RU2846066C1

RU2846066C1 - Tubular electric heater

Info

Publication number: RU2846066C1
Application number: RU2025113210A
Authority: RU
Inventors: Александр Алексеевич Темеров; Виктор Николаевич Тимофеев; Сергей Николаевич Перфильев; Виктор Викторович Поплыко; Максим Юрьевич Хацаюк; Петр Алексеевич Хоменков
Original assignee: Общество с ограниченной ответственностью "Научно-производственный центр магнитной гидродинамики"
Filing date: 2025-05-20
Publication date: 2025-08-29

Abstract

FIELD: heating.

SUBSTANCE: invention relates to devices used in electrotechnological installations, and namely to metal tubular electric heaters of reverberatory furnaces for performance of melting and heating processes of various materials or their products. Tubular electric heater comprises two rod-type heating elements installed in protective radiation tube of cartridge design with one stationary flange with outputs for power supply, which is installed at one of its ends. Two rod-type heating elements are installed oppositely in the protective radiation tube; at the other end of the protective radiation tube there is a detachable flange. Rod-type heating elements each has its central rod and its area of electrical connections with power supply outputs directed towards flanges.

EFFECT: improving operating reliability and repairability of electric heater.

1 cl, 6 dwg

Description

Настоящее изобретение относится к устройствам, применяемым в электротехнологических установках, в частности, к металлическим трубчатым электронагревателям отражательных печей для выполнения технологических процессов плавки и нагрева различных материалов или изделий из них.The present invention relates to devices used in electrical engineering installations, in particular to metal tubular electric heaters of reverberatory furnaces for performing technological processes of melting and heating various materials or products made from them.

При разработке систем электронагрева для отражательных печей, имеющих большие габариты, а соответственно и мощности электронагревателей, для выполнения технологического требования (например, выравнивания температуры по поверхности изделий больших габаритов) необходимо полностью перекрывать рабочее пространство печи электронагревателями. Этой цели более всего удовлетворяет применение трубчатых электронагревателей со стержневыми нагревательными элементами, установленными в защитные радиационные жаростойкие трубы [1]. При этом длина труб может достигать шести метров при их диаметре до 200 мм. Трубчатые электронагреватели подвешиваются через свод печи на специальных креплениях (U-образных подвесках). При консольном креплении тяжелых труб патронного типа (с заглушкой конца трубы, находящегося в печном пространстве) при высокой температуре имеют место обрывы U-образных подвесок, деформация трубы и аварийный выход из строя электронагревателя. Иногда такие электронагреватели устанавливают с опорой конца трубы с заглушкой на противоположную стену печи, выполняя в ней углубление [2, с. 23]. Общими недостатками вышеперечисленных электронагревателей являются длинная горячая зона нагревательного элемента и заглушка конца трубы, находящаяся в экстремальных условиях.When developing electric heating systems for large-sized reverberatory furnaces, and, accordingly, large electric heater capacities, to meet the process requirement (e.g., equalizing the temperature over the surface of large-sized products), it is necessary to completely cover the furnace working space with electric heaters. This goal is best met by using tubular electric heaters with rod heating elements installed in protective heat-resistant radiation pipes [1]. In this case, the length of the pipes can reach six meters with a diameter of up to 200 mm. Tubular electric heaters are suspended through the furnace roof using special fasteners (U-shaped hangers). When heavy cartridge-type pipes are cantilevered (with a plug at the end of the pipe located in the furnace space), at high temperatures, the U-shaped hangers break, the pipe deforms, and the electric heater fails. Sometimes such electric heaters are installed with the end of the pipe with the plug supported on the opposite wall of the furnace, making a recess in it [2, p. 23]. The common disadvantages of the above-mentioned electric heaters are the long hot zone of the heating element and the end cap of the pipe, which is under extreme conditions.

