СПОСОБ ГАЗОДИНАМИЧЕСКОЙ ГЕРМЕТИЗАЦИИ ЗАГРУЗОЧНЫХ И РАЗГРУЗОЧНЫХ ОКОН ПРОТЯЖНОЙ ПЕЧИ (ВАРИАНТЫ)
GAS DYNAMIC SEALING METHOD OF CHARGING AND DISCHARGING OPENINGS OF DRAW FURNACE (VERSIONS)

Изобретение относится к печам выпрямляющего отжига электротехнической стальной полосы, работающим при колебаниях давления в объеме печи, и может быть использовано преимущественно для стабилизации режима газодинамического уплотнения камеры сушки и нагрева печи посредством газового затвора.
Известен способ герметизации загрузочно-разгрузочных окон проходных печей (SU 1303802, опубл. 1986 г.) [1], включающий подачу и циркуляцию защитной атмосферы в замкнутом циркуляционном контуре, стабилизацию режима газодинамического уплотнения печи, которую обеспечивают тем, что давление защитной атмосферы в газовом затворе поддерживают равным давлению газов в печи путем изменения температуры в замкнутом контуре движения газа. Известный способ основан на возможности регулировать герметизирующие свойства газового затвора за счет изменения плотности перекачиваемого газа в результате его принудительного нагрева или охлаждения.
Основным недостатком этого способа является инертность. Так, при уменьшении давления защитной атмосферы в печи, с целью предотвращения подсосов воздуха через наружный пережим устройства, включается малоинерционная система автоматического подогрева газа, циркулирующего внутри затвора, вследствие чего достаточно быстро уменьшается его плотность, а значит и массовая производительность циркуляционного вентилятора. Регламентированные потери защитного газа через наружный пережим восстанавливаются, и режим уплотнения окна печи стабилизируется. Однако когда давление в печи начнет возрастать по независимым от работы затвора причинам, например при увеличении подачи защитного газа в печь по условиям технологии термообработки, то температура газа в циркуляционном контуре движения газа должна быстро, в течение нескольких секунд, восстановиться до прежней величины, что невозможно, так как скорость охлаждения защитного газа внутри затвора будет определена малоинтенсивным теплообменом между поверхностью наружных стенок корпуса затвора и окружающим в цехе воздухом. В результате затвор будет работать в нерасчетном режиме с неоправданно большими потерями дорогостоящего защитного газа.
Известен способ герметизации входных и выходных проемов проходных печей для термообработки металлической полосы, реализованный в газовом затворе (SU 1190174, опубл. 1985 г.) [2], который снабжен дополнительной камерой, с размещенным в ней подающим коллектором с щелевым соплом и поворотным отражателем. При уменьшении давления газа в печи режим уплотнения печи осуществляют за счет перепуска недостающего в данный момент защитного газа в камеру отвода газового затвора в результате отклонения траектории движения плоской струи, находящейся под действием перепада давления газа по ее сторонам.
Основным недостатком известного способа является невозможность обеспечить регламентированные потери защитного газа из затвора при значительном понижении давления печной атмосферы от номинального (рабочего) значения вследствие того, что плоская струя под действием уменьшающегося перепада давления по ее сторонам все сильнее отклоняется в пределы прямоугольного входа приемного коллектора. В результате величина энергии части струи, которая не попадает в коллектор и распространяется под ним до поворотного отражателя, становится недостаточной для удержания перепада давления газа между зонами с повышенным и пониженным давлением в дополнительной камере. Вследствие этого газ из зоны с повышенным давлением поступает в зону с пониженным давлением дополнительной камеры, а затем через сбросной трубопровод в камеру отвода затвора и далее через наружные поворотные шторки в окружающую среду, увеличивая потери защитного газа затвора выше допустимых значений.
