Многослойная тепловая экранно-вакуумная защита высокотемпературных вакуумных элеваторных, шахтных и колпаковых печей
MULTILAYER THERMAL SCREEN-VACUUM PROTECTION OF HIGH-TEMPERATURE VACUUM ELEVATOR, SHAFT AND BELL FURNACES

Изобретение относится к области теплоэнергетики и предназначено для использования в высокотемпературных вакуумных электропечах.
Из документа RU 103900 U1, опубл. 27.04.2011 теплоизоляционный экран, выполненный в виде многослойной системы, включающей последовательно установленные монолитные слои из углеродсодержащего материала, при этом слой, располагаемый со стороны высокотемпературной поверхности, выполнен из термостойкого композиционного углеродного материала, контактирующий с ним слой выполнен из низкоплотного пористого углеродного материала, а внешний слой выполнен из углеткани.
Также из уровня техники известен тепловой экран, который содержит внутреннюю обечайку (1) в виде сборного каркаса, фасонные детали (2) которого состоят из дощечек (4), соединенных между собой крепежными кольцами 5 и шпильками 6 с образованием цилиндрической стенки (7) с замкнутой поверхностью (3) из четырех слоев композиционного углеродного материала, и характеризуется термостойкостью в инертной среде 2500-3000°C. Каждый последующий слой внутренней обечайки (1) выполнен плотно прилегающим к предыдущему с возможностью создания жесткой конструкции. Первый внутренний слой (8) выполнен термостойким из композиционного углерод-углеродного материала с плотностью 1,8-1,9 г/см3. Второй слой (9) выполнен защитно-предохранительным из терморасширенного графита. Третий слой (10) выполнен теплоизоляционным из нетканого высокопористого углеродного войлока с поверхностной плотностью 80-120 г/м. Четвертый слой (11) выполнен конструкционным из графитированной углеродной ткани с поверхностной плотностью 1000-1200 г/м (см. ЕА 30577 В1, опубл. 31.08.2018).
Из документа SU 1515022 A1, опубл. 15.10.1989 известна футеровка, выполненная из отдельных трехслойных блоков, имеющих теплоизоляционный наружный, рабочий и промежуточный слои, причем рабочий и наружный слои жестко связаны друг с другом посредством промежуточного слоя. Слои теплоизоляционный и рабочий выполнены в виде плит и смещены по отношению друг к другу, а промежуточный слой по размерам в плане равен размеру соединяемых поверхностей теплоизоляционного и рабочего слоев Трехслойные блоки связаны между собой по торцам и свободным от промежуточного слоя плоскостям рабочего и промежуточного слоев посредством клеевой высокотемпературной композицией.
Технический результат заключается в повышении эксплуатационной стойкости теплоизоляции высокотемпературных вакуумных элеваторных, шахтных и колпаковых печей.
Технический результат достигается при использованиимногослойной тепловой экранно-вакуумной защиты высокотемпературных вакуумных элеваторных, шахтных и колпаковых печей состоящей из:
- нагревательного блока с ленточными нагревателями, корпус которого через кронштейны с регулировочными винтами крепиться к вакуумному корпусу печи, при этом ленточные нагреватели висят на подвесках, установленных на металлических шпильках через изолятор, с зазором;
- теплового блока, состоящего из корпуса и многослойной защиты, содержащей экраны, выполненные в виде пластин, которые накладываются внахлест и подвешиваются на шпильки к корпусу теплового блока, расстояние между пластинами фиксируется чашками, надетыми на шпильки и, дополнительно, скобами в виде швеллеров между шпильками, при этом через корпус теплового блока и экраны в рабочий объем вводятся токовводы и подовые опоры через отверстия, выполненные в корпусе теплового блока и экранах,
и подовой и сводовой экранно-вакуумной защиты, выполненной из пластин круглой формы закрепленных на шпильках, причем часть экранов, обращенных к рабочему объему, имеют диаметр меньший диаметра внутреннего теплового блока для вхождения в тепловой блок, обеспечивая тепловой замок, расстояние между слоями пластин фиксируется чашками, надетыми на шпильки и, дополнительно, скобами в виде швеллеров между шпильками.
На фиг. 1 - вид в перспективе многослойная тепловой экранно-вакуумной защиты высокотемпературных вакуумных элеваторных, шахтных и колпаковых печей, на фиг. 2 - сегмент вида сверху печи в разрезе; на фиг. 3 - кронштейн для крепления нагревательного блока; на фиг. 4 - схема крепления теплового блока, вид сверху; на фиг.5 - вид сбоку в разрезе; на фиг.6 - вид подовой опоры в разрезе; на фиг.7 - токовод с изолятором; на фиг. 8 – подовая и сводовая экранно-вакуумной защита в разрезе.
На фигурах позициями 1-8 обозначены:
1 – Фланец вакуумного корпуса нагревательного блока
2 – Вакуумный корпус печи
3 – Токоввод
4 – Крепление в виде шпильки многослойной защиты
5 – Ленточный нагреватель
6 – Подовый стол печи
7 – Корпус теплового блока
8 – Втулка
9 – Шпилька
10 – Скобы в виде швеллеров
11 – Пазы
12 – Многослойная защита
13 – Чашки
14 – Подвеска
15 – Подовая опора
16 – Отверстие в корпусе теплового корпуса
17 – Шайба
18 – Изолятор
19 - Пластины подовой и сводовой экранно-вакуумной защиты
о
о
о
Нагревательный блок выполнен с ленточными нагревателями 5. Материал нагревателей зависит от рабочей температуры печи. Для температур до 1100 С они выполняются из высокотемпературного нихрома, для температур до 1700 С – из лантанированного молибдена или ниобия, а для температур до 2500 С - из вольфрама. Нагреватели висят на подвесках 14, установленных на металлических шпильках 9 через изолятор 18, с зазором, компенсирующим термическое расширение нагревателей.
