ВАННА ЭЛЕКТРОПЕЧИ ДЛЯ ГОРЯЧЕГО ЦИНКОВАНИЯ Российский патент 1998 года по МПК C21D1/48 F27D1/16 

Изобретение относится к металлургии, в частности к электропечам для горячего цинкования с верхним нагревом, и может быть использовано во всех отраслях промышленности, где необходимо осуществлять защиту металлических изделий от коррозии.

Наиболее близкой по технической сущности и достигаемому результату к предлагаемой ванне электропечи для горячего цинкования является ванна плавильной печи, включающая стальной кожух и двухслойную футеровку, состоящую из рабочего слоя из огнеупорного материала и теплоизоляционного слоя.

В качестве огнеупорного материала может быть использован графит, например кирпич из графита, а в качестве теплоизоляционного - силикоглиноземистый материал.

В известной ванне печи не обеспечивается оптимизация градиента температур в сечении рабочий слой футеровки - теплоизоляционный слой футеровки - стальной кожух ванны, что вызывает ее повышенный коррозионный износ и снижает ее долговечность.

Это объясняется тем, что расплав цинка просачивается через микропоры и микротрещины, которые имеются в обоих слоях футеровки, и через образовавшиеся проходы проникает к стальному кожуху ванны. Как только жидкий цинк достигает стального кожуха, происходит локальное разрушение последнего за счет быстрого коррозионного износа, так как жидкий цинк характеризуется высокой коррозионной активностью. Ванна не подлежит ремонту и необходима ее замена. Одной из причин быстрого выхода ванны из строя является то, что футеровка не обладает достаточной жесткостью и под действием массы расплава происходят горизонтальные и вертикальные перемещения огнеупорного кирпича, в результате чего образуется большое количество зазоров между ними, в которое свободно проникает расплав цинка. В результате этого создаются условия для прорыва жидкого цинка к стальному кожуху ванны.

В основу изобретения поставлена задача усовершенствовать ванну электропечи для горячего цинкования, в которой путем введения новых конструктивных элементов и выбора соотношений между геометрическими параметрами и физико-механическими характеристиками конструктивных элементов обеспечивается оптимизация градиента температур в сечении рабочий слой футеровки - теплоизоляционный слой футеровки - стальной кожух ванны, за счет чего исключается коррозионный износ и повышается долговечность ванны.

Поставленная задача решается тем, что в ванне электропечи для горячего цинкования, включающей стальной кожух и двухслойную футеровку, состоящую из рабочего слоя из огнеупорного материала и теплоизоляционного слоя, согласно изобретению новым является то, что она дополнительно содержит размещенный под рабочим слоем металлический опорный корпус, а толщина теплоизоляционного слоя футеровки определяется из соотношения

где
δ₁ - толщина рабочего слоя футеровки, м;
δ₂ - толщина теплоизоляционного слоя футеровки, м;
λ₁ - коэффициент теплопроводности рабочего слоя футеровки;
λ₂ - коэффициент теплопроводности теплоизоляционного слоя футеровки.

Причинно-следственная связь между совокупностью существенных признаков изобретения и достигаемым техническим результатом заключается в том, что предлагаемое конструктивное выполнение ванны электропечи для горячего цинкования, а именно:
- дополнительное введение металлического опорного корпуса;
- размещение металлического опорного корпуса между рабочим и теплоизоляционным слоями футеровки;
- выполнение теплоизоляционного слоя футеровки таким образом, что его толщина определяется из соотношения, учитывающего толщину рабочего слоя футеровки и коэффициенты теплопроводности материалов рабочего и теплоизоляционного слоев футеровки,
в совокупности с известными признаками обеспечивает оптимизацию градиента температур в сечении рабочий слой футеровки - теплоизоляционный слой футеровки - стальной кожух ванны, что способствует снижению коррозионного износа, повышению долговечности ванны, обеспечению безопасности ее эксплуатации, снижению потерь тепла.

Износ ванны электропечи для горячего цинкования с верхним нагревом расплава обусловлен коррозионной активностью расплавленного цинка по отношению к стальному кожуху ванны. Расплавленный цинк проникает через микропоры и трещины футеровки к стальному кожуху ванны, вызывает его коррозию и разрушение, после чего ванна ремонту не подлежит.

Во избежание этого рабочий и теплоизоляционный слой футеровки должны характеризоваться такими теплотехническими свойствами, которые в течение длительного времени не позволяют расплавленному цинку проникать к стальному кожуху ванны. Кроме того, при температуре расплава цинка 460^oC стальной кожух ванны не должен нагреваться до температуры выше 60^oC.

