Область техники Группа изобретений относится к металлургии и машиностроению и может быть использована при тепловой обработке металлов (плавление, нагрев под деформацию, термообработка) в отапливаемых газообразным или жидким топливом пламенных печах прямого (непосредственного) нагрева, при котором продукты сгорания топлива соприкасаются с нагреваемым материалом (изделием), то-есть, с садкой, и в пламенных печах косвенного нагрева, в которых тепло от пламени и продуктов сгорания к нагреваемому материалу или изделию (садке) передаётся через стенки металлических радиационных труб или тиглей. Изобретения также могут быть использованы при обжиге, сушке и другой термической обработке неметаллических изделий, например, керамики.

Предшествующий уровень техники

Известен способ нагрева (тепловой обработки) стали в нагревательных пламенных печах прямого нагрева (печи с открытым пламенем), основанный на сжигании смеси газообразного топлива и воздуха в отапливаемом пространстве, являющемся одновременно рабочим пространством печи, при котором для полного использования (сжигания) топлива его сжигают с коэффициентом избытка воздуха, близком к единице (α = 1,0), то - есть, при нормальном стехиометрическом соотношении топлива и воздуха [В.Ф.Копытов, Нагрев стали в печах, Металлургиздат, M., 1955, стр.152- 153]. При этом в случае использования в качестве топлива, например, смеси доменного и природного газов (калорийность 2000 ккал/м ³ ), при α = 1,05-1,15 воздуха в горелку подают в 2,25 раза больше по объему, чем топлива, а при использовании в качестве топлива природного газа, при

этом же α, расход воздуха примерно в десять раз больше по объему, чем природного газа.

Недостатком способа является потеря на угар значительного количества обрабатываемого металла, расположенного в рабочем пространстве печи, вследствие окислительной атмосферы продуктов сгорания, воздействующих на обрабатываемый металл, так как рабочее пространство, где расположен металл, является одновременно и отапливаемым пространством печи [указ. выше В.Ф.Копытов, стр.5-6, 162- 163].

При нагреве стали в кузнечных, прокатных и термических печах прямого нагрева угар металла может достигать 2÷5 %, что, в масштабах производства стали в России, составляет потерю более 2 млн тонн стали в год. При этом появляются дополнительные затраты на механическую обработку, очистку изделий от окалины различными способами: гидросбивами, травлением, пескоструйными аппаратами, щетками и т.д. Кроме угара металла, при тепловой (термической) обработке металлов прямым нагревом путем сжигания в рабочем пространстве печи топлива с коэффициентом избытка воздуха в диапазоне 0,9÷l,2 имеет место максимальное обезуглероживание поверхностных слоев стальных заготовок [K.M.Пaxaлyeв, В.И.Медведева, Исследование окисления и обезуглероживания сталей в продуктах сгорания природного газа, сборник Нагрев металла и работа нагревательных печей, сб.науч.тр. Мб, Металлургиздат, Свердловское отделение, 1960, стр.87, рис.6]. В зависимости от марки стали и температуры нагрева обезуглероживание может распространяться на глубину до 3,0 мм. Обезуглероживание поверхностных слоев стальных изделий приводит к снижению твердости, уменьшению сопротивления циклическим нагрузкам и ухудшению режущих способностей инструмента. Удаление обезуглероженного слоя в уже готовых изделиях путем сплошной зачистки и шлифовки приводит к физическим потерям металла и увеличению себестоимости продукции.

Недостатком является и то, что при нагреве, например, сплавов из титана по указанному способу, кроме значительного угара металла, имеет место наводораживание изделий на значительную глубину. Так содержание водорода в образце диаметром 30 мм из сплава Ti-5Al-l,7V при нагреве за 10 часов в электропечи и пламенной печи, отапливаемой природным газом с коэффициентом избытка воздуха α равным 1,25, увеличивается с 0,007% до 0,025%, то - есть, в 3,6 раза. [С.Н.Хомов, М.А.Григорьев, С.М.Шулькин, Наводораживание титановых сплавов при нагреве в пламенных печах, Технология легких сплавов, N°2, 1980, cтp.57÷62].

Желание использовать пламенные печи прямого и косвенного нагрева вместо электрических обусловлено более низкой себестоимостью тепловой обработки в пламенных печах. Однако, производство деформируемых титановых полуфабрикатов с использованием известных пламенных печей прямого нагрева требует значительного увеличения припусков на механическую обработку и затрат на контроль содержания водорода вблизи поверхности и по сечению термически обрабатываемого изделия. Превышение концентрации водорода над максимально и безопасно допустимыми значениями приводит к снижению ударной вязкости, повышению склонности металла к замедленному разрушению. Для удаления излишков водорода из металла используется длительный вакуумный отжиг, что приводит к значительному удорожанию готовой продукции.

Для снижения угара металла и уменьшения обезуглероживания сталей предложен и используется способ тепловой обработки (нагрева) стали в пламенных печах прямого нагрева, основанный на сжигании смеси газообразного топлива и воздуха, при котором топливо сжигают с коэффициентом избытка воздуха, меньшим единицы (так называемый безокислительный или малоокислительный нагрев) [К.М.Пахалуев, В.И.Медведева, Исследование окисления и обезуглероживания сталей в продуктах сгорания природного газа, сборник Нагрев металла и работа нагревательных печей, сб.науч.тр. N°6, Металлургиздат, Свердловское отделение, 1960, cтp.91, а также указ. выше В.Ф.Копытов, стр.185].

Недостатком малоокислительного нагрева является повышение в продуктах сгорания содержания угарного газа (СО) вследствие неполного сгорания топлива. Это вызывает необходимость герметизации всей конструкции пламенной печи, обеспечение газоплотности футеровки стен, 95 свода печи и отводных каналов, а также создание устройств дожигания продуктов сгорания, что приводит к существенным капитальным затратам и перерасходу топлива.

В соответствии с опубликованными результатами исследования процессов окисления металлов при пламенном нагреве, количество

100 окислившегося металла при температурах более 800 ⁰ C увеличивается и стабилизируется с ростом коэффициента избытка воздуха α в диапазоне от 0,8 до 1,6 [К.М.Пахалуев, В.И.Медведева, Исследование окисления и обезуглероживания сталей в продуктах сгорания природного газа, сборник Нагрев металла и работа нагревательных печей, сб.науч.тр. JYsб,

105 Металлургиздат, Свердловское отделение, 1960, cтp.80÷91]. Ранее аналогичные исследования проведены в диапазоне значений коэффициента α, равном 0,88÷l,32 [М.А.Глинков, Прокатные и кузнечные печи, Объединенное научно-техническое издательство Свердловск-Москва, 1936, cтp.44]. Согласно этим публикациям, имеет место стабилизация величины

ПО угара на максимальном уровне при достижении коэффициентом избытка воздуха значений 1,2÷1,6. При этом угар металла увеличивается также с ростом температуры нагрева. Сложилось убеждение [указ. выше В.Ф.Копытов, стр.182, а также М.А.Касенков, Нагревательные устройства кузнечного производства, Машгиз, 1962, cтp.159-160], что при сжигании

115 топлива с коэффициентом избытка воздуха, большем 1,1÷1,2, величина угара не изменяется. Это объясняют тем, что "скорость образования окалины не зависит от коэффициента избытка воздуха, так как процессом окисления начинает управлять не интенсивность подхода молекул окисляющих газов к поверхности изделий, а диффузия кислорода через

120 поверхностный слой окалины к металлу" [указ. выше В.Ф.Копытов,

стр.182], а также тем, что "наступает насыщение кислородом слоя окалины, отчего дальнейшее повышение содержания кислорода в печных газах не оказывает заметного влияния на скорость окисления" [указ. выше М.А.Касенков, стр.159-160].

125 Кроме того, известно, что коэффициент избытка воздуха при смешении топлива с холодным воздухом (комнатной температуры) имеет предельные значения по условиям воспламенения (α _пp ) [Гайнуллин Ф.Г. и др., Природный газ как моторное топливо на транспорте, M.: Недра, 1986, стр.34]. Значение коэффициента α _пp составляет для метана - 2,0, пропана - 1,7,

130 природного газа l,8÷2,0, бензина 1,65÷1,75. Следовательно (как указано в описании к патенту РФ Ns 2098717), при таких значениях коэффициента избытка воздуха будут существовать локальные зоны, в которых топливовоздушная смесь не будет гореть, что снижает экономичность энергетических установок и поэтому на практике способ сжигания топлива с

135 указанными коэффициентами избытка холодного воздуха не нашел широкого применения.

Использование процесса пламенного нагрева при увеличенных коэффициентах избытка воздуха и отсутствии его предварительного подогрева затруднено снижением при этом температуры продуктов

14Q сгорания и, соответственно, рабочей температуры печи, вследствие подачи к горелке и в топку больших объемов "холодного" воздуха, температура которого (20÷30°C) во много раз меньше температуры продуктов сгорания.

Известен способ отопления печи с камерами предварительного нагрева, окончательного нагрева и выдержки металла [патент РФ Ns 2139944],

145 являющийся способом тепловой обработки стали в пламенных печах прямого нагрева с подогревом вторичного воздуха. Способ основан на сжигании смеси газообразного топлива и воздуха, включает подачу топлива с последующим неполным его сжиганием с коэффициентами расхода (избытка) первичного воздуха (Ot ₁ равно 0,30-0,40) над промежуточным подом камеры

150 окончательного нагрева, подачу вторичного воздуха для полного дожигания

всего объема продуктов неполного сгорания, подогрев первичного воздуха под высокотеплопроводным промежуточным подом с поддержанием температуры продуктов полного сгорания в рабочем пространстве камеры предварительного нагрева не более 500-550 ⁰ C, неполным сжиганием 10-100%

155 общего расхода потребляемого топлива в камере окончательного нагрева над промежуточным подом, полным сжиганием под промежуточным подом оставшейся части топлива и дожиганием вторичным воздухом продуктов неполного сгорания, поступающих из надподового пространства, при суммарном пропорционировании расходов топлива и воздуха, близком к

160 стехиометрическим значениям (α ₂ равно 1 ,05÷ 1 , 10).

Указанный способ содержит операцию, заключающуюся в том, что при неполном сжигании над промежуточным подом 60÷100% топлива в подподовом пространстве камеры окончательного нагрева и выдержки в зоне нагрева в часть горелок подают только вторичный воздух, в остальных

165 горелках топливо сжигают с α равным 1,O5÷1ДO, в зоне выдержки горелки полностью отключают, при неполном сжигании над промежуточным подом 10÷60% топлива в подподовом пространстве зоны выдержки осуществляют полное сжигание топлива с коэффициентами расхода (избытка) воздуха, близкими к стехиометрическим значениям, а в зоне нагрева - при

170 существенных избытках воздуха (α равно l,10÷2,00), используя избыточный воздух в качестве вторичного для дожигания продуктов неполного сгорания.

То - есть, в способе тепловой обработки металла по патенту РФ N° 2139944 проводится сжигание топливо-воздушной смеси при коэффициенте избытка вторичного воздуха до 2,0. В описании к данному изобретению

175 избыток воздуха, соответствующий α, равному l,10÷2,00, именуется существенным избытком воздуха. Кроме того, в описании указано, что "отключение подачи топлива на часть горелок подподового пространства камеры окончательного нагрева обусловлено тем, что в противном случае для обеспечения полного сгорания топлива и дожигания продуктов неполного

180 сгорания в горелки подподового пространства было бы необходимо подавать

вторичный воздух с коэффициентами расхода более 2,0, что сопряжено с существенным обеднением газовоздушной смеси (менее 5% топлива) и возможным погасанием горелок". Это также соответствует сложившемуся убеждению об отсутствии необходимости и даже невозможности использовать

185 при нагреве металлов высокие значения коэффициента избытка вторичного воздуха.

Известен способ сжигания природного газа в высокотемпературных промышленных печах прямого нагрева, преимущественно туннельных, применяемых для обжига, в частности, цирконистых изделий [патент РФ JMs

190 2099661], являющийся способом тепловой обработки металла в пламенной печи. Способ включает подачу в топочный объем (отапливаемое пространство) внутри струи топлива струи сжатого воздуха (первичная топливо-воздушная смесь) и подмешивание горячего, то-есть, подогретого вторичного воздуха к первичной топливо-воздушной смеси в указанном топочном объеме, что

195 обеспечивает некоторое определенное значение коэффициента избытка воздуха.

Согласно описанию к патенту РФ N° 2099661, результатом использования такого способа является создание окислительной среды продуктов сгорания в рабочем канале (рабочем пространстве) печи с

200 обрабатываемыми изделиями, являющемся продолжением топочного объема. При этом сводится к минимуму выброс угарного газа (СО) в атмосферу (как указано выше, имеющий место также при малоокислительном нагреве со значениями коэффициента избытка воздуха, меньшими единицы). То - есть, подтверждается упомянутое выше предубеждение об отсутствии уменьшения

205 окислительной способности продуктов сгорания при повышенных значениях коэффициента избытка воздуха.

Известен также способ сжигания топлива в туннельной печи [патент РФ Ns 2166161], являющийся способом отопления пламенной туннельной печи прямого нагрева, включающим сжигание смеси топлива и воздуха в

210 отапливаемом пространстве (топочном объеме) и передачу продуктов сгорания в рабочее пространство печи. Этот способ применяется при отжиге

керамических изделий и может быть использован для отопления пламенной печи при тепловой обработке металла. Способ включает подачу в топочный объем топливовоздушной смеси и вторичного воздуха и их сжигание при коэффициентах избытка воздуха, находящихся в пределах 0,75÷l ,5, при этом к топливовоздушной смеси, содержащей 0,l÷0,2 кyб.м подогретого или неподогретого первичного воздуха на 1 МДж энергии топлива, подмешивают вторичный воздух при температуре 700÷1400°C в количестве 0,l÷0,2 куб.м на 1 МДж энергии. Рассматриваемый способ при α, равном O,75÷1Д обеспечивает получение в продуктах сгорания малоокислительной среды, а при а, равном l,0÷l,5 обеспечивает получение окислительной среды. Выбор типа среды в печи определяется ее необходимостью для обработки соответствующего продукта. Недостатками указанного способа в случае его использования для тепловой обработки металла являются обусловленные составом продуктов сгорания (при использовании окислительной среды, т.е. при α равном l,0÷l,5) максимальный уровень угара металла, особенно при повышенных температурах, а также (при использовании малоокислительной среды) наводораживание, например, титана и его сплавов, повышенное содержание угарного газа вследствие неполного сгорания топлива, вызывающее необходимость герметизации конструкции пламенной печи и требующее существенных капитальных затрат, и перерасход топлива.

Как указано в описании рассматриваемого способа по патенту РФ N° 2166161, диапазон значений α, равный 0,75÷l,5, является достаточным для промышленной практики, что также соответствует упомянутому выше сложившемуся убеждению об отсутствии необходимости использования более высоких значений коэффициента α при тепловой обработке металлов, а также соответствует отсутствию в технической литературе данных по нагреву металла в пламенных печах при значениях коэффициента избытка воздуха, больших l,6÷2,0.

Известен также способ тепловой обработки металла в пламенной печи косвенного нагрева, при котором производят отделение продуктов сгорания от нагреваемого металла, в частности, используют муфелирование пламени -

245 сжигание смеси топлива и воздуха в отапливаемом пространстве внутри радиационной трубы (муфеля) [патент США _Ns 4878480, F24C 003/00, 126/91 А, 431/353, 432/209], а нагрев металла в рабочем пространстве вне радиационной трубы производят путем излучения от внешних стенок нагретой изнутри радиационной трубы.

250 При использовании такого способа косвенного нагрева обрабатываемый металл, размещенный в рабочем пространстве вне радиационной трубы, не находится в атмосфере продуктов сгорания и не подвергается угару и/или наводораживанию. Однако, имеет место угар металла внутренних стенок радиационной трубы, расположенных в отапливаемом

255 пространстве и подверженных воздействию продуктов сгорания. Это снижает срок службы радиационной трубы, увеличивает эксплуатационные расходы и себестоимость обработки металла, что является недостатком описанного способа косвенного радиационного нагрева в пламенной печи.

Известен другой способ тепловой обработки металла в пламенной печи

260 косвенного нагрева, где сжигание смеси топлива и воздуха производят в отапливаемом пространстве вне металлического тигля (муфеля), в рабочем пространстве которого расположен обрабатываемый металл, а нагрев металла в рабочем пространстве внутри тигля производят путем излучения от внутренних стенок тигля [например, заявка на патент на изобретение РФ Ns

265 93052328, опублик. 27.09.1996г.]. Рабочее пространство тигля иногда заполняется защитным газом. Этот способ косвенного нагрева также имеет аналогичный вышеуказанному недостаток, заключающийся в снижении срока службы тигля, внешние металлические стенки которого подвержены воздействию продуктов сгорания.

270 Наиболее близким к предложенному (прототипом) является способ отопления регенеративных нагревательных колодцев [авторское свидетельство СССР N° 1257110], являющийся фактически способом тепловой обработки

металла в пламенной печи прямого нагрева в виде регенеративного колодца, основанным на сжигании смеси топлива и предварительно нагреваемого

275 регенераторами воздуха. В этом способе сжигание смеси топлива и воздуха производят непосредственно в рабочем пространстве печи. Согласно примеру выполнения этого способа, в горелку подают 3800 куб.м/час доменного газа и 120 куб.м/час природного газа, а также 4150 куб.м/час нагретого воздуха, что обеспечивает коэффициент избытка воздуха α,

280 равный примерно 1,1. Другой разновидностью способа - прототипа является способ тепловой обработки металла в пламенной печи косвенного нагрева, по которому сжигание смеси топлива и нагретого воздуха производят в отапливаемом пространстве радиационной трубы [И.М.Дистергефт, Г.М.Дружинин, В.И.Щербинин, Опыт ВНИИМТ в разработке регенеративных

285 систем отопления для металлургических агрегатов, "Сталь", 2000, N°7, стр.87- 88, pиc.5]. Нагрев металла в рабочем пространстве производят путем конвекции от внешних стенок нагретой изнутри радиационной трубы.

В указанных разновидностях прототипа первого варианта изобретения-способа, за счет предварительного нагрева воздуха

290 обеспечивается, по сравнению со способами-аналогами, повышение температуры продуктов сгорания и, соответственно, рабочей температуры печи, и снижение расхода топлива.

