной печи-ванне горелка сознательно для усиления теплопередачи расположена ниже уровня расплава, а для исключения локального перегрева корпуса горелка окружена металлическим экраном. Необходимость использования экрана обусловлена тем, что в известной печи-ванне использован погружной нагреватель, горелка которого работает на предварительно подготовленной газовоздушной смеси. Однако при разгерметизации погружного нагревателя в результате взаимодействия с расплавом его корпус заполняется расплавом по принципу сообщающихся сосудов до уровня зеркала, что приводит к выходу из строя части горелки, расположенной ниже уровня расплава, в частности сопла, а реставрация горелки весьма проблематична.

Технической задачей изобретения является предотвращение выхода внутренних элементов погружных нагревателей из строя, удобство обслуживания нагревателей и повышение эффективности использования топлива.

Решение поставленной задачи достигается тем, что печь-ванна с погружными нагревателями, содержащая ванну, при этом погружные нагреватели выполнены в форме многоветвевых труб, во входных концах которых установлены горелки с соплами, имеет поперечное сечение перевернутой Т-образной формы с открытой стойкой и закрытыми полками, на которых установлены и закреплены погружные нагреватели, дымосборники и газовоздушная разводка, а под ними расположены стабилизаторы горения горелок погружных нагревателей, при этом в выходных концах нагревателей размещены рекуператоры, донышки которых также расположены под полками ванны. Кроме того, в отличие от известной печи, печь-ванна содержит не один, а группу нагревателей, горелки которых выполнены с частичным предварительным смешением, что исключает локальные перегревы корпусов, а керамический вкладыш заменен рекуператором для нагрева воздуха, необходимого для горения, сообщающимся с дымовым патрубком.

Решение поставленной задачи достигается также и тем, что погружные нагреватели снабжены датчиками изменения давления, вырабатывающими сигнал об отключении нагревателя при повышении давления во внутреннем пространстве входных ветвей нагревателей сверх заданного максимального рабочего значения.

Следует отметить, что при разгерметизации погружных нагревателей в результате взаимодействия материала их корпуса с веществом расплава корпус до уровня зеркала заполняется расплавом, образуя гидравлический затвор, препятствующий распространению пламени и приводящий к погасанию горелок. Известны многочисленные способы контроля пламени в различных газогорелочных устройствах. Однако причины, приводящие к погасанию горелок, весьма разнообразны. Например, часть из них напрямую связана с изменениями соотношения расходов газа и воздуха, приводящими к проскоку или отрыву пламени. Выход из строя корпусов погружных нагревателей обусловлен другими факторами, поэтому его невозможно определить существующими способами. Кроме того, по различным причинам при групповой работе стойкость каждого нагревателя отличается, поэтому актуальной является задача разработки оперативных способов контроля герметичности погружных нагревателей.

В связи с вышеизложенным, решение поставленной задачи достигается также тем, что для контроля за выходом из строя погружных нагревателей печи-ванны, выполненных в виде многоветвевых труб, используют датчики изменения давления, размещенные во входных ветвях погружных нагревателей и вырабатывающие сигнал об отключении нагревателя при повышении давления во внутреннем пространстве входных ветвей нагревателей сверх заданного максимального рабочего значения, обусловленного гидродинамическим запором ветвей при разгерметизации корпуса нагревателя и заполнении его рабочего пространства расплавом легкоплавкого вещества. При разгерметизации любого из нагревателей его рабочее пространство до уровня зеркала заполняется расплавом. Однако при расположении стабилизатора горения горелки и донышка рекуператора под полками ванны выше зеркала расплава горелки и рекуператоры непосредственно с расплавом не контактируют, а продолжают некоторое время работать при повышенных давлениях и датчики повышения давления сверх заданного максимального значения вырабатывают сигнал о разгерметизации корпуса нагревателя, необходимый для оповещения обслуживающего персонала и/или отключения подачи топлива в нагреватель.

На чертежах изображено: фиг.1 - печь-ванна (поперечный разрез); фиг.2 - то же, продольный вид с разрезом по оси погружных нагревателей; фиг.3 - разрез погружного нагревателя с показом внутренних элементов, включая горелку, рекуператор и установку датчика повышения давления.

