Карбидокремниевый нагревательный элемент с импульсными секционными нагревателями для сталелитейной электропечи

Полезная модель относиться к электротехнике, а именно к конструкциям нагревательных элементов для теплообменных устройств. Целью настоящей полезной модели является расширение функциональных возможностей прототипа для его применения в сталелитейных электрических печах. Поставленная цель достигается путем изменения конструкции карбидокремниевого нагревательного элемента с импульсными секционными нагревателями. При этом карбидокремниевый кожух цилиндрической формы заменяется на кожух переменной толщины, имеющий наружную форму усеченных конусов, диаметр которых увеличивается от центра к торцом конструкции. Тем самым увеличивается мощность переноса тепла излучением в торцевой части нагревательного элемента. При этом теплопроводность, конвекционные и излучающие способы передачи распределенного температурного поля адаптируются для технологического процесса сталелитейного производства. Новым является то, что для применения предлагаемого нагревательного элемента в сталелитейных электрических печах изменяется конструкция карбидокремниевого кожуха, выполненного в виде кожуха переменной толщины, имеющего наружную форму усеченных конусов, диаметр которых увеличивается от центра к торцам конструкции.

Полезная модель относится к электротехнике, а именно к конструкциям нагревательных элементов для теплообменных устройств сталелитейных электрических печей.

В настоящее время наибольшее применение в электропечах нашли силитовые трубчатые электронагреватели (ТЭНы), состоящие из карбида кремния с небольшими добавками других металлов и сплавов, например устройства, описанные в патентах РФ 2246186, 2242096, 2237383, 2120199, патенте США US 8349218. Так же применяются индукционные нагревательные элементы, описанные в патентах РФ 2098928, 2462001, 2333618, 2094959. Конструкции перечисленных устройств содержат электронагреватель, содержащий корпус, токоввод для питания и нагревательный элемент, выполненный в виде толстопленочного резистора на металлодиэлектрической подложке, или индукционную катушку. Основными недостатками описанных выше устройств являются низкий КПД и небольшой срок службы, что обусловлено постоянным воздействием электрического тока (до 800 кВт·ч на 1 т стали).

Существует техническое решение (патент РФ 132938) позволяющий существенно увеличить КПД ТЭНов. Однако применение его является ограниченным. Например, применение такого технического решения в сталелитейных электропечах приводит к недогреву торцевых частей камеры печи, что ведет к недогреву образовавшегося на верхней части металла шлака, при котором хуже удаляется фосфор и сера. Это в свою очередь не дает возможность легировать сталь тугоплавкими металлами - молибденом и вольфрамом. В случае перегрева жидкого металла увеличивается содержание углерода (не более 2,14% углерода для стали), что приводит к выплавке чугуна (более 2,14% углерода) в место стали.

Общий вид ТЭНа, выбранного в качестве прототипа (RU 132938) представлен на фиг. 1.

Недостатком данного устройства является невозможность его использования в сталелитейных электрических печах из-за неравномерности воздействия температурного поля на разные части жидкого металла.

Целью настоящей полезной модели является расширение функциональных возможностей прототипа для его применения в сталелитейных электрических печах.

Поставленная цель достигается путем изменения конструкции карби-докремниевого нагревательного элемента с импульсными секционными нагревателями. При этом карбидокремниевый кожух цилиндрической формы заменяется на кожух переменной толщины, имеющий наружную форму усеченных конусов, диаметр которых увеличивается от центра к торцам конструкции, как показано на фиг. 2. Тем самым увеличивается мощность переноса тепла излучением в торцевой части нагревательного элемента. При этом теплопроводность, конвекционные и излучающие способы передачи распределенного температурного поля адаптируются для технологического процесса сталелитейного производства. Перечень рисунков на чертежах:

Фиг. 1. Общий вид карбидокремниевого нагревательного элемента с импульсными секционными нагревателями.

Фиг. 2. Общий вид карбидокремниевого нагревательного элемента с импульсными секционными нагревателями для сталелитейной электропечи. Сущность полезной модели заключается в следующем.

В настоящее время для нагрева сталелитейных печей применяют ТЭНы с постоянным воздействием электрического тока на толстопленочный резистор. Существует техническое решение (патент РФ 132938), позволяющий существенно увеличить КПД и срок службы ТЭНов. Однако применение его является ограниченным из-за неравномерности воздействия температурного поля на разные части печи.

Для устранения этого недостатка конструкция ТЭНа изменяется путем замены карбидокремниевого кожуха цилиндрической формы на кожух переменной толщины, имеющий наружную форму усеченных конусов, диаметр которых увеличивается от центра к торцам конструкции.