Недостатком способа - прототипа тепловой обработки металла в пламенной печи прямого нагрева является максимальный уровень угара

295 и/или наводораживания металла, расположенного в отапливаемом рабочем пространстве пламенной печи. Угар, имеющий место особенно при повышенных температурах, ведет к потере металла при его тепловой обработке, а наводораживание металлов, преимущественно цветных (например, титана и его сплавов), ухудшает свойства этих металлов. Это

300 обусловлено, как подтверждают практика и приведенные выше результаты исследований, соответствующим известным составом продуктов сгорания, включающих определенное содержание углекислого газа, паров воды и кислорода (окислительная среда), которые при воздействии на нагретый

при тепловой обработке металл и обеспечивают наличие угара и

305 наводораживания металлов.

Недостатком способа-прототипа тепловой обработки металла в пламенной печи косвенного нагрева является обусловленное указанными в предыдущем абзаце причинами наличие угара металла стенок муфеля, расположенных в отапливаемом пространстве печи косвенного нагрева

310 (внутренних поверхностей радиационной трубы или внешних поверхностей тигля), что ведет к снижению срока службы радиационной трубы (тигля), увеличению эксплуатационных расходов и себестоимости обработки металла.

Кроме того, при использовании ограниченных значений коэффициента

315 избытка воздуха в данном способе тепловой обработки металла в пламенной печи имеет место подача в отапливаемое пространство печи (и в радиационную трубу) ограниченных объемов топливо-воздушной смеси, что ограничивает и скорость перемещения продуктов сгорания в отапливаемом пространстве или внутри радиационной трубы. Результатом является

320 пониженное значение конвективной составляющей теплообмена, увеличенное время нагрева обрабатываемых металлических и неметаллических изделий и пониженная производительность печи. Результатом ограниченной скорости перемещения продуктов сгорания является также неравномерность распределения температур как по рабочему пространству печи, так и по садке

325 (подвергаемым тепловой обработке изделиям), что снижает качество тепловой обработки изделий.

Известна другая разновидность способа-прототипа, являющаяся многоэтапным способом тепловой обработки металла в пламенной печи с открытым пламенем (прямой нагрев), основанным на сжигании смеси

330 топлива и предварительно нагреваемого воздуха при коэффициенте избытка воздуха до 1,2 [указ. выше М.А.Касенков, стр.173-174, 162, 160]. Способ включает, по крайней мере, три этапа нагрева (ступенчатый нагрев): нагрев при низких температурах (до промежуточной температуры 650-850 ⁰ C) с выдержкой при промежуточной температуре, нагрев при

335 высоких температурах (то - есть, при температурах, больших, чем 85O ⁰ C) до рабочей температуры с выдержкой при рабочей температуре.

Недостатком этой разновидности способа-прототипа с многоэтапной тепловой обработкой металла при прямом нагреве, также является высокий уровень угара металла, особенно при повышенных

340 температурах, и наводораживание, особенно, цветных металлов, то - есть, соответствующее ухудшение свойств металлов.

Указанный известный многоэтапный способ тепловой обработки металлов может быть использован и при косвенном нагреве с использованием муфелей (например, радиационной трубы или тигля).

345 Недостатком многоэтапного способа-прототипа тепловой обработки металла в пламенной печи косвенного нагрева является угара металла стенок муфеля (радиационной трубы, тигля), расположенных в отапливаемом пространстве печи косвенного нагрева, что снижает срок службы муфеля и увеличивает эксплуатационные расходы и себестоимость обработки

350 металла.

Кроме того, при использовании ограниченных значений коэффициента избытка воздуха в многоэтапном способе тепловой обработки металла в пламенной печи также имеет место подача в отапливаемое пространство печи (или в радиационную трубу) ограниченных объемов топливо-воздушной

355 смеси, что ограничивает и скорость перемещения продуктов сгорания в отапливаемом пространстве или внутри радиационной трубы. Результатом является пониженное значение конвективной составляющей теплообмена, увеличенное время нагрева обрабатываемых металлических и неметаллических изделий и пониженная производительность печи.

360 Результатом ограниченной скорости перемещения продуктов сгорания является также неравномерность распределения температур, как по рабочему пространству печи, так и по садке (подвергаемым тепловой обработке изделиям), что снижает качество тепловой обработки изделий.

Задачей изобретений - первого и второго вариантов способов

365, тепловой обработки металла в пламенной печи прямого или косвенного

нагрева является при прямом нагреве снижение угара обрабатываемого металла и снижение уровня наводораживания обрабатываемых металлов, в том числе сплавов алюминия, титана, железа, а при косвенном нагреве — повышение срока службы муфеля (радиационной трубы, тигля),

370 уменьшение эксплуатационных расходов и себестоимости обработки металла. Кроме того, задачей изобретения является увеличение производительности печи и повышение качества тепловой обработки металлических и неметаллических изделий.

Известен уже упомянутый выше способ сжигания природного газа в

375 высокотемпературных промышленных печах прямого нагрева, преимущественно туннельных, применяемых для обжига, в частности, цирконистых изделий [патент РФ N° 2099661], включающий подачу в топочный объем (отапливаемое пространство) внутри струи топлива струи сжатого воздуха (первичная топливо-воздушная смесь) и подмешивание

380 горячего, то-есть, подогретого вторичного воздуха к первичной топливо- воздушной смеси в указанном топочном объеме при некотором определенном значении коэффициента избытка воздуха.

Наиболее близким к предложенному третьему варианту изобретения-способа является способ сжигания топлива в туннельной печи

385 прямого нагрева [патент РФ N° Ns 2166161], включающий сжигание смеси топлива и воздуха в отапливаемом пространстве (топочном объеме) и передачу продуктов сгорания в рабочее пространство печи. Способ включает подачу в топочный объем тошшвовоздушной смеси и вторичного воздуха и их сжигание при коэффициентах избытка воздуха, находящихся в пределах

390 0,75÷l,5. Рассматриваемый способ при α, равном O,75÷1Д обеспечивает получение в продуктах сгорания малоокислительной среды, а при α, равном l,0÷l,5 обеспечивает получение окислительной среды. Выбор типа среды в печи определяется ее необходимостью для обработки соответствующего продукта. Способ применяется при отжиге керамических изделий и может

395 быть использован для отопления пламенной печи также при тепловой

обработке металла, а также при косвенном нагреве обрабатываемых изделий с использованием радиационной трубы или тигля.

При использовании значений коэффициента избытка воздуха не более 1,5 в данном способе имеет место подача в отапливаемое пространство печи

400 (или в радиационную трубу) ограниченных объемов топливо-воздушной смеси, что ограничивает и скорость перемещения продуктов сгорания в отапливаемом пространстве и радиационной трубе. Результатом является пониженное значение конвективной составляющей теплообмена, увеличенное время нагрева обрабатываемых металлических и неметаллических изделий и

405 пониженная производительность печи. Результатом ограниченной скорости перемещения продуктов сгорания является также неравномерность распределения температур, как по рабочему пространству печи, так и по садке (подвергаемьм тепловой обработке изделиям), что снижает качество тепловой обработки изделий.

410 Недостатками указанного способа в случае его использования для тепловой обработки металла являются обусловленные составом продуктов сгорания (при использовании окислительной среды, то - есть, при α равном l,0÷l,5) максимальный уровень угара металла, особенно при повышенных температурах, а также (при использовании малоокислительной среды)

415 наводораживание, например, титана и его сплавов, повышенное содержание угарного газа вследствие неполного сгорания топлива, вызывающее необходимость герметизации конструкции пламенной печи и требующее существенных капитальных затрат, и перерасход топлива.

Задачей третьего варианта изобретения— способа — способа сжигания

420 в пламенной печи смеси жидкого или газообразного топлива и нагретого воздуха при определенном значении коэффициента избытка воздуха является увеличение производительности печи и повышение качества тепловой обработки металлических и неметаллических изделий, а также снижение угара, обезуглероживания и наводораживания нагреваемых

425 металлов.

Для реализации вышеописанных известных способов тепловой обработки металлов и неметаллов в пламенных печах с прямым или косвенным нагревом, а также способа сжигания смеси жидкого или газообразного топлива и нагретого воздуха в пламенной печи прямого или

430 косвенного нагрева используются регенеративные пламенные печи, снабженные соответствующими устройствами отопления этих печей.

Известно [патент РФ N° 2190170] устройство отопления пламенной печи прямого нагрева, включающее рабочую камеру (отапливаемое, оно же рабочее пространство) с окнами (каналами) вывода горячих продуктов

435 сгорания, две горелки для сжигания газового топлива в смеси с предварительно нагретым воздухом при стехиометрическом соотношении топлива и нагретого воздуха, характеризуемом значением коэффициента избытка нагретого воздуха, равным единице, и систему нагрева воздуха и подачи его в каждую горелку в необходимом количестве, включающую два

440 регенератора, поочередно нагреваемые продуктами сгорания, и также поочередно нагревающие подаваемый в них воздух, поступающий далее в горелки (двухцикловый импульсный режим работы устройства отопления пламенной печи). Для обеспечения попеременного движения продуктов сгорания и воздуха через регенераторы и вывода в дымоотводящую систему

445 продуктов сгорания устройство содержит соединительные патрубки и каналы с перекидными (запорными) клапанами, соответствующим образом подключенные к регенераторам, горелкам и дымоотводящей системе. Стехиометрическое соотношение объемов сжигаемых газового топлива и нагретого воздуха в устройстве (α « 1) обеспечивается его

450 соответствующим конструктивным выполнением, в частности, соотношениями параметров, характеризующих поперечные сечения трубопроводов подачи топлива и воздуха в горелки. Другой конструктивной особенностью устройства, обеспечивающей подачу в горелки _% нагретого воздуха в необходимом количестве, является

455 выполнение регенеративной насадки, объем ее внутреннего пространства, необходимый объем (масса) заполняющих это пространство

теплопередающих элементов, материал этих элементов, например, огнеупорный кирпич [В.А.Баум и др., Металлургические печи, M., 1951, стр.665] или металл [вышеуказ. М.А.Касенков, Нагревательные устройства

460 кузнечного производства, Маштиз, 1962, стр.296].

Недостатком этого устройства тепловой обработки металла с прямым нагревом, конструкция которого обеспечивает сжигание смеси топлива и воздуха при стехиометрическом их соотношении (α = 1), является потеря значительного количества металла на угар вследствие

465 окислительной атмосферы продуктов сгорания в отапливаемом (рабочем) пространстве и наводораживание металлов.

Известно также устройство тепловой обработки металла в пламенной печи косвенного нагрева [патент США N° 4878480], включающее отапливаемое пространство в виде радиационной трубы с двумя горелками для

470 сжигания газового топлива в смеси с воздухом, снабженной окнами вывода продуктов сгорания.

При использовании в пламенной печи указанного устройства косвенного нагрева обрабатываемый металл размещен в рабочем пространстве вне радиационной трубы, не находится в атмосфере продуктов сгорания и не

475 подвергается угару и/или наводораживанию. Однако имеет место угар металла внутренних стенок радиационной трубы, расположенных в отапливаемом пространстве и подверженных воздействию продуктов сгорания. Это снижает срок службы радиационной трубы, увеличивает эксплуатационные расходы и себестоимость обработки металла, что является недостатком описанного

480 устройства.

Известно другое устройство тепловой обработки металла в пламенной печи косвенного нагрева [заявка на патент на изобретение РФ N° 93052328, опублик. 27.09.1996г., C21C 5/28], включающее отапливаемое пространство с окном вывода продуктов сгорания (емкость ковша), несколько горелок для

485 сжигания газового топлива в смеси с воздухом при определенном соотношении топлива и нагретого воздуха и размещенный в отапливаемом пространстве тигель с подвергаемым расплавлению металлическим ломом.

Это устройство имеет недостаток, заключающийся в снижении срока службы тигля, внешние металлические стенки которого подвержены

490 воздействию продуктов сгорания, и, соответственно, в повышении эксплуатационных расходов и себестоимости обработки металла.

Наиболее близким к первому варианту изобретения-устройства является устройство отопления пламенной печи с открытым пламенем (прямой нагрев) для безокислительного нагрева стальных заготовок [вышеуказ.

495 М.А.Касенков, Нагревательные устройства кузнечного производства, Машгиз, 1962, cтp.296-297, фиг.178], включающее отапливаемое, оно же рабочее пространство с окнами (каналами) вывода горячих продуктов сгорания, две работающие попеременно в циклическом импульсном режиме горелки для сжигания газового топлива в смеси с предварительно нагретым

500 воздухом при соотношении топлива и нагретого воздуха, характеризуемом значением коэффициента избытка нагретого воздуха, меньшим единицы (малоокислительный нагрев), и систему нагрева воздуха и подачи его поочередно по крайней мере в одну из горелок в необходимом количестве, включающую два регенератора (регенеративные насадки), каждая из

505, регенеративных насадок в одном цикле работы устройства отопления пламенной печи является средством для нагрева указанных теплопередающих элементов горячими продуктами сгорания, в другом цикле - средством для нагрева воздуха нагретыми в предыдущем цикле теплопередающими элементами. Устройство содержит систему управления и коммутации,

510 включающую каналы с клапанами, соответствующим образом подключенные к регенеративным насадкам, горелкам и дымососу, обеспечивающую попеременное движение продуктов сгорания и воздуха через регенеративные насадки, подачу нагретого воздуха по крайней мере в одну из двух горелок и отвод в дымосос продуктов сгорания, то - есть, система управления и

515 коммутации выполнена с возможностью осуществления регенеративными насадками циклически изменяемых функций.

Конструктивным выполнением рассматриваемого устройства, обеспечивающим подачу в горелки нагретого воздуха в необходимом для

малоокислительного нагрева количестве (при заданном коэффициенте

520 избытка воздуха, меньшем единицы), является наличие во внутреннем пространстве каждой регенеративной насадки теплопередающих элементов в виде металлических труб или шариков, объем (масса) которых достаточна для нагрева требуемого количества воздуха в единицу времени.

Обеспечение указанным устройством— прототипом малоокислительного

525 процесса нагрева металла уменьшает угар металла, но не предотвращает наводораживание, например, титана и его сплавов, а также имеет недостаток, заключающийся в повышенном содержании угарного газа вследствие неполного сгорания топлива в отапливаемом пространстве. Это вызывает необходимость герметизации конструкции пламенной печи, что

530 требует повышенных капитальных затрат, а реализованное в указанном устройстве дожигание продуктов сгорания в нижней части регенераторов вызывает перерасход топлива.

Другой разновидностью прототипа первого варианта изобретения является опытное устройство отопления пламенной печи прямого нагрева

535 [И.М.Дистергефт, Г.М.Дружинин, В.И.Щербинин, Опыт ВНИИМТ в разработке регенеративных систем отопления для металлургических агрегатов, "Сталь", 2000, N°7, стр.86-87, pиc.2]. Устройство включает отапливаемое, оно же рабочее пространство (камера горения), работающую в двухцикловом импульсном режиме регенеративную горелку для сжигания газового топлива в

540 смеси с воздухом, газоход для отвода охлажденных продуктов сгорания в одном цикле работы, боров для отвода горячих продуктов сгорания в другом цикле работы, а также систему нагрева воздуха и подачи его в регенеративную горелку в импульсном режиме в необходимом количестве, включающую регенеративную насадку. Наличие во внутреннем пространстве

545 регенеративной насадки теплопередающих элементов обеспечивает нагрев требуемого количества воздуха в единицу времени для поддержания необходимого коэффициента избытка воздуха. Регенеративная насадка в одном цикле работы устройства отопления пламенной печи является средством для нагрева размещенных в ней теплопередающих элементов

550 горячими продуктами сгорания, после охлаждения в насадке уходящими в газоход, в другом цикле - средством для нагрева воздуха нагретыми в предыдущем цикле теплопередающими элементами. Устройство содержит систему управления и коммутации, включающую каналы и клапаны, выполненную с возможностью осуществления регенеративной насадкой

555 циклически изменяемых функций. Система управления и коммутации обеспечивает в одном цикле движение через регенеративную насадку продуктов сгорания из форкамеры-смесителя для нагрева теплопередающих элементов насадки, и отвод в газоход охлажденных продуктов сгорания этого цикла, а в другом цикле - подачу через регенеративную насадку в

560 противоположном направлении нагреваемого воздуха, далее поступающего в регенеративную горелку в смеси с топливом для образования в камере сгорания продуктов сгорания, передаваемых через боров для полезного использования. Система управления и коммутации выполнена с возможностью осуществления регенеративной насадкой циклически изменяемых функций.

565 Недостатком этого прототипа первого варианта устройства тепловой обработки металла с прямым нагревом является потеря значительного количества металла садки на угар вследствие окислительной атмосферы продуктов сгорания и наводораживание металлов. При использовании в рассматриваемом устройстве косвенного нагрева недостатком является

570 наличие угара металла муфеля, что влечет уменьшение срока службы муфеля (радиационной трубы, тигля), увеличение эксплуатационных расходов и себестоимости обработки металла. Кроме того, вследствие использования ограниченных значений коэффициента избытка воздуха в устройстве отопления пламенной печи имеет место подача в отапливаемое пространство

575 печи или в радиационную трубу ограниченных объемов топливо-воздушной смеси, что ограничивает и скорость перемещения продуктов сгорания в отапливаемом пространстве и радиационной трубе. Результатом является пониженное значение конвективной составляющей теплообмена, увеличенное время нагрева обрабатываемых металлических и неметаллических изделий и

580 пониженная производительность печи. Результатом ограниченной скорости

перемещения продуктов сгорания является также неравномерность распределения температур, как по рабочему пространству печи, так и по садке (подвергаемым тепловой обработке изделиям), что снижает качество тепловой обработки изделий.

585 Задачей изобретения - устройства отопления пламенной печи прямого или косвенного нагрева по первому варианту является снижение угара и уровня наводораживания металлов в процессе их тепловой обработки в пламенных печах (при прямом нагреве садки) и повышение срока службы муфеля (радиационной трубы, тигля), уменьшение эксплуатационных

590 расходов и себестоимости обработки металла (при косвенном нагреве садки), а также повышение производительности печи и качества тепловой обработки изделий.