Наиболее близким к заявленному является промышленно освоенный способ герметизации входных (выходных) проемов печей, реализованный в газовом затворе (SU 723352, публ. 1979 г.) [3], содержащем последовательно установленные камеру нагнетания, камеру отвода и камеру выхода газа. Защитный газ циркулирует в затворе за счет перепада давления в каждой из его камер, обусловленного нестабильностью давления в объеме печи. Интенсивность циркуляции регулируют использованием циркуляционного контура, движение газа в котором осуществляют посредством вентилятора, вход которого соединен с камерой отвода, а выход - с камерой нагнетания. Для предотвращения подсоса воздуха в затвор, а затем и в печь, а также для стабилизации газодинамического режима между камерами нагнетания и отвода установлены перепускные клапаны, срабатывающие в зависимости от перепада давления в этих камерах, выполняющие одновременно функцию датчиков перепада давления и исполнительных механизмов. Клапаны открываются или закрываются последовательно при понижении или повышении давления газа в печи, покрывая дефицит или избыток газа, возникающий в условиях постоянной производительности вентилятора.
Одним из существенных недостатков такой стабилизации режима уплотнения является возникновение мгновенного скачкообразного изменения расхода газа, перепускаемого из камеры нагнетания в камеру отвода, что приводит к значительному колебанию величины потерь защитного газа из затвора от нулевых значений до неоправданно больших величин. Это явление усложняет, кроме того, работу системы автоматической стабилизации давления защитного газа в печном объеме, при этом не исключается возможность перехода этой системы в режим автоколебаний и нарушения условия поддержания стабильного давления газа в печном объеме.
Задача настоящего изобретения состоит в создании стабильно надежного и экономичного способа герметизации загрузочных и разгрузочных окон протяжной печи.
Заявленный по первому варианту способ герметизации, так же как и известный, включает циркуляцию защитного газа в камерах газового затвора за счет перепада давления газа в каждой из этих камер, при этом интенсивность циркуляции регулируют использованием циркуляционного контура, движение газа в котором осуществляют посредством вентилятора, вход которого соединен с камерой отвода, а выход - с камерой нагнетания. Способ отличается тем, что создают последующую по ходу движения газа за камерой отвода камеру смешивания, в которой смешивают встречные потоки газа и воздуха и поддерживают постоянную усредненную температуру отводимой смеси встречных потоков газа и воздуха или постоянное содержание кислорода или водорода в отводимой смеси при создании разрежения в камере смешивания относительно защитного газа в печном объеме и атмосферного воздуха, при этом усредненную температуру отводимой смеси газов из камеры смешивания встречных потоков газа и воздуха поддерживают в диапазоне 0.2-0.9 от температуры защитного газа в прилегающем к газовому затвору печном объеме, содержание кислорода в отводимой смеси газов из камеры смешивания встречных потоков газа и воздуха - в диапазоне 0.1-0.9 от содержания кислорода в атмосферном воздухе, а содержание водорода в отводимой смеси газов из камеры смешивания встречных потоков газа и воздуха - в диапазоне 0.1-0.9 от содержания водорода в защитном газе, находящемся в прилегающем к газовому затвору печном объеме.
Сущность изобретения по первому варианту заключается в следующем. Величина перетока газа из печного объема, поступающего в камеру смешивания, определяет потери защитного газа из уплотняемого окна печи. За счет регламентированного отвода смеси газов и настройкой производительности циркуляционного контура движения защитного газа в камере смешивания встречных потоков газа и воздуха создают разрежение относительно соседних объемов: атмосферы и камеры отвода циркуляционного контура движения защитного газа. В результате возникают два встречных потока: защитного газа из камеры отвода циркуляционного контура и воздуха из атмосферы. Постоянство потерь защитного газа в предлагаемом способе определяется поддержанием стабильной температуры или состава газовой смеси, отводимой из камеры смешивания вне зависимости от колебания давления защитного газа в печном объеме. Постоянство усредненной температуры отводимой смеси газов из камеры смешивания встречных потоков газа и воздуха поддерживают с помощью системы автоматического регулирования, которая корректирует производительность циркуляционного контура движения защитного газа и приводит его в соответствие с заданной величиной перетока (потерь) защитного газа из камеры отвода циркуляционного контура в камеру смешивания. В камере смешивания происходит усреднение температуры и состава двух газовых потоков. Расход этой смеси газов, а значит и величина потерь защитного газа из уплотнения, может задаваться путем изменения производительности дополнительного вентилятора. Описанный способ герметизации обеспечивает незначительные по величине и стабильные во времени потери защитного газа из уплотняемого проема, которые не зависят от колебания давления газа в печном объеме.
