RU2016097C1

RU2016097C1 - Plant for heating articles in controllable gaseous medium

Info

Publication number: RU2016097C1
Authority: RU
Inventors: Б.Е. Локшин; А.Ю. Попков; В.Г. Старков
Original assignee: Институт машиноведения Уральского отделения РАН
Priority date: 1991-06-24
Filing date: 1991-06-24
Publication date: 1994-07-15

Abstract

FIELD: heat treatment at high temperature values. SUBSTANCE: cold gas with increased pressure is being fed from the system 2 for supplying cold gas through a fluid-tight joint 3 to the input opening 4 of ducts of current conductive layer of the electric heater 5. The gas, had been heated in the above mentioned ducts, escapes through output openings of the ducts, directed onto the product, being heated and placed in a housing of the plant. EFFECT: enlarged using range. 1 cl, 4 dwg

Description

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. The invention relates to heat treatment of metal products at high temperatures and can be used for heating metal and nonmetallic products and materials in a controlled gas environment in metallurgy, metalworking, chemistry, the production of building materials.

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. A known installation for heating in heating furnaces in an inert gas, which contains a high-temperature cooler, an electric heater for heating gas, lined pipelines for supplying heated gas to the furnace body, where the products are heated.

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.The disadvantages of this device are:
Heating of the furnace body and other structural elements of the equipment due to the distribution of hot gas throughout the furnace. This leads to significant heat loss and the need to use expensive special heat-resistant materials in the design of the installation.

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.Lack feasibility heat the gas above 1500 ^{° C,} because of the significant loss of heat during transport of gas through pipelines to the furnace body and the high cost of constructional materials capable of long withstand temperatures above 1500 ^{° C,} which limits the field of application of the device temperatures below 1500 ^{° C} and the performance of the installation (in terms of the rate of heating of the products) leads to an increase in its overall dimensions under continuous production conditions, for example, firing wire or steel strip. Due to high temperatures, the composition of the medium in the furnace atmosphere can change, especially near the workpiece.

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. Known installation for avt.sv. USSR N 116602, class F 27 D 11/02, 1957, in which the cold air supplied to the screw channels of the ceramic jacket of the heater provides both cooling of the heater and heating of the working medium, while the heated product is placed inside the heater.

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.However, there are significant shortcomings in the implementation of this regime:
Gas heating takes place in 2 stages: first in the multi-pass screw channels of the ceramic refractory jacket, then in the heat-conducting layer in the working pipe, which reduces the productivity of the installation and increases heat loss.

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. The proposed heating of the sample in a tubular electric furnace does not allow to obtain a directed flow of heated gas to the surface of the product, and also imposes restrictions on the dimensions of the processed product, limited by the dimensions of the furnace.

Нагреваемое изделие находится в токопроводящей трубе, что ограничивает использование установки для широкого ассортимента нагреваемых изделий. The heated product is located in the conductive pipe, which limits the use of the installation for a wide range of heated products.

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. The closest in technical essence and the achieved effect to the proposed technical solution is the installation for annealing the wire in a hydrogen medium (i.e., in a controlled gas environment), including a housing (furnace), an electric heating device located in it, in the form of a spiral, a cold feed system gas and wire drawing mechanisms.

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. In this device, the cold gas entering the furnace body is heated, flowing around the electric heater on its outer surface. The design is made in such a way that the product (in this case wire) is heated inside the coils of the electric heater spiral, which partly intensifies the heat transfer process due to some localization of the heating place in the furnace chamber volume.

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. However, the device has the following disadvantages. Hot gas does not form a flow directed to the surface of the product. Significant heat losses occur, caused not only by the radiation of the heater, but also by the heat transfer of the heated gas; the case and other structural elements of the equipment located in it are heated, which leads to the need to use expensive special structural materials. Due to the fact that heat losses are large to maintain the required temperature, it is necessary to increase the power of the heater, which leads to additional energy consumption.

