ИНДУКЦИОННАЯ ПЕЧЬ С РЕТОРТОЙ

Полезная модель относится к печам непрерывного действия для термической обработки мелкодисперсных материалов или суспензий, вязких жидкостей при контролируемой газовой атмосфере и температуре нагрева в режиме непрерывной работы и постоянном перемешивании материала.
Реализация непрерывного поступательного движения и перемешивания рабочего материала осуществляется с помощью вращающихся компонентов в печах.
Известны вращающиеся печи, в которых поступающее движение и перемешивание реализовано с помощью шнеков, расположенных соосно, с основной трубой (RU 132073 U1 опубл. 10.09.2013 г.). Основным недостатком крупногабаритных шнеков является налипание материала и высокая термическая деформация вследствие чего закусывание и частые остановки на техническое обслуживание агрегата. Этих недостатков лишены системы с несоосным расположением шнеков (RU 2608155 С1 опубл. 16.01.2017 г.) и установки с вращающейся трубой барабанного типа с прямым нагревом газовой горелкой (RU 2657251 С2 опубл. 09.06.2018 г).
Также известна установка косвенного нагрева твердым теплоносителем, предварительно нагретого газовым нагревателем с вращающейся трубой (RU 2618585 С2 опубл. 04.05.2017 г). Главный недостаток данной конструкции - сложность и дороговизна обслуживания.
В вышеописанных системах нагрев материала происходит газовыми горелками непосредственно внутри трубы, либо внешними электронагревателями сопротивления, которые имеют ограниченную скорость нагрева и подвержены интенсивному окислению при высоких температурах и агрессивных средах.
При этом конвективным и радиационным методам нагрева характерны инертность и относительно низкая производительность. Этого недостатка лишен индукционный метод нагрева, представленный в RU 2070308 С1 опубл. 10.12.1996 г, при этом данное устройство имеет вышеописанные недостатки присущие крупногабаритным шнекам.
Наиболее близким к предлагаемой полезной модели по технической сущности является устройство для нагрева металлических сыпучих частиц (RU 33118 U1 опубл. 10.10.2003 г.), содержащее, нагревательное устройство в виде многовиткового цилиндрического индуктора, гладкостенный барабан, установленный соосно внутри нагревательного устройства и опирающийся на ролики, привод вращения барабана, механизмы загрузки и выгрузки.
Недостатком известного устройства является отсутствие герметичности и контролируемого газоотвода, а также неравномерное распределение рабочего материала в трубе по высоте. Также, предлагаемый прямой метод нагрева металлической засыпки электромагнитным полем ограничивает применение установки для прогрева непроводящих материалов.
Задача, решаемая полезной моделью - повышение производительности нагрева, повышения срока беспрерывной работы печи и обеспечение внутренней изолированной атмосферы в реторте с контролируемым расходом газа.
Поставленная задача достигается тем, что в индукционной печи с ретортой, содержащей нагревательное устройство, выполненное в виде многовиткового цилиндрического индуктора, гладкостенный барабан (трубу), установленную соосно внутри нагревательного устройства, опирающиеся на ролики, установленные на раме, привод вращения барабана, механизмы загрузки и выгрузки, отличающуюся тем, что соосно индуктору на реторте(трубе) закреплена теплоизоляция на протяжении всей горячей зоны, загрузочный механизм выполнен в виде шнека, торцевые фланцы имеют пороги и систему газоотвода.
а
На фиг. 1 схематично представлена предлагаемая электрическая вращающаяся печь с трубой ретортой. На фиг. 2 представлена зависимость длины трубы L от внутреннего радиуса трубы R при различной производительности () и зависимость площади внешней поверхности (тепловых потерь) от R при соблюдении соотношения R/L (б). На фиг. 3 схематично представлены предлагаемая индукционная печь с ретортой без разгрузочного механизма с возможностью поворота.
Индукционная печь с ретортой включает реторту(трубу) 1, установленную соосно с многовитковым цилиндрическим индуктором 2, которые в связке представляют собой нагревающее устройство. Труба изолирована от индуктора теплоизоляцией 3 по всей горячей зоне. Торцевые фланцы 4 имеют отверстия для подключения патрубка газоотвода 5, механическую передачу 6 для подключения привода вращения печи и опорный диск 7 для установки на ролики 8 установленные на раму 9. Загрузочный механизм 10 имеет внутри шнек 11, на котором установлена отдельная передача 12 для независимого подключения привода шнека. Разгрузочный механизм 13 состоит из порога 14, отверстие сброса 15 и люка 16 с пружиной закрытия 17. Также разгрузочной механизм может быть выполнен в виде трубы 18. Рама может быть дополнительно оснащена петлями 19 для соединения с опорной рамой 20.
