Способ и устройство для замены атмосферы в колпаковой печи для отжига

 

Изобретение относится к способу замены атмосферы в колпаковой печи для отжига и к конструкции печи для осуществления способа. Техническим результатом является экономичная и быстрая замена атмосферы. Свежий газ подается в виде направленной вверх струи при высокой скорости примерно 80 м/с в кольцевое пространство между отжигаемым материалом и колпаком, в то время как образующаяся газовая смесь отводится через выпускное отверстие для газа, расположенное диаметрально относительно плиты основания. При объеме потока примерно 130 м³/с время промывания составляет примерно 6 мин. 2 с. и 7 з.п. ф-лы, 1 ил.

Настоящее изобретение касается способа замены атмосферы в колпаковой печи для отжига, при этом свежий газ подается снизу в печь и образованная газовая смесь отводится снизу из печи. Далее настоящее изобретение касается колпаковой печи для отжига, предназначенной для выполнения этого способа, с плитой основания, с плитой для отжигаемого материала, расположенной на плите основания и предназначенной для размещения на ней отжигаемого материала, с вентилятором, расположенным под центральным отверстием плиты для отжигаемого материала с колпаком, под которым на расстоянии от его стен располагаются отжигаемый материал и плита для отжигаемого материала и по меньшей мере с одним впускным отверстием для газа и одним впускным отверстием для газа, расположенным в плите основания.

Колпаковые печи для отжига служат в частности для термообработки листовой стали, которая намотана в виде катушек. Последние штабелируются друг над другом на плите для отжигаемого материала, при этом их центральные отверстия образуют канал, являющийся продолжением центрального отверстия плиты для отжигаемого материала. После установки колпака на новую загрузку заменяется находящийся в печи воздух на защитный газ. Затем начинается термообработка, при этом вентилятор всасывает газ по центру в направлении сверху вниз и подает в кольцевые пространства, расположенные сбоку между отжигаемым материалом и колпаком.

Для каждой загрузки необходима таким образом по меньшей мере одна замена атмосферы в колпаковой печи для отжига. Если обработка проводится в атмосфере водорода, то количество таких операций увеличивается. Перед началом нагревания воздух должен быть откачан из печи. Это происходит путем закачки азота. Затем происходит заполнение водородом, при этом азот удаляется. После завершения термообработки должен быть сначала удален водород в результате закачки азота, прежде чем может быть снят колпак.

При замене атмосферы новый газ закачивается в печь из нижней части вентилятора и подается в кольцевое пространство, расположенное между отжигаемым материалом и колпаком. Одновременно отводится образованная газовая смесь через выпускное отверстие для газа.

Количество вводимого газа при замене атмосферы оказывается существенным. Объем потока составляет от 100 до 180 м³/час и в обычном режиме его продолжительность составляет от 20 до 40 минут. Во всяком случае это составляет функциональные возможности вентилятора. Если вентилятор отключается, то время продувания составляет приблизительно 24 часа. Такие потери рабочего времени являются очень существенным. К этому следует добавить существенный расход газа.

В качестве известной колпаковой печи может рассматриваться ближайший аналог - патент US N 4 596 526 A, F 16 K 1/100, 24.06.86.

В основе настоящего изобретения лежит задача устранить указанные недостатки и сделать возможной более экономичную и прежде всего более быструю замену атмосферы.

Для решения этой задачи способ в соответствии с настоящим изобретением отличается тем, что свежий газ подают в виде направленной вверх струи при высокой скорости по проходящему вверх каналу и что для определения скорости струи используют следующую формулу: при этом V_f = свободный объем печи в литрах; M_a = молекулярный вес промываемого газа в гр/мол; P_s = плотность свежего газа в гр/м³ (данные действительны при нормативном состоянии газа); A = поперечное сечение входного отверстия для свежего газа в м²; K = коэффициент со значением ≥1, преимущественно 6.

При этом может оказаться выгодным при определенных обстоятельствах придавать потоку высокую пульсирующую скорость.

Устройство в соответствии с настоящим изобретением отличается тем, что газ вводится через направленное вверх сопло, которое входит в направленный вверх канал.

Настоящее изобретение основывается на знании того, что скорость вводимой струи в значительной степени влияет на процесс обмена и для оптимирования скорости необходимо учитывать плотность промываемого газа и плотность свежего газа и в частности в соответствии с указанным выше соотношением.

