ДОННЫЙ НАГРЕВАТЕЛЬ ШАХТНОЙ ВАКУУМНОЙ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОЙ ЭЛЕКТРОПЕЧИ СОПРОТИВЛЕНИЯ

Полезная модель относится к нагревателям шахтных и элеваторных вакуумных высокотемпературных электропечей сопротивления с графитовыми нагревателями, применяемым в машиностроительной, химической и других отраслях промышленности, и может быть использована в частности при производстве искусственных углеродных материалов.
В шахтных и элеваторных вакуумных высокотемпературных электропечах сопротивления нагреватели на поду, как правило, отсутствуют, что отрицательно сказывается на равномерности распределения температуры в рабочем пространстве, а значит, и на качестве нагреваемых изделий. Поэтому проблема создания конструкции и эффективного размещения на поду графитовых нагревателей является актуальной.
Известны графитовые стержневые нагреватели (см. М.С.Лейканд «Вакуумные электрические печи». Изд. «Энергия», 1968 г., стр.141, рис.4-24а). Обычно в шахтных и элеваторных печах устанавливаются вертикально не один, а несколько параллельно расположенных нагревателей, охватывающих по периметру окружности загрузку по всей высоте рабочего пространства. При этом нагреватель по длине обычно состоит из двух и более частей, соединенных резьбовыми муфтами.
Недостатки таких нагревателей: из-за массивности (наружный диаметр доходит до нескольких сантиметров) возникают значительные температурные перепады между сердцевиной и наружной поверхностью, что приводит к внутренним механическим напряжениям, вызывающим поломку (разрушение) нагревателей. Применение стержневых нагревателей в шахтных и элеваторных печах в качестве подовых с горизонтальной их установкой нецелесообразно, так как их недостатки те же, а при размещении на круглом днище конструктивно неприемлемы, потому как размеры и параметры нагревателей будут разные, что резко усложняет управляемость ими и конструкцию.
Известны проволочные нагреватели, устанавливаемые в подовой (донной) части шахтных печей (см. М.С.Лейканд «Вакуумные электрические печи». Изд. «Энергия», 1968 г., стр.211-212). Однако применение металлических проволочных нагревателей из сплавов высокого электрического сопротивления в шахтных и элеваторных вакуумных высокотемпературных печах сопротивления с температурой более 1400° С становится невозможным ввиду недостаточной их жаропрочности (температура применения до 1350-1400°С), а применение металлических нагревателей, изготовленных из материалов с температурой применения более 1400° С, например, таких как молибден или вольфрам, становится экономически невыгодным.
Известны плоские графитовые нагреватели прямоугольного сечения (см. М.С.Лейканд «Вакуумные электрические печи». Изд. «Энергия», 1968 г., стр.141, рис.4-24д, стр.147), соединяемых последовательно в отдельные секции по высоте рабочего пространства. Обычно они применяются в электропечах с прямоугольной конфигурацией рабочего пространства.
Применение их в шахтных и элеваторных печах с круглым днищем в качестве подовых (торцовых) нагревателей также неприемлемо из-за сложности распределения и размещения в них мощности, а также конструктивного исполнения.
Задача, на решение которой направлено заявленное техническое решение, заключается в создании конструкции плоского донного (подового) нагревателя, не имеющего вышеперечисленных недостатков.
Для решения поставленной задачи создан донный нагреватель шахтной вакуумной высокотемпературной электропечи сопротивления, содержащий собственно нагреватель, токоподводы и графитовую подставку, отличающийся тем, что собственно нагреватель состоит из двух плоских зеркально выполненных частей с витками прямоугольного сечения зигзагообразной формы, установленных симметрично и горизонтально на одном уровне, соединенных параллельно с токоподводами и образующих в сборе плоскость круглой формы с пазами прямоугольного сечения, при этом широкая грань витков нагревателя обращена вверх.
Кроме того, донный нагреватель отличается тем, что собственно нагреватель концентрично размещен внутри графитовой подставки на расстоянии не более Н от верхнего ее торца, при этом наружный диаметр нагревателя составляет (0,8…0,9) Двн., где Н≤150 мм, Двн - внутренний диаметр графитовой подставки, являющейся одновременно опорой загрузки (контейнера, реторты) электропечи. Кроме этого, донный нагреватель снабжен лепестковым экраном, установленным горизонтально под собственно нагревателем.