Наиболее близким ко второму и третьему вариантам изобретения- устройства является устройство отопления пламенной печи прямого нагрева

595; [Г.М.Дружинин, И.М.Дистергефт, В.А.Леонтьев и др., Основные направления реконструкции кольцевой печи для нагрева заготовок, Сталь, 2005, N°3, cтp.65- 67, рис.l]. Указанное устройство включает отапливаемое пространство, являющееся и рабочим пространством для размещения нагреваемого металла, две горелки для сжигания газового или жидкого топлива в смеси с

600 предварительно нагретым воздухом при определенном соотношении топлива и нагретого воздуха, характеризуемом соответствующим значением коэффициента избытка воздуха, систему нагрева воздуха и подачи его в каждую горелку в необходимом количестве, канал подачи газового или жидкого топлива, канал вывода наружу охлажденных продуктов сгорания, а

60$ также систему управления и коммутации. Система нагрева воздуха и подачи его в каждую горелку в необходимом количестве включает канал подачи извне воздуха и две регенеративных насадки, каждая из которых имеет внутреннее пространство с двумя вводными-выводными окнами, заполненное слоем теплопередающих элементов определенного объема. Каждая из

610 регенеративных насадок в одном цикле работы устройства отопления пламенной печи является средством для нагрева указанных теплопередающих

элементов горячими продуктами сгорания, в другом цикле - средством для нагрева воздуха нагретыми в предыдущем цикле теплопередающими элементами. Каждая из горелок в одном цикле работы устройства отопления

615 пламенной печи выполняет функцию горелки, а в другом цикле работы устройства отопления пламенной печи выполняет функцию окна вывода горячих продуктов сгорания из отапливаемого пространства. При этом система управления и коммутации выполнена с возможностью осуществления горелками и регенеративными насадками циклически изменяемых функций. А

620 именно, система управления и коммутации обеспечивает в каждом цикле работы устройства отопления пламенной печи соединение канала подачи газового или жидкого топлива с одной из горелок, соединение другой горелки с одним из вводных-выводных окон внутреннего пространства одной из регенеративных насадок, соединение другого из вводных-выводных окон этой

625 регенеративной насадки с каналом вывода наружу охлажденных продуктов сгорания, соединение канала подачи извне воздуха с одним из вводных- выводных окон внутреннего пространства другой из регенеративных насадок и соединение другого из вводных-выводных окон этой насадки с той из горелок, с которой соединен канал подачи газового или жидкого топлива.

630 Объем слоя теплопередающих элементов в виде корундовых шаров, заполняющих внутреннее пространство каждой регенеративной насадки, определяет производительность по подаче нагретого воздуха к каждой горелке и величину коэффициента избытка воздуха, обеспечивающую окислительную атмосферу в отапливаемом пространстве, в котором размещается

635 подвергаемый тепловой обработке металл.

Недостатком описанного прототипа второго и третьего вариантов изобретения - устройства тепловой обработки металла в пламенной печи прямого нагрева является потеря значительного количества металла на угар вследствие окислительной атмосферы продуктов сгорания (α

640 приблизительно равно 1) и наводораживание металлов.

Другой разновидностью устройства-прототипа второго и третьего варианта изобретения является устройство тепловой обработки металла в

пламенной печи косвенного нагрева [И.М.Дистергефт, Г.М.Дружинин, В.И.Щербинин, Опыт ВНИИМТ в разработке регенеративных систем

645 отопления для металлургических агрегатов, "Сталь", 2000, N°7, cтp.87-88, pиc.5]. Указанное устройство включает отапливаемое пространство в виде радиационной трубы с двумя горелками для сжигания газового или жидкого топлива в смеси с предварительно нагретым воздухом при определенном соотношении топлива и нагретого воздуха, характеризуемом

650 соответствующим значением коэффициента избытка воздуха, систему нагрева воздуха и подачи его в каждую горелку в необходимом количестве, канал подачи газового или жидкого топлива, канал вывода наружу охлажденных продуктов сгорания, а также систему управления и коммутации. Система нагрева воздуха и подачи его в каждую горелку в необходимом

655 количестве включает канал подачи извне воздуха и две регенеративных насадки, каждая из которых имеет внутреннее пространство с двумя вводными-выводными окнами, заполненное слоем теплопередающих элементов определенного объема. Каждая из регенеративных насадок в одном цикле работы устройства отопления пламенной печи является средством для

660 нагрева указанных теплопередающих элементов горячими продуктами сгорания, в другом цикле - средством для нагрева воздуха нагретыми в предыдущем цикле теплопередающими элементами. Каждая из горелок в одном цикле работы устройства отопления пламенной печи выполняет функцию горелки, а в другом цикле работы устройства отопления пламенной

665 печи выполняет функцию окна вывода горячих продуктов сгорания из отапливаемого пространства. При этом система управления и коммутации выполнена с возможностью осуществления горелками и регенеративными насадками циклически изменяемых функций. А именно, система управления и коммутации обеспечивает в каждом цикле работы устройства отопления

670 пламенной печи соединение канала подачи газового или жидкого топлива с одной из горелок, соединение другой горелки с одним из вводных-выводных окон внутреннего пространства одной из регенеративных насадок, соединение другого из вводных-выводных окон этой регенеративной насадки с каналом

вывода наружу охлажденных продуктов сгорания, соединение канала подачи

675 извне воздуха с одним из вводных-выводных окон внутреннего пространства другой из регенеративных насадок и соединение другого из вводных- выводных окон этой насадки с той из горелок, с которой соединен канал подачи газового или жидкого топлива. Объем слоя теплопередающих элементов в виде корундовых шаров, заполняющих внутреннее пространство

680 каждой регенеративной насадки, определяет величину коэффициента избытка воздуха, обеспечивающую окислительную атмосферу в отапливаемом пространстве внутри радиационной трубы. Подвергаемый тепловой обработке металл, размещен в рабочем пространстве вне радиационной трубы.

Недостатком описанного прототипа второго и третьего вариантов

685 изобретения - устройства тепловой обработки металла в пламенной печи косвенного нагрева является наличие угара металла стенок радиационной трубы, расположенных в отапливаемом пространстве печи косвенного нагрева, что ведет к снижению срока службы радиационной трубы, увеличению эксплуатационных расходов и себестоимости обработки

690 металла. Кроме того, вследствие использования ограниченных значений коэффициента избытка воздуха, в устройстве отопления пламенной печи имеет место подача в отапливаемое пространство печи или в радиационную трубу ограниченных объемов топливо-воздушной смеси, что ограничивает и скорость перемещения продуктов сгорания в отапливаемом пространстве и

695 радиационной трубе. Результатом является пониженное значение конвективной составляющей теплообмена, увеличенное время нагрева обрабатываемых металлических и неметаллических изделий и пониженная производительность печи. Результатом ограниченной скорости перемещения продуктов сгорания является также неравномерность распределения

700 температур как по рабочему пространству печи, так и по садке (подвергаемым тепловой обработке изделиям), что снижает качество тепловой обработки изделий.

Задачей изобретения - устройства отопления пламенной печи по второму и третьему вариантам является для печи прямого нагрева снижение

705 уровня угара и уровня наводораживания садки (обрабатываемых металлов), в том числе сплавов алюминия, титана, железа, а для печи косвенного нагрева - повышение срока службы радиационной трубы (тигля), уменьшение эксплуатационных расходов и себестоимости обработки металла. Кроме того, задачей изобретения является увеличение производительности печи и

710 повышение качества тепловой обработки изделий.

В регенеративных пламенных печах для тепловой обработки металлов, отапливаемых сжигаемой смесью жидкого или газообразного топлива и нагретого воздуха, используются регенеративные насадки, каждая из которых включает внутреннее пространство с двумя вводными-выводными окнами,

715 заполненное слоем теплопередающих элементов [например, вышеуказ. М.А.Касенков, cтp.296-297, фиг.178]. Конструкции регенеративных насадок и принципы их функционирования одинаковы для известных типов пламенных печей прямого и косвенного нагрева. Регенеративная насадка предназначена для осуществления работы в два цикла. В одном цикле насадка

72Q является средством для нагрева теплопередающих элементов продуктами сгорания сжигаемой смеси, а в другом цикле насадка является средством для нагрева воздуха теплопередающими элементами. При использовании регенеративной насадки в пламенной печи ее вводные-выводные окна соединены через соответствующую систему переключения (перекидные,

725 .запорные клапаны) с каналом подачи горячих продуктов сгорания из отапливаемого пространства пламенной печи, каналом отвода охлажденных продуктов сгорания, каналом подачи воздуха и каналом подачи нагретого воздуха в горелку.

Известные регенеративные насадки предназначены для

730 использования в пламенных печах для нагрева металлов при сжигании смеси топлива и воздуха в стехиометрическом их соотношении (α = 1), при малоокислительном нагреве (α меньше 1), а также при обычном для существующей практики диапазоне значений коэффициента избытка нагретого воздуха (как показано выше, не превышающих значение 2,0).

735 Этим обусловлен конструктивный недостаток каждой известной

регенеративной насадки, заключающийся в наличии во внутреннем пространстве такой насадки теплопередающих элементов в определенном объеме, заданном обеспечением нагрева в насадке того количества воздуха, которое требуется для сжигания в горелке (горелках) смеси топлива и

740 воздуха при заданном значении коэффициенте избытка воздуха, находящемся в вышеуказанных пределах. В конечном итоге использование известных регенеративных насадок в пламенных печах для нагрева металлов обусловливает потерю значительного количества металла на угар вследствие окислительной атмосферы продуктов сгорания,

745 обезуглероживание поверхностных слоев стальных заготовок и наводораживание металлов.

Наиболее близкой к предложенным техническим решениям является регенеративная насадка пламенной печи, отапливаемой смесью жидкого или газообразного топлива и нагретого воздуха, включающая внутреннее

750 пространство с двумя вводными-выводными окнами, заполненное слоем теплопередающих элементов в виде металлических или корундовых шаров. Регенеративная насадка в одном цикле работы осуществляет функцию средства для нагрева указанных теплопередающих элементов продуктами сгорания, в другом цикле - является средством для нагрева воздуха нагретыми

755 в предыдущем цикле теплопередающими элементами [И.М.Дистергефт и др., Регенеративные системы отопления для нагревательных печей прокатного и кузнечного производств (история развития, теория и практика), сб. науч. тр. Металлургическая теплотехника, том 5, Министерство образования и науки Украины/Национальная металлургическая академия Украины,

760 Днепропетровск, 2002, cтp.44÷57].

Конструктивным недостатком рассматриваемой регенеративной насадки, как и вышеупомянутых насадок, является наличие в ее внутреннем пространстве теплопередающих элементов в определенном объеме, обеспечивающем нагрев в насадке того количества воздуха, которое

765 требуется для сжигания в горелке (горелках) смеси топлива и воздуха при заданном значении коэффициенте избытка воздуха, находящемся в

обычных известных вышеуказанных пределах (значение α не более 2,0). Использование этой регенеративной насадки в пламенных печах прямого или косвенного нагрева металлов обусловливает потерю металла садки или

770 муфеля на угар и наводораживание металлов. Вследствие того, что указанная известная регенеративная насадка при использовании ее в пламенной печи из- за ограниченности объема теплопередающих элементов обеспечивает подачу в отапливаемое пространство печи или в радиационную трубу ограниченных объемов топливо-воздушной смеси, ограничивается скорость перемещения

775 продуктов сгорания в отапливаемом пространстве печи и в радиационной трубе. В результате имеют место пониженное значение конвективной составляющей теплообмена, увеличенное время нагрева обрабатываемых металлических и неметаллических изделий и пониженная производительность печи. Результатом ограниченной скорости перемещения продуктов сгорания

780 является также неравномерность распределения температур как по рабочему пространству печи, так и по садке (подвергаемым тепловой обработке изделиям), что снижает качество тепловой обработки изделий.

Задачей группы изобретений - трех вариантов регенеративной насадки для пламенной печи прямого или косвенного нагрева,

785, отапливаемой смесью жидкого или газового топлива и нагретого воздуха, является повышение качества подвергаемого тепловой обработке металла (садки) путем снижения угара металла в процессе его тепловой обработки в пламенной печи и снижения уровня наводораживания металлов, в том числе сплавов алюминия, титана и железа. При использовании регенеративных

790 насадок в печах прямого нагрева указанное снижение угара и наводораживания относится к обрабатываемым в печах металлам и изделиям (то - есть, к садке), а в печах косвенного нагрева - к металлическим стенкам радиационных труб или тиглей, при этом задачей изобретения является также повышение срока службы указанных радиационных труб и тиглей и

795 соответствующее снижение расходов на обработку металлов и себестоимости термической обработки этих металлов.

Наконец, задачей изобретений - трех вариантов регенеративной насадки для пламенной печи является увеличение производительности печи и повышение качества тепловой обработки изделий.

800 Указанные задачи являются общими для всех предложенных изобретений и их вариантов.

Поставленные задачи решены с помощью представленных ниже новых технических решений: трех вариантов способа и нескольких устройств для осуществления способов — трех вариантов устройства отопления пламенной 805 печи и трех вариантов регенеративной насадки пламенной печи.

Раскрытие изобретения

Для решения вышеуказанных задач предложены нижеописанные способы и устройства, имеющие отличия по сравнению с их прототипами.

810 Способ тепловой обработки металла в пламенной печи прямого или косвенного нагрева (первый вариант способа), основанный на сжигании смеси жидкого или газообразного топлива и нагретого воздуха при определенном значении коэффициента избытка воздуха, отличается тем, что сжигание указанной смеси топлива и воздуха производят при значении

815 коэффициента избытка воздуха, превышающем значение 2,0 и устанавливаемом преимущественно в диапазоне до 6,0.

Способ тепловой обработки металла в пламенной печи прямого или косвенного нагрева нагрева (второй вариант способа), основанный на сжигании смеси жидкого или газообразного топлива и нагретого воздуха,

82Q включающий нагрев металла до промежуточной температуры, последующий нагрев металла до рабочей температуры и выдержку при рабочей температуре, при этом сжигание указанной смеси топлива и нагретого воздуха производят, по крайней мере, при нагреве металла до промежуточной температуры, при коэффициенте избытка воздуха, не

825 превышающем значения 2,0, отличается тем, что нагрев обрабатываемого металла до рабочей температуры производят при увеличении коэффициента избытка воздуха до значения, превышающего значение 2,0 и

находящегося преимущественно в диапазоне до 6,0, а выдержку при рабочей температуре осуществляют при постоянном или изменяемом

830 значении коэффициента избытка воздуха, превышающем значение 2,0, и находящемся преимущественно в диапазоне до 6,0.

Способ сжигания смеси жидкого или газообразного топлива и нагретого воздуха в пламенной печи прямого или косвенного нагрева при определенном значении коэффициента избытка воздуха нагрева (третий

835 вариант способа) отличается тем, что сжигание указанной смеси топлива и воздуха производят при значении коэффициента избытка воздуха, превышающем значение 2,0 и устанавливаемом преимущественно в диапазоне до 6,0.

Устройство отопления пламенной печи прямого или косвенного

840 нагрева нагрева (первый вариант устройства печи), включающее отапливаемое пространство с окном вывода продуктов сгорания, по крайней мере одну горелку для сжигания газового или жидкого топлива в смеси с нагретым воздухом при определенном соотношении топлива и нагретого воздуха, характеризуемом соответствующим значением коэффициента

845 избытка воздуха, и систему нагрева воздуха и подачи его в каждую горелку в необходимом количестве отличается тем, что система нагрева воздуха и подачи его в каждую горелку в необходимом количестве выполнена конструктивно с обеспечением возможности нагрева и подачи воздуха в количестве, обеспечивающем значение коэффициента избытка воздуха,

850 превышающее значение 2,0 и устанавливаемое преимущественно в диапазоне до 6,0.

Устройство отопления пламенной печи прямого или косвенного нагрева (второй вариант устройства печи), включающее отапливаемое пространство, две горелки для сжигания газового или жидкого топлива в

855 смеси с нагретым воздухом при определенном соотношении топлива и нагретого воздуха, характеризуемом соответствующим значением коэффициента избытка воздуха, канал подачи газового или жидкого топлива, канал вывода наружу охлажденных продуктов сгорания, систему нагрева

воздуха и подачи его . в каждую горелку, включающую канал подачи извне

860 воздуха и две регенеративных насадки, каждая из которых имеет внутреннее пространство с двумя вводными-выводными окнами, заполненное слоем теплопередающих элементов определенного объема, и систему управления и коммутации указанных каналов, горелок и регенеративных насадок, выполненную с возможностью осуществления горелками и регенеративными

865 насадками циклически изменяемых функций, а именно, осуществления каждой из регенеративных насадок в одном цикле работы устройства отопления пламенной печи функции средства для нагрева указанных теплопередающих элементов горячими продуктами сгорания, в другом цикле - функции средства для нагрева воздуха нагретыми в предыдущем цикле

870 теплопередающими элементами, и осуществления каждой из горелок в одном цикле работы устройства отопления пламенной печи функции горелки, а в другом цикле - функции окна вывода продуктов сгорания из отапливаемого пространства, отличается тем, что внутреннее пространство каждой регенеративной насадки заполнено таким слоем теплопередающих элементов,

875 объем которого соответствует соотношению:

V = K « α - B ь

где: V - объем слоя теплопередающих элементов, заполняющих внутреннее 880 пространство регенеративной насадки, м ³ ;

К - коэффициент пропорциональности, зависящий от вида топлива, вида и размера теплопередающих элементов, температуры воздуха и продуктов сгорания во вводных-выводных окнах регенеративной насадки, длительности цикла работы устройства отопления пламенной печи, ч; 885 α - коэффициент избытка воздуха, выбираемый в зависимости от требуемого режима термической обработки в пламенной печи, превышающий значение 2,0 и устанавливаемый преимущественно в диапазоне до 6,0, безразмерная величина;

B ₁ — расход топлива (газа или жидкого топлива) на горелку при α = 1, м /ч.