Удивительным образом оказалось, что с помощью настоящего изобретения стало возможным ускорить замену атмосферы неожиданным образом. Уже примерно через 3 до 10 минут достигается желаемое остаточное содержание заменяемого газа примерно в 4%. Совершенно неожиданный эффект заключается в том, что полученный результат практически не зависит от того, работает ли вентилятор или нет. Это означает, что в случае выхода из строя вентилятора необходимо указать на сокращение времени с 24 часов до примерно 5 минут.

Наряду с этой огромной экономией времени достигается также соответствующая экономия промывочного газа, так как объем потока не должен увеличиваться. Как и прежде работу можно выполнять в среднем с количеством 140 м³/час.

Далее необходимо подчеркнуть существенное повышение безопасности проведения работ. При выходе из строя вентилятора во время работы оказывалось невозможным (или по крайней мере оказалось невозможным) продолжать процесс промывания в течение 24 часов для того, чтобы вытеснить водород. Следствием было то, что капот снимался заранее, рискуя при этом воспламенением остаточной смеси.

Успех настоящего изобретения можно было бы отнести прежде всего к тому, что вводимая при высокой скорости струя газа в направленный вверх канал при соответствующем взаимном согласовании скорости и размеров канала приводит к очень быстрому и равномерному образованию газовой смеси. Струя проникает в заменяемый газ и вызывает одновременно эффект всасывания. Кроме того струя продолжает действовать до свода колпака. Этот эффект может при определенных обстоятельствах повышаться путем придания пульсирующей скорости струе. Наконец, направленная струя, которая начинается на высоте плиты для отжигаемого материала, эффективно предотвращает короткое замыкание потока при выпуске газа.

Очень хорошие результаты были получены с помощью гладкоструйного сопла, имеющего постоянный диаметр. Возможно также использование во всяком случае сужающегося сопла.

Высокоскоростная струя может быть направлена через центральное отверстие плиты для отжига в центральный канал, образованный отверстиями катушек. При этом предлагается вал вентилятора выполнить полым и, в данном случае, при его соответствующем удлинении использовать в качестве сопла.

Предпочтение можно отдать тому, чтобы сопло вводить в кольцевое пространство между отжигаемым материалом и колпаком, так как в этом месте существуют особенно выгодные характеристики вводимого потока и всасывания. Это является действительным в частности тогда, когда, как это предлагается при дальнейшем исполнении настоящего изобретения, соотношение расстояния между осью сопла и капотом к выходному диаметру сопла находится в пределах между 2, 5 и 8. Если, например, речь идет о том, чтобы заменить H₂ на N₂, то соотношение должно быть преимущественно >7,5.

Преимущественно вводится сопло на высоте плиты для отжигаемого материала, при этом перед точкой введения сопла устанавливается входной канал для вводимого газа с постоянным диаметром, при этом длина канала соответствует примерно 5-кратной величине выходного диаметра сопла. Было определено, что таким образом достигаются очень выгодные характеристики потока.

Преимущественно составляет площадь выходного отверстия сопла, приблизительно, 10% от площади выпускного отверстия для газа. Также и такая мера направлена на то, чтобы способствовать процессу промывания.

При этом выпускное отверстие для газа располагается преимущественно в кольцевом пространстве между отжигаемым материалом и капотом диаметрально относительно сопла. Если предусматривается несколько выпускных отверстий для газа и сопел, то располагаются они соответственно на общем секторе, при этом сектора располагаются напротив друг друга. Во всяком случае вызывается такой поток, который в основном следует по большой площади контура капота.

Преимущественно экранируется выпускное отверстие для газа направляющим листом, который имеет вентилятор, так что он прежде всего захватывает поток газа рядом с капотом, при этом исключается наличие короткозамыкающих потоков, направленных в поперечном направлении.

В качестве изобретательских рассматриваются также такие комбинации признаков в соответствии с настоящим изобретением, которые отклоняются от рассмотренных выше сочетаний признаков.

Настоящее изобретение поясняется ниже более подробно на предпочтительном примере его конструктивного исполнения со ссылкой на прилагаемый чертеж. На чертеже показан схематически вертикальный разрез по колпаковой печи для отжига в соответствии с настоящим изобретением.

Колпаковая печь для отжига имеет плиту основания 1 с плитой 2 для отжигаемого материала. На последней располагаются штабелированные друг над другом катушки 3, в представленном случае 4 катушки. Их отверстия образуют центральный канал 4, который соединяется с центральным отверстием 5 плиты 2 для отжигаемого материала. Под центральным отверстием 5 функционирует вентилятор 6. Катушки 3 и плита 2 для отжигаемого материала накрываются колпаком 8 с образованием кольцевого пространства 7.