Задача решается за счет создания оригинальной конструкции собственно нагревателя, состоящего из двух плоских зеркально выполненных частей, витки которых образованы в результате механического выполнения (выборки) одинаковых пазов и радиусов в плоском листе определенной толщины, при этом строго сохраняется сечение частей нагревателя на всей их длине, то есть обе части нагревателя имеют не только одинаковые размеры и конструктивную форму, но и абсолютно одинаковые теплотехнические характеристики, что обеспечивает равномерное выделение тепла со всей теплоотдающей плоской поверхности круглой формы донного нагревателя; упрощается управление и регулирование мощностью подовой тепловой зоны.
Технический результат заявленной полезной модели заключается в том, что при ее введении и использовании в шахтных (и элеваторных) вакуумных высокотемпературных электропечах сопротивления снижается градиент температур по высоте рабочего пространства и, следовательно, повышается равномерность температуры в печи, что положительно сказывается на качестве обрабатываемых в электропечи изделий; сохраняется длительная прочность нагревателей; упрощается управление и регулирование мощности подовой тепловой зоны; уменьшается расход электроэнергии.
Между совокупностью существенных признаков заявляемого объекта и достигаемым техническим результатом существует причинно-следственная связь, а именно:
1. Круглая и плоская форма собственно нагревателя способствует идеальной компенсации тепловых потерь через под, а значит, высокой равномерности температур в рабочем пространстве электропечи и высокому качеству нагреваемых изделий.
2. Относительно малая толщина собственно нагревателя исключает значительные перепады температуры между сердцевиной и наружной поверхностью, а значит, и внутренние напряжения, что способствует сохранению длительной прочности нагревателя.
3. Симметричная конфигурация частей собственно нагревателя упрощает управление и регулирование мощности подовой тепловой зоны, т.к. обе части нагревателя имеют одинаковую форму, электрическое сопротивление и излучающую поверхность.
4. В результате введения в конструкцию нагревателя лепесткового экрана уменьшаются тепловые потери через под, и соответственно уменьшается расход электроэнергии.
Техническая сущность предложенного технического решения поясняется чертежом, на котором изображен донный нагреватель шахтной (элеваторной) вакуумной высокотемпературной электропечи сопротивления.
Донный нагреватель содержит собственно нагреватель 1, состоящий из двух зеркально выполненных частей 2 и 3, соединенных параллельно к токоподводам 4 печи. Собственно нагреватель 1 установлен горизонтально и концентрично внутри графитовой подставки 5. При этом обе части 2 и 3 собственно нагревателя 1 опираются через высокотемпературные электроизоляционные керамические втулки 6 и регулировочные винты 7 на перемычки 8 и кольцевые сектора 9 подставки 5.
Между регулировочными винтами 7 и собственно нагревателем 1 установлен лепестковый экран 10, состоящий из нескольких (например, 8 шт.) секторообразных частей 11 (с отверстиями), выполненных из прочного тонкого графитированного листового материала. С помощью графитовых гаек 12 экран 10 прижимается к буртам 13 регулировочных винтов 7. Положение регулировочных винтов 7 фиксируется также гайками 12. Надежное электроконтактное соединение концов собственно нагревателя 1 с токоподводами 4 производится с помощью нижеперечисленных графитовых деталей, показанных на чертеже и устанавливаемых при предварительной сборке в следующей, например, последовательности (последовательность сборки может быть иной):
Устанавливается резьбовая переходная муфта 14 на верхний конец токоподвода 4, вворачивается в нее винт токоподвода 15 с заранее навернутой гайкой 16. Затем оба конца частей 2 и 3 собственно нагревателя 1 соединяются с перемычками 17 при помощи винтов 18 и шайб 19. Далее перемычки 17 соединяются с винтами токоподвода 15 с помощью винтов 20, вворачиваемых внутрь винтов токоподвода 15. После предварительной сборки производится проверка правильности сборки, регулировка и выставка всех элементов донного нагревателя и только потом производится окончательная затяжка всех винтов и гаек.
Полностью собранный и подготовленный к работе донный нагреватель устанавливается на печь. К токоподводам его с помощью, например, медных шин подводится постоянный ток от автономного источника питания (тиристорного преобразователя) необходимой мощности.
При работе электропечи вначале включают основные нагреватели и только при достижении в печи температуры, равной 30-40% от заданной по технологическому процессу, включают донный нагреватель и продолжают процесс нагрева изделий согласно регламенту со всеми включенными нагревателями.