890 Устройство отопления пламенной печи прямого или косвенного нагрева (третий вариант устройства печи), включающее отапливаемое пространство, две горелки для сжигания газового или жидкого топлива в смеси с нагретым воздухом при определенном соотношении топлива и нагретого воздуха, характеризуемом соответствующим значением

895 коэффициента избытка воздуха, и две регенеративных насадки, каждая из которых имеет внутреннее пространство с двумя вводными-выводными окнами, заполненное слоем теплопередающих элементов определенного объема, каждая из горелок через вентиль соединена с каналом подачи газового или жидкого топлива, а также соединена с одним из вводных-выводных окон

900 одной из регенеративных насадок, другое вводное-выводное окно каждой насадки соединено с каналом подачи воздуха и с каналом отвода продуктов сгорания через индивидуальный для каждой насадки трехвходовый перекидной клапан или через общий для обоих насадок четырехвходовый перекидной клапан,, отличается тем, что внутреннее пространство каждой

905 регенеративной насадки заполнено таким слоем теплопередающих элементов, объем которого соответствует соотношению:

V = K - Ci - B ь

910 где: V - объем слоя теплопередающих элементов, заполняющих внутреннее пространство регенеративной насадки, м ³ ;

К — коэффициент пропорциональности, зависящий от вида топлива, вида и размера теплопередающих элементов, температуры воздуха и продуктов сгорания во вводных-выводных окнах регенеративной насадки, длительности

915 цикла работы устройства отопления пламенной печи, ч; α - коэффициент избытка воздуха, выбираемый в зависимости от требуемого режима термической обработки в пламенной печи, превышающий значение 2,0 и устанавливаемый преимущественно в диапазоне до 6,0, безразмерная величина;

920 B ₁ - расход топлива (газа или жидкого топлива) на горелку при α = 1 , м ³ /ч.

Регенеративная насадка пламенной печи прямого или косвенного нагрева (первый вариант насадки), отапливаемой сжигаемой смесью жидкого или газообразного топлива и нагретого воздуха при определенном соотношении топлива и нагретого воздуха, характеризуемом

925 соответствующим значением коэффициента избытка воздуха, включающая внутреннее пространство с двумя вводными-выводными окнами, заполненное определенного объема слоем теплопередающих элементов, отличается тем, что внутреннее пространство регенеративной насадки заполнено таким слоем теплопередающих элементов, объем которого соответствует соотношению:

930

V = K - α ^« Bi,

где: V - объем слоя теплопередающих элементов, заполняющих внутреннее пространство регенеративной насадки, м ³ ; 935 К - коэффициент пропорциональности, зависящий от вида топлива, вида и размера теплопередающих элементов, температуры воздуха и продуктов сгорания во вводных-выводных окнах регенеративной насадки, длительности цикла работы устройства отопления пламенной печи, ч; α - коэффициент избытка воздуха, выбираемый в зависимости от 940 требуемого режима термической обработки в пламенной печи, превышающий значение 2,0 и устанавливаемый преимущественно в диапазоне до 6,0, безразмерная величина;

B ₁ - расход топлива (газа или жидкого топлива), приходящийся на регенеративную насадку, при α = 1, м ³ /ч. 945 Регенеративная насадка пламенной печи прямого или косвенного нагрева (второй вариант насадки), отапливаемой сжигаемой смесью жидкого или газообразного топлива и нагретого воздуха при определенном соотношении топлива и нагретого воздуха, характеризуемом соответствующим значением коэффициента избытка воздуха, включающая 950 внутреннее пространство, заполненное тешюпередающими элементами и соединенное с расположенным под ним поднасадочным пространством,

причем указанное внутреннее пространство имеет в верхней части одно вводное-выводное окно, а указанное поднасадочное пространство имеет другое вводное-выводное окно с запорным клапаном, отличается тем, что

955 заполненное теплопередающими элементами внутреннее пространство выполнено в виде нескольких, по крайней мере, двух, расположенных друг под другом секций, каждая из которых, за исключением самой нижней секции, соединена с нижележащей секцией с помощью расположенного между этими секциями дополнительного поднасадочного пространства, каждое из которых

960 имеет дополнительное вводное-выводное окно с дополнительным запорным клапаном, каждая секция внутреннего пространства заполнена определенного объема слоем 'теплопередающих элементов, суммарный объем которых соответствует соотношению:

965 V _m8x = K - Om _8x - Bi,

где: V _max - суммарный объем слоев теплопередающих элементов всех секций внутреннего пространства регенеративной насадки, м ;

К — коэффициент пропорциональности, зависящий от вида топлива, вида и 970 размера теплопередающих элементов, температуры воздуха и продуктов сгорания во вводных-выводных окнах регенеративной насадки, длительности цикла работы устройства отопления пламенной печи, ч;

<X _max - максимальный коэффициент избытка воздуха регенеративной насадки, выбираемый в зависимости от требуемого режима термической 975 обработки в пламенной печи, превышающий значение 2,0 и устанавливаемый преимущественно в диапазоне до 6,0, безразмерная величина;

B ₁ - расход топлива (газа или жидкого топлива), приходящийся на регенеративную насадку, при α = 1, м ³ /ч; 980 при этом максимальный коэффициент избытка воздуха регенеративной насадки и коэффициенты избытка воздуха для каждой секции внутреннего пространства регенеративной насадки связаны между собой соотношением:

Сlmах ^ OCi _>

985 где α; - выбранное значение коэффициента избытка воздуха i-й секции внутреннего пространства регенеративной насадки, величина безразмерная; i - порядковый номер секции внутреннего пространства регенеративной насадки, принимает значения от 1 до п, причем п равно числу секций 990 внутреннего пространства регенеративной насадки; а объем слоя теплопередающих элементов, заполняющих каждую из секций внутреннего пространства, соответствует соотношению:

Vi = K ^ a ₁ - Bi, 995 где Vj - объем слоя теплопередающих элементов i-й секции внутреннего пространства регенеративной насадки, м ³ ; переменная i и члены К, B ₁ определены выше.

Регенеративная насадка пламенной печи прямого или косвенного

1000 нагрева (третий вариант насадки), отапливаемой сжигаемой смесью жидкого или газообразного топлива и нагретого воздуха при определенном соотношении топлива и нагретого воздуха, характеризуемом соответствующим значением коэффициента избытка воздуха, включающая заполненное слоем определенного объема теплопередающих элементов первое

1005 внутреннее пространство с двумя вводными-выводными окнами, верхнее из которых соединено с верхним вводным-выводным окном регенеративной насадки, а нижнее имеет первый запорный клапан, отличается тем, что регенеративная насадка снабжена, по крайней мере, одним дополнительным, заполненным слоем определенного объема

1010 теплопередающих элементов, внутренним пространством со своим поднасадочным пространством и с верхним и нижним вводными-выводными окнами, верхнее из которых соединено с верхним вводным-выводным окном

регенеративной насадки, а нижнее снабжено дополнительным запорным клапаном, при этом суммарный объем слоев теплопередающих элементов 1015 всех внутренних пространств регенеративной насадки соответствует соотношению:

Vmах — К ^• ССщах * B _1n

1020 где: V _max - суммарный объем слоев теплопередающих элементов всех внутренних пространств регенеративной насадки, м ³ ;

К - коэффициент пропорциональности, зависящий от вида топлива, вида и размера теплопередающих элементов, температуры воздуха и продуктов сгорания во вводных-выводных окнах регенеративной насадки, длительности 1025 цикла работы устройства отопления пламенной печи, ч; ос _тах - максимальный коэффициент избытка воздуха регенеративной насадки, выбираемый в зависимости от требуемого режима термической обработки в пламенной печи, превышающий значение 2,0 и устанавливаемый преимущественно в диапазоне до 6,0, безразмерная

1030 величина;

B ₁ - расход топлива (газа или жидкого топлива), приходящийся на регенеративную насадку, при α = 1, м /ч; при этом максимальный коэффициент избытка воздуха регенеративной насадки и коэффициенты избытка воздуха для каждого внутреннего 1035 пространства регенеративной насадки связаны между собой соотношением:

где оц - выбранное значение коэффициента избытка воздуха i-го внутреннего 1040 пространства регенеративной насадки, величина безразмерная;

i - порядковый номер внутреннего пространства регенеративной насадки, принимает значения от 1 до п, причем п равно числу внутренних пространств регенеративной насадки; а объем слоя теплопередающих элементов, заполняющих каждое из 1045 внутренних пространств, соответствует соотношению:

Vi = К • оti • B ₁ ,

где Vj — объем слоя теплопередающих элементов i-го внутреннего

1050 пространства регенеративной насадки, м ³ ; переменная i и члены К, B ₁ определены выше.

Новизну всех предложенных способов и устройств отражают введенные в прототипы новые технические признаки, связанные с обеспечением значений коэффициента избытка воздуха α, превышающих

1055 значение 2,0 и устанавливаемых преимущественно в диапазоне до 6,0. Для способов эти новые технические признаки являются новыми режимами осуществления предложенных способов, а для устройств - новыми конструктивными особенностями, описанными функционально для системы нагрева воздуха пламенной печи по первому варианту устройства

1060 отопления или характеризующими (для остальных вариантов устройств) объем теплопередающих элементов, расположенных во внутренних пространствах (или секциях) регенеративных насадок пламенных печей.

Основываясь на данных, экспериментально полученных авторами настоящего изобретения, приводим ниже новый, неожиданный с точки зрения

1065 уровня техники, непрогнозируемый ранее технический результат от использования предложенных технических решений, реализующих в печах прямого и косвенного нагрева сжигание топлива при высоких значениях коэффициента избытка воздуха (α больше 2,0). Полученный интересный технический результат позволяет по новому взглянуть на эффективность

1070 существующих методов борьбы с окалинообразованием, обезуглероживанием

и наводораживанием металлов и указывает на существование комплексного подхода к решению этих проблем.

Использование всех предложенных вариантов способа и устройств для тепловой обработки в пламенной печи прямого или косвенного нагрева

1075 металлов и изделий (слитков, заготовок и т.п.) из стали и цветных металлов, в частности, титановых сплавов, обеспечивает, как показано в нижеприведенных примерах осуществления способа, значительное снижение по сравнению с прототипом угара металла: для стали Ст 10 до 40%, для титанового сплава Ti - 6 Al - 4V почти в 2,5 раза.

1080 Пониженный уровень угара металла при нагреве по предлагаемому изобретению соизмерим с уровнем угара, получаемым при нагреве в электрической печи в атмосфере воздуха; однако удельная стоимость затрат на нагрев 1 тонны изделий при отоплении печей природным газом в несколько раз ниже, чем удельная стоимость электрического нагрева [указ. выше

1085 М.А.Касенков, cтp.434-435, а также статья "Вопросы энергосбережения при нагреве изделий из титановых и алюминиевых сплавов перед обработкой давлением", Казяев M. Д., Маркин В. П., Лисиенко В. Г., Лошкарев H. Б., Киселев E. В., Савельев В. А., Цимерлинг В., Я., сборник Теплофизика и информатика в металлургии: проблемы и достижения, Материалы

1090 международной конференции к 300-летию металлургии Урала, 80-летию металлургического факультета и кафедры "Теплофизика и информатика в металлургии", Екатеринбург, 2000, cтp.265÷272].

Кроме этого, обеспечивается снижение наводораживания металлов и их сплавов, например, титана и титановых сплавов, магния и магниевых сплавов,

1095 стали.

Указанный технический результат в предложенных способах и устройствах прямого и косвенного нагрева достигается за счет обеспечения соответствующего состава атмосферы (газовой фазы) продуктов сгорания смеси горячего воздуха с жидким или газообразным топливом при

1100 предложенных значениях коэффициента избытка воздуха α, превышающих значение 2,0. В частности, выявленное уменьшение концентрации

(парциального давления) паров воды, даже при увеличении .концентрации (парциального давления) кислорода, является причиной уменьшения угара и наводораживания металлов.

1105 Использование предложенных способов и устройств в отражательных пламенных печах прямого нагрева для плавки цветных металлов также позволит увеличить выход годного металла за счет уменьшения угара.

Использование предложенных способов и устройств в пламенных печах косвенного нагрева за счет снижения угара стенок муфелей (радиационных

1110 труб, тиглей) обеспечивает повышение срока службы муфелей, а также соответствующее снижение эксплуатационных расходов и себестоимости тепловой обработки металлов.

При тепловой обработке металлических и неметаллических изделий предложенными способами и устройствами в пламенных печах прямого или

1115 косвенного нагрева с коэффициентом избытка воздуха, большем 2,0, имеет место подача в отапливаемое пространство печи или в радиационную трубу увеличенных объемов воздуха. При этом за счет повышения скорости перемещения продуктов сгорания в отапливаемом пространстве печи и в радиационной трубе увеличивается конвективная составляющая теплообмена.

1120 Это обусловливает сокращение времени передачи тепла от продуктов сгорания к обрабатываемой в пламенной печи продукции и увеличение производительности печи. Сокращение времени нагрева обеспечивает дополнительное снижение угара, обезуглероживания и наводораживания нагреваемых металлов.

1125 За счет пониженной стоимости тепловой обработки металлов при пламенном нагреве и достигнутой соизмеримости уровней угара, получаемых предложенными способами и известным способом нагрева металлов в электрической печи в атмосфере воздуха, обеспечивается расширение области использования предложенного способа и реализующих его устройств,

ИЗО замещение предложенным способом известного способа термической обработки металлов в электрических печах.

Второй вариант способа тепловой обработки металлов в пламенной печи прямого или косвенного нагрева (трехэтапный нагрев с переменным значением α) в сравнении с одноэтапным первым вариантом (с постоянным

1135 значением α) является более экономичным. На первом этапе осуществления второго варианта способа, при нагреве до промежуточной температуры, когда температура поверхности металла достаточно низка (например, для стали не более 650÷800°C и процесс окисления идет слабо, нецелесообразно увеличивать значение коэффициента избытка воздуха и тратить

1140 электроэнергию на подачу-удаление увеличенных количеств воздуха и продуктов сгорания. С увеличением температуры на втором и третьем этапах способа (нагрев до рабочей температуры и выдержка при рабочей температуре) угар возрастает (практически экспоненциально) и с ним уже следует бороться путем увеличения значения коэффициента избытка воздуха

1145 α и подачи в горелку соответствующего дополнительного количества нагретого воздуха. При этом затраты на электроэнергию перекрываются эффектом от снижения окисления металла в печи и соответствующего увеличения выхода годного металла. Аналогичный эффект имеет место и при тепловой обработке наводораживаемых металлов.

1150 Первый вариант устройства отопления пламенной печи прямого или косвенного нагрева является наиболее общим из предложенных устройств, обеспечивающим возможность решения поставленной задачи за счет того, что система нагрева воздуха и подачи его в каждую горелку в необходимом количестве конструктивно выполнена с обеспечением возможности нагрева и

1155 подачи воздуха в количестве, обеспечивающем значение коэффициента избытка воздуха, превышающее значение 2,0 и устанавливаемое преимущественно в диапазоне до 6,0. Этот вариант предусматривает использование в пламенной печи хотя бы одной горелки, подача нагретого воздуха в которую может быть обеспечена как с помощью поочередно

1160 работающих в импульсном режиме регенеративных насадок, так и

использованием для нагрева воздуха рекуператора или электронагревателя в непрерывном режиме.

Второй вариант устройства отопления пламенной печи прямого или косвенного нагрева соответствует решающей задачу изобретения оптимальной

1165 конструкции пламенной печи, включающей две попеременно работающие на сжигание топлива горелки, две регенеративных насадки и систему управления и коммутации, осуществляющую поочередную работу каждой регенеративной насадки на нагрев подаваемого в горелки воздуха (циклический импульсный режим работы), каждая из насадок обеспечивает осуществление

1170 предложенных способов отопления пламенной печи при коэффициенте избытка воздуха α, превышающем значение 2,0 (преимущественно до 6,0).

Третий вариант устройства отопления пламенной печи прямого или косвенного нагрева соответствует решающей задачу изобретения конструкции пламенной печи, включающей две попеременно работающие на сжигание

1175 топлива горелки, две регенеративных насадки и перекидные клапаны (два трехвходовых или один хетырехвходовый), являющиеся одним из исполнений системы коммутации, обеспечивающей поочередную работу каждой регенеративной насадки на нагрев подаваемого в горелки воздуха в циклическом импульсном режиме, каждая из насадок обеспечивает

1180 осуществление предложенных способов отопления пламенной печи при коэффициенте избытка воздуха α, превышающем значение 2,0 (преимущественно до 6,0).

Предложенные варианты регенеративной насадки пламенной печи прямого или косвенного нагрева являются обеспечивающими решение

1185 поставленной задачи элементами (частями) предложенной пламенной печи для нагрева металла.

Первый вариант регенеративной насадки соответствует наиболее общей из предложенных конструкций таких насадок, обеспечивающей осуществление предложенных способов отопления пламенной печи прямого

1190 или косвенного нагрева при коэффициенте избытка воздуха α, превышающем

значение 2,0 (преимущественно до 6,0) при указанном в формуле изобретения объеме теплопередающих элементов во внутреннем пространстве насадки.

Второй вариант регенеративной насадки представляет конструкцию регенеративной насадки с размещением друг под другом нескольких

1195 заполненных теплопередающими элементами секций внутреннего пространства регенеративной насадки, соединенных между собой дополнительными поднасадочными пространствами, так что указанные секции расположены последовательно относительно друг друга и хода через насадку потока нагреваемого воздуха или охлаждающихся продуктов

1200 сгорания сжигаемой смеси топлива и воздуха при указанном объеме теплопередающих элементов в каждой секции внутреннего пространства насадки. Наличие в каждом дополнительном поднасадочном пространстве каждой секции вводного-выводного окна с запорным клапаном обеспечивает возможность включения в работу той или другой

1205 последовательности секций и, соответственно, использование регенеративной насадки во втором варианте предложенного способа при различных коэффициентах избытка воздуха α, включая значения, превышающие значение 2,0 (преимущественно до 6,0).

Третий вариант регенеративной насадки - это конструкция

1210 регенеративной насадки с параллельным относительно друг друга и хода потоков газа размещением нескольких заполненных теплопередающими элементами внутренних пространств регенеративной насадки, каждое из которых имеет свое поднасадочное пространство и вводное-выводное окно с запорным клапаном. Наличие запорного клапана обеспечивает возможность

1215 включение и выключения из процесса нагрева воздуха любого из внутренних пространств насадки, то - есть, возможность применения этой насадки при различных изменяемых в процессе осуществления второго варианта предложенного способа значениях коэффициента избытка воздуха α, в том числе, превышающих значение 2,0 (преимущественно до 6,0).

1220 Таким образом, второй и третий варианты регенеративной насадки могут быть использованы при реализации второго варианта способа тепловой

обработки металлов в пламенной печи прямого или косвенного нагрева, включающего трехэтапный нагрев с переменным значением α. Использование таких регенеративных насадок при нагреве с изменяемым значением

1225 коэффициента избытка воздуха α снижает тепловую инерцию насадки при изменении коэффициента α, так как конструкция этих насадок обеспечивает изменение величины коэффициента α путем физического изменения объема работающих теплопередающих элементов насадки. Это уменьшает влияние нагреваемого в насадке воздуха на температуру в печи,

1230 обеспечивает повышение стабильности поддержания заданного температурного режима термообработки металла.