При работе короткого стержневого нагревательного элемента его греющие провода удлиняются незначительно, даже при высокой температуре, и не требуют применения дополнительного элемента (так называемого «изолятора-ползуна»), компенсирующего их удлинение [3, с. 102]. В современных трубчатых электронагревателях греющие провода обычно изготавливаются из жаростойкого материала - фехраля (Х23Ю5Т, GS23-5 и др.), который при больших температурах существенно удлиняется [4, с. 98], поэтому необходимо применять специальные решения, ограничивающие деформацию греющих проводов при их удлинении. К тому же нагревательные элементы с длинной горячей зоной трудоёмки при их монтаже в трубы и требуют специальных приспособлений.When a short rod heating element is in operation, its heating wires are extended slightly, even at high temperatures, and do not require the use of an additional element (the so-called "insulator slider") to compensate for their extension [3, p. 102]. In modern tubular electric heaters, the heating wires are usually made of heat-resistant material - fechral (X23Yu5T, GS23-5, etc.), which significantly extends at high temperatures [4, p. 98], so it is necessary to use special solutions that limit the deformation of the heating wires when they extend. In addition, heating elements with a long hot zone are labor-intensive to install in pipes and require special devices.

Известны технические решения, когда, с учетом вышеперечисленных недостатков, применяют установку коротких электронагревателей с обеих сторон печи. Такое решение имеет следующие недостатки:There are technical solutions when, taking into account the above-mentioned shortcomings, short electric heaters are installed on both sides of the furnace. This solution has the following shortcomings:

- неравномерный нагрев обрабатываемых изделий из-за большого расстояния между горячими зонами нагревательных элементов;- uneven heating of the workpieces due to the large distance between the hot zones of the heating elements;

- наличие двух заглушек в горячей зоне печи;- the presence of two plugs in the hot zone of the furnace;

- сохраняется возможность обрыва U-образных подвесок с последующей деформацией труб;- there remains a possibility of breakage of U-shaped hangers with subsequent deformation of pipes;

- сравнительное увеличение затрат на печи с электронагревателями такого типа.- a comparative increase in costs for furnaces with electric heaters of this type.

Наиболее близким к заявляемому техническому решению является трубчатый электронагреватель, содержащий два стержневых нагревательных элемента, расположенных последовательно в консольно установленной в рабочем пространстве печи радиационной трубе патронного исполнения, имеющих общую область электрических соединений, находящуюся между ними с выводами для подачи электропитания и направленными в одну сторону трубы (в сторону фланца), и общий центральный стержень, являющийся выводом для одного из нагревательных элементов [5].The closest to the claimed technical solution is a tubular electric heater containing two rod heating elements arranged in series in a cartridge-type radiation tube installed in a cantilever manner in the working space of the furnace, having a common area of electrical connections located between them with terminals for supplying electrical power and directed in one direction of the tube (towards the flange), and a common central rod, which is the terminal for one of the heating elements [5].

Эта конструкция электронагревателя, которая, благодаря наличию в одной радиационной трубе двух коротких нагревательных элементов, снижает деформацию греющих проводов при нагревании, имеет следующие недостатки:This design of the electric heater, which, due to the presence of two short heating elements in one radiant tube, reduces the deformation of the heating wires during heating, has the following disadvantages:

- расположение области электрических соединений между нагревательными элементами с выводами, направленными в одну сторону трубы (в сторону фланца), требует много места как для размещения соединительных пластин электрических соединений двух нагревательных элементов, так и для прохождения четырех выводов в дисковых изоляторах (одним выводом, является центральный стержень). Учитывая то, что сечение выводов имеет всегда большее сечение (примерно в три раза), чем греющие провода, то они не являются греющими проводами. Таким образом, уменьшается плотность удельной мощности на объём радиационной трубы. Кроме того, наличие соединительных пластин в горячей зоне трубы повышает вероятность скопления окислов и возможность коротких замыканий между греющими проводами нагревательных элементов и трубой;- the location of the electrical connection area between the heating elements with terminals directed to one side of the pipe (towards the flange) requires a lot of space both for placing the connecting plates of the electrical connections of two heating elements and for the passage of four terminals in disk insulators (one terminal is the central rod). Considering that the cross-section of the terminals always has a larger cross-section (approximately three times) than the heating wires, they are not heating wires. Thus, the specific power density per volume of the radiant pipe decreases. In addition, the presence of connecting plates in the hot zone of the pipe increases the likelihood of oxide accumulation and the possibility of short circuits between the heating wires of the heating elements and the pipe;