Печь содержит ванну 1 с расплавом, которая выполнена перевернутой Т-образной формы с открытой со стороны расплава стойкой 2 и закрытыми полками 3, на которых установлены погружные нагреватели 4, дымосборники 5, газовый 6 и воздушный 7 коллекторы.

Во входном конце погружных многоветвевых нагревателей 4 установлены горелки 8 с соплами 9, окнами 10 для подсоса первичного воздуха и стабилизатором горения 11. Здесь также установлена гляделка 12, отверстие под нее является запальным. Во входном конце многоветвевых нагревателей установлены датчики 13 повышения давления внутри корпуса нагревателя. Выходная ветвь снабжена дымовым патрубком 14. В ней установлен рекуператор 15, донышко 16 которого, как и стабилизатор 11, находится на уровне, соответствующем позиции 17, выше уровня расплава 18.

Печь работает следующим образом. При поддержании вещества в ванне в расплавленном состоянии включенными оставляют необходимую часть горелок. При плавлении и реализации технологических процессов через запальные отверстия гляделок 12 последовательно проводят розжиг всех горелок нагревателей, после чего эти отверстия закрывают гляделками. Применяемые в нагревателях горелки являются горелками с частичным предварительным смешением. При истечении газа из сопла 9 в окнах 10 возникает зона разрежения, поэтому часть воздуха (около 40%), необходимого для горения, подсасывается в газовую струю и гарантированно перемешивается с газом, образуя гомогенную смесь, на выходе из стабилизатора 11. Оставшиеся 60% воздуха поступают к стабилизатору параллельным потоком. Перемешивание этой части воздуха с первичной смесью и процессы горения протекают одновременно.

Такая организация горения в погружных нагревателях позволяет исключить сажеобразование при сжигании природного газа. Кроме того, она позволяет исключить перегревы корпуса нагревателя в районе стабилизатора горения, поэтому нет необходимости использования, как в известной печи-ванне, дополнительных экранов. Погружные нагреватели содержат двухходовые по воздушному и одноходовые по дымовому тракту рекуператоры 15, в которых весь воздух, необходимый для горения, нагревают до 250-350^oС уходящими продуктами сгорания, которые при этом охлаждаются до температуры, близкой к температуре расплава (430-530^oС), поэтому рекуператор во всех аспектах является более эффективным конструктивным элементом, чем керамический вкладыш в известной конструкции.

При выходе из строя погружных нагревателей в результате взаимодействия вещества расплава со стенками корпуса его ветви заполняются расплавом до уровня зеркала, поэтому, в отличие от известной печи, предложенное решение основано на том, что внутренние элементы нагревателей расположены выше уровня расплава, и разгерметизация корпуса не сказывается на их стойкости. Это позволяет многократно использовать горелки и рекуператоры погружных нагревателей после замены их корпусов. Следует отметить, что в качестве материала корпусов (как при травлении металлопродукции в щелочных расплавах, так и при горячем цинковании) необходимо отдавать предпочтение технически чистому железу (армкожелезу) и марке стали 08КП, так как наличие примесей усугубляет разрушение нагревателей.

По причине заполнения рабочего пространства погружных нагревателей при их разгерметизации горение в его объеме исключено, и горелки гаснут. Однако, в отличие от других различных случаев погасания горелки, при разгерметизации нагревателей во входном конце повышается давление, и датчик повышения давления вырабатывает сигнал на отключение вышедших из строя нагревателей. Это позволяет выполнить необходимые условия, предъявляемые к газогорелочным устройствам техникой безопасности, и обеспечить дополнительную экономию топлива.

Предложенное выполнение профиля ванны позволяет облегчить обслуживание погружных нагревателей. Это наиболее сильно проявляется при работе печи в технологических режимах. Расположение нагревателей вдоль бортов ванны позволяет производить замену вышедших из строя нагревателей, не прерывая технологический процесс.

Предлагаемая печь-ванна с погружными нагревателями внедрена в травильном отделении сталепроволочного цеха 1 завода и служит для термохимической обработки проволоки из нержавеющих марок стали в щелочном расплаве. Эксплуатация показывает, что печь-ванна отвечает своему технологическому назначению, обеспечивая очистку поверхности проволоки от окислов железа и легирующих элементов. При замене корпусов вышедших из строя нагревателей сохраняют бывшие в употреблении горелки и рекуператоры.