Ковпакова електропіч

Изобретение относится к нагревательным устройствам прокатного производства и может быть использовано в металлургической, машиностроительной, автомобильной и ряде други х отраслей промышленности для термической обработки металла в бунтах и рулонах. Известна колпаковая электропечь, состоящая из стенда, жаропрочного муфеля, металлического футерованного нагревательного колпака, оснащенного электронагревательными элементами сопротивления в виде кольцевых поясов из ленточных или проволочных зигзагов одинаковых размеров, размещенных на внутренней боковой поверхности его кладки и объединенных по высоте колпака в электрические зоны по три пояса в каждой зоне (Колпаковая электропечь СГЗ-10.16/10-И 1. Техническое описание, ИЕГА 681123.003 ЭД, СССР. 1984). Признаки, совпадающие с существенными признаками заявляемого изобретения: стенд, жаропрочный муфель, металлический футерованный нагревательный колпак с электронагревательными элементами в виде кольцевых поясов из ленточных или проволочных зигзагов, объединенных в электрические зоны по три пояса в каждой зоне. Известная конструкция печи не позволяет обеспечить равномерный нагрев боковой поверхности садки металла по ее высоте из-за существенного отставания температуры кладки нижней части нагревательного колпака от соответствующей температуры в его верхней части, вызванного одинаковой длиной электронагревательных элементов сопротивления всех электрических зон. Кроме того, повышению неравномерности распределения температуры по высоте кладки нагревательного колпака способствует как размещение в начале процесса нагрева горячего нагревательного колпака с температурой 700 - 800°C на холодном стенде печи, таки подстуживание основания колпака при его переносе с одного стенда на другой. Наиболее близкой к заявляемой по технической сущности и достигаемому результату является колпаковая электропечь, содержащая стенд с циркуляционным вентилятором и направляющим аппаратом, жароупорный газоплотный муфель, теплоизолированный нагревательный колпак с размещенными на внутренней боковой поверхности его кладки электронагревательными элементами сопротивления, выполненными в виде кольцевых поясов из ленточных или проволочных зигзагов, объединенных в электрические зоны по три пояса в каждой зоне, причем в пределах каждой зоны электронагревательные элементы выполнены с одинаковой длиной (В.Н. Аптерман, Е.Г. Двейрин, В.М. Тымчак. Колпачковые печи. М/: Металлургия, 1965/ - С.90, рис.IV - 22.6). Признаки, совпадающие с существенными признаками заявляемого изобретения: стенд с циркуляционным вентилятором и направляющим аппаратом, жароупорный газоплотный муфель, теплоизолированный нагревательный колпак с электронагревательными элементами в виде кольцевых поясов из ленточных или проволочных зигзагов, размещенных на его внутренней боковой поверхности и объединенных в электрические зоны по три пояса в каждой зоне. Как показала практика, в пределах нижней электрической зоны нагревательного колпака известной электропечи сохраняется неравномерность нагрева по высоте садки металла, вызванная отставанием значений температуры на участках действия ее электронагревательных элементов, достигая величины 45 - 60°C при наличии принудительной циркуляции защитной атмосферы и 95 - 120°C при ее отсутствии как на внутренней и наружной боковых поверхностях бунтов и рулонов, так и в середине их смотки. Причиной неравномерного распределения температуры по высоте данной электрической зоны нагревательного колпака известной печи является равномерное распределение мощности между ее кольцевыми поясами, т.е. выполнение электронагревательных элементов данной зоны с одинаковыми размерами при различных условиях внешнего теплообмена в пределах этой же зоны. Как следствие, локальная температура печи по высоте рабочего пространства изменяется от максимальных значений для верхнего пояса ленточных или проволочных электронагревательных элементов данной зоны до минимальных значений - для ее нижнего пояса. Увеличению температурного перепада по высоте садки металла в пределах нижней электрической зоны способствуют подстуживающее действие охлажденного стенда печи на основание горячего нагревательного колпака в начальный период нагрева, наличие тепловых коротких замыканий в нижней части нагревательного колпака, а также неплотности между кладкой нагревательного колпака и стендом печи, что приводит к снижению производительности печи, перерасходу электроэнергии и низким равномерности и качеству термической обработки металла. В основу изобретения поставлена задача усовершенствовать колпаковую электропечь путем изменения соотношения длин электронагревательных элементов нижней электрической зоны нагревательного колпака, что позволит перераспределить мощность в пределах данной зоны и за счет этого обеспечить равномерный нагрев внутренней боковой поверхности кладки нагревательного колпака, а следовательно, и наружной боковой