Краткое описание чертежей Изобретение поясняется чертежами:

1235 фиг.l - блок-схема устройства отопления пламенной печи прямого нагрева для реализации первого и второго вариантов изобретения-устройства с регенеративными насадками по первому варианту их исполнения; фиг.2 - график зависимости угара металла (ось ординат, г/см ) от коэффициента избытка воздуха α (ось абсцисс, безразмерная величина) при 1240 нагреве образцов из стали Ст 10; фиг.З - график зависимости концентрации кислорода O ₂ , углекислого газа CO ₂ и паров воды H ₂ O (ось ординат, %) от коэффициента избытка воздуха α (ось абсцисс, безразмерная величина); фиг.4 — график зависимости угара металла (ось ординат, г/см ) от 1245 коэффициента избытка воздуха α (ось абсцисс, безразмерная величина) при нагреве образцов из титанового сплава Ti - 6 Al - 4V; фиг.5 — график зависимости объема теплопередающих элементов регенеративной насадки в виде корундовых шаров диаметром 20 мм (ось ординат, м ³ ) от расхода топлива, в данном случае, природного газа (ось

1250 абсцисс, м ³ /ч) при значениях коэффициента избытка воздуха α в пределах от

2,0 до 7,0;

фиг.6 — упрощенная блок-схема устройства отопления пламенной печи прямого нагрева по третьему варианту, с двумя горелками, двумя регенеративными насадками, каждая из которых выполнена по первому

1255 варианту регенеративной насадки, и четырехвходовым перекидным клапаном в системе коммутации; фиг.7 - схема регенеративной насадки по второму ее варианту с последовательным размещением и соединением между собой секций внутреннего пространства регенеративной насадки для работы при 1260 различных изменяемых в процессе работы коэффициентах избытка воздуха α; фиг.8 — схема регенеративной насадки по третьему ее варианту с параллельным друг другу размещением внутренних пространств регенеративной насадки для работы при различных изменяемых в процессе работы коэффициентах избытка воздуха α.

1265 фиг.9 - устройство отопления пламенной печи косвенного нагрева с радиационной трубой; фиг.10 - устройство отопления пламенной печи косвенного нагрева с тиглем; фиг.11 - левая часть схемы экспериментальной установки для 1270 осуществления предложенного способа; фиг.12 - правая часть схемы экспериментальной установки для осуществления предложенного способа.

Лучший вариант осуществления изобретения

1275 Представленная на фиг.l печь 1 для тепловой (термической) обработки металла работу с постоянным, не изменяемым в процессе термообработки значением коэффициента избытка воздуха, соответствует первому и второму вариантам устройства отопления пламенной печи прямого нагрева, включающего две горелки, две регенеративных насадки, каждая из которых 1280 выполнена по первому варианту регенеративной насадки, и два трехвходовых перекидных клапана в системе управления и коммутации. При этом оптимально реализуется первый вариант предложенного способа тепловой

обработки металла при постоянном, не изменяемом в процессе термообработки значении коэффициента избытка воздуха α.

1285 Печь 1 поставлена на фундаменте 2 и содержит устройство отопления, включающее отапливаемое (оно же рабочее) пространство 3, в котором на колесах (рельсах) или катках 4 размещена платформа (подина) 5 с термически обрабатываемым металлом 6. В печь 1 могут быть загружены для термической обработки изделия из черных или цветных металлов и их сплавов. Для

1290 обеспечения герметизации отапливаемого пространства 3 между платформой 5 и стенкой отапливаемого пространства 3 имеются песочные замки (затворы) 7. Устройство отопления содержит размещенные в кладке печи 1 горелки: слева первая горелка 8, справа вторая горелка 9. Каждая горелка (8, 9) содержит горелочный камень (соответственно, 10, 11), запальное устройство (на чертеже

1295 не показаны) и канал (газовые фурмы) 12, 13 подачи газообразного топлива, соединенный через управляемый запорный двухвходовый клапан 14, 15 с каналом (общим трубопроводом) 16 подачи в печь 1 газового топлива.

В описываемой конструкции пламенной печи 1 выходное окно (горелочный камень) 17, 18 каждой горелки 8, 9 при включенной горелке

1300 является источником пламени горелки, а при выключенной горелке выполняет роль окна вывода горячих продуктов сгорания из рабочего (отапливаемого) пространства 3 печи 1.

В кладке печи 1 размещены две регенеративных насадки: слева относительно вертикальной оси симметрии печи насадка 19, справа - насадка

1305 20. Каждая из насадок 19, 20 выполнена в виде футерованной камеры с внутренним пространством 21, 22, заполненным теплопередающими элементами, например, в виде слоя корундовых или металлических шаров. Внутреннее пространство 21, 22 каждой насадки 19, 20 имеет верхнее вводное- выводное окно 23, 24 и нижнее вводное-выводное окно 25, 26.

1310 Теплопередающие элементы во внутреннем пространстве 21 (22) каждой насадки 19 (20) уложены на решетку, под которой находится поднасадочное пространство с нижним вводным-выводным окном 25 (26).

Каждая из показанных на фиг.l регенеративных насадок 19 (20) относится к первому варианту насадки как изобретения. Она выполнена

1315 конструктивно так, что содержит в своем внутреннем пространстве 21 (22) соответствующий изобретению объем теплопередающих элементов, обеспечивающий требуемое значение коэффициента избытка воздуха, большее 2,0 и находящееся, преимущественно, в диапазоне до 6,0. В этих насадках (19, 20) не предусмотрено средств для изменения указанного объема

1320 теплопередающих элементов непосредственно в процессе термообработки металла.

Каждая из насадок 19, 20 является в одном цикле работы устройства отопления пламенной печи средством для нагрева теплопередающих элементов, в частности, корундовых шаров, горячими продуктами сгорания, в

1325 другом цикле - средством для нагрева воздуха нагретыми в предыдущем цикле теплопередающими элементами. Для обеспечения возможности такой работы насадок верхнее вводное-выводное окно 23 (24) насадки 19 (20) соединено с помощью канала 27 (28) с каналом 12 (13) горелки 8 (9) и через этот канал - с выходным окном 17 (18) горелки 8 (9). Нижнее вводное-выводное окно 25 (26)

1330 насадки 19 (20) с помощью патрубка 29 (30) соединено через управляемый перекидной трехвходовый клапан 31 (32) с каналом 33 подачи извне "холодного", неподогретого воздуха (источник воздуха, вентилятор не показаны), и с каналом 34 вывода охлажденных продуктов сгорания, соединенным с дымососом и дымовой трубой (на чертеже не показаны).

1335 Запорный клапан 14 (15) имеет два состояния - открытое и закрытое. В открытом состоянии клапан 14 (15) обеспечивает подвод газообразного топлива из канала 16 к горелке 8 (9), в закрытом состоянии клапан 14 (15) прекращает подвод топлива к горелке, одновременно препятствует выводу поступающих в окно 17 (18) горелки 8 (9) продуктов сгорания из

1340 отапливаемого пространства 3 печи 1 и направляет эти продукты сгорания через канал 27 (28) и верхнее вводное-выводное окно 23 (24) во внутреннее пространство 21 (22) насадки 19 (20).

Перекидной трехвходовый клапан 31 (32) также имеет два состояния - первое и второе. В первом состоянии клапан 31 (32) обеспечивает соединение

1345 нижнего вводного-выводного окна 25 (26) насадки 19 (20) через патрубок 29 (30) с каналом 34 вывода охлажденных продуктов сгорания из насадки 19 (20). Во втором состоянии -клапан 31 (32) обеспечивает соединение нижнего вводного-выводного окна 25 (26) насадки 19 (20) через патрубок 29 (30) с каналом 33 подачи в насадки 19, 20 холодного воздуха.

1350 Канал 27 (28) насадки 19 (20) при включенной горелке, соответственно,

8 (9) служит для подачи из насадки 19 (20) в горелку 8 (9) нагретого воздуха, а при выключенной горелке 8 (9) по каналу 27 (28) передаются в насадку 19 (20) продукты сгорания из рабочего пространства 3 печи 1. Таким образом, нагреваемый во внутреннем пространстве 21, 22 насадки 19, 20 воздух

1355 движется в каждой насадке снизу вверх (по фиг.l), а горячие продукты сгорания перемещаются во внутреннем пространстве 21, 22 насадки 19, 20 сверху вниз.

Для чистки теплопередающих элементов от окалины и удаления их из насадки 8 (9) в нижней части каждой насадки предусмотрено окно 35 (36), а в

1360 верхней части каждой насадки имеется люк 37 (38) для засыпки новых теплопередающих элементов. Удаление или засыпка теплопередающих элементов с помощью люков 37 (38) и окон 35 (36) требует времени порядка 20-30 минут и практически осуществляется обычно при обслуживании печи 1 в перерыве между операциями термообработки металла.

1365 Для управления работой устройства отопления печи 1 имеется блок управления 39, выходы 40, 41, 42 и 43 которого соединены с управляющими входами клапанов, соответственно, 31, 14, 15 и 32. Для обеспечения синхронного с подачей топлива на горелки 8, 9 поджигания смеси топлива и нагретого воздуха блок управления 39 имеет соответствующие соединения с

1370 запальными устройствами горелок 8, 9 (на чертеже не показано). Блок управления 39 задает цикличность работы горелок 8, 9 и регенеративных насадок 19, 20.

Система нагрева воздуха и подачи его в горелку 8 (9) в необходимом количестве в данном случае включает в себя канал 33 подачи извне воздуха,

1375 канал 34 вывода наружу охлажденных продуктов сгорания и две регенеративных насадки 19, 20, каждая из которых имеет внутреннее пространство 21, 22 с двумя вводными-выводными окнами 23, 25 и 24, 26, заполненное определенного объема слоем корундовых шаров как теплопередающих элементов. Вводные-выводные окна 23÷26 регенеративных

1380 насадок 19, 20 соединены вышеуказанным образом с каналом 33 подачи извне воздуха, выводным окном 17, 18 отапливаемого пространства печи I ₉ с горелками 8, 9 и каналом 34 вывода охлажденных продуктов сгорания. Подробности выполнения лучшего варианта изобретения, наполнения регенеративных насадок теплопередающими элементами, расчеты параметров

1385 регенеративных насадок и работа устройства имеются ниже.

Другие варианты осуществления изобретения

Система управления и коммутации устройства отопления пламенной печи по второму варианту (фиг.l) включает в себя блок управления 39 и

1390 клапаны 14, 15, 31, 32 и предназначена для осуществления необходимых соединений вышеуказанных каналов 33, 34 с упомянутыми окнами насадок 19, 20 и поддержания импульсного режима работы регенеративных насадок 19, 20 и горелок 8, 9. Выполненная таким образом система управления и коммутации обеспечивает возможность осуществления горелками 8(9) и регенеративными

1395 насадками 19(20) циклически изменяемых функций. А именно, обеспечивается осуществление каждой из указанных регенеративных насадок в одном цикле работы устройства отопления пламенной печи 1 функции средства для нагрева теплопередающих элементов горячими продуктами сгорания, в другом цикле - функции средства для нагрева воздуха нагретыми в предыдущем цикле

1400 теплопередающими элементами. Также обеспечивается осуществление каждой из горелок в одном цикле работы устройства отопления пламенной печи 1 функции горелки, а в другом цикле - функции окна вывода продуктов сгорания из отапливаемого пространства.

В качестве теплопередающих элементов, загруженных во внутреннее

1405 пространство 21, 22 насадок 19, 20, в конкретном примере выполнения устройства (как и в лучшем, указанном выше, варианте осуществления изобретения) использованы корундовые шары диаметром 20 мм, изготовленные из классифицированного высокоглиноземистого огнеупора (Al ₂ O ₃ до 96÷98 %). Шаровая форма и диаметр теплопередающих элементов в

1410 пределах от 18 до 23 мм обеспечивают максимальную теплопередачу при минимальном гидравлическом сопротивлении насадки и минимальных затратах электроэнергии на перемещение воздуха и продуктов сгорания [И.М.Дистергефт, Г.М.Дружинин, П.В.Маслов. К вопросу о выборе оптимального диаметра шаров для насадки регенеративной системы

1415 отопления нагревательных печей. Автоматизированные печные агрегаты и энергосберегающие технологии в металлургии. Материалы 2-й научно- практической конференции по металлургии. 2-5 декабря 2002, M., стр.142- 144]. Согласно данным ряда отечественных и зарубежных исследователей корундовые шары являются наиболее эффективными с точки зрения

1420 максимальной температуры подогрева воздуха при наименьшем занимаемом объеме насадки.

Требуемый объем слоя корундовых шаров, засыпанных во внутреннее пространство 21, 22 каждой насадки 19, 20, соответствует соотношению:

1425

V = K - α - Bi, (1)

где: V - объем слоя теплопередающих элементов, заполняющих внутреннее пространство регенеративной насадки, м ³ ;

1430 К - коэффициент пропорциональности, зависящий от вида топлива, вида и размера теплопередающих элементов, температуры воздуха и продуктов сгорания во вводных-выводных окнах регенеративной насадки, длительности цикла работы устройства отопления пламенной печи, ч;

α — коэффициент избытка воздуха, выбираемый в зависимости от 1435 требуемого режима термической обработки в пламенной печи, превышающий значение 2,0 и устанавливаемый преимущественно в диапазоне до 6,0, безразмерная величина;

B ₁ - расход топлива (газа или жидкого топлива) на горелку при α = 1 , м ³ /ч. Коэффициент пропорциональности К = 0,00097+20%, ч при следующих 1440 условиях:

- топливо - природный газ;

- теплопередающие элементы - корундовые шары диаметром 20 мм;

- нагрев воздуха в насадке 20 (19) от температуры 2O ⁰ C в нижнем вводном-выводном окне 26 (25) до температуры 700÷1250°C в верхнем

1445 вводном-выводном окне 24 (23) насадки 20 (19);

- температура охлаждаемых в насадке 19 (20) продуктов сгорания составляет 900÷1450°C в верхнем вводном-выводном окне 23 (24) и 200 ⁰ C в нижнем вводном-выводном окне 25 (26) этой насадки 19 (20);

- длительность цикла работы устройства отопления пламенной печи 30- 1450 45 с.

Длительность цикла работы устройства отопления пламенной печи равна продолжительности времени, в течение которого через одну из регенеративных насадок (например, 20) проходит поток нагреваемого воздуха, направляемый в одну из горелок (соответственно, 9), в которой этот воздух

1455 сжигается в смеси с топливом. За это же время длительности цикла через другую горелку (8) из отапливаемого пространства 3 пламенной печи 1 отводятся продукты сгорания, которые проходят через другую регенеративную насадку (19), нагревая ее теплопередающие элементы, после чего охлажденные продукты сгорания подаются в дымоотводящую систему (канал 33).

1460 При использовании пламенной печи 1 по фиг.l температура в отапливаемом пространстве 3 практически равна температуре продуктов сгорания в верхнем вводном-выводном окне 23 (24) насадки 19 (20) вследствие прямой передачи продуктов сгорания из отапливаемого пространства 3 в

насадку 19 (20) через горелку 8 (9) и короткий канал 27 (28). При другой

1465 конструкции пламенной печи и удлинении канала (27, 28) температура продуктов сгорания на входе в регенеративную насадку может быть соответственно ниже температуры в отапливаемом пространстве печи (на чертежах не показано).

При прочих равных условиях для теплопередающих элементов другого

1470 вида, выполненных в виде кирпичной кладки, значение рассматриваемого коэффициента пропорциональности будет в 15-20 раз больше вышеуказанного для корундовых шаров (0,01455÷0,0194±20% ч) [Ю.Я. Абраменков, Т.С.Сысоева, Теоретический анализ применения централизованной регенеративной утилизации тепла для нагревательных печей, Министерство

1475 образования и науки Украины/Национальная металлургическая академия Украины, Днепропетровск, 2002, стр.186-195]. То - есть, в такое же число раз увеличивается объем регенеративной насадки.

Определение значения коэффициента пропорциональности К в зависимости от температуры воздуха и продуктов сгорания во вводных-

1480 выводных окнах регенеративной насадки и длительности цикла работы устройства отопления пламенной печи производится с учетом имеющихся данных [например, И.М.Дистергефт, Г.М.Дружинин, В.И.Щербинин, Опыт ВНИИМТ в разработке регенеративных систем отопления для металлургических агрегатов, "Сталь", 2000, N°7, cтp.86].

1485 Далее в описании используется значение коэффициента пропорциональности К = 0,00097 ч, соответствующее вышеуказанным условиям.

Подставляя в соотношение (1) вышеуказанное значение К, заданное значение B ₁ и требуемое значение α, получаем искомую величину V объема

1490 слоя теплопередающих элементов, размещенных во внутреннем пространстве 21 (22) насадки 19 (20). На графике фиг.5 приведены значения величин объемов теплопередающих элементов для различных значений B ₁ и α. В частности, при расходе природного газа в 80 м ³ /ч для обеспечения α = 3,0

объем слоя теплопередающих элементов V равен 0,232 м ³ . А при α = 6,0 1495 искомый объем V равен 0,46 м ³ . Объем V слоя теплопередающих элементов является рабочим (полезным) объемом регенеративной насадки 19 (20) и включает в себя в данном случае, как объем самих теплопередающих элементов, так и промежутки между ними.

При расходе (сжигании) природного газа 20 м ³ /ч на горелку объем 1500 теплопередающих элементов для разных коэффициентов α равен: а) α = 1 ,0, V = 9,7 х 10 ^{~ 5} х 1,0 х 20 = 0,0194 м ³ ; б) α = 3,0, V = 9,7 х 10 ^{" 5} x 3,0 х 20 = 0,0582 м ³ ; в) α = 4,2, V = 9,7 х 10 ^{" 5} х 4,2 х 20 = 0,082 м ³ ; г) α = 6,0, V = 9,7 х 10 ^{" 5} X 6,0 20 = 0,120 м ³ .

1505 В случае расхода природного газа на горелку в размере, например, 40 м ³ /ч при работе с коэффициентом α = 3,0 искомый объем теплопередающих элементов равен 0,116 м ³ .

Объем слоя теплопередающих элементов V равен произведению площади поперечного сечения внутреннего пространства регенеративной

1510 насадки на высоту слоя теплопередающих элементов :

V = S-H (2)

где: S - площадь поперечного сечения внутреннего пространства 1515 регенеративной насадки, м ² ;

H - высота слоя теплопередающих элементов во внутреннем пространстве регенеративной насадки, м.

Для осуществления настоящего изобретения в печи 1, имеющей конкретную регенеративную насадку (19, 20) с известным фиксированным 1520 поперечным сечением S, определяют необходимую высоту слоя теплопередающих элементов по соотношению:

H = K - α - Bi / S , (3)

1525 где К, α, B ₁ и S — величины, определенные выше.

При высоких требуемых значениях коэффициента избытка воздуха, то- есть, при больших расходах воздуха, для снижения гидравлического сопротивления перемещению воздуха в регенеративной насадке 19, 20, до значений 300÷400 мм вод. ст. и снижения потребляемой мощности

1530 тягодутьевого средства подачи воздуха, высоту H слоя шаров ограничивают величиной, равной 0,6÷0,7 м, выполняя футерованную камеру насадки с увеличенным поперечным сечением S, которое соответствует соотношению:

S = К • α • Bi / H , (4)

1535 ^'* где все величины определены выше.

