КОЛЬЦЕВАЯ ПЕЧЬ С ВРАЩАЮЩИМСЯ ПОДОМ

Техническое решение относится к технологии восстановления металла посредством нагрева слоя материала, содержащего оксид металла и углеродистый восстановитель, и может быть использовано в производстве металлизированного продукта, например железа, в печи с подвижным подом.
Известен способ и устройство для получения восстановленного железа (патент РФ 2303072, C21B 13/08, F27B 3/10, 2007 г., [1]). Устройство представляет собой карусельную печь, включающую подвижный под, корпус и установленные внутри корпуса перегородки (не менее четырех), которые разделяют внутреннее пространство печи на четыре зоны: зону подачи шихты, включающую устройство для подачи шихты (загрузочное устройство) и устройство для выгрузки; зону нагревания/восстановления, зону плавления, снабженные горелками; зону охлаждения. Количество перегородок может быть увеличено за счет установки дополнительных перегородок в зонах высокотемпературной обработки. Перегородки снабжены отверстиями, с возможностью регулирования и вертикального перемещения. Продукты горения, образующиеся в результате работы горелок, удаляют через выпускное отверстие для газа, выполненное в корпусе печи.
Основной недостаток известной технологии и устройства - сложная и дорогостоящая конструкция карусельной печи, включающая подвижные перегородки, установленные в зонах с высокой температурой, и трудности с оптимизацией технологии металлизации при изменяющихся параметрах процесса (состав сырья, соотношение реагентов, характеристики топлива). Известное решение требует постоянного локального регулирования процесса по зонам печи посредством изменения проходных сечений, как перемещением перегородок, так и регулированием проходных сечений в самих перегородках. Устройство с таким регулированием не может обеспечивать высокую производительность печи, требует сложной системы постоянного контроля и регулирования параметров в каждой зоне, что снижает надежность работы печи, усложняет эксплуатацию, значительно повышает материалоемкость устройства и затраты, как на изготовление, так и на обслуживание печи.
Известна печь для получения восстановленного металла, включающая подвижный под, футерованный корпус, перекрывающий весь под сверху, при этом внутреннее пространство печи включает зону загрузки и выгрузки, снабженную устройством для загрузки шихты и устройством для выгрузки продуктов реакции, зоны нагревания/восстановления, снабженные горелками, зону охлаждения и перегородки между зонами, в которой зоны печи выполнены разной высоты, форсунки установлены на высоте, равной 0,32-0,64 высоты зоны, перегородки установлены между зоной загрузки и выгрузки и зоной нагрева шихты, между зоной восстановления и зоной охлаждения, причем зоны восстановления и охлаждения соединены с газоотводящим устройством, а зона охлаждения снабжена устройством регулируемой подачи газообразного охладителя (патент РФ на полезную модель №92522, F27B 3/06, C21B 13/10, 2010 г., [2]).
По назначению, по технической сущности, по наличию сходных признаков данное решение выбрано в качестве ближайшего аналога.
Основные недостатки известного решения: выполнение зон печи разной высоты усложняет регулирование технологического процесса восстановления, увеличивает затраты на монтаж печи и потери тепловой энергии. При отводе печных газов из зоны восстановления металла не используется тепло отходящих газов для нагрева шихты, загружаемой в печь. Отвод горячих газов из зоны восстановления требует увеличенной присадки холодного воздуха для охлаждения газов в системе пылеочистки, что увеличивает габариты газоочистного оборудования. Перегородка между зоной восстановления и зоной охлаждения усложняет конструкцию печи и требует пристального внимания при эксплуатации, т.к. находится в жестких температурных условиях.
Задачей предлагаемого технического решения является повышение технико-экономических показателей процесса восстановления металла из железо-углеродсодержащего материала в кольцевой печи с вращающимся подом.
Техническими результатами являются упрощение конструкции кольцевой печи, уменьшение затрат не ее монтаж и обслуживание, снижение удельного расхода тепловой энергии, эффективное протекание реакции восстановления, повышение срока службы оборудования и выхода товарного продукта.