поверхности садки металла и тем самым повысить производительность и экономичность печи. Поставленная задача решается следующим образом. В кол паковой электропечи, содержащей стенд с циркуляционным вентилятором и направляющим аппаратом, жароупорный газоплотный муфель, теплоизолированный нагревательный колпак с размещенными на внутренней боковой поверхности его кладки электронагревательными элементами сопротивления в виде кольцевых поясов из ленточных или проволочных зигзагов, объединенных по высоте колпака в электрические зоны по три пояса в каждой зоне. Согласно изобретению, кольцевые пояса нижней электрической зоны выполнены из электронагревательных элементов сопротивления с различной по высоте колпака длиной, причем длина электронагревательных элементов первого (нижнего) пояса составляет (24,8 - 31,3)% второго пояса - (33,6 - 35,2)%, третьего пояса - (35,1 40,0)% общей длины электронагревательных элементов зоны, а длина электронагревательных элементов каждого пояса всех вышележащих зон равна длине электронагревательных элементов третьего пояса нижней зоны. Известно, что уменьшение длины электронагревательного элемента печи приводит к снижению его сопротивления, увеличению силы тока и повышению количества выделяемой в нем тепловой энергии, а увеличение длины электронагревательного элемента - наоборот, к повышению его сопротивления, уменьшению силы тока и снижению количества выделяемой тепловой энергии. Выполнение электронагревательных элементов кольцевых поясов нижней электрической зоны нагревательного колпака с длиной, уменьшающейся в его осевом направлении от верхнего пояса к нижнему поясу, позволяет осуществить перераспределение тепловой энергии, выделяемой на различных уровнях в пределах данной зоны. Так, в электронагревательных элементах сопротивления первого кольцевого пояса нижней электрической зоны выделяется наибольшее количество тепловой энергии, что приводит к существенному повышению температуры наружной боковой поверхности кладки нагревательного колпака в зоне его действия. При этом в электронагревательных элементах сопротивления вышележащих кольцевых поясов данной зоны, имеющих различную по высоте зоны, но большую по сравнению с нижним поясом длину, происходит уменьшение выделяемой тепловой энергии с соответствующим понижением температуры кладки нагревательного колпака в зоне их действия. Таким образом, изменение соотношения длин электронагревательных элементов сопротивления в пределах нижней электрической зоны нагревательного колпака позволяет добиться равномерного увеличения теплосодержания различных участков наружной боковой поверхности газоплотного муфеля, а следовательно, и нагреваемой садки металла, повышая тем самым производительность и экономичность печи. На фиг.1 представлен продольный разрез предлагаемой колпаковой электропечи: на фиг.2 развертка внутренней боковой поверхности кладки нижней части нагревательного колпака с размещенными на ней кольцевыми поясами электронагревательных элементов. Предлагаемая колпаковая электропечь содержит стенд 1 с циркуляционным вентилятором 2, приводимым в движение электродвигателем 3, и направляющим аппаратом 4, а также размещаемыми на нем жароупорным газоплотным муфелем 5 и теплоизолированным нагревательным колпаком 6, которые накрывают садку металла 7, состоящую из стопы бунтов проволоки или рулонов листового металла. На внутренней боковой поверхности кладки нагревательного колпака 6 закрепляются электронагревательные элементы сопротивления 8, выполненные в виде отдельных кольцевых поясов из ленточных или проволочных зигзагов. Электронагревательные элементы 8 всех электрических зон печи изготовлены из одного материала, имеют одинаковую площадь поперечного сечения и высоту зигзага (кольцевого пояса), а также подключены к источнику переменного тока одинакового напряжения, Длина электронагревательных элементов первого пояса нижней электрической зоны составляет (24,8 31,3)%, второго пояса - (33,6 - 35,2)% и третьего пояса (35,1 40,0)% общей длины электронагревательных элементов данной зоны, а длина электронагревательных элементов каждого пояса всех вы шележащих зон равна длине электронагревательных элементов третьего пояса нижней зоны. Заявляемая колпаковая электропечь работает следующим образом. На стенд 1 колпаковой электропечи устанавливают с соблюдением центровки подвергаемую термической обработке садку металла 7 в виде стопы бунтов проволоки или рулонов листового металла и накрывают жароупорным газоплотным муфелем 5. Осуществляют холодную продувку подмуфельного пространства защитным газом. Включают циркуляционный вентилятор 2 и на стенд устанавливают нагревательный колпак 6. Электронагревательные элементы 8 всех зон нагревательного колпака 6 подключают к источнику переменного тока, причем к каждому электронагревательному элементу подводится напряжение 220В. При протекании электрического тока в отдельных кольцевых поясах электронагревательных