Соотношения (3), (4) являются аналогами соотношения (1) и используются в необходимых случаях вместо соотношения (1) при расчете объема слоя теплопередающих элементов в насадках 19 (20) через параметры

1540 объема (площадь, высота).

Определение необходимой площади поперечного сечения S регенеративной насадки и высоты H слоя теплопередающих элементов производится с учетом их влияния на характеристики регенеративной насадки [И.М.Дистергефт и др., Регенеративные системы отопления для

1545 нагревательных печей прокатного и кузнечного производств (история развития, теория и практика), сб. науч. тр. Металлургическая теплотехника, том 5, Министерство образования и науки Украины/Национальная металлургическая академия Украины, Днепропетровск, 2002, cтp.47÷48].

Расчет требуемого объема теплопередающих элементов по

1550 соотношению (1) производится в зависимости от расхода топлива B ₁ , то-есть, от количества топлива, подаваемого в горелку 8 (9) единицу времени. Расход подаваемого при этом в регенеративную насадку 19 (20) воздуха зависит от вида и количества сжигаемого горелкой в единицу времени топлива и

определяется известным способом. В случае использования в качестве

1555 топлива, например, смеси доменного и природного газов (калорийность 2000 ккал/ м ³ ), при α = 1,05-1,15 воздуха в горелку подают в 2,25 раза больше по объему, чем топлива. При использовании в качестве топлива природного газа расход воздуха, обеспечивающий аналогичное α, в десять раз больше расхода сжигаемого природного газа. Например, при расходе

1560 природного газа 80 м ³ /ч на горелку количество подаваемого в насадку воздуха равно 80 х 10 = 800 м ³ /ч.

При необходимости обеспечить работу печи 1 с разными изменяемыми в процессе работы значениями коэффициента избытка воздуха (реализация второго варианта предложенного способа), находящимися, например, в

1565 пределах от 2,5 до 4,5, объем V располагаемого в регенеративной насадке 19 (20) слоя теплопередающих элементов определяют по соотношению (1) для максимального требуемого значения α, равного в данном случае 4,5. Требуемые изменения коэффициента избытка воздуха в процессе работы печи 1 с регенеративными насадками 19, 20 (фиг.l), имеющими фиксированный

1570 объем теплопередающих элементов, могут быть обеспечены, например, изменением количества подаваемого в единицу времени в регенеративную насадку (19, 20) воздуха по каналу 33 с помощью соответствующего регулятора или вентилятора с тиристорным преобразователем (на чертежах не показано).

1575 На фиг.7 показано выполнение и включение в отопительное устройство пламенной печи по фиг.l регенеративной насадки 44, выполненной по второму варианту насадки, обеспечивающему возможность регулировки значения . коэффициента избытка воздуха непосредственно в процессе термообработки металла (второй вариант предложенного способа тепловой

1580 обработки металла). Регенеративная насадка 44 по фиг.7 включена в устройство отопления аналогично насадке 19 (фиг.l).

Регенеративная насадка 44 (фиг.7) содержит три размещенных друг под другом заполненных теплопередающими элементами секции 45, 46 и 47 внутреннего пространства этой насадки, так что полное (максимальное)

1585 внутреннее пространство насадки 44 составляют все три указанные секции. Верхняя секция 45 и средняя секция 46 соединены между собой дополнительным поднасадочным пространством 48. Средняя секция 46 и нижняя секция 47 соединены между собой также дополнительным поднасадочным пространством 49. Нижняя секция 47 имеет свое

1590 понасадочное пространство 50. Каждое поднасадочное пространство 48, 49 и 50 имеет свое вводное-выводное окно, соответственно, 51, 52 и 53, снабженное, в свою очередь, соответствующим запорным клапаном 54, 55 и 56.

Верхнее вводное-выводное окно верхней секции 45 является

1595 верхним вводным-выводным окном 57 насадки 44. Вводные-выводные окна 51÷53 поднасадочных пространств 48÷50 с их запорными клапанами 54÷56 являются вводными-выводными окнами насадки 44. Роль обобщенного нижнего вводного-выводным окна 58 насадки 44 выполняет общая точка соединения между собой трубопроводов 59, 60 и 61, идущих от запорных

1600 клапанов, соответственно, 54, 55 и 56, соединенная через патрубок 29 с перекидным трехвходовым клапаном 31, обеспечивающим в первом состоянии соединение нижнего вводного-выводного окна 58 насадки 44 с каналом 34 вывода охлажденных продуктов сгорания из насадки 44 или во втором состоянии - соединение окна 58 насадки 44 с каналом 33 подачи в

1605 насадку 44 холодного воздуха.

Вход 62 перекидного трехвходового клапана 31, в соответствии с фиг.l, соединен с выходом 40 блока управления 39.

Верхнее вводное-выводное окно 57 насадки 44 (фиг.7) соединено с помощью канала 27 с каналом 12 горелки 8 и через этот канал - с выходным

1610 окном 17 горелки 8, выходящим в отапливаемое пространство 3 печи 1 с термически обрабатываемым металлом 6.

Каждая из секций 45, 46, 47 внутреннего пространства насадки 44 заполнена определенного объема слоем теплопередающих элементов, суммарный объем которых соответствует соотношению:

1615

V _mах = К • α _max • B ₁ , (5)

где: V _max - суммарный объем слоев теплопередающих элементов всех секций внутреннего пространства регенеративной насадки 44, м ;

1620 К - коэффициент пропорциональности, зависящий от вида топлива, вида и размера теплопередающих элементов, температуры воздуха и продуктов сгорания во вводных-выводных окнах регенеративной насадки, длительности цикла работы устройства отопления пламенной печи, ч;

CW - максимальный коэффициент избытка воздуха регенеративной

1625 насадки 44, выбираемый в зависимости от требуемого режима термической обработки в пламенной печи, превышающий значение 2,0 и устанавливаемый преимущественно в диапазоне до 6,0, безразмерная величина;

B ₁ — расход топлива (газа или жидкого топлива), приходящийся на

1630 регенеративную насадку 44, при α = 1, м ³ /ч.

Максимальный коэффициент избытка воздуха регенеративной насадки 44 и коэффициенты избытка воздуха для каждой секции (45, 46, 47) внутреннего пространства этой насадки связаны между собой соотношением:

1635 α _max = ∑ α _{i 5} (6)

где OCj - выбранное значение коэффициента избытка воздуха i-й секции внутреннего пространства регенеративной насадки 44, величина безразмерная; i - порядковый номер секции внутреннего пространства регенеративной

1640 насадки 44, принимает значения от 1 до п, причем п равно числу секций внутреннего пространства регенеративной насадки, п = 3 для конкретной насадки 44;

Объем слоя теплопередающих элементов, заполняющих каждую из секций 45, 46, 47 внутреннего пространства насадки 44, соответствует 1645 соотношению:

Vi = K - (Xi - Bi, (7)

где V; - объем слоя теплопередающих элементов i-й секции внутреннего

1650 пространства регенеративной насадки 44, м ³ ; переменная i и члены К, B ₁ определены выше, в пояснениях к соотношениям (6) и (5).

Включение в работу печи того или иного сочетания секций 45÷47 насадки 44 обеспечивается включением и выключением соответствующих

1655 запорных клапанов 54÷56. Указанные клапаны могут переключаться вручную или могут быть включены в систему управления (на чертежах не показано).

Объемы теплопередающих элементов в секциях 45÷47 регенеративной насадки 44 зависят от требуемых параметров режима тепловой обработки металла и заданных для его реализации значений количества секций насадки

1660 (в данном случае п = 3), максимального для всего внутреннего пространства насадки значения коэффициента избытка воздуха α _max и значений коэффициентов избытка воздуха Oq для каждой секции насадки. Значения коэффициента пропорциональности К и расхода топлива (природного газа), приходящегося на регенеративную насадку 44 при α = 1, примем, как указано

1665 выше для примера использования регенеративной насадки 19 (20), в частности, К = 0,00097 ч, B ₁ = 40 м ³ /ч.

Для реализации трехэтапного второго варианта способа тепловой обработки металла, при котором сначала ведут нагрев металла до 400°C при коэффициенте избытка воздуха α = 1,35 (первый этап), затем нагревают до

1670 1200°C при α = 3,3 (второй этап), после чего (на третьем этапе) ведут термообработку при коэффициенте α, повышаемом до значения 6,5, можно использовать трехсекционную регенеративную насадку 44 при нижеуказанных ее параметрах.

При осуществления первого этапа второго варианта способа в насадке

1675 44 (фиг.7) используется только первая (верхняя) секция 45 с коэффициентом

Ot ₁ = 1,35 (клапан 54 включен, клапаны 55, 56 выключены). На втором .этапе к секции 45 добавляется вторая секция 46 с коэффициентом α ₂ = 1,95 (клапан 55 включен, клапаны 54, 56 выключены). На третьем этапе в работу печи включается также третья секция 47 с коэффициентом α ₃ = 3,2 (клапан 56

1680 включен, клапаны 54, 55 выключены). В последнем случае максимальное значение коэффициента α _max равно 6,5 для насадки 44 в целом с учетом соотношения (6). Для этого случая объемы теплопередающих элементов каждой из трех секций 45÷47 и всего внутреннего пространства насадки 44 в целом в соответствии с соотношениями (7) и (5) равны:

1685 а) первая секция 45, сц = 1,35, V ₁ = 9,7 х 10 ^{~ 5} х 1,35 х 40 = 0,0524 м ³ ; б) вторая секция 46, α ₂ = 1,95, V ₂ = 9,7 х 10 ^{~ 5} х 1,95 х 40 = 0,0757 м ³ ; в) третья секция 47, α ₃ = 3,2, V ₃ = 9,7 х 10 ^{~ 5} x 3,2 x 40 = 0,124 м ³ ; г) вся регенеративная насадка 44, α _max = 6,5, V _max = 9,7 х 10 ^{~ 5} х 6,5 х 40 = 0,252 м ³ .

1690 Регенеративная насадка 63 (фиг.8) выполнена по третьему варианту насадки, также обеспечивающему возможность регулировки значения коэффициента избытка воздуха непосредственно в процессе термообработки металла при реализации второго варианта предложенного способа тепловой обработки металла. Насадка 63 включена в устройство отопления также

1695 аналогично насадке 19 (фиг.1 ).

Регенеративная насадка 63 по фиг.8 содержит три размещенных рядом друг с другом заполненных теплопередающими элементами внутренних пространства 64, 65 и 66. Каждое из внутренних пространств 64, 65, 66 имеет свой газоплотный, футерованный огнеупорным кирпичем

1700 корпус и свое поднасадочное пространство, соответственно, 67, 68 и 69 (поднасадочное пространство 69 внутреннего пространства 66 на фиг.8 не видно). Каждое поднасадочное пространство 67, 68 и 69 имеет свое вводное-выводное окно, соответственно, 70, 71 и 72, снабженное, в свою очередь, соответствующим запорным клапаном 73, 74 и 75 (окно 72 и

1705 клапан 75 на фиг.8 не видны). Полное (максимальное) внутреннее

пространство насадки 63 составляют все три указанные внутренние пространства 64÷66.

Верхние вводные-выводные окна 76, 77 и 78 внутренних пространств, соответственно, 64, 65 и 66 соединены с верхним вводным-

1710 выводным окном 79 насадки 63. Вводные-выводные окна 70÷72 поднасадочных пространств 67÷69 с их запорными клапанами 73÷75 являются вводными-выводными окнами насадки 63. Роль обобщенного нижнего вводного-выводного окна 80 насадки 63 выполняет общая точка соединения между собой трубопроводов 81, 82 и 83 (последний на фиг.8 не

1715 виден), идущих от запорных клапанов, соответственно, 73, 74 и 75, соединенная через патрубок 29 с перекидным клапаном 31, обеспечивающим в первом состоянии соединение нижнего вводного- выводного окна 80 насадки 63 с каналом 34 вывода охлажденных продуктов сгорания из насадки 44 или во втором состоянии - соединение окна 80 насадки

1720 63 с каналом 33 подачи в насадку 63 холодного воздуха. Вход 62 перекидного клапана 31, в соответствии с фиг.l, соединен с выходом 40 блока управления 39.

Верхнее вводное-выводное окно 79 насадки 63 соединено с помощью канала 27 с каналом 12 горелки 8 и через этот канал - с выходным окном 17

1725 горелки 8, выходящим в отапливаемое пространство 3 печи 1 с термически обрабатываемым металлом 6.

Включение в работу печи того или иного сочетания внутренних пространств 64÷66 насадки 63 обеспечивается включением (выключением) соответствующих запорных клапанов 73÷75. Клапаны могут переключаться

1730 вручную или могут быть включены в систему управления (на чертежах не показано).

Каждое из внутренних пространств 64, 65, 66 насадки 63 заполнено определенного объема слоем теплопередающих элементов, суммарный объем которых соответствует соотношению:

1735

V _max = K . α _max - B _ь (8)

где: Vщ _ах - суммарный объем слоев теплопередающих элементов всех внутренних пространств регенеративной насадки 63, м ³ ; 1740 К - коэффициент пропорциональности, зависящий от вида топлива, вида и размера теплопередающих элементов, температуры воздуха и продуктов сгорания во вводных-выводных окнах регенеративной насадки, длительности цикла работы устройства отопления пламенной печи, ч; ос _тах - максимальный коэффициент избытка воздуха регенеративной 1745 насадки 63, выбираемый в зависимости от требуемого режима термической обработки в пламенной печи, превышающий значение 2,0 и устанавливаемый преимущественно в диапазоне до 6,0, безразмерная величина;

B ₁ — расход топлива (газа или жидкого топлива), приходящийся на 1750 регенеративную насадку 63, при α = 1, м ³ /ч.

Максимальный коэффициент избытка воздуха регенеративной насадки

63 и коэффициенты избытка воздуха для каждого внутреннего пространства

(64, 65, 66) этой насадки связаны между собой соотношением:

1755 α _max = ∑ α _ь (9)

где CCj - выбранное значение коэффициента избытка воздуха i-го внутреннего пространства регенеративной насадки 63, величина безразмерная; i - порядковый номер внутреннего пространства регенеративной насадки 1760 63, принимает значения от 1 до п, причем п равно числу секций внутреннего пространства регенеративной насадки, п = 3 для конкретной насадки 63;

Объем слоя теплопередающих элементов, заполняющих каждое из внутренних пространств 64, 65, 66 насадки 63, соответствует соотношению:

1765 Vi = K - CCi - Bi, (Ю)

где Vj - объем слоя теплопередающих элементов i-го внутреннего пространства регенеративной насадки 63, м ³ ; переменная i и члены К, B ₁ определены выше, в пояснениях к

1770 соотношениям (9) и (8).

При расчете в необходимых случаях параметров (площадь, высота) объема слоя теплопередающих элементов в насадках 44, 63 могут быть применены соотношения вида (3), (4), являющиеся аналогами соотношений (5), (7), (8), (10) и использующиеся вместо них.

1775 Объем теплопередающих элементов регенеративной насадки 63 зависит от требуемых параметров режима тепловой обработки металла и заданных для его реализации значений количества внутренних пространств 64÷66 насадки (в данном случае п = 3), максимального значения коэффициента избытка воздуха оt _mах и значений коэффициентов избытка воздуха α; для каждого внутреннего

1780 пространства насадки. Примем значения К = 0,00097 ч, B ₁ = 40 м /ч, как указано выше для примера использования регенеративной насадки 44. Тогда для реализации трехэтапного второго варианта способа тепловой обработки металла, при котором сначала ведут нагрев металла до 400°C при коэффициенте избытка воздуха α = 1,35 (первый этап), затем нагревают до

1785 1200°C при α = 3,3 (второй этап), после чего (на третьем этапе) ведут термообработку при коэффициенте α, повышаемом до значения 6,5, можно использовать регенеративную насадку 63 при таких указанных ниже ее параметрах.

При осуществления первого этапа способа в насадке 63 используется

1790 первое внутреннее пространство 64 с коэффициентом Ci ₁ = 1,35, на втором .этапе к нему добавляется второе внутреннее пространство 65 с коэффициентом α ₂ = 1,95, на третьем этапе в работу печи включается также третье внутреннее пространство 66 с коэффициентом α ₃ = 3,2. При этом максимальное значение коэффициента α _max равно 6,5 для насадки 63 в целом

1795 (третий этап способа) с учетом соотношения (9). На втором этапе способа

будет использоваться максимальное для этого этапа значение коэффициента избытка воздуха α = 3,3, равное сумме коэффициентов первого и второго внутренних пространств насадки 63. Объемы теплопередающих элементов каждого из трех внутренних пространств 64÷66 и всего внутреннего

1800 пространства ^' насадки 63 в целом в соответствии с соотношениями (10) и (8) будут иметь значения: V ₁ = 0,0524 м ³ ; V ₂ = 0,0757 м ³ ; V ₃ = 0,124 м ³ ; V _max = 0,252 м ³ .

Секции регенеративной насадки 44 и внутренние пространства насадки 63 могут быть выполнены в одном общем для каждой насадки корпусе или в

1805 разных корпусах, соединенных друг с другом трубопроводами (на чертежах не показано).

Каждая из регенеративных насадок 44, 63 (фиг.7, 8) может быть использована в устройстве отопления печи 1 (фиг.l) вместо приведенной на фиг.l насадки 19 (20), соединенной с горелкой 8 (9).

1810 Регенеративные насадки 19, 20, 44, 63 могут быть встроены в корпус печи 1, как показано на фиг.l, или выполнены отдельно от корпуса печи 1 (на чертежах не показано).

Регенеративные насадки 19, 20 могут быть заменены одной вращающейся регенеративной насадкой [Печи для нагрева металла, ред. Н.Н.

1815 Доброхотов, M. Л., Гос. научно-техн. издат. 1941, cтp.247, фиг.276; а также http://www.jaspergmbh.de/deutsch/ecoreg_funktion.litm].

Вращающаяся регенеративная насадка выполнена отдельно от корпуса печи 1 и имеет по крайней мере две секции, каждая из которых выполняет функцию одной из насадок 19, 20. В одной секции вращающейся насадки

1820 теплопередающие элементы нагреваются продуктами сгорания, в другой секции нагревается воздух. При повороте вращающейся насадки по окончании каждого цикла работы устройства отопления функции секций меняются, причем функция системы коммутации осуществляется самой вращающейся секционированной регенеративной насадкой (на чертежах не показано).

