УСТРОЙСТВО И СПОСОБ НАГРЕВАНИЯ МЕТАЛЛИЧЕСКОГО МАТЕРИАЛА
DEVICE AND PROCEDURE OF HEATING METALLIC MATERIAL

Настоящее изобретение относится к устройству и способу нагревания металлического материала, например в промышленной печи. Более конкретно настоящее изобретение относится к нагреванию посредством так называемой технологии DFI (от англ. «Direct Flame Impingement» - прямое отражение пламени). Иными словами, используется пламя сгорания, которое непосредственно сталкивается с поверхностью металлического материала, тем самым эффективно передавая материалу тепловую энергию.
При использовании технологии DFI для нагревания металлического материала загрязняющие вещества удаляют с поверхности материала, которой также придают привлекательную поверхностную структуру для последующих технологических стадий.
При таком DFI-нагревании металлического материала пламени обычно позволяют двигаться над поверхностью металлического материала. При непрерывной работе металлический материал может, например, транспортироваться через печь и при этом проходить через одну или более стационарных горелок DFI и нагреваться. Иногда требуется одновременное нагревание металлического материала по определенной ширине. Такая необходимость часто возникает, например, при нагревании полос, плит или широких слябов. Этого обычно добиваются, размещая несколько разнесенных на взаимно регулярные интервалы горелок DFI вдоль ширины поверхности металла. В результате горелки DFI образуют горелочный мост, мимо которого пропускают нагреваемый материал. Такой горелочный мост описан в заявке на Шведский патент с номером 0502913-7, которая включена сюда по ссылке.
Однако теплопередача от горелки DFI снижается с расстоянием между горелкой и поверхностью материала. Это может привести к неравномерному распределению температур по горелочному мосту с более низким теплообменом между ними, чем непосредственно под горелкой. Это, в свою очередь, придает материалу неправильную поверхность с точки зрения кристаллизации и температуры. Для того чтобы избежать этих эффектов, необходимо увеличить расстояние между горелками и материалом, что уменьшает возможность воспользоваться преимуществами описанной выше технологии DFI.
Кроме того, часто желательно отрегулировать ширину той части моста, которая нагревает металлический материал, например, для того, чтобы избежать нежелательного нагрева за пределами ширины металлического материала или локального перегрева на крайних участках материала, а также компенсировать боковые движения материала при его движении вперед. Однако добиться удовлетворительной точности такого регулирования при использовании моста с несколькими горелками затруднительно, поскольку доступные средства регулирования включают опускание и/или выключение отдельных горелок. Поэтому ширина не может быть отрегулирована более короткими шагами, чем расстояние между двумя горелками.
Более того, каждая добавляемая горелка увеличивает затраты на проектирование, а также техническое обслуживание и ремонт, из-за чего мосты с несколькими горелками являются относительно дорогостоящими. Несколько горелок требуют большого числа трубок для подачи топлива и окислителя, а также более сложных и поэтому более дорогостоящих систем клапанов и управления.
Настоящее изобретение решает вышеописанные проблемы.
Таким образом, настоящее изобретение относится к устройству для нагревания металлического материала с продольным направлением и перпендикулярным продольному направлению поперечным направлением, содержащему удлиненное горелочное устройство типа DFI, выполненное приводимым в действие газообразным окислителем и газообразным топливом, при этом металлический материал и горелочное устройство выполнены перемещаемыми относительно друг друга в продольном направлении, и при этом устройство содержит одно устройство для подачи топлива и одно устройство для подачи окислителя и отличается тем, что горелочное устройство содержит удлиненную, трубчатую топливную емкость и удлиненную, трубчатую окислительную емкость, тем, что соответствующие емкости расположены параллельно друг другу и поверхности металлического материала, тем, что каждая из них имеет один или более расположенных вдоль емкости проемов, через которые топливо и окислитель соответственно вынуждаются вытекать и затем сходиться в зоне зажигания за пределами соответствующих емкостей, где возникает пламя, тем, что соответствующие устройства для подачи выполнены с возможностью, посредством регулятора, поддерживать давление в каждой соответствующей емкости постоянным по всей рассматриваемой емкости во время работы, и тем, что каждая соответствующая емкость содержит поршень, который выполнен с возможностью перемещаться в продольном направлении емкости и, следовательно, предотвращать вытекание топлива и окислителя соответственно через те проемы вдоль продольного сечения, которые поршень временно перекрывает от доступа топлива и окислителя, так что тем самым можно управлять протяженностью пламени в продольном направлении емкостей.
