Ковпакова електропіч

Изобретение относится к области металлургической теплотехники, а именно, к колпаковым электропечам для термической обработки листового металла в рулонах и может быть использовано в металлургической, машиностроительной, автомобильной и ряде других отраслей промышленности. Известна колпаковая электропечь, состоящая из футерованного - нагревательного колпака, оснащенного электронагревательными элементами сопротивления, выполненными в виде проволочных или ленточных зигзагов (поясов), размещенными на одинаковом расстоянии от боковой поверхности его кладки и жаропрочного муфеля, стенда с направляющим аппаратом и циркуляционным вентилятором [Аптерман В. Н., Двей-рин Е. Г.. Тымчак В. М. Колпаковые печи. М.: Металлургия, 1965, с. 90, рис. IV-22]. Признаки, совпадающие с существенными признаками заявляемого изобретения: футерованный нагревательный колпак с электронагревательными элементами сопротивления, расположенными на внутренней боковой поверхности его кладки, жаропрочный муфель, стенд с направляющим аппаратом и циркуляционным вентилятором. Известная конструкция колпаковой электропечи характеризуется наличием значительной неравномерности распределения температуры по высоте ее рабочего пространства, а следовательно, и неравномерным нагревом боковой поверхности рулонов листового металла по высоте стопы, вызванного значительным отставанием температуры наружной боковой поверхности нижней части жаропрочного муфеля от соответствующей температуры его верхней части. Неравномерность распределения температуры по высоте наружной боковой поверхности жаропрочного муфеля обусловлена размещением в начале процесса нагрева горячего (с температурой 700-800°С) нагревательного колпака на холодном (с температурой 20-60°С) стенде печи, неплотностями в нижней части колпака, а также подстуживанием основания нагревательного колпака при переносе его с одного стенда на другой стенд. Наиболее близкой к предлагаемому решению по технической сущности и достигаемому результату является колпаковая электропечь, содержащая теплоизолированный нагревательный колпак с электронагревательными элементами сопротивления, выполненными в виде кольцевых поясов из ленточных или проволочных зигзагов, и размещенными с одинаковым зазором относительно внутренней боковой поверхности его кладки, жароупорный газоплотный муфель, стенд с циркуляционным вентилятором, приводимым в движение электродвигателем, и направляющим аппаратом, а также дополнительные электронагревательные элементы сопротивления, укладываемые в кольцевых углублениях, выполненных на внутренней боковой поверхности кладки нижней части нагревательного колпака [Авт. св. СССР №648813, кл. F 27 В 11/14, 1979]. Признаки, совпадающие с существенными признаками заявляемого изобретения: теплоизолированный нагревательный колпак с электронагревательными элементами сопротивления, размещенными на внутренней боковой поверхности его кладки, жароупорный газоплотный муфель, стенд с циркуляционным вентилятором, приводимым в движение электродвигателем, и направляющим аппаратом. При известном варианте размещения электронагревательных элементов сопротивления в теплоизолированном нагревательном колпаке достигается некоторое снижение перепада температуры по высоте нижней части рабочего пространства печи. В то же время температурное поле по высоте всего рабочего пространства печи характеризуется еще значительной величиной неравномерности, увеличивающейся до своего максимального значения в нижних участках средней части ее рабочего пространства, что (в условиях неизменности величины термического сопротивления воздушного зазора между электронагревательными элементами сопротивления и наружной боковой поверхностью жароупорного муфеля) сопровождается смещением отстающих по нагреву участков колпака, муфеля и стопы листового металла в указанную зону рабочего пространства печи. Наличие указанной неравномерности приводит к увеличению продолжительности нагрева металла в печи, дополнительному расходу электроэнергии, а также отрицательно оказывается на равномерности и качестве термической обработки металла. В основу изобретения поставлена задача усовершенствовать колпаковую электропечь путем размещения кольцевых поясов электронагревательных элементов сопротивления нагревательного колпака таким образом, чтобы обеспечить перераспределение тепловых потоков между внутренней боковой поверхностью кладки нагревательного колпака и наружной боковой поверхностью жароупорного муфеля по высоте рабочего пространства печи за счет изменения величины термического сопротивления воздушного зазора между ними и тем самым достигнуть равномерного повышения теплосодержания наружной боковой поверхности жароупорного газоплотного муфеля, а, следовательно, и наружной боковой поверхности стопы рулонов листового металла и, в конечном итоге, повысить производительность и экономичность печи. Для решения поставленной задачи в колпаковой электропечи, содержащей теплоизолированный нагревательный колпак с электронагревательными элементами сопротивления, выполненными в виде кольцевых поясов из ленточных или проволочных зигзагов и размещенными на внутренней боковой поверхности его кладки, жароупорный газоплотный муфель, стенд с циркуляционным вентилятором, приводимым в движение электронагревателем, и направляющим аппаратом, согласно изобретению кольцевые пояса электронагревательных элементов сопротивления нагревательного колпака установлены с различным зазором относительно внутренней боковой поверхности его кладки, уменьшающимся в осевом направлении нагревательного колпака от нижнего кольцевого пояса к верхнему кольцевому поясу, причем