Индукционная печь с ретортой работает следующим образом. Рабочий материал подается в загрузочный механизм 10 с вращающимся шнеком 11. В реторте (трубе) 1, выполненной гладкостенной из жаропрочной стали, выделяется тепло индуктированным в ней током от переменного электромагнитного поля многовиткового цилиндрического индуктора 2. Вращаясь, реторта равномерно по длине распределяет материал. По мере прохождения горячей зоны, обеспеченной теплоизоляцией 3, материал равномерно прогревается и выделяет продукты горения, которые заполняют атмосферу реторты. После порога 14 материал поступает в разгрузочную камеру 13, которая содержит отверстие в центре фланца с установленным в нем патрубком газоотвода 5. Сброс отработанного материала осуществляется каждый период обращения трубы, когда отверстие сброса 15 оказывается в нижнем положении и люк 16 открывается. Периодически сбрасываемая часть материала, соответствует непрерывно поступающему расходу со стороны шнека.
Шнек загрузочного механизма обеспечивает герметичную загрузку материала, а переменно открывающийся люк обеспечивает его герметичную выгрузку. Тем самым внутри трубы создается изолированная атмосфера, расход которой регулируется с помощью внешней системы газорегулирования (не показан на рисунке).
Порог 14, установленный внутри разгрузочного механизма 13 и являющийся фланцем трубы 1, обеспечивает постоянное поддержание толщины слоя прокаливаемого материала. Что необходимо для воспроизведения реакций, требующих нагревания и сопровождающихся выделением летучих продуктов. Данные реакции требуют определенные технологические параметры для их протекания, такие как толщина слоя прокаливаемого материала, время нахождения в зоне прокалки, производительность установки.
Для определения оптимальной геометрии трубы реторты, обеспечивающей требуемую производительность, была установлена взаимосвязь технологических параметров с размерами трубы. Траектория движения единицы массы (частицы) во вращающейся трубе имеет сложную форму (усеченную винтовую). Однако, осевая составляющая скорости движения частицы может быть легко определена исходя из заданного расхода материала (производительности) и площади сечения данного потока. С достаточной точностью форму сечения потока можно принять сегментом окружности и рассчитать его площадь в зависимости от высоты h (толщина слоя) и радиуса сегмента R (внутренний радиус трубы):
потока
где S - площадь сечения потока рабочего материала;
R - внутренний радиус трубы (реторты);
h - высота порога (толщина слоя рабочего материала).
Отношения объемного расхода к площади сечения определяет осевую составляющую скорости, а при известной осевой скорости и требуемом времени может быть определена требуемая длина трубы. Использование этих соотношений позволяет установить однозначную взаимосвязь между тремя параметрами: производительность, внутренний радиус и длина трубы L. Критерием оптимальности, при заданной производительности и технологических параметрах, является достижение минимальных тепловых потерь в системе. Тепловые потери в системе прямо пропорциональны площади внешней поверхности трубы. Таким образом, задачей оптимизации является:
поверхности цилиндра
где S - площадь внешней поверхности трубы;
R - внутренний радиус трубы;
L - длина трубы.
а
Например, при следующих технологических требованиях по прокалке материала: уровень материала (h) 20 мм и временем нахождения в горячей зоне 20 мин. По вышеописанным зависимостям может быть определена оптимальная геометрия реторты (фиг 2). График  устанавливает зависимость отношения R/L и при заданном расходе позволяет выбрать данные размеры. С точки зрения уменьшения тепловых потерь, необходимо задаваться минимально возможным радиусом R за счет увеличения L (трафик б).
Оптимизация геометрии реторты совместно с индукционным методом нагрева позволяет значительно сократить массогабаритные показатели, обеспечить непрерывность процесса с сохранением заданной производительности, обеспечить высокую автоматизацию процесса, улучшить и расширить условия производства, эксплуатации и обслуживания.
При отсутствии необходимости поддержания внутренней атмосферы в трубе реторте, механизм разгрузки выполняется в виде бокового фланца трубы с порогом 13 и наваренной на него трубой меньшего диаметра для выгрузки материала 18.
Также возможна модификация для наклона рамы 9 и осей вращения реторты на произвольный угол от -14 до +14 градусов по отношению к горизонту, за счет установки на раме петель 19, соединяющихся с дополнительной опорной рамой 20.