Настоящее изобретение также относится к способу того типа и с теми основными признаками, которые указаны в пункте 14 формулы изобретения.
Далее настоящее изобретение будет описано подробно со ссылкой на примерные варианты его реализации и прилагаемые чертежи, на которых:
- Фигура 1 представляет собой общий вид промышленной печи с горелочным устройством согласно настоящему изобретению.
- Фигура 2 представляет собой подробный вид в поперечном разрезе сбоку, показывающий горелочное устройство согласно фигуре 1. На фигуре 2 соответствующие детали обозначены такими же ссылочными номерами, как и на фигуре 1.
- Фигура 3 представляет собой общий вид спереди, показывающий горелочное устройство согласно фигуре 1 вместе с системой управления для корректировки боковой протяженности пламени во время работы.
На фигуре 1 схематично проиллюстрирована промышленная печь 1 традиционного типа. Она может быть предназначена для непрерывного нагревания удлиненного металлического материала или для периодической работы.
Предполагается, что настоящее изобретение может быть также использовано в тех случаях, когда материал не нагревают в промышленной печи. В таких случаях, например, может быть использована конструкция с открытым горением или конструкция горелки, содержащая радиационную защиту.
В печи 1 содержится металлический материал 2, который во время нагревания пропускают через печь 1. Металлический материал 2 может, например, быть в виде удлиненной плиты, полосы или сляба, а также может принимать другие формы. В таких случаях материал 2 может иметь различные размеры, например, между 40 и 150 см в ширину и между 1 и 500 мм в толщину, предпочтительно между 1 и 50 мм в толщину. Длина металлического материала 2 может варьироваться от коротких кусков до удлиненных форм, предназначенных для непрерывной работы. Могут быть также использованы и другие формы материала. Более того, изобретение может быть использовано для периодического нагревания материала и особенно полезно при гальванизации и при термической обработке нержавеющих металлических полос.
Целью нагревания металлического материала 2 может являться предварительный нагрев материала 2 перед последующими технологическими стадиями.
Промышленная печь 1 имеет продольное направление 1а и поперечное направление 1b, которое является по существу перпендикулярным продольному направлению. Продольное направление 1а печи совпадает с продольным направлением металлического материала 2. Это же относится и к поперечному направлению 1b и поперечному направлению металлического материала 2.
В печи размещено удлиненное горелочное устройство 3 типа DFI. Это горелочное устройство может быть размещено в самом печном пространстве, утоплено в стене или своде печи 1 либо оно может быть иметь иное подходящее местоположение, из которого оно может направлять пламя в печь 1 и на поверхность металлического материала 2.
В горелочное устройство 3 подают газообразное топливо по подводящей трубке 4 и газообразный окислитель по подводящей трубке 5. Топливо может представлять собой пропан, природный газ или какое-либо иное подходящее газообразное топливо. Окислитель может представлять собой обогащенный кислородом воздух. Согласно предпочтительному варианту реализации окислитель состоит из по меньшей мере 90% по объему газообразного кислорода, что повышает эффективность. Согласно еще более предпочтительному варианту реализации окислитель состоит из по меньшей мере 95% по объему газообразного кислорода.
