Способ тепловой обработки изделий в печах прямой рекуперации тепла

 

Изобретение относится к способам тепловой обработки изделий, материалов и может быть использовано для отдельных видов термообработки металла (отжиг, нормализация), для обжига огнеупоров, керамики, строительных изделий (кирпича, блоков), углеродных и других материалов на заводах металлургической, огнеупорной, строительной, электротехнической и машиностроительной промышленности.

Способ тепловой обработки изделий в печах прямой рекуперации тепла нагретого материала состоит в том, что тепловую обработку путем нагрева и охлаждения изделий в камерном и проходном режиме прямой рекуперации тепла осуществляют при непосредственном контакте поверхностей охлаждаемых и нагреваемых изделий.

Изобретение относится к способам тепловой обработки изделий, материалов и может быть использовано для отдельных видов термообработки металла (отжиг, нормализация), для обжига огнеупоров, керамики, строительных изделий (кирпича, блоков), углеродных и других материалов на заводах металлургической, огнеупорной, строительной, электротехнической и машиностроительной промышленности.

Известны способ транспортирования изделий в проходных печах с шагающими балками и устройство для его осуществления (а. с. СССР N 1769572, F 27 B 9/20, 1992), многоручьевая роликовая печь прямой рекуперации (а. с. СССР N 1786926, F 27 B 9/14, 9/28, 1992), которые базируются на способе прямой рекуперации тепла нагретого материала, когда изделия после нагрева и выдержки при охлаждении перемещаются противоточно нагреваемым изделиям и в пределах рабочего пространства печи передают им непосредственно за счет излучения и конвекции 80 90% аккумулированного ими тепла. За счет этого в несколько раз сокращается расход топлива (электроэнергии) и во столько же раз уменьшаются дымовые выбросы в атмосферу, содержащие в себе вредные составляющие, т.е. экономится энергия и улучшаются экологические условия.

Наиболее близкими к предложенному способу тепловой обработки изделия являются cпособ тепловой обработки изделий в проходных печах и устройство для его осуществления по а. с. СССР N 1720366, F 27 B 9/20, 1991. Способ заключается в том, что тепловую обработку, включающую нагрев и охлаждение в печи, осуществляют при транспортировании изделий, прошедших и подвергаемых тепловой обработке, встречно в каждом из параллельных рядов путем перешагивания одних над другими при загрузке и выгрузке с обеих торцов печи. При этом обычно располагаемые раздельно зоны нагрева и охлаждения совмещаются в одну зону прямой рекуперации тепла. При двухсторонней загрузке и выгрузке таких зон прямой рекуперации оказывается две, а между ними, в середине печи, располагается зона догрева и выдержки, где догреваются и выдерживаются при постоянной температуре изделия, перемещаемые встречно из обеих зон прямой рекуперации за счет подводимого извне тепла.

Устройство для осуществления способа заключается в специальной конструкции шагающих балок, которые поднимают не все изделия, а расположенные через одно, и перемещают их путем перешагивания над оставшимися в одном направлении, а затем подводятся под остальные изделия и перемещают их в другом направлении. Таким образом получается, что охлаждаемые и нагреваемые заготовки (изделия), располагаются в одном и том же ряду поочередно и перемещаются каждые в своем направлении.

Естественно, что между соседними заготовками имеется некоторое расстояние, исключающее их зацепление при перемещении путем перешагивания. При длинных заготовках квадратного сечения в теплообмене между охлаждаемыми и нагреваемыми изделиями участвует практически половина поверхности, т.е. две боковые грани, т.к. для каждой охлаждаемой заготовки соседними являются нагреваемые, для нагреваемой охлаждаемые.

Теплообмен между поверхностями охлаждаемых и нагреваемых изделий осуществляется излучением и конвекцией через пространство между ними, заполненное газом (дымом или воздухом).

Недостатком такого способа прямой рекуперации тепла является снижение эффективности теплообмена между поверхностями охлаждаемых и нагреваемых изделий при их противоточном перемещении по мере понижения их температуры.