Стабилизацию газодинамического уплотнения можно осуществлять за счет поддержания постоянными усредненных температуры или состава отводимой газовой среды. Температура защитного газа в прилегающем печном объеме при рабочем режиме всегда выше, чем окружающий воздух, поэтому и температура смеси газов может изменяться от температуры окружающего воздуха до температуры газа в печном объеме в зависимости от пропорций смешивающихся газовых потоков. Кроме того, процесс стабилизации. может осуществляться также либо за счет поддержания постоянного содержания кислорода в отводимой смеси газов, которая лежит в пределах от нуля в защитном газе и до 21% в воздухе, либо за счет поддержания концентрации водорода в смеси газов, которая колеблется в пределах от нуля в воздухе и до 5% в защитном газе.
То, что усредненную температуру отводимой смеси газов из камеры смешивания поддерживают в диапазоне 0.2-0.9 от температуры защитного газа в прилегающем к газовому затвору печном объеме, либо концентрацию кислорода в смеси газов в диапазоне 0.1-0.9 от концентрации кислорода в воздухе, либо концентрацию водорода в смеси газов в диапазоне 0.1-0.9 от концентрации водорода в защитном газе обусловлено следующим.
При задании усредненных температур смеси газов более 0.9 от температуры защитного газа в прилегающем печном объеме, либо концентрации кислорода в смеси газов менее 0.1 от его концентрации в воздухе, либо концентрации водорода в смеси газов более 0.9 от его концентрации в защитном газе отводимая смесь газов по объему более чем на 90% будет состоять из защитного газа и менее чем на 10% из воздуха.
В этом случае существенно затруднены контроль и стабилизация величины потерь защитного газа из уплотнения, так как температура или состав отводимой смеси газов будут близки к температуре или составу исходного защитного газа в прилегающем к уплотнению печном объеме. Кроме того, скорость начального потока защитного газа, сформированного за счет перепада давления газа между камерами отвода циркуляционного контура и камерой смешивания, будет более чем в 10 раз превышать встречный настильный поток воздуха из атмосферы в камеру смешивания, вследствие этого часть потока защитного газа за счет неравномерности полей скоростей по ширине полосы не успеет рассеяться в пределах длины камеры смешивания и может выйти за пределы уплотнения, дополнительно увеличивая потери защитного газа и снижая стабильность работы заявленного способа.
Задание величины усредненных температуры смеси газов менее 0.2 от температуры защитного газа в печном объеме, либо концентрации кислорода в смеси газов более 0.9 от его концентрации в воздухе, либо концентрации водорода в смеси газов менее 0.1 от его концентрации в защитном газе также нецелесообразно, так как газовая смесь будет состоять по объему из менее чем 10% защитного газа и более чем 90% воздуха. В этом случае также существенно затрудняются контроль и стабилизация уплотнения вследствие того, что газовая смесь будет близка по температуре и составу к воздуху. В случае, например, резкого падения защитного газа в печном объеме по причинам, не зависящим от работы способа, воздух может попасть из камеры смешивания в камеру отвода циркуляционного контура движения защитного газа, а затем в печной объем, что недопустимо. Кроме того, скорость настильного потока воздуха, сформированного за счет перепада давления между атмосферой и камерой смешивания, будет более чем в 10 раз превышать встречный настильный поток защитного газа, вследствие чего этот поток воздуха не успеет рассеяться в пределах длины камеры смешивания и может попасть в камеру отвода циркуляционного контура движения защитного газа даже в условиях стабильной работы печи.