элементов сопротивления 8, имеющих разную длину, генерируется различное количество тепловой энергии. В электронагревательных элементах сопротивления 8 первого кольцевого пояса нижней электрической зоны, характеризуемых наименьшей длиной, выделяется наибольшее количество тепловой энергии, что приводит к увеличению температурного уровня внутренней боковой поверхности кладки нагревательного колпака 6 в зоне его действия, Одновременно с этим в электронагревательных элементах сопротивления 8 вышележащих кольцевых поясов данной электрической зоны, которые имеют различную по высоте нагревательного колпака б, но большую по сравнению с нижним поясом длину, количество выделяемой тепловой энергии уменьшается и температура внутренней боковой поверхности нагревательного колпака 6 в зоне их действия понижается. Следовательно, путем перераспределения мощности нижней электрической зоны нагревательного колпака 6 между электронагревательными элементами сопротивления 8 за счет изменения соотношения длин ее отдельных кольцевых поясов обеспечивается снижение до минимума перепада температуры по высоте внутренней боковой поверхности кладки нагревательного колпака 6, а следовательно, и равномерное повышение температурного уровня боковой поверхности садки металла 4. Пределы изменения длины электронагревательных элементов нижней электрической зоны нагревательного колпака б определены экспериментальным путем (см. акт лабораторных испытаний). При длине электронагревательных элементов первого (нижнего) кольцевого пояса более 31,3%. длине электронагревательных элементов второго пояса более 35,2% и длине электронагревательных элементов третьего пояса более 40,0% общей длины электронагревательных элементов нижней электрической зоны не достигается равномерное повышение температурного уровня участков внутренней боковой поверхности нижней части кладки нагревательного колпака, а следовательно, и наружной боковой поверхности садки металла, причем отстающими по нагреву являются участки поверхности садки, расположенные в ее нижней части. При длине электронагревательных элементов первого (нижнего) кольцевого пояса менее 24,8%, длине электронагревательных элементов второго пояса менее 33.6% и длине электронагревательных элементов третьего пояса менее 35,1% общей длины электронагревательных элементов нижней электрической зоны также имеет место неравномерность распределения температуры по высоте внутренней боковой поверхности кладки нагревательного колпака, а следовательно, и наружной боковой поверхности садки металла, причем отстающим по нагреву являются участки поверхности садки металла, находящиеся в ее верхней части. Наряду с этим резко ухудшаются условия эксплуатации печи из-за появления больших токов в электронагревательных элементах первого пояса. В качестве примера конкретного выполнения заявляемого технического решения приводятся геометрические параметры электронагревательных элементов колпаковой электропечи типа СГЗ-10.16/10-И2 после ее реконструкции в сталепроволочном цехе Запорожского государственного сталепрокатного завода (см. таблицу, вариант IV). Распределение тепловой энергии между электронагревательными элементами сопротивлений первого, второго и третьего кольцевых поясов по высоте нижней электрической зоны нагревательного колпака, обеспечивающее равномерное увеличение теплосодержания различных участков наружной боковой поверхности садки металла, достигается при изменении длины вышеуказанных электронагревательных элементов соответственно в пределах (26,0 - 32,7)м, (35,8 35,1)м и (41,8 - 36,0)м, а также изменении длины электронагревательных элементов верхней электрической зоны в пределах (41,8 - 36,0)м. Как показали результаты лабораторных и промышленных испытаний предлагаемой колпаковой электропечи (акты испытаний прилагаются) интенсивность нагрева нижних бунтов проволоки в 1,7 - 1,9 раза больше, а равномерность подъема температуры наружной боковой поверхности по высоте стопы бунтов в 2,1 - 2,5 раза выше, чем для известной колпаковой электропечи, что позволяет уменьшить длительность периода нагрева металла на 4,0 4,5%. Повышение равномерности и интенсивности нагрева металла в печи, достигаемое путем увеличения количества тепловой энергии, генерируемой в нижней части нагревательного колпака, а следовательно, и подводимой к соответствующей части садки металла за счет выполнения кольцевых поясов нижней электрической зоны печи с различной по высоте колпака длиной электронагревательных элементов, позволяет улучшить по сравнению с прототипом следующие показатели: - сократить длительность нагрева металла на 4,0 - 4,5ч за счет повышения интенсивности подвода тепловой энергии к нижней боковой поверхности стопы бунтов или рулонов; - снизить удельный расход электроэнергии на 7,5 - 8,0% за счет снижения продолжительности нагрева металла: - улучшить качество термической обработки металла за счет повышения равномерности его нагрева по высоте садки.