Известно, что с уменьшением температуры поверхностей лучистый теплообмен ослабляется. Конвективный теплообмен практически не зависит от общего уровня температур поверхностей, но он сам по себе незначителен. Так, если коэффициенты теплоотдачи от горячей поверхности к газу (α₁) и от газа к холодной поверхности (α₂) одинаковы, т.е. α₁= α₂= α, то коэффициент теплопередачи конвекцией (К) от горячей к холодной поверхности через слой газа будет в два раза меньше коэффициента теплоотдачи Суммарный коэффициент теплоотдачи (α_Σ) от охлаждаемой к нагреваемой поверхности, складывающийся из лучистого (α_л) и конвективного, будет равен В качестве примера приведем результаты расчетов коэффициентов теплоотдачи, если в зону рекуперации входит материал с температурой 1000^oС и выходит из печи с температурой 200^oС. Нагреваемый материал входит в печь с 20^oС, а в конце зоны рекуперации нагревается до 820^oС. Рассматривая лучистый теплообмен между параллельными поверхностями охлаждаемых и нагреваемых изделий со степенью черноты 0,8, получим следующее.

Лучистый коэффициент теплоотдачи в высокотемпературной части зоны рекуперации (1000^oС и 820^oС) получается равным 304 Вт/м²к. Если принять коэффициент теплоотдачи конвекцией 25 Вт/м²к, то суммарный коэффициент теплоотдачи будет равен 304 + 1/2 · 25 316,5 Bт/м²к В низкотемпературной части (у выхода из печи) лучистый коэффициент теплоотдачи получается равным 11 Вт/м²к, а конвективная составляющая - 12,5 Вт/м², что в сумме даст 23,5 Вт/м²к, т.е. в 13,5 раза ниже, чем в высокотемпературной части.

Снижение интенсивности теплообмена по мере понижения температуры охлаждаемых и нагреваемых изделий вызывает увеличение длины проходной печи или времени нагрева-охлаждения, если режим рекуперации камерный. Но слишком большое увеличение длины печи может оказаться экономически невыгодным, т.к. экономия топлива от более глубокого охлаждения изделий в печи не перекроет затраты на ее удлинение. Тогда придется увеличивать температуру охлаждаемых изделий на выходе из печи, т.е. останавливаться на меньшей степени рекуперации тепла охлаждаемого материала.

Задача изобретения состоит в интенсификации теплопередачи между поверхностями охлаждаемых и нагреваемых изделий.

Решение задачи достигается тем, что тепловую обработку путем нагрева и охлаждения изделий в камерном и проходном режиме прямой рекуперации тепла осуществляют при непосредственном контакте поверхностей охлаждаемых и нагреваемых изделий.

Идеальный контакт между поверхностями охлаждаемых и нагреваемых изделий позволяет резко интенсифицировать теплоотдачу, т.к. тепловое сопротивление между поверхностями сводится к нулю, температурный перепад между ними полностью отсутствует, что эквивалентно бесконечно большому суммарному коэффициенту теплоотдачи между поверхностями. При плотном прилегании температура поверхностей в месте контакта одинакова, как это принято считать в многослойной стенке на стыке между слоями. Характер теплообмена при этом кардинально меняется, излучение и конвекция исключаются, имеет место только теплопроводность. Время охлаждения одних заготовок и нагрева других зависит только от их теплопроводности и толщин прогрева.

При противоточном движении термически тонких тел в режиме прямой контактной рекуперации температура охлаждаемых изделий на выходе из печи равняется температуре холодных, загружаемых в печь изделий. При движении термически массивных изделий в этом режиме тепловой обработки температура на поверхности охлаждаемых изделий при выходе из печи также равняется температуре загружаемых в печь холодных изделий, только по толщине охлаждаемого изделия будет температурный перепад, который можно довести до заданного значения соответствующим удлинением печи, т.е. увеличением времени рекуперации для необходимого выравнивания температур по сечению. Степень рекуперации тепла нагретого материала при этом приближается к единице и будет зависеть от тепловых потерь через кладку зоны рекуперации и температурного перепада охлаждаемых изделий на выходе из печи. При топливном обогреве потери тепла через кладку можно компенсировать теплом отходящих продуктов горения.

При неплотном прилегании поверхностей между ними возникает температурный перепад, но по оценке его величины он на один два порядка ниже, чем при обычной рекуперации тепла, когда поверхности расположены на некотором расстоянии друг от друга. При неплотном прилегании поверхностей необходимо учитывать толщину и теплопроводность газового зазора.