- наличие заглушки в трубе при патронном исполнении создает дополнительный очаг аварийности;- the presence of a plug in the pipe in the cartridge version creates an additional source of accidents;

- низкая ремонтоспособность электронагревателя, так как при повреждении одного нагревательного элемента необходимо демонтировать оба из-за их последовательного расположения в трубе, общего центрального стержня и выводов, направленных в одну сторону трубы (в сторону фланца). Ситуацию усугубляет и то, что при неисправности одного из нагревательных элементов ремонту подлежат оба из-за хладохрупкости фехраля, наступающей после нагрева греющих проводов более 500°С, 900°С;- low repairability of the electric heater, since if one heating element is damaged, both must be dismantled due to their sequential arrangement in the pipe, a common central rod and terminals directed to one side of the pipe (towards the flange). The situation is aggravated by the fact that if one of the heating elements fails, both must be repaired due to the cold brittleness of fechral, which occurs after heating the heating wires above 500°C, 900°C;

- при консольной установке трубы сохраняется возможность обрыва U-образных подвесок с последующей ее деформацией и выходом нагревательных элементов из строя.- when installing the pipe as a console, there is a possibility of the U-shaped hangers breaking, followed by its deformation and failure of the heating elements.

В основу изобретения положена задача разработки конструкции электронагревателя, обеспечивающего повышение его эксплуатационной надежности и ремонтоспособности.The invention is based on the task of developing a design for an electric heater that ensures an increase in its operational reliability and repairability.

Поставленная задача решается тем, что заявляемый трубчатый электронагреватель состоит из двух стержневых нагревательных элементов, расположенных встречно с разных концов одной сквозной жаростойкой радиационной трубы, полностью перекрывающей рабочее пространство печи и имеющей на своих концах два фланца для крепления выводов нагревательных элементов. При этом один фланец - стационарный (приваривается с одного конца трубы и крепится к корпусу печи), второй - съемный (устанавливается на другом свободном конце трубы после монтажа ее в печи). Нагревательные элементы после монтажа их в трубу крепятся своими выводами к соответствующим фланцам через удерживающие их изолирующие пластины, имеют каждый свой центральный стержень и области электрических соединений с выводами для подачи электропитания, направленными в обе стороны трубы.The stated problem is solved by the fact that the claimed tubular electric heater consists of two rod heating elements located opposite each other at different ends of one through heat-resistant radiant tube, completely covering the working space of the furnace and having two flanges at its ends for fastening the terminals of the heating elements. In this case, one flange is stationary (welded at one end of the tube and attached to the furnace body), the second is removable (installed at the other free end of the tube after its installation in the furnace). The heating elements after their installation in the tube are attached with their terminals to the corresponding flanges through the insulating plates holding them, each has its own central rod and areas of electrical connections with terminals for supplying power, directed in both directions of the tube.

Изобретение поясняется чертежами, где на фиг. 1 - вариант консольного крепления защитной трубы стержневого электронагревателя на U-образных подвесках, проходящих через свод отражательной печи; на фиг. 2 - вариант установки защитной трубы электронагревателя с опорой её конца на противоположную стену печи; на фиг. 3 - вариант стержневого электронагревателя с относительно короткой горячей зоной нагревательного элемента, когда нет необходимости применения дополнительных компенсирующих устройств; на фиг. 4 - установка коротких электронагревателей с обеих сторон печи; на фиг. 5 - заявляемый трубчатый электронагреватель и его компоновка в печи; на фиг. 6 - результаты численного моделирования распределения температуры на внешней поверхности защитной трубы и поверхности широкого стального листа при его термообработке в проходной печи.The invention is explained by drawings, where Fig. 1 is a variant of console fastening of a protective tube of a rod electric heater on U-shaped hangers passing through the roof of a reverberatory furnace; Fig. 2 is a variant of installing a protective tube of an electric heater with its end supported on the opposite wall of the furnace; Fig. 3 is a variant of a rod electric heater with a relatively short hot zone of the heating element, when there is no need to use additional compensating devices; Fig. 4 is installing short electric heaters on both sides of the furnace; Fig. 5 is the claimed tubular electric heater and its arrangement in the furnace; Fig. 6 is the results of numerical modeling of the temperature distribution on the outer surface of the protective tube and the surface of a wide steel sheet during its heat treatment in a continuous furnace.