Топливо и окислитель соответственно протекают по трубкам 4, 5 в топливную емкость 10 и окислительную емкость 20 соответственно. В описываемом примерном варианте реализации имеется по одной емкости 10, 20 каждого вида, однако подразумевается, что может быть использовано более одной емкости каждого вида, в зависимости от назначения предполагаемого применения. Например, могут быть использованы две окислительные емкости, которые могут быть расположены окружающими топливную емкость с обеих сторон.
Топливная емкость 10 и окислительная емкость 20 соответственно обе являются удлиненными и трубчатыми, что означает, что они имеют удлиненную, пустотелую форму с поперечным сечением, которое может иметь круглую, прямоугольную или любую иную подходящую геометрическую форму. Согласно предпочтительному варианту реализации емкости 10, 20 имеют постоянное, круглое поперечное сечение по всей их длине.
Емкости 10, 20 параллельны в своем основном направлении протяженности. Более того, они ориентированы так, что это основное направление протяженности по существу параллельно той части поверхности металлического материала 2, которая подлежит термической обработке.
Обе соответствующих емкости 10, 20 снабжены проемами 11, 21, которые расположены вдоль стороны емкости 10, 20, обращенной к поверхности металлического материала 2. Проемы 11, 21 могут, например, быть в виде ряда небольших, равномерно распределенных отверстий, проходящего вдоль основного направления протяженности емкости 10, 20, либо решетки или какого-либо иного типа перфорированной полосы, составляющей часть стенки емкости 10, 20. Согласно предпочтительному варианту реализации и как показано в горелочном устройстве 3, проиллюстрированном на фигурах, проемы 11, 21 выполнены в виде когерентной, продольной щели. Проемы 11, 21 расположены вдоль всего продольного сечения, по которому горелочное устройство 3 выполнено с возможностью нагревания металлического материала 2.
Таким образом, топливо и окислитель соответственно вытекает через соответствующие проемы 11, 21 из топливной емкости 10 и окислительной емкости 20 соответственно. Регулятор 6 выполнен с возможностью поддержания заданного и постоянного давления в каждой соответствующей емкости 10, 20 за счет регулирования потока, протекающего по трубкам 4, 5. Это может быть, например, достигнуто посредством системы с обратной связью (не показана).
Для того чтобы обеспечить возможность поддержания регулятором 6 упомянутого давления в обоих соответствующих емкостях 10, 20, проемы 11, 21 и емкости 10, 20 спроектированы так, что размеры проемов 11, 21 существенно меньше, чем внутренние размеры емкостей 10, 20. Согласно предпочтительному варианту реализации ширина проемов 11, 21 не превышает 2 мм, в то время как внутренний диаметр каждой соответствующей емкости 10, 20 составляет не менее 100 мм. Тот факт, что ширина проемов 11, 21 не превышает 2 мм, означает, что их максимальный диаметр не превышает 2 мм, когда использовано множество круглых отверстий, что ширина щели не превышает 2 мм, если использована продольная щель, что наибольший размер отверстия не превышает 2 мм, если использована перфорированная полоса, или соответствующий размер для других видов проемов. Внутренний диаметр емкости 10, 20 следует интерпретировать как внутренний поперечный размер емкости 10, 20.
Таким образом, топливо поступает через подводящую трубку 4 в топливную емкость 10, а затем выходит через проем 11. Аналогично окислитель поступает через подводящую трубку 5 в окислительную емкость 20, а затем выходит через проем 21. Поскольку по всей топливной емкости 10 преобладает по существу одинаковое давление и поскольку ширина щели 21 одинакова по всей ее длине, газовый поток 16 через проем 11 будет равномерным вдоль топливной емкости 10 независимо от той длины, по которой расположены проемы. Это же относится и к окислителю.