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. The disadvantage of this design is also that during the heating process near the workpiece, due to the diffusion at high temperatures of some elements from its surface, the composition of the gas medium changes, i.e. it becomes unregulated in composition. In this installation, due to the limitation of the heat flux density, the wire heating rate is relatively low, which limits the productivity of the installation or leads to an increase in its overall dimensions.

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.The purpose of the invention is the reduction of heat loss and the amount of expensive heat-resistant materials used in the structures, the possibility of heating a large amount of gas up to 3000 ^° C (in particular, on tungsten and graphite heaters), the possibility of increasing the productivity of the installation (by the speed of heating products) and reducing its overall dimensions in conditions continuous production, while maintaining a constant composition of the gas environment near the object of the technological process, reducing energy consumption.

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. The goal is achieved by the fact that in the installation for heating products in a controlled gas environment, comprising a housing, an electric heating device and a cold gas supply system located therein, the electric heater is made with at least one through channel in its conductive layer, while the input sections are hermetically connected to cold gas supply system, and the weekend is directed to the heated product.

Отличительные от прототипа признаки свидетельствуют о соответствии заявленного решения критерию "новизна". Distinctive signs from the prototype indicate that the claimed solution meets the criterion of "novelty."

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". When searching the patent and scientific literature, no known technical solutions were found that have features similar to those distinguishing the present invention from the prototype, i.e. the solution meets the criterion of "significant differences".

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). In the method of protecting the holder of the electric heater from overheating (ed. St. N 834694, class F 27 D 11 / 0.2, 1979), gas is supplied inside the frame, (gas is heated inside the conductive layer, which allows to increase the productivity of the installation and reduce heat loss, i.e. get a positive effect).

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). The design of this installation allows to reduce heat loss from the electric heater in directions different from the direction in which the heating object is located (due to tight connections of the heater inlets with the cold gas supply system).

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 Δ Q:
ΔQ=V˙S˙C_v˙ΔT,
где V - скорость истечения газа через выходное сечение площадью S;
C_v - теплоемкость единицы объема газа при давлении, равном давлению в корпусе печи; Δ Т - разность температур холодного и нагретого газа.Anisotropy in the distribution of thermal energy is achieved due to two factors. Firstly, due to the outflow of heated gas in the direction of the heated object: the amount of thermal energy transferred (due to the pressure difference) in this direction will be greater than without gas outflow by Δ Q:
ΔQ = V˙S˙C _v ˙ΔT,
where V is the velocity of the outflow of gas through the output section of area S;
C _v is the heat capacity of a unit volume of gas at a pressure equal to the pressure in the furnace body; Δ T is the temperature difference between cold and heated gas.

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. Secondly, the gas flowing from the outlet, carries away due to viscous friction forces the gas adjacent to the heating element, thereby increasing the heat flow in the direction of the heated object.

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. Unlike the prototype, in this installation, gas heating occurs under pressure inside the conductive layer, which allows, due to the increase in heat conductivity and heat capacity of a unit volume of gas with increasing pressure, to increase its heating rate, which makes it possible to increase the productivity of the installation and reduce its overall dimensions.

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. Thus, due to the reduction of heat loss, energy consumption for heating the gas is reduced. In addition, a gas stream flowing from the outlet openings, washing the product, carries with it substances that diffuse from its surface, which ensures the constancy of the gaseous medium near the product.

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. The advantage of this installation is also that in the case of heat treatment of products on the surface of which there is an oxide film in a hydrogen atmosphere or other reducing atmosphere, in comparison with the prototype, better physical and chemical conditions are provided for its removal, also due to the effective removal of reaction products from surface layer of products.

Изобретение поясняется фиг. 1-4. The invention is illustrated in FIG. 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. In FIG. 1 shows a General view of the installation for heat treatment of a thin metal strip; in FIG. 2 is a fragment of the apparatus shown in FIG. 1, showing the interaction of an electric heating device with an annealed wire.