1825 На фиг.6 показана упрощенная блок-схема устройства отопления пламенной печи прямого нагрева по третьему варианту с двумя горелками,

двумя регенеративными насадками и четырехвходовым перекидным клапаном 136 в системе управления и коммутации. Клапан 136 содержит четыре входа- выхода 137, 138, 138 и l40 и заслонку, принимающую два рабочих положения.

1830 В положении 141 заслонка соединяет между собой попарно входы-выходы 137-138 и 139- 140 четырехвходового перекидного клапана 136, а в положении 142 (пунктир) заслонка соединяет между собой попарно входы-выходы 140-137 и 138-139 клапана 136. Вход-выход 137 клапана 136 через патрубок 29 соединен с нижним вводным-выводным окном 25 насадки 19. Вход-выход

1835 138 клапана 136 соединен с каналом 34 вывода охлажденных продуктов сгорания из насадок 19 (20). Вход-выход 139 клапана 136 через патрубок 30 соединен с нижним вводным-выводным окном 26 насадки 20. Вход-выход 140 клапана 136 соединен с каналом 33 подачи в насадки 19, 20 холодного воздуха. Блок управления 39 на фиг.6 не показан, но при рассматриваемом исполнении

1840 устройства отопления пламенной печи его выходы 41 и 42 соединены, соответственно, с управляющими входами клапанов 14 и 15, выход 43 не задействован, а выход 40 соединен с управляющим входом клапана 136 (на чертеже не показано). Такая конструкция устройства проще в исполнении, чем конструкция, показанная на фиг.l и положительно зарекомендовала себя за

1845 несколько лет работы. Известна также схема устройства отопления фирмы "JASPER G.m.В.Н." с четырехвходовым перекидным клапаном (136) [httр ://www.j аsреrgmbh. de/deutsch/pulsreg_funktion.htm] .

Любой из вариантов предложенного устройства отопления может представлять собой устройство отопления пламенной печи косвенного

1850 нагрева. Так, на фиг.9 показано выполнение печи 1 (фиг.l) с косвенным нагревом. В этой печи с косвенным нагревом (фиг.9) выходные окна 17 (18) горелок 8, 9 соединены с радиационной трубой 143, внутреннее пространство которой является отапливаемым пространством 144 печи 1. При этом радиационная труба 143 расположена в рабочем пространстве 145 печи 1, в

1855 котором размещен обрабатываемый металл 6. Для обеспечения охвата необходимого объема рабочего пространства 144 радиационная труба 143 может иметь один или несколько U-образных изгибов (на чертежах не

показано). На фиг.10 приведена схема выполнения печи 1, показанной на фиг.6, но с косвенным нагревом. При этом в отапливаемом горелками 8, 9

1860 пространстве 3 находится тигель 146, внутри которого, в рабочем пространстве 147, размещен обрабатываемый металл 6. Тигель 146 со съемной крышкой показан на фиг.10 схематически. В остальном конструкция печей с косвенным нагревом аналогична конструкции печей с прямым нагревом.

Вышеописанное устройство отопления пламенной печи (фиг.l, 6, 7, 8,

1865 9, 10) представляет собой один из горел очных блоков (или модуль устройства отопления) пламенной печи 1 прямого или косвенного нагрева, имеющий две горелки 8, 9 и две регенеративных насадки 19, 20 (или 44, 63), расположенные симметрично относительно вертикальной оси печи. При этом каждая регенеративная насадка 19 или 20 (44, 63) обеспечивает подачу нагретого

1870 воздуха только в одну из горелок 8 или 9. В печи 1 может быть несколько таких блоков, расположенных один за другим вдоль печи. При необходимости каждая из насадок 19, 20 (44, 63) может быть предназначена для подачи нагретого воздуха одновременно в несколько горелок, расположенных возле этой насадки по одну сторону печи 1 (на чертеже не показано). Количество

1875 таких горелок зависит от тепловой мощности отдельной горелки выбранного типа и определяется требуемыми параметрами проектируемой печи для термической обработки металла.

Горелочный блок (модуль устройства отопления) может быть выполнен и в другом виде, например, с расположением обоих горелок и обоих

1880 регенеративных насадок по одну сторону печи, при этом по другую сторону печи располагается такой же горелочный блок (на чертеже не показано).

Горелочный блок по первому варианту изобретения может содержать только одну горелку и одну регенеративную насадку (по любому из предложенных ее вариантов) с соответствующей системой управления и

1885 коммутации. Конструкция такого блока описана выше, в разделе уровня техники описания изобретения [см. также И.М.Дистергефт, Г.М.Дружинин, В.И.Щербинин, Опыт ВНИИМТ в разработке регенеративных систем

отопления для металлургических агрегатов, "Сталь", 2000, N°7, cтp.86-87, pиc.2]. 1890 Кроме того, в горелочном блоке по первому варианту изобретения, имеющем только одну горелку, система нагрева воздуха и подачи его в необходимом количестве может быть выполнена без использования регенеративных насадок, а с использованием для нагрева воздуха электропечи или газового рекуператора в непрерывном режиме (на чертежах не показано). 1895 Примером выполнения устройства отопления (горелочного блока) по первому варианту изобретения с одной горелкой и без использования регенеративных насадок является также описанная ниже экспериментальная установка по фиг.ll, 12.

Печь 1 может иметь несколько описанных выше горелочных блоков (на 1900 чертежах не показано).

Возможны также следующие варианты исполнения печи (на чертежах не показано): когда печь узкая, все горелочные блоки могут располагаться на одной стороне печи; 1905; если печь широкая, горелочные блоки могут быть расположены по обе стороны печи, в шахматном порядке или строго друг против друга; в очень широкой печи возможен вариант расположения горелок на плоском своде или, если свод не плоский, то на сводовых пережимах (так называемое торцевое отопление); 1910 когда требуется двухсторонний нагрев, например, листа металла, перемещаемого по роликам, то горелки могут располагаться над и под указанным обрабатываемым металлом (одна регенеративная насадка обслуживает две горелки на одной стороне печи, которые размещаются над и под обрабатывамым металлом); 1915 горелочный камень может располагаться перпендикулярно стене печи или под углом; горелочный камень может располагаться параллельно обрабатываемому металлу или под углом к нему;

из регенеративной насадки может выходить один канал на одну горелку 1920 или сразу на несколько горелок, но может выходить и несколько каналов, каждый на свою горелку; регенеративные блоки могут быть встроены частично или полностью в кладку стен (как на фиг.l), или могут быть полностью выносными.

Вышеописанные исполнения горелочного блока, регенеративных 1925 насадок и системы коммутации могут быть использованы при реализации первого, второго и третьего вариантов устройства отопления пламенной печи.

Количество, расположение и порядок включения— выключения горелок печи 1 блоком управления 39 при использовании вышеуказанных видов горелочных блоков определяется необходимостью обеспечения требуемого 1930 распределения температуры по объему отапливаемого пространства 3 печи 1. В качестве клапанов 14, 15, 31, 32, 44, 136 используются электромагнитные клапаны.

При необходимости используется устройство для предварительного нагрева топлива, что снижает его расход (на чертеже не показано). 1935 В описанных устройствах может быть использовано жидкое топливо, например, мазут или водомазутное топливо (дисперсная система, приготовленная механическим способом на основе мазута и воды), а также искусственное композиционное топливо, также представляющее собой дисперсную топливную систему коллоидного типа, создаваемую на основе 1940 угля любой марки, воды и добавок, придающих топливу заданные свойства [патент РФ JNb 2144059 от 10.01.2000г.].

На фиг.l изображена и описана выше печь с выкатным подом для нагрева металла под деформацию. Предложенные варианты изобретения могут быть применены также в камерных и проходных печах прокатного 1945 производства, в плавильных, обжиговых печах, мартеновских, стекловаренных печах, в нагревательных колодцах. На подине 5 печи 1 могут быть размещены подвергаемые тепловой обработке неметаллические изделия.

На фиг.11 и 12 показана схема экспериментальной установки, являющейся комбинированной (газо-электрической) печью для тепловой

1950 обработки металлов, их сплавов, а также неметаллических изделий, включающей отапливаемое рабочее пространство для размещения обрабатываемых изделий с окнами ввода и вывода в него продуктов сгорания топлива, окно ввода продуктов сгорания соединено с выходом высокотемпературной камеры сгорания, вход которой соединен с выходом

1955 системы подачи смеси воздуха и топлива при определенном значении коэффициента избытка воздуха, причем система подачи смеси воздуха и топлива выполнена конструктивно с обеспечением возможности подачи воздуха в количестве, обеспечивающем значение коэффициента избытка воздуха, превышающее значение 2,0 и устанавливаемое преимущественно в

1960 диапазоне до 6,0.

Экспериментальная установка по фиг.l l, 12 содержит электрическую печь 84 (фиг.12) с карбидокремниевыми нагревателями и максимальной рабочей температурой 1400 ⁰ C, высокотемпературную камеру сгорания 109, систему газоприготовления и систему контроля и регулирования (фиг.ll, 12).

1965 Печь 84 имеет блок бесконтактного управления (на чертежах не показано). Система газоприготовления и система контроля и регулирования представляют собой вариант конструкции системы подачи в высокотемпературную камеру сгорания 109 смеси воздуха и топлива, выполненной с обеспечением возможности подачи воздуха и топлива в

1970 количествах, обеспечивающих значение коэффициента избытка воздуха, превышающее значение 2,0 и устанавливаемое преимущественно в диапазоне до 6,0.

Во внутреннем пространстве 85 электрической печи 84 расположен муфель 86, выполненный из кварцевого стекла, внутренняя полость которого

1975 образует отапливаемое рабочее пространство для размещения обрабатываемого металла. Задний конец 87 муфеля 86 запаян, передний конец 88 оборудован заглушкой (пробкой) 89 с выводами 90 контактной термопары 95 и газоподводящей трубки 91. Газоподводящая трубка 91 для ввода продуктов сгорания в муфель 86 также выполнена из кварцевого стекла и

1980 одновременно является державкой, на которой сверху закреплены лодочка 92

для образца 93 обрабатываемого металла и турбулизатор 94 из шамота. Турбулизатор 94 предназначен для обеспечения постоянных условий внешнего теплообмена вдоль образца 93. Снизу к трубке- державке 91 прикреплена контрольная термопара 95, спай которой расположен непосредственно на

1985 образце 93.

Газоподводящая трубка 91 обесечивает подачу через нее продуктов сгорания смеси воздуха и природного газа к заднему концу 87 муфеля 86, где продукты сгорания разворачиваются обратным током, проходят через турбулизатор 94, обтекают образец 93 металла и выходят из муфеля 86 через

1990 газовыводящую трубку 96, расположенную на переднем конце 88 муфеля 86.

Газовыводящая трубка 96 соединена с газопроводом 99, снабженном запорным клапаном 100 и первой свечой 101 для сброса газа. Электрическая печь 84 оснащена также регулирующей термопарой 97 градуировки ПP30/6(B), имеющей выводы 98.

1995 Система газоприготовления (фиг.11) предназначена для подготовки и подачи в муфель 86 печи 84 продуктов сгорания смеси воздуха и природного газа для нагрева образца 93, а также для подачи аргона с целью продувки муфеля 86 до и после нагрева образца 93. Система газоприготовления включает в себя линию 102 природного газа низкого давления, с которой через

2000 патрубок 103 соединены последовательно включенные запорный клапан 104, расходомер природного газа 105 (ротаметр), запорный клапан 106 и расходомер смеси воздуха и природного газа 107, выход которого соединен со входом 108 высокотемпературной камеры сгорания 109 с платиновым катализатором и электрическим нагревателем.

2005 Линия подачи воздуха включает (фиг.11) баллон 110 со сжатым воздухом, через последовательно включенные запорный клапан 111, стабилизатор давления сжатого воздуха 112 и расходомер воздуха 113 (ротаметр), соединенный со входом 114 запорного клапана 106. От входа 114 клапана 106 идет газопровод 115, через запорный клапан 116 соединенный со

2010 второй свечой 117 сброса газа. Кроме того, линии подачи природного газа и воздуха перед расходомерами 105, 113 соединены со стабилизатором 118

давления воздуха и природного газа (барбатером). Выход 119 высокотемпературной камеры сгорания 109 через обогреваемую газовую линию 120 соединен с газоподводящей трубкой 91, частично расположенной в

2015 муфеле 86.

Линия подачи аргона (фиг.11) содержит баллон 121 с аргоном, через запорный клапан 122 соединенный со входом 123 расходомера 107, включенного на входе высокотемпературной камеры сгорания 109.

Система контроля и регулирования включает в себя датчик

2020 температуры печи (термопара 97), датчик температуры образца (термопара 95), датчики расхода воздуха, природного газа и продуктов сгорания (ИЗ, 105, 107) и датчик давления 124 в муфеле 86, установленный на газопроводе 99, соединенном с газоотводящей трубкой 96 муфеля 86. Кроме того, система контроля и регулирования содержит микроконтроллер 125 (персональный

2025 компьютер), индикатор 126 коэффициента расхода воздуха типа "Альфа", газовый хроматограф 127 типа ЛXM-80 и термостат 128 с электрохимическим датчиком кислорода (ЭХД) в продуктах сгорания. Индикатор 126 типа "Альфа" представляет собой термостат с температурой 800÷810°C, внутри которого расположены платиновый катализатор и электрохимический датчик

2030 с кислород-ионной проводимостью, выполненный из диоксида циркония. В термостате индикатора 126 газовоздушная смесь последовательно поступает сначала на катализатор, где реагирует до равновесного состояния, а затем на электрохимический датчик, сигнал которого зависит от концентрации кислорода в продуктах сгорания.

2035 Микроконтроллер 125 соединен линией связи 129 с выводами 90 термопары 95, линией связи 130 - с выходом индикатора 126 коэффициента расхода воздуха и линией связи 131 - с выводами 98 термопары 97. В указанных линиях связи использованы аналого-цифровые преобразователи (на чертеже не показаны).

2040 Вход индикатора 126 коэффициента расхода воздуха соединен газопроводом 132 со входом 114 запорного клапана 106. Вход газового хроматографа 127 с помощью газопроводов 133 и 115 соединен также со

входом 114 клапана 106, а газопроводом 134 и газопроводом 99 соединен с газоотводящей трубкой 96 муфеля 86. С этой же трубкой 96 соединен

2045 газопроводом 135 термостат 128 с электрохимическим датчиком кислорода.

Для контроля состава продуктов сгорания предназначено три прибора: на входе в муфель 86 -индикатор 126 коэффициента расхода воздуха, на выходе из муфеля - газовый хроматограф 127 (содержание O ₂ , N ₂ , CO ₂ ) и термостат 128 (содержание кислорода). Для измерения давление в муфеле 86

2050 предназначен U-образный манометр (датчик давления 124), а для поддержания давления избыточным имеется клапан 100 на второй свече 101.

Конструктивное выполнение системы подачи смеси воздуха и топлива, обеспечивающее возможность подачи воздуха и топлива в количествах, обеспечивающих значение коэффициента избытка воздуха, превышающее

2055 значение 2,0 и устанавливаемое преимущественно в диапазоне до 6,0, заключается в том, что эта система включает, в частности, вышеуказанным образом соединенные такие средства измерения и регулирования потоков газа и воздуха, как расходомеры природного газа 105, воздуха ИЗ, смеси воздуха и природного газа 107, индикатор 126 коэффициента расхода воздуха,

2060 клапан 116, вторая свеча 117 сброса газа. Другие вышеописанные элементы системы подачи смеси воздуха и топлива предназначены для обеспечения требуемой стабильности поддержания заданного значения коэффициента избытка воздуха.

Краткая характеристика контрольно-измерительных приборов

2065 приведена в таблице.

Устройство отопления пламенной печи работает, а способ тепловой 2070 обработки металла в пламенной печи прямого или косвенного нагрева (или способ сжигания смеси топлива и нагретого воздуха в пламенной печи прямого или косвенного нагрева) осуществляют следующим образом.

Пример 1. На подине 5 печи 1 (фиг.l) помещены изделия из титанового сплава Ti — 6 Al — 4V. Считаем, что печь 1 находится в рабочем состоянии,

2075 отапливаемое пространство 3 нагрето до рабочей температуры 127O ⁰ C.

Теплопередающие элементы во внутреннем пространстве 22 регенеративной насадки 20 нагреты продуктами сгорания, проходившими через эту насадку в предыдущем цикле ее работы. В рассматриваемом цикле работы запорный двухвходовый клапан 14 закрыт, запорный двухвходовый клапан 15 открыт,

2080 перекидной клапан 31 находится в первом состоянии, перекидной клапан 32 -

во втором состоянии. В горелку 9 по каналу 16 через открытый клапан 15 поступает газообразное топливо, а по каналу 28 — нагретый воздух из насадки 20, поступающий в насадку 20 из канала 33 подачи наружного холодного воздуха через клапан 32, патрубок 30 и нижнее окно 26 этой насадки. В

2085 выходном окне 18 горелки 9 действует пламя от сжигания в ней смеси топлива и нагретого воздуха. Горячие продукты сгорания перемещаются по отапливаемому пространству 3, нагревая металл 6, к выходному окну 17 горелки 8, играющему роль окна вывода продуктов сгорания из пространства 3. Через канал 27 горячие продукты сгорания поступают во внутреннее

2090 пространство 21 насадки 19 и нагревают находящиеся в нем теплопередающие элементы. Потерявшие высокую температуру продукты сгорания через поднасадочное пространство горелки 8, нижнее окно 25, патрубок 29 и клапан 31 поступают в канал 34 вывода охлажденных продуктов сгорания. Направления перемещения топлива, воздуха и продуктов сгорания в этом

2095 цикле показаны на фиг.1 стрелками.

При использовании печи 1 в варианте с четырехвходовым клапаном (фиг.6), работа печи происходит аналогично описанному, за исключением того, что вместо двухвходовых клапанов 31 и 32 используется четырехвходовый перекидной клапан 136. В данном цикле работы устройства

2100 отопления пламенной печи клапан 14 закрыт, клапан 15 открыт, заслонка клапана 136 находится в положении 141. Направления перемещения топлива, воздуха и продуктов сгорания в этом цикле показаны соответствующими стрелками на фиг.6.