Корпус нагревательного блока установлен на кронштейны (фиг.3) через регулировочные винты. Кронштейны закрепляются к вакуумному корпусу 2 печи через пазы 11 нагревательного блока с ленточными нагревателями 5, корпус которого устанавливается через пазы 11 на регулировочные винты в кронштейнах вакуумного корпуса, что в процессе сборки позволяет совместить нижнюю точку оси теплового блока с осью камеры.
Тепловой блок состоит из корпуса 7 и многослойных экранов, выполненных в виде наложенных внахлест пластин 12. При установке теплового блока регулировочные винты позволяют совместить верхнюю точку оси теплового блока с осью камеры печи.  Тепловой блок устанавливается на регулировочные болты через пазы 11 (фиг. 4). За счет пазов 11 совмещается нижняя точка оси теплового блока с осью камеры. Затем с помощью регулировочных винтов совмещается точка оси теплового блока с осью камеры.
Таким образом, в процессе термических деформаций тепловой корпус свободно расширяется и сужается по диаметру, а его ось относительно корпуса установки остается на месте.
Верх теплового блока никак не крепится, что позволяет ему свободно расширяться в этом направлении.
Материал экранов и их количество зависят от рабочей температуры печи. Экраны выполнены в виде отдельных пластин, которые подвешиваются только на две шпильки 4, установленных в корпусе теплового блока. Отверстия в пластинах имеют форму паза, их оси ориентированы перпендикулярно оси установки.
Расстояние между слоями пластин фиксируется чашками 13, надетыми на шпильки 9 и, дополнительно, скобами в виде швеллеров 10 в середине пластин. Такая конструкция позволяет пластинам свободно расширяться и сужаться во всех направлениях, но при этом, сохранять свое пространственное положение, что увеличивает ресурс работы экранов в несколько раз.
Шпильки 9 крепятся в корпус секции теплового блока во втулках 8. Контактное тепловое сопротивление такого соединения уменьшает тепловые потери через шпильки 9 в несколько раз по сравнению с вариантом соединения сваркой.
Через корпус теплового блока и экраны в рабочий объем вводятся токовводы 3 и подовые опоры 15. Для этого в корпусе теплового блока и экранах выполнены отверстия 16 гораздо больших размеров чем размеры тоководов и опор.
Получившийся зазор позволяет облегчить сборку и компенсирует неточности изготовления деталей, а также учитывает термические деформации корпуса теплового блока и экранов в процессе работы. Для исключения тепловых потерь через образовавшийся зазор на опоре устанавливаются шайбы 17. Шайбы 17 устанавливаются на подовые опоры 15 с минимальным зазором и располагаются между экранами, таким образом они не препятствуют перемещению корпуса теплового блока и экранов относительно опор 15 при термических деформациях, но полностью перекрывают тепловые потери излучением через зазор.
Токовводы 3 вводятся в рабочий объем через изоляторы 18, исключающие их электрический контакт с корпусом теплового блока и экранами. На токовводах 3 шайбы 17 устанавливаются аналогично подовым опорам 15, только не на токовод 3, а на изолятор 18.
Подовая и сводовая экранно-вакуумная защита, включает подовые и сводовые экраны 19, которые выполнены в виде пластин круглой формы. Данные пластины закреплены на нескольких шпильках 9, аналогично экранам теплового блока. На центральную шпильку 9 экраны надеваются без зазора, так как она фиксирует их ось, а на периферийные шпильки 9 через пазы 11, выполненные в радиальном направлении и позволяющие свободно расширяться/сужаться подовым и сводовым экранам во время термических деформаций, при этом их ось остается на месте.
Часть подовых и сводовых экранов 19, обращенных к рабочему объему, имеют диаметр меньший внутреннего диаметра теплового блока. Диаметр остальных подовых и сводовых экранов больше. При сборке пластины с меньшим диаметром входят во внутренний диаметр теплового блока, таким образом обеспечивая тепловой замок, препятствующий тепловым потерям. Расстояние между слоями подовых и сводовых экранов фиксируется специальными чашками 13, надетыми на шпильки 9 и, дополнительно, скобами 10 в виде швеллеров между шпильками 9. Такая конструкция позволяет подовым и сводовым экранам свободно расширяться и сужаться во всех направлениях, но при этом, сохранять свое пространственное положение, что увеличивает ресурс работы экранов в несколько раз. Шпильки 9 крепятся в корпус секции во втулках 8.
Контактное тепловое сопротивление такого соединения уменьшает тепловые потери через шпильки 9 в несколько раз по сравнению с вариантом соединения сваркой.
Таким образом, заявленное решение обеспечивает повышение эксплуатационной стойкости теплоизоляции высокотемпературных вакуумных элеваторных, шахтных и колпаковых печей.