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. The device (Fig. 1) for heat treatment of a thin metal strip includes a housing 1, a cold gas supply system 2, an airtight connection 3 of the said system with channel inlets 4 in the conductive layer of an electric heater 5, located in the housing 1 of the device with an outlet 6 directed to the metal lane 7, and mechanisms for pulling the tape 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. The electric heating element 5 (Fig. 2) is a hollow graphite cylinder with a narrow slot with a length not less than the width of the metal strip and is set so that the axis of the cylinder is perpendicular to the direction of movement of the metal strip 7 at a distance from it of 0.5-50 cm, which is determined by the structural features of the installation as a whole, taking into account the non-flatness of the tape, and the technological mode, due to the specifics of the processed metal material and the purposes of processing. The supply of cold gas (arrow in Fig. 3, 4) is carried out through sealed connections 3 of the cold gas supply system 2 and the inlet 4 of the channel of the electric heater 5 from the ends of the cylinder. Electric current is also supplied from the ends of the cylinder. The difference in the diameter of the turns of the heater is due to the heat treatment mode. This example shows a steel wire roaster. For cold wire entering the furnace, first, an increased thermal load is required and the turns of the heater are located closer to the heated wire, but at the exit from the furnace, where a lower temperature (tempering) is required, the diameter of the turns of the heater is the largest. Such a structural feature of the heater is known.

Устройство работает следующим образом. The device operates as follows.

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.Cold hydrogen is supplied from the ends to the cavity of the electric heater 5 from the ends. To the ends of heating element 5 is applied with a voltage conducting device 9 for heating element sufficient to 1500-3000 ^C. The heated conductive layer inside the electric heater 5 is hydrogen flows from the outlet 6 to the surface of the metal product strip 7, restoring the oxide film on the metal surface and heating metal to a temperature ensuring its effective processing.

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. In FIG. 3, 4, an example of an apparatus for annealing a metal strip 7 (wire) in a hydrogen atmosphere is shown. The electric heater 5 is made in the form of a spiral with a through channel passing through the entire body of the spiral, the inputs of which are made at the ends and connected using an airtight connection 3 to the cold hydrogen supply system 2, and the outputs are made in the form of holes 6 and directed to the wire passing inside it turns. Cold gas is fed into the conductive layer and, exiting, heats the wire 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. Thus, in comparison with the prototype, the proposed technical solution allows to reduce heat loss when heating the gas to a predetermined temperature due to the almost complete elimination of heat transfer of the heated gas in directions that do not coincide with the location of the processed product. The heating is reduced, and accordingly the reliability of the equipment housing is increased, the use of expensive special heat-resistant structural materials is not required, it is possible to maintain a constant composition of the medium near the product. It is possible to increase the productivity of the process by heating gas under pressure and, accordingly, increasing the heating rate of the product and removing reaction products from the surface layer.

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. With increasing pressure supplied to the cold gas heater, the intensity of heat removal from the heater increases, and hence its productivity. The gas heating temperature depends on many parameters: heater design, temperature and pressure of the supplied gas, power supply parameters, temperature and pressure in the furnace, and some others. Almost all of these parameters can be adjusted, achieving the necessary for a specific process temperature control of the gas coming from the heater.

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. It should also be noted that a decrease in gas temperature is not in all cases a negative process. For example, when the furnace is stopped, a temperature reduction is necessary and it is also achieved by regulating the above parameters.

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. The simultaneous supply of cold gas into two openings of the through channel (Fig. 3, 4) makes it possible to obtain a more uniform distribution of gas pressure inside the heater. The longer the heater, the greater the differential pressure, and the greater the need for compensation. In addition, this gas supply provides cooling of both down conductors, thereby increasing their service life.

Claims

INSTALLATION FOR HEATING PRODUCTS IN A REGULATED GAS MEDIA, comprising a housing with an electric heater located therein and a cold gas supply system, characterized in that the electric heater is made with at least one through channel in its conductive layer, while the channel inlet openings are hermetically connected to the supply system cold gas, and the outlet holes are directed to the product.