Способ герметизации по второму варианту, как и известный, включает циркуляцию защитного газа в камерах газового затвора за счет перепада давления газа в каждой из этих камер, при этом интенсивность циркуляции регулируют использованием циркуляционного контура, движение газа в котором осуществляют посредством вентилятора, вход которого соединен с камерой отвода, а выход - с камерой нагнетания. Способ отличается тем, что создают предшествующую по ходу движения газа камере нагнетания соединенную со входом дополнительного вентилятора камеру смешивания, в которой смешивают встречные потоки газа и воздуха и поддерживают постоянную усредненную температуру отводимой смеси встречных потоков газа и воздуха или постоянное содержание кислорода или водорода в отводимой смеси при создании избыточного давления в камере смешивания, атмосферного воздуха, но меньшее относительно защитного газа в печном объеме, при этом усредненную температуру отводимой смеси газов из камеры смешивания встречных потоков газа и воздуха поддерживают в диапазоне 0.2-0.9 от температуры защитного газа в прилегающем к газовому затвору печном объеме, содержание кислорода в отводимой смеси газов из камеры смешивания встречных потоков газа и воздуха - в диапазоне 0.1-0.9 от содержания кислорода в атмосферном воздухе, а содержание водорода в отводимой смеси газов из камеры смешивания встречных потоков газа и воздуха - в диапазоне 0.1-0.9 от содержания водорода в защитном газе, находящемся в прилегающем к газовому затвору печном объеме.
Сущность второго варианта изобретения заключается в том, что в камере смешивания встречных потоков газа и воздуха за счет регламентированного отвода смеси газов, осуществляемого дополнительным отводом посредством вентилятора и настройкой производительности циркуляционного контура движения воздуха, создают давление смеси газов, которое меньше давления газов в соседних объемах: защитного газа в печном объеме и воздуха в камере нагнетания циркуляционного контура. В случае поддержания во времени заданных температуры или состава отводимой смеси газов потери защитного газа из уплотнения будут также стабилизированы. В отличие от способа по первому варианту изобретения циркуляционный контур перемещает воздух, а не защитный газ, а камера смешивания примыкает не к камере отвода циркуляционного контура, а к камере нагнетания, которая играет в этом случае роль камеры противодавления с атмосферным воздухом.
Способ герметизации по второму варианту также обеспечивает незначительные по величине и стабильные во времени потери защитного газа из уплотняемого проема, которые не зависят от колебания давления газа в печном объеме.
Поддержание усредненной температуры отводимой смеси газов из камеры смешивания за пределами рекомендуемого диапазона 0.2-0.9 от температуры защитного газа в прилегающем к уплотнению печном объеме, либо концентрации кислорода в смеси газов за пределами 0.1-0.9 от концентрации кислорода в воздухе, либо концентрации водорода в смеси газов за пределами 0.1-0.9 от концентрации водорода в защитном газе нецелесообразно по тем же причинам, что и в способе по первому варианту.
Новый технический результат заявленного изобретения заключается в плавном регулировании режима уплотнения окон загрузки или выгрузки при изменении давления защитного газа в печном объеме во всем возможном диапазоне при постоянных регламентированных и экономически обоснованных потерях защитного газа.
Изобретения иллюстрируют чертежами, где на фиг.1 изображена схема первого варианта реализации способа посредством газового затвора, установленного на протяжной печи, а на фиг.2 - соответственно схема второго варианта.