Экспериментально установлено, что необходимые для обеспечения оптимального градиента температур в сечении рабочий слой футеровки - теплоизоляционный слой футеровки - стальной кожух теплотехнические свойства футеровки достигаются при размещении под рабочим слоем футеровки металлического опорного корпуса и выполнении теплоизоляционного слоя толщиной, определяемой из заявляемого соотношения.

Толщину и огнеупорный материал для рабочего слоя футеровки выбирают, исходя из условий механической прочности и инертности к цинковому расплаву. Рабочий слой должен выдерживать давление расплава цинка, не разрушаясь и не смещаясь в горизонтальном или вертикальном направлении, т.е. не образуя каналов для прорыва расплава цинка к металлическому опорному корпусу, который предназначен для фиксации рабочего слоя и выполняет роль дополнительного барьера на пути расплава цинка к теплоизоляционному слою.

Теплопроводность огнеупорного материала рабочего слоя должна быть такой, чтобы в совокупности с другими признаками не допустить проникновение цинка через микропоры и трещины к металлическому опорному корпусу при температуре выше его температуры плавления. Таким образом, проникающий к опорному корпусу рабочего слоя цинк уже не проявляет активность и не реагирует с металлом корпуса. Значительные разрушения рабочего слоя футеровки исключены благодаря наличию опорного слоя, поэтому практически исключена и возможность попадания активного жидкого цинка на металл опорного корпуса, а значит, и проникновение его к стальному кожуху ванны. Но даже если по истечении длительного периода времени расплав цинка и разрушает некоторые участки металлического опорного корпуса и при температуре активности цинка достигает прилежащей к нему поверхности теплоизоляционного слоя футеровки, кожух ванны оказывается надежно защищенным от контакта с расплавом цинка, так как при толщине, определяемой из заявляемого соотношения, теплоизоляционный слой футеровки обеспечивает условия, при которых контакт стального кожуха ванны с жидким цинком невозможен, а сам кожух не нагревается выше 60^oC.

Таким образом, в предлагаемой конструкции ванны обеспечивается надежная защита ее кожуха от контакта с расплавом цинка, что исключает ее коррозионный износ и обеспечивает длительную работу за счет оптимизации градиента температур в сечении рабочий слой футеровки - теплоизоляционный слой футеровки - стальной кожух. Потери тепла при эксплуатации предлагаемой ванны невелеки, она безопасна для обслуживающего персонала.

При недостаточной толщине теплоизоляционного слоя футеровки повышается температура опорного корпуса и стального кожуха ванны, что повышает вероятность травмирования обслуживающего персонала. Возрастают потери тепла, что приводит к повышению расхода электроэнергии. При прорыве расплава цинка через металлический опорный корпус рабочего слоя повышается вероятность попадания его на стальной кожух ванны в активном жидком состоянии, что приведет к коррозионному износу ванны, снижению срока ее службы.

Выполнение теплоизоляционного слоя футеровки толщиной, превышающей толщину, определяемую из заявляемого соотношения, нецелесообразно, так как повышается температура цинкового расплава, а следовательно, повышается вероятность, что жидкий цинк достигнет металлического опорного корпуса рабочего слоя, а затем через повреждения в металлическом опорном корпусе и теплоизоляционный слой достигнет стального кожуха ванны, не утратив при этом своей коррозионной активности. Кроме того, происходит его окисление, что снижает качество обрабатываемых изделий. Повышается расход теплоизоляционного материала, увеличиваются габариты ванны, а на ее теплотехнические характеристики это практически не влияет. Обеспечивается незначительная экономия тепла, которая не окупает затраты на большее количество теплоизоляционного материала по сравнению с тем, которое необходимо при выполнении теплоизоляционного слоя футеровки с толщиной, определяемой из заявляемого соотношения.

На чертеже представлена предлагаемая ванна для электропечи горячего цинкования, вид спереди, разрез.

Ванна электропечи для горячего цинкования содержит стальной кожух 1, на котором последовательно размещены теплоизоляционный слой 2, металлический опорный корпус 3 и рабочий слой 1. Рабочий слой 4 контактирует непосредственно с раствором 5 цинка и выполнен из огнеупорного материала, инертного к расплаву 5 цинка, например шамотного кирпича, хромомагнезитового кирпича и других, применяемых для работы с цинковым расплавом материалов. Его толщина δ₁ обусловлена необходимостью обеспечения такой механической прочности, при которой под давлением массы расплава не произойдет нарушения целостности рабочего слоя 4. Толщину δ₂ теплоизоляционного слоя определяют расчетным путем, используя при этом заявляемое соотношение. Ванна электропечи установлена на каркасе 6.