Технические результаты достигаются тем, что в кольцевой печи с вращающимся подом для восстановления металла из оксида углеродистым восстановителем, содержащей подвижный под, перемещающийся по круговым направляющим с помощью приводного устройства, неподвижный корпус печи, выполненный в виде кольцевого металлического кожуха, включающего футерованные изнутри наружные и внутренние стены, свод, перекрывающий стены и под сверху, внутреннее пространство печи, разделенное перегородками и включающее зоны загрузки и выгрузки, снабженные устройствами для загрузки шихты и для выгрузки продуктов реакции, зоны нагревания шихты и восстановительной реакции, снабженные горелками, вмонтированными в стенки футерованного корпуса, газоотводящее устройство, свод печи выполнен из блоков огнеупорного материала с засыпкой по верху блоков теплоизоляционного материала, футеровка стен выполнена из сэндвич-блоков, предварительно изготовленных из огнеупорного и теплоизоляционного материалов, проемы для установки горелок в футерованных стенках корпуса снабжены горелочными камнями, выполненными из огнеупорного материала, зоны внутреннего пространства печи выполнены одинаковой высоты, перегородки установлены перед зоной загрузки и перед зоной выгрузки, а зона загрузки дополнительно снабжена устройством для подачи на под печи защитного материала.
При этом устройство выгрузки продуктов восстановления из печи может быть выполнено в виде горизонтальной водоохлаждаемой балки со сменными скребками, расположенной радиально над подом печи, приводимой в движение кривошипно-шатунным механизмом и совершающей возвратно-поступательные движения, горелки установлены в стенах корпуса печи попарно, напротив друг друга, а форсунки горелок расположены соосно и направлены навстречу друг другу, а газоход газоотводящего устройства может быть установлен в зоне загрузки шихты.
Сравнительный анализ решения по ближайшему аналогу и предлагаемого решения показывает следующее.
Известное решение и предлагаемое характеризуются сходными признаками:
- кольцевая печь с вращающимся подом для восстановления металла из оксида углеродистым восстановителем, содержащая:
- подвижный под, перемещающийся по круговым направляющим с помощью приводного устройства;
- неподвижный корпус печи;
- кольцевой металлический кожух, включающий футерованные изнутри наружные и внутренние стены;
- свод, перекрывающий стены и под сверху;
- внутреннее пространство печи, разделенное перегородками, включающее:
- зоны загрузки и выгрузки, снабженные устройствами для загрузки шихты и для выгрузки продуктов реакции;
- зоны нагревания шихтового материала и восстановительной реакции, снабженные горелками;
- горелки вмонтированы в стенки футерованного корпуса;
- газоотводящее устройство.
Предлагаемое решение отличается от ближайшего аналога следующими признаками:
- свод печи выполнен из блоков огнеупорного материала с засыпкой по верху блоков теплоизоляционного материала;
- футеровка стен выполнена из сэндвич-блоков, предварительно изготовленных из огнеупорного и теплоизоляционного материалов;
- проемы для установки горелок в футерованных стенках корпуса печи снабжены горелочными камнями, выполненными из огнеупорного материала;
- зоны внутреннего пространства печи выполнены одинаковой высоты;
- перегородки установлены перед зоной загрузки и перед зоной выгрузки;
- зона загрузки дополнительно снабжена устройством для подачи на под печи защитного материала.
Кроме того, устройство выгрузки продуктов восстановления из печи может быть выполнено в виде горизонтальной водоохлаждаемой балки со сменными скребками, расположенной радиально над подом печи, приводимой в движение кривошипно-шатунным механизмом и совершающей возвратно-поступательные движения, горелки установлены в стенах корпуса печи попарно, напротив друг друга, а форсунки горелок расположены соосно и направлены навстречу друг другу, а газоход газоотводящего устройства может быть установлен в зоне загрузки шихты.
Наличие в предлагаемом техническом решении признаков, отличных от признаков решения по ближайшему аналогу, позволяет сделать вывод о соответствии предлагаемого условию патентоспособности полезной модели «новизна».
Техническая сущность предлагаемого решения заключается в следующем.