При таком подходе распространение температурного поля в ТЭНе изменится и примет вид G (x, a, t,) [1, 2, 3]. Где: t - время с; x - точка расположения датчика температуры, м.; , , - точка расположения нагревательного элемента, м.; s - момент включения точечного источника, с., а - заданный коэффициент температуропроводности материала объекта управления, м² /с; n - количество членов ряда Фурье.

Такой закон распространения температурного поля позволяет рассчитать поведение температурного поля в карбидокремниевом нагревательном элементе после замены ТЭНа постоянного нагрева на секционный нагреватель с импульсным способом управления. В данное уравнение добавляется коэффициент изменения толщины кожуха:

И тогда управление нагревателем сведется к математической модели:

;

где , , , , u=u-u^*.

Технически это реализуется за счет изменения кожуха карбидокремниевого нагревательного элемента с импульсными секционными нагревателями с цилиндрического на кожух с утолщением в торцевых частей и уменьшением толщины в центральной части (см. фиг.2.). Нагревательный элемент представляет собой кожух с увеличением толщины в торцевых частях из карбидокремния 5, в который последовательно встроены секционные нагревательные элементы 4 с релейным принципом управления. Импульсные секционные нагреватели разделены между собой карбидокремниевыми переборками 2. Крайние секционные нагревательные элементы снаружи закрыты карбидокремниевыми заглушками 3, как показано на фиг.2. После установки предлагаемых нагревательных элементов в туннельную печь режим ее работы, по сравнению с исходным, изменился следующим образом.

1. На начальном этапе - этапе прогрева и выхода на заданный температурный режим интенсивность температурного поля увеличилась.

2. В рабочем режиме - режиме поддержания заданной температуры изменилась интенсивность температурного поля в связи с утолщением торцевой части, конвекционный обмен и обмен излучением увеличился. Тем самым увеличился прогрев торцевой части жидкого металла. А из-за уменьшения толщины к центру температурное поле уменьшается к центру изделия, что стабилизирует необходимый температурный режим.

Для оценки уменьшения брака было проведено моделирование поведения сталелитейной электропечи в камере оборудованной нагревательными элементами с измененной конструкцией. Расчетные данные показали, что уровень брака снизиться на 5-10% [4, 5, 6].

Список используемой литературы

1. Tzafistas S.G. Bayesian approach to distributed-parameter filtering and smoothing. // Int. J. Control. - 1972. - V.15, No.2. - P.273-295.

2. Горбис З.Р. Теплообменники с проточными дисперсными теплоносителями. - М.: Энергия, 1975. - 296 с.

3. http://okant.ru/product/konditjerskoje-i-hljebopjekarnoje-oborudovanije/hljebopjekarnyje-pjechi/tunnjelnyje-pjechi/tunnjelnaja-pjech-j4-dvuhetazhnaja/

4. Ильюшин Ю.В. Моделирование температурного поля на гибридном супер-компьютере по технологии CUDA // Материалы всероссийской научной конференции «Вузовская наука Северо-Кавказскому федеральному округу» / под. ред. Т.А. Шебзуховой, И.М. Першина, А.И. Чернобабова. - Пятигорск. ФГАОУ ВПО «СКФУ» (филиал) в г. Пятигорске 2013. - 2 (ч. 1) - С 138-142

5. Патент РФ 132938, Карбидокремниевый нагревательный элемент с импульсными секционными нагревателями, Первухин Д.., Першин И.М., Чернышев А.Б. Ильюшин Ю.В. Официальный Бюллетень Федеральной Службы по Интеллектуальной Собственности, Патентам и Товарным Знакам. Изобретения. Полезные модели, 27.09.13, 27. 2013

6. Свидетельство о регистрации программы для ЭВМ 2013614896, Моделирование замкнутой системы управления трехмерным объектом с распределенными параметрами, Ильюшин Ю.В., Чернышев А.Б., Официальный Бюллетень Федеральной Службы по Интеллектуальной Собственности, Патентам и Товарным Знакам. Программы для ЭВМ, базы данных, топологии интегральных микросхем, 20.06.2013, 2. 2013

Карбидокремниевый нагревательный элемент с импульсными секционными нагревателями, содержащий карбидокремниевый кожух, в который последовательно встроены секционные нагревательные элементы с релейным принципом управления, разделенные между собой карбидокремниевыми переборками, и крайние секции карбидокремниевого нагревательного элемента снаружи закрыты карбидокремниевыми заглушками, отличающийся тем, что, с целью расширения функциональных возможностей для применения в сталелитейных электрических печах, карбидокремниевый кожух имеет наружную форму в виде усеченных конусов, диаметр которых увеличивается от центра к торцам конструкции.