Пример 1. Рабочий слой 4 футеровки изготавливали из шамотного кирпича класса A, теплопроводность которого λ₁= 1,0467 Вт/м•^°C . Экспериментально установлено, что для обеспечения надежности ванны толщина рабочего слоя 4 в этом случае должна составлять δ₁= 0,3 м. В качестве теплоизоляционного слоя 2 использовали минеральную вату, теплопроводность этого слоя составляет λ₂= 0,08 Вт/м•^°C .

Определяли минимальную толщину теплоизоляционного слоя

Максимальная его толщина равна

Таким образом, теплоизоляционный слой из минеральной ваты выполняют толщиной не менее 0,03 и не более 0.13 м. Оптимальная толщина составляет 0,07 - 0,09 м.

Пример 2. Рабочий слой 4 футеровки изготавливали также из шамотного кирпича класса A теплопроводностью λ₁= 1,0467 Вт/м•^°C , толщиной 0,3 м. Теплоизоляционный слой - из диатомита обожженного молотого теплопроводностью λ₂= 1,1723 Вт/м•^°C .

Минимальная толщина теплоизоляционного слоя составляет

Максимальная его толщина составляет

Пример 3. Рабочий слой 4 футеровки изготавливали из термостойкого хромомагнезитового кирпича теплопроводностью λ₁= 2,575 Вт/м•^°C . Толщина рабочего слоя составляет δ₁= 0,3 м . Теплоизоляционный слой - из диатомита обожженного молотого теплопроводностью λ₂= 0,1723 Вт/м•^°C .

Минимальная толщина теплоизоляционного слоя составляет

Максимальная толщина теплоизоляционного слоя составляет

Предлагаемая конструкция была испытана на опытной установке ванны цинкования, где изменяли материал и толщину теплоизоляционного слоя в соответствии с приведенными примерами.

Термопара, установленная в зоне металлического опорного корпуса показала, что при реализации изобретения температура там составляла 380-390^oC. Это на 30-40^oC ниже температуры плавления цинка. Реакционная способность цинка при этой температуре отсутствует.

Из приведенных примеров видно, что, используя предлагаемое соотношение, можно определить максимальную и минимальную толщину теплоизоляционного слоя, при которой температура на опорном слое будет менее 400^oC. Теплоизоляционный слой, имеющий толщину в соответствии с полученными пределами, обеспечивает надежную работу ванны, защищая ее от контакта с расплавом цинка и перегрева. Предлагаемое соотношение может быть использовано для определения толщины теплоизоляционного слоя при различных сочетаниях огнеупорных и теплоизоляционных материалов.

Использование: в металлургии, в частности в электропечах для горячего цинкования с верхним нагревом, а также во всех отраслях промышленности, где необходимо осуществлять защиту металлургических изделий от коррозии. Сущность изобретения: ванна включает стальной кожух и двухслойную футеровку, состоящую из рабочего слоя от огнеупорного материала и теплоизоляционного слоя. Новым является то, что она дополнительно содержит размещенный под рабочим слоем металлический опорный корпус, а толщина теплоизоляционного слоя футеровки определяется из соотношения , где δ₁ - толщина рабочего слоя футеровки, м; δ₂ - толщина теплоизоляционного слоя футеровки, м; λ₁ - коэффициент теплопроводности рабочего слоя футеровки; λ₂ - коэффициент теплопроводности теплоизоляционного слоя футеровки. Технический результат - обеспечение оптимального градиента температур в сечении рабочий слой футеровки - теплоизоляционный слой футеровки - стальной кожух ванны, за счет чего исключается корозионный износ и повышается долговечность ванны. 1 ил.

Ванна электропечи для горячего цинкования, содержащая стальной кожух и футеровку, имеющую рабочий слой из огнеупорного материала и теплоизоляционный слой, отличающаяся тем, что ванна снабжена металлическим опорным корпусом, размещенным под рабочим слоем, при этом толщину теплоизоляционного слоя футеровки определяют из соотношения

где δ₁- толщина рабочего слоя футеровки, м;
δ₂- толщина теплоизоляционного слоя футеровки, м;
λ₁- коэффициент теплопроводности рабочего слоя футеровки;
λ₂- коэффициент теплопроводности теплоизоляционного слоя футеровки.