Газ 16, 26, выходящий через соответствующую щель 11, 21, вынуждают направляться посредством ориентирования соответствующей щели 11, 21 так, что топливо и окислитель сходятся в зоне зажигания L, в которой происходит зажигание и возникает пламя. Для достижения этого щели 11, 21 направлены так, что результирующие газовые потоки 16, 26 сходятся. В зависимости, среди прочего, от подробного дизайна щелей 11, 21, влияющего на рассеивание обоих соответствующих газовых потоков 16, 26, среди прочего, внутреннего дизайна печного пространства в целом, степени конвекции и других факторов, щели 11, 21 могут, например, быть направлены под наклоном друг к другу или могут быть по существу параллельными. Согласно предпочтительному варианту реализации щели 11, 21 ориентированы так, что между горелочным устройством 3 и поверхностью металлического материала 2 образуется зона зажигания L, а возникающее при этом пламя сталкивается непосредственно с поверхностью.
Благодаря удлиненному характеру проемов, каждый соответствующий газовый поток 16, 26 будет образовывать удлиненное тело, проходящее по существу параллельно горелочному устройству 3, и образующаяся в результате зона зажигания L и возникающее в ней пламя будут также удлиненными. Согласно предпочтительному варианту реализации газ вытекает из каждой отдельной щели 11, 21 по существу параллельно, что означает, что образующаяся в результате зона зажигания L и возникающее в ней пламя принимают по существу прямолинейную, удлиненную форму.
Для того чтобы добиться равномерного нагревания вдоль поверхности металлического материала 2 этот материал 2 и горелочное устройство 3 выполнены с возможностью перемещения относительно друг друга в продольном направлении 1а. Это может быть реализовано, например, посредством выполнения горелочного устройства 3 с возможностью перемещения над неподвижным материалом 2, однако согласно предпочтительному варианту реализации предусмотрены средства (не показаны) для транспортировки металлического материала 2 в печи 1, вдоль продольного направления 1а, мимо горелочного устройства 3, которое неподвижно расположено в печи 1. Такая компоновка особенно подходит для непрерывного или периодического нагревания удлиненных металлических изделий.
Горелочное устройство 3 может быть ориентировано своим основным направлением протяженности по существу параллельно поперечному направлению 1b, хотя возможны и другие ориентации при условии, что горелочное устройство 3 параллельно поверхности материала 2.
Например и как описано в Шведском патенте с номером 0502913-7, два горелочных устройства (не показаны) могут быть расположены под таким взаимным углом, что образуется стреловидная компоновка, причем кончик стрелки направлен в продольном направлении 1а. В таком случае пламя горелки достигнет центральной части металлического материала 2 раньше, чем оно достигнет боковых частей. Поэтому центральная часть металлического материала 2 нагревается раньше его боковых частей, рассматривая поперечное сечение металлического материала 2. При этом по мере продвижения процесса отжига вдоль продольного направления 1а в центральной части материала 2 будут возникать сжимающие усилия. Это сводит к минимуму опасность деформации во время нагревания.
Как топливная емкость 10, так и окислительная емкость 20 имеют открытые концы. На каждом соответствующем конце имеется поршень 12, 14, 22, 24, вставленный с возможностью перемещения через рассматриваемый открытый конец и выполненный с возможностью перемещения в продольном направлении соответствующей емкости 10, 20. Каждый поршень 12, 14, 22, 24 также снабжен уплотнительными средствами (не показаны), которые обеспечивают то, что по существу отсутствует утечка газа из соответствующей емкости 10, 20 через любой из ее открытых концов. Такие уплотнительные средства могут, например, представлять собой наружную резьбу на поршнях 12, 14, 22, 24, которая выполнена ввинчивающейся в соответствующую внутреннюю резьбу в емкости 10, 20.
Другая альтернатива состоит в том, чтобы на обращенном в емкость 10, 20 конце поршня 12, 14, 22, 24 было расположено одно или более поршневых колец, а также чтобы эти поршневые кольца были выполнены с возможностью осуществлять уплотняющее действие между внутренней поверхностью емкости 10, 20 и наружной поверхностью поршня 12, 14, 22, 24.