величина зазора между кольцевыми поясами электронагревательных элементов сопротивления нагревательного колпака и внутренней боковой поверхностью его кладки определяется по формуле где Δri - величина зазора между i-тым кольцевым поясом электронагревательных элементов сопротивления, расположенным на расстоянии hi от верхнего основания цилиндрической части нагревательного колпака; Dв н к Dн м - вн утренний диаметр кладки нагревательного колпака; - наружный диаметр жароупорного газоплотного муфеля; і - порядковый номер кольцевого пояса электронагревательных элементов сопротивления при отсчёте от верхнего основания цилиндрической части нагревательного колпака, i =1...n; n - количество кольцевых поясов электронагревательных элементов сопротивления, размещенных на внутренней боковой поверхности кладки нагревательного колпака; hi - расстояние от верхнего основания цилиндрической части нагревательного колпака до 1-того кольцевого пояса электронагревательных элементов сопротивления; Η - высота цилиндрической части нагревательного колпака. При прочих равных условиях размещение отдельных кольцевых поясов электронагревательных элементов сопротивления в нагревательном колпаке с различной величиной зазора относительно внутренней боковой поверхности его кладки, которая уменьшается в осевом направлении колпака от нижнего кольцевого пояса к верхнему поясу, позволяет осуществить перераспределение тепловых потоков от электронагревательных элементов сопротивления на боковую поверхность муфеля и кладки нагревательного колпака на различных уровнях по высоте рабочего пространства печи в связи с изменением величины термического сопротивления воздушного зазора. Так, в нижнем кольцевом поясе электронагревательных элементов сопротивления первой электрической зоны, максимально удаленном от внутренней боковой поверхности кладки нагревательного колпака, а, следовательно, и максимально приближенном к наружной боковой поверхности нагреваемого металла, имеет место подвод наибольшего количества тепловой энергии к соответствующим участкам наружной боковой поверхности жароупорного газоплотного муфеля, что сопровождается повышением температуры наружной боковой поверхности рулонов листового металла в зоне его действия. В вышележащих кольцевых поясах электронагревательных элементов сопротивления, располагаемых с различной величиной зазора относительно внутренней боковой поверхности кладки нагревательного колпака по высоте рабочего пространства печи, но меньшим по сравнению с нижним кольцевым поясом, наблюдается уменьшение количества тепловой энергии, подводимой к соответствующим участкам наружной боковой поверхности газоплотного муфеля, что приводит к понижению температурного уровня наружной боковой поверхности стопы рулонов листового металла в зоне их действия. Таким образом, изменение величины термического сопротивления воздушного зазора между кольцевыми поясами электронагревательных элементов сопротивления и внутренней боковой поверхностью кладки нагревательного колпака позволяет добиться перераспределения установленной мощности по высоте рабочего пространства печи и за счет этого обеспечить равномерное увеличение теплосодержания различных участков наружной боковой поверхности жароупорного газоплотного муфеля, а, следовательно, и боковой поверхности нагреваемой стопы рулонов листового металла, повышая тем самым производительность и экономичность печи. Заявляемое изобретение поясняется чертежом, на котором представлен продольный разрез предлагаемой колпаковой электропечи. Предлагаемая колпаковая электропечь содержит теплоизолированный нагревательный колпак 1 и жароупорный газоплотный муфель 2, которые накрывают стопу рулонов 3 листового металла, стенд 4 с циркуляционным вентилятором 5, приводимым в движение электродвигателем 6, и направляющим аппаратом 7. Электронагревательные элементы сопротивления 8, выполненные в виде кольцевых поясов из ленточных или проволочных зигзагов, подвешиваются обычным способом на жароупорных крючках на внутренней боковой поверхности кладки нагревательного колпака 1 и размещаются с различным зазором относительно боковой поверхности его кладки. Величина этого зазора уменьшается в осевом направлении нагревательного колпака от нижнего кольцевого пояса электронагревательных элементов сопротивления, для которого характерно его максимальное значение (Drimах). к вер хнему кольцевому поясу, где оно имеет минимальное значение (Drjmin). При этом минимальная величина зазора Drlmin отвечает требованиям отсутствия непосредственного контакта верхнего кольцевого пояса электронагревательных элементов сопротивления с кладкой нагревательного колпака. Предлагаемая колпаковая электропечь работает следующим образом. На стенд 4 устанавливают с соблюдением центровки подлежащую термической обработке стопу рулонов листового металла 3 и накрывают жароупорным газоплотным муфелем 2. Осуществляют холодную продувку подмуфельного пространства электропечи защитным газом. Включают циркуляционный вентилятор 5 и на стенд 4 устанавливают нагревательный колпак 1. Электронагревательные элементы сопротивления 8 нагревательного колпака 1 подключают к источнику переменного тока, причем к каждому электронагревательному элементу подводится напряжение 220 В. При протекании электрического тока в отдельных кольцевых поясах электронагревательных элементов сопротивления 8, расположенных с разной величиной зазора относительно внутренней боковой поверхности кладки нагревательного колпака, к различным участкам наружной боковой поверхности жароупорочного газоплотного муфеля 2 по его высоте подводится различное количество тепловой энергии. Так, в нижнем