Трубчатый электронагреватель работает следующим образом. При подаче электропитания через выводы 1 на греющие провода 2 нагревательные элементы НЭ-1 и НЭ-2 разогреваются до заданной температуры (1000°С и выше). За счет теплообмена излучением с нагревательными элементами разогревается защитная труба 3, опирающаяся на стены печи и U-образные подвески 4, закрепленные в своде печи 5. Тем самым обеспечивается выполнение технологических процессов, связанных с нагревом.The tubular electric heater operates as follows. When power is supplied through terminals 1 to heating wires 2, heating elements NE-1 and NE-2 are heated to a specified temperature (1000°C and higher). Due to heat exchange by radiation with the heating elements, the protective tube 3, resting on the furnace walls and U-shaped hangers 4, fixed in the furnace vault 5, is heated. This ensures the implementation of technological processes associated with heating.

Основной особенностью работы электронагревателя предложенной конструкции является то, что во время нагрева греющих проводов, защитной трубы и центральных стержней 6 происходит их удлинение в зависимости от температуры и свойств материала, из которого они изготовлены. Защитную трубу и центральные стержни обычно изготавливают из жаростойких жаропрочных сталей (например, ХН45Ю), коэффициенты термического расширения (КТР) которых близки между собой. Характер удлинения фехралей, из которых изготавливаются греющие провода (например, Х23Ю5Т, GS23-5), принципиально отличается от жаропрочных сталей [4, с. 98] ввиду их низкой крипоустойчивости. При достижении установившегося температурного режима электронагревателя, который задан и поддерживается системой автоматики, происходит максимальное удлинение защитной трубы и центральных стержней. Так как стационарный фланец 7 закреплен на каркасе печи с одного конца трубы, а второй конец трубы проходит через всю толщину стены (футеровку) 8 и свободен, то удлинение трубы происходит в сторону ее свободного конца в направлении +X с одновременным увлечением нагревательного элемента НЭ-2, центральный стержень которого закреплен в изоляторе 9 съёмного фланца 10. При этом удлинение центрального стержня нагревательного элемента НЭ-2 происходит в противоположную сторону (в направлении -Х). При равенстве КТР защитной трубы и центрального стержня, конец центрального стержня (керамический изолятор 11) и все опорные дисковые изоляторы 12 нагревательного элемента НЭ-2 остаются неподвижными относительно защитной трубы. По тем же причинам все опорные дисковые изоляторы и конец центрального стержня нагревательного элемента НЭ-1 также остаются неподвижными относительно защитной трубы. Из этого следует, что сохраняется во время всего цикла работы электронагревателя постоянным заданное при проектировании расстояние Δ между концами нагревательных элементов НЭ-1 и НЭ-2. Учитывая данное обстоятельство имеется возможность определять расчетным путем расстояние Δ при проектировании системы электронагрева печи и влиять на распределение температуры по поверхности обрабатываемых изделий больших габаритов. Как пример, на фиг. 8 приведены результаты численного моделирования распределения температуры по поверхности широкого стального листа в зависимости от расстояния Δ.The main feature of the operation of the electric heater of the proposed design is that during the heating of the heating wires, protective tube and central rods 6, they elongate depending on the temperature and properties of the material from which they are made. The protective tube and central rods are usually made of heat-resistant heat-resistant steels (for example, KhN45Yu), the coefficients of thermal expansion (CTE) of which are close to each other. The nature of the elongation of fechrals, from which the heating wires are made (for example, Kh23Yu5T, GS23-5), differs fundamentally from heat-resistant steels [4, p. 98] due to their low creep resistance. When the steady-state temperature mode of the electric heater is reached, which is set and maintained by the automation system, the maximum elongation of the protective tube and central rods occurs. Since the stationary flange 7 is fixed to the furnace frame at one end of the pipe, and the other end of the pipe passes through the entire thickness of the wall (lining) 8 and is free, the pipe is extended towards its free end in the +X direction with simultaneous entrainment of the heating element NE-2, the central rod of which is fixed in the insulator 9 of the removable flange 10. In this case, the central rod of the heating element NE-2 is extended in the opposite direction (in the -X direction). When the CTE of the protective pipe and the central rod are equal, the end of the central rod (ceramic insulator 11) and all support disk insulators 12 of the heating element NE-2 remain stationary relative to the protective pipe. For the same reasons, all support disk insulators and the end of the central rod of the heating element NE-1 also remain stationary relative to the protective pipe. It follows from this that the distance Δ between the ends of the heating elements NE-1 and NE-2 specified during the design is maintained constant during the entire operating cycle of the electric heater. Taking this circumstance into account, it is possible to determine the distance Δ by calculation when designing the furnace electric heating system and influence the temperature distribution over the surface of large-sized workpieces. As an example, Fig. 8 shows the results of numerical modeling of the temperature distribution over the surface of a wide steel sheet depending on the distance Δ.