Процесс прямого восстановления оксида металла из шихты, состоящей из углеродистого восстановителя и оксида материала, включает несколько последовательных стадий термообработки материала: нагрев исходной шихты, высокотемпературная обработка и охлаждение продуктов реакции. Основными задачами при реализации технологии являются: обеспечение полного протекания реакции восстановления по всему объему загруженного материала, контроль и регулирование технологических параметров процесса на всех стадиях, минимизация энергетических затрат. Также существенной задачей этого технологического процесса является упрощение конструкции печи, увеличение срока службы футеровки печи и эффективное удаление с пода продуктов реакции.
В предлагаемом техническом решении эти задачи решаются следующим образом.
Упрощение конструкции печи, снижение энергетических затрат (тепловой энергии), повышение срока службы оборудования, обеспечение стабильности процесса достигается:
1) выполнением свода печи из блоков огнеупорного материала с засыпкой по верху блоков теплоизоляционного материала, что позволяет снизить металлоемкость корпуса печи, упростить монтаж свода, снизить непроизводительные потери тепловой энергии;
2) выполнением футеровки стен из сэндвич-блоков, предварительно изготовленных из огнеупорного и теплоизоляционного материалов, что позволяет упростить и ускорить монтаж футеровки стен печи, снизить непроизводительные потери тепловой энергии;
3) снабжением проемов для установки горелок в футерованных стенках корпуса горелочными камнями, выполненными из огнеупорного материала, что упрощает монтаж печи, снижает потери тепловой энергии, повышает срок службы футеровки стенок корпуса печи, обеспечивает безопасную, безаварийную эксплуатацию оборудования и ведение технологического процесса;
4) выполнением всех зон внутреннего пространства печи одинаковой высоты, что упрощает конструкцию печи, облегчает контроль и регулирование процесса, снижает затраты на изготовление, монтаж и обслуживание корпуса печи;
5) установкой перегородок перед зоной загрузки и перед зоной выгрузки, т.е. отделением рабочего пространства печи от устройств для загрузки шихты и для выгрузки продуктов реакции, что позволяет снизить непроизводительные потери тепловой энергии, уменьшить подсос атмосферного воздуха в печь и потери восстановленного железа в результате окисления;
6) дополнительным снабжением зоны загрузки устройством для подачи на под печи защитного материала, что предотвращает прилипание продуктов реакции к футеровке пода печи, повышает срок службы пода, обеспечивает стабильную выгрузку продуктов реакции с пода.
Кроме того, установка горелок в стенах корпуса печи попарно, напротив друг друга, а также расположение форсунок горелок соосно и навстречу друг другу обеспечивает встречное, взаимное «гашение» факелов, интенсивную подачу тепловой энергии в зону восстановительной реакции, эффективное протекание этой реакции, уменьшает эрозию (разрушение) футеровки стен печи газопламенным факелом из продуктов горения топлива.
Установка газохода газоотводящего устройства в зоне загрузки шихты обеспечивает противоток шихты и горячих газов. В результате достигается интенсивный нагрев топочными газами шихты, как правило, в виде брикетов, на первой стадии процесса, и при этом позволяет сохранить часть углеродистого восстановителя для стадии восстановительной реакции. Кроме того, топочные газы частично охлаждаются перед системой пыле-газоочистки.
Повышение эффективности выгрузки продуктов восстановления с пода печи обеспечивается выполнением устройства для выгрузки в виде горизонтальной водоохлаждаемой балки со сменными скребками, расположенной радиально над подом печи, приводимой в движение кривошипно-шатунным механизмом и совершающей возвратно-поступательные движения. Наличие системы водоохлаждения балки, снижение площади контактной поверхности рабочих органов устройства и времени контакта с горячими продуктами, выгружаемыми из печи, возможность оперативной замены съемных скребков, повышает срок службы устройства.