Способ по первому варианту реализуют следующим образом. В районе окна загрузки и выгрузки протяжной печи 1 для термообработки движущейся по роликам 2 полосы 3 устанавливают затвор, который с помощью пережимов 4 разделен на последовательно установленные камеры: камеру нагнетания 5 циркуляционного контура движения защитного газа, камеру отвода 6 того же контура, камеру перемешивания 7. Камеры газового затвора имеют прямоугольное поперечное сечение и соединяются между собой проходными зазорами, величина которых определяется из условия минимально возможного беспрепятственного прохода обрабатываемой полосы 3 внутри затвора. Проходные зазоры обеспечивают пережимы 4, которые состоят из поворотных шторок 8 и неподвижных полок 9 или встроенных в корпус затвора роликов 10. Камеры затворов 5 и 6 соединены соответственно с выходом и отводом циркуляционного вентилятора 11. Камера смешивания 7 соединена с входом вентилятора 12, образуя дополнительный отвод смеси газов. Производительность вентиляторов 11 и 12 изменяется с помощью регулирующих органов 13 и 14. Регулятор 15 сравнивает сигналы от датчика температуры или состава 16, отводимой смеси газов из камеры перемешивания 7 с помощью вентилятора 12 и задатчика 17, и в случае их рассогласования управляет исполнительным механизмом регулирующего органа 13 вентилятора 11. Производительность вентилятора 12 измеряется с помощью расходомера 18. Температуру защитного газа или содержание водорода в защитном газе, поступающего из прилегающего печного объема, измеряют с помощью соответствующего датчика 19.
С помощью задатчика 17 устанавливают температуру смеси газов в диапазоне 0.2-0.9 от температуры защитного газа в печном объеме, либо, если процесс стабилизации ведется по составу смеси газов, концентрацию кислорода в смеси газов в пределах 0.1-0.9 от содержания кислорода в воздухе, либо концентрацию водорода в смеси газов в диапазоне 0.1-0.9 от содержания водорода в защитном газе.
Величина перетока (потерь) защитного газа из камеры отвода 6 циркуляционного вентилятора 11 в камеру перемешивания 7 зависит от разности давления в этих камерах. В случае уменьшения давления защитного газа в печном объеме при неизменной производительности циркуляционного вентилятора 11 уменьшается и разность давлений газа в камерах 6 и 7. Это приведет к уменьшению перетока защитного газа и увеличению на эту величину потока воздуха из атмосферы в камеру перемешивания 7, поскольку расход отводимой смеси вентилятором 12 в процессе работы не изменяется. Вследствие этого уменьшится температура, либо увеличится содержание кислорода, либо снизится содержание водорода в отводимой смеси газов, однако регулятор 15, сравнив заданные значения температуры или состава с фактическими, выдаст сигнал на уменьшение производительности циркуляционного вентилятора 11. Система автоматического регулирования уменьшает его производительность до тех пор, пока температура или состав газовой смеси в камере 7 не восстановится до первоначальных значений. Аналогично CAP будет работать и в случае повышения давления газа в печи выше рабочего значения, например при увеличении подачи защитного газа в печь. В этом случае CAP будет стабилизировать температуру или состав смеси газов в камере перемешивания 7 за счет увеличения производительности циркуляционного вентилятора 11.
Для реализации второго варианта способа газовый затвор разделен на последовательно установленные камеры: камеру смешивания 5, камеру нагнетания циркуляционного контура движения воздуха 6 и камеру отвода 7 того же контура. Камеры затвора 6 и 7 соединены соответственно с выходом или отводом циркуляционного вентилятора 11. Камера смешивания 5 соединена с входом вентилятора 12. Способ осуществляют аналогично способу по первому варианту.
Заявленный способ герметизации загрузочных и разгрузочных окон протяжных печей обеспечивает плавное регулирование режима уплотнения печного агрегата при изменении давления защитного газа в его рабочем пространстве во всем возможном диапазоне, что позволяет стабилизировать режим газодинамического уплотнения окон загрузки и выгрузки протяжной печи.