Что же касается удлинения греющих проводов, проходящих в отверстиях дисковых опорных изоляторов, то оно должно компенсироваться перемещением изоляторов-ползунов 13, расстояние движения которых находится в пределах расчетного с учетом крипоустойчивости материала греющих проводов при проектировании электронагревателя и в зависимости от длины горячей зоны нагревательных элементов. Чем меньше длина горячей зоны нагревательного элемента, тем меньше абсолютное удлинение греющих проводов, что гарантирует высокую эксплуатационную надежность электронагревателя, так как снижается вероятность деформирования проводов.As for the extension of the heating wires passing through the holes of the disk support insulators, it should be compensated by moving the slider insulators 13, the distance of movement of which is within the calculated limits, taking into account the creep resistance of the heating wire material when designing the electric heater and depending on the length of the hot zone of the heating elements. The shorter the length of the hot zone of the heating element, the smaller the absolute extension of the heating wires, which guarantees high operational reliability of the electric heater, since the probability of wire deformation is reduced.

Источники информации:Sources of information:

1. Научно-производственный центра магнитной гидродинамики. Нагревательные элементы [электронный ресурс]. URL: https://www.npcmgd.com /catalog /products /nagrevatelnye-elementy, свободный (дата последнего обращения: 06.05.2025)1. Research and Production Center of Magnetohydrodynamics. Heating elements [electronic resource]. URL: https://www.npcmgd.com/catalog/products/nagrevatelnye-elementy, free (date of last access: 06.05.2025)

2. Kanthal. Powder metallurgy. High-temperature tubes [электронный ресурс]. URL: https://www.kanthal.com /globalassets /kanthal-global /downloads /powder-metallurgy-high-temperature-tubes.pdf, свободный (дата последнего обращения: 06.05.2025).2. Kanthal. Powder metallurgy. High-temperature tubes [electronic resource]. URL: https://www.kanthal.com/globalassets/kanthal-global/downloads/powder-metallurgy-high-temperature-tubes.pdf, free (date of last access: 06.05.2025).

3. Альтгаузен, А.П. Электротермическое оборудование: Справочник / А.П. Альтгаузен. - М.: Энергия, 1980. - 416 с.3. Althausen, A.P. Electrothermal equipment: Handbook / A.P. Althausen. - M.: Energy, 1980. - 416 p.

4. Свенчанский А.Д. Электрические промышленные печи. Учебник для вузов / А.Д. Свенчанский. - М.: Энергия, 1975. - 384 с.4. Svenchansky A.D. Electric industrial furnaces. Textbook for universities / A.D. Svenchansky. - M.: Energy, 1975. - 384 p.

5. Пат. WO № 2005/006812 A1 - An electric heating element that includes a radiant tube / Thomas Lewin. - Опубл. 20.01.2005.5. Pat. WO No. 2005/006812 A1 - An electric heating element that includes a radiant tube / Thomas Lewin. - Publ. 01/20/2005.

Claims

A tubular electric heater comprising two rod heating elements installed in a protective radiant tube of cartridge design with one stationary flange with terminals for supplying electric power installed at one of its ends, a central rod which is a terminal for one of the heating elements, characterized in that two rod heating elements are installed in the protective radiant tube opposite each other, a removable flange is installed at the second end of the protective radiant tube, the rod heating elements each have their own central rod and their own area of electrical connections with terminals for supplying electric power directed towards the flanges.