Колпаковая печь для отжига имеет впускное отверстие для газа в форме направленного вверх сопла 9, которое входит в кольцевое пространство 7. Оно производит пульсирующую направленную вверх струю при высокой скорости, которая составляет 75 м/сек, и именно с объемом потока 130 м³/час. Речь идет о гладкоструйном сопле с диаметром 25 мм, при этом сопло входит на высоте плиты 2 для отжигаемого материала. Соотношение расстояния между осью сопла и капотом к диаметру сопла составляет 5.

Сопло 9 входит в вертикальный канал и расположено на высоте плиты для отжигаемого материала 2, при этом перед точкой введения сопла устанавливается входной канал 12 для вводимого газа с постоянным диаметром и длиной, соответствующей 5-кратной величине выходного диаметра отверстия сопла.

Диаметрально к соплу 9 и аналогично в районе кольцевого пространства 7 предусматривается выпускное отверстие для газа 10, диаметр которого составляет 80 мм.

Выпускное отверстие для газа экранируется направляющим листом 11, который имеет вентилятор 6.

Благодаря такой конструкции оказывается возможным промывать атмосферу H₂ в печи газом N₂ до остаточного содержания 4% в течение 6 минут, при этом не играет никакой существенной роли, работает ли вентилятор или нет.

В рамках настоящего изобретения возможны варианты его исполнения. Так могут варьироваться в определенных границах размеры и параметры выполнения способа, пока может производиться направленная вверх струя при высокой скорости с желаемыми характеристиками всасывания, смешивания и промывания, скорость которой соответствует формуле в соответствии с настоящим изобретением. Эта струя может, например, направляться с помощью вала вентилятора 6 прямо в центральный канал 4. Далее существует возможность работать с несколькими входными отверстиями для газа и в данном случае также с несколькими выходными отверстиями для газа, при этом во всяком случае должно сохраняться диаметральное расположение.

Формула изобретения

1. Способ замены атмосферы в колпаковой печи для отжига материала, включающий подачу свежего газа снизу в печь и отвод образованной газовой смеси снизу из печи, отличающийся тем, что свежий газ подают в виде направленной вверх струи по проходящему вверх каналу с высокой скоростью, определяемой из формулы
где V_f - свободный объем печи в литрах;
M_a - молекулярный вес промываемого газа в г/мол.;
P_s - плотность свежего газа в г/м³ (данные действительны при нормальном состоянии газа);
A - поперечное сечение входного отверстия для свежего газа в м²;
K - коэффициент со значением ≥1, преимущественно 6.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что свежий газ подают в виде пульсирующей струи.

3. Колпаковая печь для отжига материала, содержащая плиту-основание, расположенную на ней плиту с центральным отверстием, предназначенную для размещения на ней отжигаемого материала, расположенный под центральным отверстием вентилятор, колпак, под которым на расстоянии от его стенок располагают отжигаемый материал и плиту для отжигаемого материала с образованием кольцевого канала, плита-основание имеет по меньшей мере одно впускное отверстие для газа, входящее в вертикальный канал, и одно выпускное отверстие для газа, отличающаяся тем, что впускное отверстие выполнено в виде направленного вверх сопла.

4. Печь по п.3, отличающаяся тем, что сопло размещено в кольцевом вертикальном канале, образованном отжигаемым материалом и колпаком.

5. Печь по п.4, отличающаяся тем, что соотношение расстояния между осью сопла и колпаком к диаметру выходного отверстия сопла составляет между 2,5 и 8.

6. Печь по любому из пп.3 - 5, отличающаяся тем, что сопло (9) входит в вертикальный канал и расположено на высоте плиты для отжигаемого материала (2), при этом перед точкой введения сопла устанавливают входной канал (12) для вводимого газа с постоянным диаметром и длиной, соответствующей 5-кратной величине выходного диаметра отверстия сопла.

7. Печь по любому из пп.3 - 6, отличающаяся тем, что площадь выходного отверстия сопла составляет примерно 10% площади выпускного отверстия (10) для газа.

8. Печь по любому из пп.3 - 7, отличающаяся тем, что выпускное отверстие (10) для газа расположено в районе кольцевого пространства (7) между отжигаемым материалом (3) и колпаком (8) диаметрально относительно сопла (9).

9. Печь по п.8, отличающаяся тем, что выпускное отверстие (10) для газа экранируется направляющим листом (11), расположенным на вентиляторе (6).

РИСУНКИ

Рисунок 1