кольцевом поясе электронагревательных элементов сопротивления 8 нижней электрической зоны нагревательного колпака 1, минимально удаленном относительно наружной боковой поверхности жароупорного муфеля 2, осуществляется передача наибольшего количества тепловой энергии к наружной боковой поверхности стопы рулонов листового металла, что приводит к увеличению температурного уровня в зоне их действия. Одновременно с этим в вышележащих кольцевых поясах электронагревательных элементов сопротивления 8 данной и верхней электрических зон, располагаемых с различной величиной зазора относительно поверхности жароупорного газоплотного муфеля 2 по высоте рабочего пространства печи наблюдается уменьшение количества тепловой энергии, подводимой к соответствующим участкам его наружной боковой поверхности, и в зоне их действия температура наружной боковой поверхности стопы рулонов листового металла понижается. Следовательно, путем перераспределения мощности кольцевых поясов электронагревательных элементов сопротивления 8 по высоте нагревательного колпака 1 за счет изменения величины термического сопротивления воздушного зазора между кольцевыми поясами электронагревательных элементов сопротивления и наружной боковой поверхностью жароупорного газоплотного муфеля 2, достигаемой размещением электронагревательных элементов с различной величиной зазора относительно кладки нагревательного колпака, обеспечивается снижение до минимума температурного перепада по высоте его внутренней боковой поверхности, а, следовательно, и равномерное повышение температуры по высоте стопы рулонов листового металла 3. Пределы изменения величины зазора между электронагревательными элементами сопротивления 8 нагревательного колпака 1 и внутренней боковой поверхностью его кладки определены экспериментальным путем. При величине зазора между электронагревательными элементами сопротивления нагревательного колпака и внутренней боковой поверхностью его кладки меньше значений, рассчитанных по предложенной формуле, не достигается равномерное повышение температурного уровня различных участков наружной боковой поверхности жароупорного газоплотного муфеля, а, следовательно, и наружной боковой поверхности стопы рулонов листового металла, причем отстающими по нагреву являются нижние рулоны, что приводит к неравномерному нагреву листового металла по высоте стопы. Кроме того, в этом случае значительно повышается вероятность непосредственного контакта электронагревательных элементов сопротивления верхних кольцевых поясов с внутренней боковой поверхностью кладки нагревательного колпака, что приводит к "затенению" отдельных зигзагов, их местному перегреву и досрочному выходу из строя силовой электрической части печи. При величине зазора между электронагревательными элементами сопротивления нагревательного колпака и внутренней боковой поверхностью его кладки больше значений, рассчитанных по предложенной формуле также имеет место неравномерность распределения температуры по высоте наружной боковой поверхности жароупорного газоплотного муфеля, а, следовательно, и наружной боковой поверхности стопы рулонов листового металла, причем отстающими по нагреву являются верхние рулоны стопы, что сопровождается неравномерностью нагрева металла по высоте стопы. Наряду с этим увеличение расстояния между электронагревательными элементами сопротивления нагревательного колпака и внутренней боковой поверхностью его кладки не эффективно из-за увеличения геометрических · размеров колпаковой электропечи. Возможность реализации предлагаемого технического решения может быть проиллюстрирована на примере колпаковых электропечей, выполненных с переменной величиной зазора между электронагревательными элементами сопротивления нагревательного колпака и внутренней боковой поверхностью его кладки (см. таблицу). Распределение тепловой энергии по высоте нагревательного колпака, которое обеспечивает равномерное увеличение теплосодержания различных участков наружной боковой поверхности стопы рулонов листового металла, достигается при изменении величины зазора между электронагревательными элементами сопротивления и внутренней боковой поверхностью кладки, нагревательного колпака от 0,092 и 0,102 мм и его нижней части до 0,040 и 0,058 мм в его верхней части. Как показали результаты лабораторных испытаний на электротепловой модели заявляемой колпаковой электропечи, реализуемой на электроинтеграторе *ЭИ-12" и ЭВМ "ЕС-1045", интенсивность нагрева наружной боковой поверхности нижних рулонов листового металла в 1,1-1,2 раза больше, а равномерность подъема температуры наружной боковой поверхности по высоте стопы рулонов листового металла в 1,9-2,4 раза выше, чем для известной колпаковой электропечи, что позволяет уменьшить длительность периода нагрева металла в печи на 2,5-3,0ч. Повышение равномерности и интенсивности нагрева металла в печи, достигаемое путем перераспределения количества тепловой энергии, подводимой к различным участкам боковой поверхности стопы рулонов листового металла за счет размещения электронагревательных элементов сопротивления нагревательного колпака с различной величиной зазора относительно внутренней боковой поверхности его кладки, позволяет улучшить по сравнению с прототипом следующие показатели: - сократить длительность нагрева листового металла на 3-5 % за счет повышения равномерности распределения температуры по высоте стопы рулонов; - снизить удельный расход электроэнергии на 2-3 % за счет уменьшения продолжительности нагрева стопы рулонов; - повысить качество термической обработки листового металла за счет повышения равномерности его нагрева по высоте стопы рулонов.