Третий способ состоит в размещении кольцевых уплотнений в качестве уплотнительных средств.
Продольным положением каждого соответствующего поршня 12, 14, 22, 24 в соответствующей емкости 10, 20 управляют соответствующим регулирующим устройством 13, 15, 23, 25. Поршень 12, 14, 22, 24 выполнен упирающимся герметично изнутри емкости 10, 20 в ту часть проемов 11, 21, которая расположена вдоль продольного сечения емкости 10, 20, по которому в данный момент проходит поршень 12, 14, 22, 24, и тем самым предотвращающим вытекание топлива и окислителя соответственно через проемы 11, 21 вдоль этого продольного сечения. Протяженность возникающего в результате пламени в поперечном направлении 1b может быть тем самым отрегулирована посредством управления положением поршня 12, 14, 22, 24 в емкости 10, 20.
Регулирующие устройства 13, 15, 23, 25 могут быть выполнены с возможностью регулирования положения соответствующих поршней 12, 14, 22, 24 многочисленными различными способами. Предпочтительный способ состоит в использовании взаимодействующих резьб, как описано выше, которые одновременно обеспечивают надежное уплотнение между емкостями 10, 20 и поршнями 12, 14, 22, 24. В этом случае положением поршней 12, 14, 22, 24 можно управлять путем вращения поршней 12, 14, 22, 24. Другой предпочтительный способ состоит в том, чтобы регулирующие устройства 13, 15, 23, 25 были выполнены с возможностью вызывать скольжение соответствующих поршней 12, 14, 22, 24 вдоль емкостей 10, 20 посредством известного из уровня техники подходящего линейного двигателя с электроприводом.
Возможно также позволить одному и тому же регулирующему устройству регулировать положение более чем одного поршня, что в некоторых случаях облегчает приведение всех поршней на одном конце горелочного устройства 3 в одинаковое положение вдоль соответствующих им емкостей.
Из фигур понятно, что каждая соответствующая емкость 10, 20 имеет на каждом конце регулируемый поршень 12, 14, 22, 24. Однако следует понимать, что этот случай не является обязательным. Например, только те открытые концы каждой соответствующей емкости в горелочном устройстве, которые обращены в одном и том же направлении, могут быть оборудованы регулируемыми поршнями, что может быть использовано, например, при работе с двумя взаимодействующими горелочными мостами, установленными рядом друг с другом в поперечном направлении, и в том случае, когда не требуется регулирование протяженности пламени в том месте, где встречаются оба горелочных моста.
Регулирование положения соответствующих поршней 12, 14, 22, 24 в соответствующих им емкостях 10, 20 обеспечивает регулирование протяженности пламени вдоль поверхности металлического материала 2.
Во время работы протяженность металлического материала 2 в поперечном направлении 1b может варьироваться в зависимости, например, от различий в размерах вдоль длины материала 2 или из-за движений в поперечном направлении 1b материала 2 при его транспортировке через печь 1. Фигура 3 иллюстрирует систему управления, которая может быть использована для непрерывной подгонки пламени, исходящего из горелочного устройства 3.
Таким образом, имеются два подходящих и традиционных индикатора 31, 32 положения, установленных на внутренней стенке печи 1, на обеих сторонах металлического материала 2 в поперечном направлении 1b и на той же высоте, что и материал 2. Индикаторы 31, 32 положения непрерывно определяют (считывают) положение в направлении 1b соответствующих боковых кромок металлического материала 2 по мере его движения в продольном направлении 1а. По кабелям 33 и 36 соответственно индикаторы положения 31, 32 передают информацию о текущем положении упомянутых кромок устройству 37 управления, которое, в свою очередь, непрерывно передает по кабелям 34, 35 управляющие сигналы обоим соответствующим регулирующим устройствам 23, 25, так что они непрерывно подгоняют протяженность пламени в поперечном направлении 1b в соответствии с текущей протяженностью металлического материала 2 в том же направлении описанным выше способом. Проиллюстрированная система управления работает согласно подходящему традиционному алгоритму управления и это означает, например, что индикаторы 31, 32 могут быть установлены на определенном расстоянии в продольном направлении 1а от горелочного устройства 3 для компенсации каких-либо задержек в системе.