Предлагаемая кольцевая печь с вращающимся подом (фиг.1) для восстановления металла из оксида углеродистым восстановителем содержит подвижный под 1, перемещающийся по замкнутой траектории с помощью приводного устройства 2, неподвижный корпус печи, включающий наружные 3 и внутренние 4 металлические стены, футерованные изнутри сэндвич-блоками 5, предварительно изготовленными из огнеупорного 6 и теплоизоляционного 7 материалов, свод печи 8, перекрывающий стены 3, 4 и под 1 сверху, который выполнен из блоков огнеупорного материала 9 с засыпкой по верху блоков теплоизоляционного материала 10. В футерованных металлических стенках 3, 4 корпуса выполнены проемы, с вмонтированными в них горелочными камнями 11, выполненными из огнеупорного материала, в которые установлены горелки 12 попарно, напротив друг друга, а форсунки горелок 12 расположены соосно и направлены навстречу друг другу.
Внутреннее пространство печи (фиг.1) выполнено одинаковой высоты и разделено на зоны, включающие: зоны загрузки 13 и выгрузки 14, снабженные устройствами для загрузки шихты 15 и для выгрузки продуктов реакции 16, зону нагревания шихты 17 и зону восстановительной реакции 18.
Внутреннее пространство печи разделено на зоны перегородками 19, 20, одна из которых 19 установлена перед зоной загрузки 13, а другая, 20 - перед зоной выгрузки 14. При этом зона загрузки 13 дополнительно снабжена устройством 21 для подачи на под печи защитного материала.
Устройство для выгрузки продуктов реакции (фиг.2) выполнено в виде горизонтальной водоохлаждаемой балки со сменными скребками, расположенной радиально над подом печи, приводимой в движение кривошипно-шатунным механизмом и совершающей возвратно-поступательные движения. Газоход 22 газоотводящего устройства 23 установлен в зоне загрузки шихты 13.
Печь работает следующим образом.
В зоне загрузки 13 через устройство 21 на под 1 печи подают защитный материал в виде сыпучего углеродистого материала («постель»). Брикетированная шихта, содержащий оксид железа и углеродистый восстановитель в виде измельченного угля, при необходимости, компонент, снижающий вязкость шлака, как правило, сразу после термообработки в устройстве для сушки, поступает в зону загрузки 13 шихтового брикетированного материала и через устройство для загрузки материала 15 подается на подвижный под 1 слоем заданной толщины на слой защитного материала и перемещается в зону нагревания 17, где происходит нагрев материала. В предлагаемой печи за счет установки газохода 22 в зоне загрузки шихты 13 нагрев шихтового материала осуществляется топочными газами, поток которых движется навстречу перемещаемому на поде 1 печи слою брикетированного шихтового материала.
По мере перемещения шихтового материала на вращающемся поде печи производится нагрев брикетов до температуры (900±50)°C. При движении пода в зоне восстановительной реакции 18 шихтовой материал горелками 12 нагревается до (1400±50)°C. В результате происходит восстановление металлического железа из оксида, а также подплавление шлака и металла с образованием гранул сплава железа с углеродом. Продукты восстановления, включающие гранулы металлического железа и шлак, перемещаются в зону выгрузки, где устройством выгрузки 16 осуществляется удаление материала «постели» и продуктов восстановления с пода 1. Далее производится охлаждение извлеченных из печи материалов, отделение «постели», разделение продуктов восстановления на шлак и товарный продукт. «Постель» возвращается зону загрузки шихты 13 на устройство 21 для повторного использования. Товарный продукт направляется на склад, или на упаковку и отгрузку. Шлак отправляется на переработку или в отвал.
Использование предлагаемой кольцевой печи с вращающимся подом позволяет повысить технико-экономические показатели процесса восстановления металла из оксида в печи с подвижным подом за счет эффективного использования и сокращения непроизводительного расхода тепловой энергии, значительного сокращения времени и материалов на изготовление, монтаж и обслуживание корпуса печи, повышения срока службы футеровки, пода печи. Обеспечивается стабилизация теплового режима печи и надежная выгрузка продуктов реакции с пода.
Информация
1. Патент РФ 2303072, C21B 13/08, F27B 3/10, 2007 г.
2. Патент РФ на полезную модель №92522, F27B 3/06, C21B 13/10, 2010 г.