Таким образом, контактный способ прямой рекуперации тепла позволяет за счет исключения или уменьшения теплового сопротивления на границе между поверхностями сократить длину проходной печи или время нагрева-охлаждения изделий и одновременно повысить степень рекуперации тепла. Так, если в бесконтактном режиме прямой рекуперации экономически целесообразной может явиться температура охлаждаемых изделий на выходе из печи около 200^oС, то, как отмечено выше, при контактном способе прямой рекуперации она может быть довольно близка к температуре загружаемого холодного материала.

Изобретение обладает новизной, что следует из сравнения с аналогами и прототипом, изобретательским уровнем, т.к. явно не следует из существующего уровня техники, практически легко осуществимо без дополнительных энергетических и материальных затрат.

Реализация способа в камерном режиме прямой рекуперации достигается следующим образом. Одно или несколько крупногабаритных изделий (или контейнеров с мелкими изделиями) после окончательного нагрева в камерной печи помещают в отдельную камеру рекуперации, где их укладывают с аналогичными холодными изделиями и выдерживают определенное время, после чего подогретые изделия загружают в печь и догревают за счет подводимого тепла, а охлаждаемые изделия продолжают охлаждать на воздухе. Это одноступенчатый камерный режим прямой рекуперации, в котором можно рекуперировать до 40% аккумулированного нагретыми изделиями тепла. В двухступенчатом режиме охлаждаемые изделия помещают последовательно в первую, затем во вторую камеру рекуперации, а нагреваемые сначала во вторую, затем в первую камеру рекуперации, а потом в печь на окончательный догрев. При этом можно использовать до 60% тепла охлаждаемого материала, передавая его нагреваемому. Возможны и многоступенчатые камерные режимы прямой рекуперации. Контактный способ прямой рекуперации при этом будет реализовываться тем, что остываемые и нагреваемые изделия укладывают друг на друга в два или несколько рядов. При этом предпочтительнее для лучшей теплоотдачи остываемые изделия располагать внизу, а нагреваемые сверху, а при большом количестве изделий их лучше укладывать в шахматном порядке.

В проходном режиме прямой рекуперации охлаждаемые и нагреваемые изделия можно перемещать встречно либо непрерывно (протяжные, роликовые, конвейерные печи), либо дискретно (толкательные печи, печи с шагающими балками и подом). При этом непрерывный или дискретно прерывающийся контакт между поверхностями охлаждаемых и нагреваемых изделий необходимо обеспечивать для каждого типа печи специальными средствами.

Например, при термообработке металлической ленты в протяжных печах зону контактной прямой рекуперации можно обеспечить горизонтальным расположением на одном уровне попарно четырех ведущих роликов, из которых два внутренних будут перемещать охлаждаемую ленту в одном направлении, а два наружных нагреваемую ленту в другом направлении. Верхняя лента за счет большей длины (расстояния между крайними роликами) будет иметь больший прогиб, что обеспечит контакт ее с нижней лентой. Для уменьшения трения между лентами под ними устанавливают вращающиеся ролики овального сечения, которые периодически будут встряхивать обе ленты и снижать трение между ними.

В проходных печах с шагающим подом и балками зону прямой контактной рекуперации можно обеспечить следующим образом. Подину по длине печи изготавливают из подвижных и неподвижных участков с расстоянием между ними, равным горизонтальному шагу. По бокам подины располагают шагающие балки. Длинномерные заготовки прямоугольного сечения укладывают на подину в два ряда, один ряд на другой, причем в нижнем ряду на подину укладывают изделия вдоль печи, а в верхнем ряду поперек. Нижний ряд занимает ширину подины, а верхний шире подины на размер шагающих балок. Шагающие балки перемещают верхний ряд заготовок в одном направлении, а шагающая подина нижний ряд в другом направлении за счет высоты подъема рядов.

Формула изобретения

Способ тепловой обработки изделий в печах прямой рекуперации тепла, включающий нагрев от охлаждаемых изделий, догрев и выдержку за счет подводимого извне тепла и охлаждения путем передачи тепла нагреваемым изделиям, отличающийся тем, что тепловую обработку путем нагрева и охлаждения изделий в камерном и проходном режиме прямой рекуперации тепла осуществляют при непосредственном контакте поверхностей охлаждаемых и нагреваемых изделий.