Настоящим изобретением обеспечиваются несколько преимуществ.
Во-первых, достигается более равномерная интенсивность нагревания вдоль основного направления протяженности горелочного устройства 3, чем с традиционными горелочными мостами, благодаря использованию одного единственного удлиненного и равномерно распределенного факела пламени. Это приводит к более гладкой поверхности нагретого материала 2.
Во-вторых, расстояние между горелочным устройством 3 и материалом 2 может быть сокращено без риска получения неравномерного результата, что, как описано выше, приводит к повышенной эффективности и лучшему использованию преимуществ технологии DFI.
В-третьих, благодаря возможности непрерывного регулирования положения каждого соответствующего поршня 12, 14, 22, 24 в соответствующей ему емкости 10, 20, возможно регулировать с большей точностью ширину той части горелочного устройства 3, которая нагревает металлический материал 2, тем самым позволяя более эффективно избежать ненужного нагрева за пределами ширины металлического материала 2 и локального перегрева на его краевых участках.
В-четвертых, протяженность пламени в поперечном направлении 1b может непрерывно регулироваться с высокой точностью таким образом, что оно все время соответствует текущей протяженности металлического материала 2 в поперечном направлении 1b по мере того, как материал 2 транспортируют через печь 1.
В-пятых, упрощается и удешевляется конструкция горелки, поскольку отпадает необходимость в использовании множества горелок DFI для достижения вышеуказанных целей и поскольку при этом значительно сокращается число конструктивных элементов.
Более того, одна или более из емкостей 10, 20 могут быть выполнены так, чтобы они могли вращаться вдоль своей продольной оси. Из-за такого вращения одной или более из емкостей 10, 20 также может варьироваться угол выхода одного или более газовых потоков 16, 26 и поэтому может регулироваться положение и/или протяженность зоны зажигания L.
Соответственно, возможно, например, регулируя и/или неподвижно устанавливая емкости 10, 20, отклонять газовые потоки 16, 26 с некоторым наклоном относительно направления нормали к поверхности материала 2 так, чтобы центр зоны зажигания L заканчивался несколько впереди или несколько позади горелочного устройства 3 относительно продольного направления 1а. При такой компоновке, с одной стороны, вещества, загрязняющие поверхность металлического материала 2, могут быть эффективно сожжены, а с другой стороны, газообразные продукты сгорания могут быть отведены в определенном направлении, например, наружу из печного пространства, тем самым способствуя более регулируемой циркуляции газов в печи 1.
x
Согласно предпочтительному варианту реализации обе емкости 10, 20 расположены на достаточном расстоянии от поверхности металлического материала 2 для того, чтобы сгорание в зоне зажигания L по существу не имело видимого пламени, но все еще происходило вблизи от поверхности металлического материала 2, поскольку оба потока 16, 26 топлива и окислителя соответственно направляют, за счет ориентации щелей 11, 21, сходящимися вблизи от упомянутой поверхности. Иными словами, металлический материал 2 в данном варианте реализации нагревают посредством так называемого беспламенного DFI. За счет такой компоновки обеспечиваются дополнительные преимущества. Среди прочего, происходит снижение температуры сгорания, которая приводит к более низкой выработке токсичных газов NO, что является предпочтительным.
Выше были описаны примерные варианты реализации, однако изобретение может варьироваться без отклонения от его сущности. Поэтому настоящее изобретение следует считать ограниченным не этими примерными вариантами реализации, а только лишь объемом прилагаемой формулы изобретения.