При использовании печи 1 в варианте, показанном на фиг.7 (с

2105 трехсекционной регенеративной насадкой 44 вместо насадки 19), работа печи происходит аналогично описанному, с учетом наличия запорных клапанов 54, 55, 56. При выключенных клапанах 54, 55 и включенном клапане 56 направления перемещения топлива, воздуха и продуктов сгорания в этом цикле показаны соответствующими стрелками на фиг.7. В случае

2110 использования в печи 1 регенеративной насадки 63 с тремя внутренними пространствами 64, 65, 66 (фиг.8) и при включенных клапанах 73, 74, 75

направления перемещения топлива, воздуха и продуктов сгорания в этом цикле соответствуют стрелкам на фиг.8. В указанных случаях потоки воздуха и продуктов сгорания проходят через все три включенных в работу секции 45,

2115 46, 47 насадки 44 или через все три внутренние пространства 64, 65, 66 насадки 63 при максимальных для этих насадок коэффициентах избытка воздуха.

При использовании печи 1 косвенного нагрева в исполнениях, показанных на фиг.9, 10, работа системы управления и коммутации и

2120 регенеративных насадок осуществляется, как указано выше. Разница заключается только в том, что в печи косвенного нагрева с радиационной трубой 143 (фиг.9) продукты сгорания проходят через отапливаемое пространство 144 радиационной трубы 143, не попадая в рабочее пространство 145 печи 1, где размещен обрабатываемый металл 6, а в печи косвенного

2125 нагрева с тиглем 147 (фиг.10) продукты сгорания, как и в печи прямого нагрева, находятся в отапливаемом пространстве 3 печи 1, не попадая в тигель 147 с обрабатываемым металлом 6.

Через определенное время, равное, например, 30 — 45 сек, блок управления 39 переводит клапан 14 в открытое состояние, клапан 15 - в

2130 закрытое состояние, клапан 31 переводится во второе состояние, а клапан 32 - в первое состояние. При этом горелка 9 отключается, горелка 8 включается. В этом следующем цикле работы в горелку 8 по каналу 16 поступает газообразное топливо, а по каналу 27 - нагретый воздух из насадки 19, поступающий в насадку 19 из канала 33 подачи наружного холодного воздуха

2135 через клапан 31, патрубок 29 и нижнее окно 25 этой насадки. В выходном окне 17 горелки. 8 действует пламя от сжигания в ней смеси топлива и нагретого воздуха. Горячие продукты сгорания перемещаются по отапливаемому пространству 3, нагревая металл 6, к выходному окну 18 горелки 9, играющему роль окна вывода продуктов сгорания из пространства 3. Через канал 28

2140 горячие продукты сгорания поступают во внутреннее пространство 22 насадки 20 и нагревают находящиеся в нем тегаюпередающие элементы. Охлажденные продукты сгорания через поднасадочное пространство горелки 9, нижнее окно

26, патрубок 30 и клапан 32 поступают в канал 34 вывода охлажденных продуктов сгорания. Направления перемещения топлива, воздуха и продуктов

2145 сгорания в этом цикле работы устройства отопления противоположны стрелкам, приведенным на фиг.l.

При использовании печи 1 в варианте, показанном на фиг.7 (с трехсекционной регенеративной насадкой 44), работа печи в описываемом цикле происходит аналогично вышеописанному, с учетом наличия запорных

2150 клапанов 54, 55, 56. При выключенных клапанах 54, 55 и включенном клапане 56 направления перемещения топлива, воздуха и продуктов сгорания в этом цикле противоположны стрелкам, изображенным на фиг.7. При использования в печи 1 регенеративной насадки 63 с тремя внутренними пространствами 64, 65, 66 (фиг.8) и при включенных клапанах 73, 74, 75 направления

2155 перемещения топлива, воздуха и продуктов сгорания в этом цикле противоположны стрелкам, изображенным на фиг.8. В этих случаях потоки воздуха и продуктов сгорания проходят через все три включенных в работу секции 45, 46, 47 насадки 44 или через все три внутренние пространства 64, 65, 66 насадки 63 при максимальных для насадок 44 и 63 коэффициентах избытка

216Q воздуха.

Сжигание смеси топлива и нагретого воздуха в обоих рассмотренных циклах работы устройства отопления происходит при установленном коэффициенте избытка воздуха, значение которого в настоящем примере равно 3,0 (для насадок 19, 20, фиг.l). Это определено заданным соотношением

2165 количеств топлива и нагретого воздуха, поступающих в горелку 8 или 9. Количество нагретого воздуха, требуемого для обеспечения установленного коэффициента избытка воздуха и поступающего в горелку 8 (9), обеспечивается объемом теплопередающих элементов, находящихся во внутреннем пространстве 21 (22) регенеративной насадки 19 (20). Объем

2170 теплопередающих элементов, находящихся в каждой насадке, соответствует вышеуказанному соотношению (1). Расход природного газа составил 80 м /ч, объем теплопередающих элементов - 0,464 м ³ . Теплопередающие элементы - корундовые шары диаметром 20 мм. При рабочей температуре в печи 127O ⁰ C

температура охлажденных в регенеративной насадке продуктов сгорания

2175 составляет 200 ⁰ C. Температура холодного воздуха, подаваемого в регенеративные насадки 19, 20 составляет 20÷25°C. Температура нагретого воздуха - 1050 ⁰ C. В настоящем примере работы устройства отопления пламенной печи, работы регенеративной насадки (19, 20) и осуществления способа тепловой обработки металла (при коэффициенте избытка воздуха,

2180 равном 3,2) угар титанового сплава Ti - 6 Al - 4V составляет 0,082 г/см ² (фиг.4).

Указанная пламенная печь может работать и при большем коэффициенте избытка воздуха, в частности, равном 6,0÷6,5, при температурах в печи 800÷1600°C. В используемых в настоящее время регенеративных

2185 насадках, состоящих из корундовых шаров, объем теплопередающих элементов в три - шесть раз меньше, а угар металла в печи с такими насадками почти в два раза выше, чем в описанном примере 1.

Ниже приведены еще примеры осуществления способа тепловой обработки металла.

2190 Пример 2, На экспериментальной установке (фиг.ll, 12) проведен нагрев стальных образцов (Ст 10) диаметром 8 мм и длиной 60 мм в продуктах сгорания природного газа при различных значениях коэффициента избытка воздуха, а именно: α равно 0,71; 1,08; 1,4; 1,96; 2,67; 3,6; 4,4; 6,5, а также в атмосфере воздуха, что соответствует значению коэффициента избытка

2195 воздуха, равного бесконечности (∞) (см. фиг.2).

Перед началом нагрева образец 93 взвешивался на электронных весах и помещался в кварцевый муфель 86, в лодочку 92 из шамота. Муфель 86 герметично закрывался пробкой 89 (с газоподводящей 91 и газоотводящей 96 трубками, а также термопарой 97) и продувался аргоном из баллона 121.

2200 Окончание продувки определялось анализом на содержание кислорода в аргоне после муфеля 86 по показаниям термостата 128 с электрохимическим датчиком кислорода. Одновременно настраивалось заданное соотношение воздуха и природного газа (коэффициент избытка воздуха) с помощью

датчиков расхода (ротаметров) 113 и 105, индикатора 126 коэффициента

2205 расхода воздуха и газового хроматографа 127 со сбросом газовоздушной смеси через свечу 117. Печь 84 разогревали до температуры 300 ⁰ C. После этого муфель 86 помещался в печь 84. В результате предварительного термометрирования печи 84 была определена изотермическая зона при температуре 125O ⁰ C, длина которой составляла 250 мм. В опытах муфель 86

2210 помещался в печь 84 таким образом, чтобы образец 93 находился в этой изотермической зоне печи 84.

При достижении показаний контрольной термопары 95 более 25O ⁰ C прекращалась подача аргона в муфель 86, запорным клапаном 116 перекрывалась свеча 117, в муфель 86 подавались продукты сгорания,

2215 поступающие из камеры сгорания 109 по утепленному газопроводу 120. Соотношение воздух-природный газ контролировалось с помощью хроматографа 127 по содержанию кислорода в исходной смеси и по показаниям индикатора 126 коэффициента расхода воздуха. Состав газа (продуктов сгорания) в муфеле 86 контролировался по показаниям

2220 хроматографа 127 и термостата 128. Давление в муфеле 86 измерялось датчиком давления 124 и поддерживалось избыточным с помощью клапана 100 на свече 101. Расход газа через муфель 86 поддерживался постоянным и равным 1,37 л/мин. Данный расход был выбран в результате предварительных экспериментов из условий:

2225 - равенства состава газа на входе и выходе печи 84 (отсутствие изменения состава газа за счет стока массы кислорода в металл); - производительности камеры сгорания 109.

Температурный режим тепловой обработки образца 93 в электропечи 84 включал в себя нагрев образца 93 в муфеле 86 в атмосфере продуктов

2230 сгорания природного газа от 300 ⁰ C до 1200 ⁰ C со скоростью 6 град/мин и изотермическую выдержку длительностью 2 часа при температуре 1200 ⁰ C. После выдержки муфель 86 извлекался из печи 1 для охлаждения на воздухе, без прекращения подачи продуктов сгорания. При температуре по показаниям термопары 95 менее 900 ⁰ C прекращалась подача продуктов сгорания в муфель

2235 86 и производилась продувка муфеля 86 аргоном. Образец 93 охлаждался до температуры 300 ⁰ C по термопаре 95, затем подача аргона прекращалась и закрытый муфель 86 охлаждался до комнатной температуры. Извлеченный из муфеля 86 окисленный образец 93 повторно взвешивался. Взвешивание образца в исходном и окисленном состоянии производилось в полиэтиленовой

2240 упаковке во избежание потери части окалины при взвешивании.

По результатам взвешивания образца 93 до и после нагрева определялся угар металла.

Полученные результаты представлены на фиг.2 и 3. Из данных, приведенных на фиг.2, следует, что при увеличении коэффициента избытка

2245 воздуха от 2,0 до 6,0 и более угар металла снижается с 0,165 г/см ² до 0,105 г/см или на 36%, практически достигая уровня угара, имеющего место при нагреве металла в атмосфере воздуха Точка "X" на фиг.2 соответствует значению коэффициента избытка воздуха, равному бесконечности. При этом происходит изменение состава продуктов сгорания (фиг.З): концентрация

2250 углекислого газа CO ₂ и паров воды H ₂ O снижается на 50%, концентрация кислорода O ₂ увеличивается на 70%. Очевидно, что определяющим для снижения угара металла является не повышение концентрации кислорода, а снижение концентрации паров воды.

Пример 3. Способом, описанным в примере 2, проведен нагрев

2255 образцов 93 того же размера из титанового сплава Ti - 6 Al — 4 V в продуктах сгорания природного газа при различных значениях коэффициента избытка воздуха, а именно: α равно 0,71; 1,09; 2,3; 3,2; 4,6, а также в атмосфере воздуха (α = оо, точка"X" на графике фиг.4). Представленные на фиг.4 результаты экспериментов показывают снижение угара образцов указанного титанового

2260 сплава с 0,1 г/см ² до 0,033 г/см ² или на 67% при увеличении коэффициента избытка воздуха от 2,0 до 6,0.

Пример 4. Использован опытный огневой стенд [И.М.Дистергефт, Г.М.Дружинин, В.И.Щербинин, Опыт ВНИИМТ в разработке регенеративных систем отопления для металлургических агрегатов, "Сталь", 2002, JN°7, cтp.84-

2265 90], оснащенный одним горелочным блоком, выполненным аналогично показанному на фиг.l. Этот горелочный блок включает две регенеративных насадки (19, 20), каждая из которых соединена с одной горелкой (8, 9) и заполнена теплопередающим элементами в виде корундовых шаров диаметром 20 мм. На указанном стенде нагревали образцы размерами 6 х 50 х 100 мм,

2270 выполненные из титановых сплавов BT-5-1 и BT-20 при значениях коэффициента избытка воздуха α, равных l,17÷l,20, и при значениях α, равных 2,20. Температура нагрева образцов - 1200 ⁰ C, температура нагретого воздуха - 900 ⁰ C, время выдержки - 2 часа. Топливо - природный газ. Длительность цикла импульсного режима работы 45-6Oc. Результаты

2275 экспериментов показали, что при нагреве указанных образцов увеличение коэффициента избытка воздуха до значения, превышающего значение 2,0, приводит к снижению величины газонасыщенного слоя (угара металла) на образцах из сплава BT-20 со 164 мкм до 137 мкм (т.е. на 16,5%) и снижению содержания водорода в поверхностном слое образца с 0,023% до 0,021%. ,т.e.

2280 на 8%. Для оøразцов из сплава BT-5-1 толщина газонасыщенного слоя уменьшается с 89 мкм до 45 мкм (на 49,5%), а содержание водорода в поверхностном слое образца снижается с 0,073% до 0,06%, (уменьшение на

Пример 5. В камерной нагревательной печи, аналогичной печи по 2285 фиг.l, оснащенной регенеративной системой отопления, провели два опыта по нагреву двух заготовок диаметром 800 мм и длиной 4000 мм из титанового сплава BT-I-O при коэффициентах избытка воздуха α, равных 1,5 и 2,8 - 3,5. Топливо - природный газ. Температура на выдаче металла из печи соответствовала 1200 ⁰ C. Температура нагретого воздуха - 1050 ⁰ C. При 2290 увеличении коэффициента избытка воздуха от 1,5 до значения в пределах 2,8÷3,5 время нагрева заготовок сократилось с 9,5 ч до 7,5 ч (на 21%). Улучшилась равномерность нагрева, так как уменьшился перепад температур по длине и диаметру заготовки, который не превышал ±10°C. Угар металла при этом сократился почти в 1,5 раза.

2295 Пример 6. Тепловая обработка металла в камерной пламенной печи 1

(фиг.l) с регенеративными насадками 44 или 63 (фиг.7, 8), основанная на сжигании смеси природного газа и нагретого воздуха, проведена в три этапа: нагрев двух заготовок диаметром 800 мм и длиной 4000 мм из титанового сплава BT-I-O в течение 120 мин до промежуточной

2300 температуры 400°C при коэффициенте избытка воздуха, например, 1,35 (не превышающем значение 2,0), последующий нагрев в течение 240 мин до рабочей температуры 1200°C при постепенном плавном или ступенчатом повышении коэффициента избытка воздуха до значения коэффициента избытка воздуха, равного 3,3, и двухчасовую выдержку при указанной

2305 рабочей температуре при постоянном поддержании коэффициента избытка воздуха на установленном значении 3,3. Общее время нагрева составило 8 часов. Угар металла снизился по сравнению с примером 5 на 15%.

При осуществлении трехэтапного способа тепловой обработки в камерной печи по фиг.l, в которой температурно-тепловой режим меняется во

2310 времени, а обрабатываемые изделия находятся на месте (не перемещаются), в каждой регенеративной насадке со временем изменяют коэффициент расхода воздуха.

В проходной печи, когда обрабатываемые изделия движутся и проходят зоны, в каждой из которых поддерживается постоянная температура,

2315: трехэтапный способ тепловой обработки осуществляется несколько иным образом.

В первой по ходу обрабатываемых изделий зоне - методической зоне, где температура печи должна быть относительно низкой (при обработке металла - для того, чтобы в металле не развивались значительные термические

2320 напряжения, и он не растрескивался), используют регенеративную насадку (насадки) с коэффициентом избытка воздуха, близким к единице. В сварочной зоне, где температура печи имеет максимальное значение, и в томильной зоне - зоне выдержки - ипользуются регенеративные насадки с коэффициентом избытка воздуха больше двух. По сравнению с известными способами

2325 снижается угар металла и наводораживание цветных сплавов, а также уменьшается расход электроэнергии на перекачку воздуха и продуктов сгорания по зонам печи, что обеспечивается при обработке как металлов, так и неметаллических изделий.

Пример 7. Отличается от примера 6 тем, что выдержку металла при

2330 рабочей температуре осуществляют при изменяемом значении коэффициента избытка воздуха, превышающем значение 2,0 и устанавливаемом преимущественно в диапазоне до 6,0. В частности, выдержку осуществляют при значении коэффициента избытка воздуха, изменяемого от 3,3 до 6,0 за 2,5 часа. Качество металла соответствует

2335 качеству, полученному в примере 6.

Пример 8. Способ тепловой обработки стали и цветных металлов в пламенной печи, основанный на сжигании смеси жидкого или газообразного топлива и нагретого воздуха при определенном значении коэффициента избытка воздуха, осуществляют так, как указано в примере

2340 4. При этом нагревали до температуры 1250 ⁰ C образцы размерами 6 х 50 х 100 мм, выполненные из титанового сплава BT-5-1 при значении коэффициента избытка воздуха, превышающем значение 6,0, в частности, при α равном 6,5÷7,0. Результат - угар и наводораживание металла находятся на минимально возможном для газового нагрева уровне. Этот

2345 достигаемый эффект при высоких требованиях к качеству металла перекрывает затраты на повышенный расход нагретого воздуха и перерасход электроэнергии, необходимые для работы при таких значениях коэффициента избытка воздуха.

Пример 9. При сжигании смеси жидкого или газообразного топлива и

2350 нагретого воздуха в пламенной печи 1 прямого нагрева (фиг Л, 6, 7, 8) в процессе обработки металлических и неметаллических изделий, в частности при обжиге керамических изделий, с коэффициентом избытка воздуха, большем 2,0, имеет место подача из горелки 8 (9) во внутреннее пространство 3 печи 1 увеличенных объемов воздуха. При этом за счет повышения скорости

2355 перемещения продуктов сгорания во внутреннем пространстве 3 печи 1

увеличивается конвективная составляющая теплообмена. Это обусловливает сокращение времени передачи тепла от продуктов сгорания к обрабатываемой в пламенной печи продукции и увеличение производительности тепловой обработки. Сокращение времени нагрева достигает 20%, что для нагреваемых 2360 металлов обеспечивает дополнительное снижение угара, обезуглероживания и наводораживания за счет уменьшения времени тепловой обработки.

Промышленная применимость При использовании предложенных технических решений,

2365 позволяющих при повышенных значениях коэффициентов избытка воздуха получать высокие температуры продуктов сгорания (до 1200 °C и более), обеспечивается существенная экономия топлива. Подогрев воздуха горения на каждые 100 ⁰ C позволяет получить до 5% экономии топлива. Например, при температуре рабочего пространства печи 125O ⁰ C и температуре подогрева

2370 воздуха в регенеративной насадке 1050 ⁰ C экономия составляет 50% по сравнению с использованием неподогретого воздуха.

Использование изобретений обеспечивает также уменьшение обезуглероживания стали без вышеуказанных отрицательных последствий малоокислительного нагрева, проводимого при значениях α, меньших 1,0.

2375 Уменьшение наводораживания при использовании предложенных способа и устройств имеет место при нагреве (плавлении) не только титана, но и других металлов и сплавов, например, магния и алюминия. Сталь также подвержена наводораживанию и снижение ее наводораживания при использовании изобретения играет важную положительную роль для особо

2380 ответственных стальных изделий.