Электрическая печь для обжига вермикулита

Полезная модель относится к области строительных материалов, а именно к технологическому оборудованию для получения вспученного вермикулита из вермикулитовых концентратов.
Известна электрическая печь для обжига вермикулита (RU № 161281, МПК F27B 15/00, опубликовано 20.04.2016), содержащая противни с крышками; противни выполнены из огнеупорного материала и установлены по отношению другу к другу под углом, обеспечивающим пересыпание вспучиваемого вермикулита с одного на другой, и электрические нагреватели, размещенные под крышкам противней продольно и закрепленные на головках с параллельными гранями, электрические нагреватели,  выполненные с консолями и расположены над поверхностью противней с зазором, при этом консоли электрических нагревателей подвешены в нижней части противней на серьгах, закрепленных через керамические втулки шарнирно на стержнях, установленных на крышках противней.
Общими признаками с заявляемой полезной моделью являются противень из огнеупорного материала, крышка, электрические нагреватели, размещенные с зазором вдоль противня под крышками, головки для крепления нагревателей и серьги.
Указанная печь обладает следующим недостатком. Электрические нагреватели не обеспечивают равномерный нагрев по ширине огнеупорной поверхности противней и, следовательно, нагревают движущийся по противням и вспучивающийся вермикулит тоже не равномерно. Измерения температур в работающей печи в разных зонах противней показали, что центральной зоне температура огнеупорного основания может достигать значений 600…680 °С, а по краям противня 470…540 °С. Поэтому вермикулит, выходящий из печи, в центральной зоне нижнего противня вспучен полностью и имеет наименьшую плотность, чем вермикулит, выходящий из печи по его краям.
Это объясняется тем, что любой участок огнеупорного основания в центральной части получает тепловое излучение нагревателей, расположенных над ним, а также от нагревателей, расположенных справа и слева от него.
Такой же участок, взятый в боковых зонах огнеупорного основания, получает тепловое излучение от нагревателей, расположенных над ним и от соседних нагревателей только справа или только слева. Поэтому вермикулиту, движущемуся по противням в боковых зонах, тепловой энергии достается существенно меньше, чем вермикулиту, движущемуся в центральной зоне.
Известна электрическая печь для обжига вермикулита (RU № 179055, МПК F27B 9/00, опубликовано 25.04.2018), содержащая противни с крышками, выполненные из огнеупорного материала и установленные по отношению другу к другу под углом, обеспечивающем пересыпание вермикулита в процессе обжига с одного на другой, и электрические нагреватели, размещенные под крышкам противней продольно над поверхностью противней с зазором, закрепленные на головках с параллельными гранями для обеспечения их параллельной установки и выполненные с консолями, подвешенными в нижней части противней на поворотных серьгах, закрепленных через керамические электроизолирующие втулки шарнирно на стержнях, установленных на крышках противней, серьги выполнены в виде Г-образных рычагов, одни плечи которых удерживают консоли электрических нагревателей, а другие снабжены грузиками, обеспечивающими натяжение электрических нагревателей и постоянство зазора.
Общими признаками с заявляемой полезной моделью являются противень из огнеупорного материала, термокрышка, электрические нагреватели, размещенные под ней, головки для крепления нагревателей и серьги.
Указанная печь обладает тем же недостатком. Электрические нагреватели обеспечивают не равномерный нагрев огнеупорной поверхности противней и, следовательно, нагревают движущийся по противням и вспучивающийся вермикулит не равномерно. Поэтому вермикулит, выходящий из печи, в центральной зоне нижнего противня вспучен полностью и имеет меньшую насыпную плотность, чем немного не до вспученный вермикулит, выходящий из печи по бокам нижнего противня.
4
3
2
2
3
4
В качестве прототипа принята электрическая печь для обжига вермикулита (RU № 202161, МПК F27B 9/00, опубликовано 04.02.2021), содержащая корпус, соединенный с дозатором, содержащим барабан, при этом в корпусе печи размещены верхний противень, нижерасположенный противень и нижний противень, установленные с наклоном для возможности пересыпания частиц вермикулита, каждый из которых выполнен из огнеупорного материала и содержит крышку с керамовермикулитовой плитой, при этом под керамовермикулитовой плитой закреплен крепежными головками и серьгами зигзагообразный нагреватель, в верхней торцевой части каждого противня установлен ускоритель движения частиц вермикулита в виде набора пластин, содержащего жестко закрепленную базовую пластину, симметрично относительно продольных осей симметрии противня жестко закрепленные другие пластины и центральную пластину, которая закреплена в центральной зоне противня под углом α наклона к основанию противня, другие пластины слева и справа от нее закреплены под углом αнаклона к основанию противня, следующие за ними пластины закреплены под углом αнаклона к основанию противня, а базовая пластина, установленная крайней закреплена без угла наклона к основанию противня, при этом α < α< α, а на поверхности барабана выполнены продольные ступенчато-переменные по глубине пазы, при этом пазы с наибольшей глубиной расположены над центральной пластиной верхнего противня, над пластинами слева и справа от центральной расположены пазы меньшей глубиной, после них расположены пазы с еще меньшей глубиной, а крайние пазы, расположенные под основной пластиной имеют наименьшую глубину.
Общими признаками с заявляемой полезной моделью являются корпус, дозатор с барабаном, на поверхности которого выполнены продольные ступенчато-переменные по глубине пазы, при этом пазы с наибольшей глубиной расположены над центральной пластиной верхнего противня, над пластинами слева и справа от центральной пластины расположены пазы меньшей глубиной, после них расположены пазы с еще меньшей глубиной, а крайние пазы имеют наименьшую глубину; верхний противень, нижерасположенный противень и нижний противень, установленные с наклоном для возможности пересыпания частиц вермикулита, противни выполнены из огнеупорного материала и содержат крышки с керамовермикулитовой плитой, под ней закреплен крепежными головками и серьгами зигзагообразный нагреватель, в верхней торцевой части каждого противня установлен ускоритель движения частиц в виде набора пластин, в который входит жестко закрепленная базовая пластина, симметрично продольной оси симметрии противня жестко закрепленные соседние с ней пластины и центральная пластина; последняя закреплена в центральной зоне противня под наибольшим углом к основанию противня, другие пластины слева и справа от нее закреплены под меньшим угломк основанию противня, следующие за ними пластины закреплены под еще углом к основанию противня, а базовая пластина по краям противня закреплена без угла наклона к основанию противня.
Рассмотренная печь обладает тем же недостатком. Электрические нагреватели противней не обеспечивают равномерный нагрев по ширине их огнеупорной поверхности и, следовательно, нагревают движущийся по противням и вспучивающийся вермикулит так же не равномерно. Измерения температур в работающей печи в разных зонах противней показали, что центральной зоне температура огнеупорного основания противней может достигать значений 600…680 °С, а в боковых зонах 470…540 °С. Поэтому вермикулит, выходящий из печи в центральной зоне нижнего противня вспучивается полностью и даже подвергается пережогу (особенно мелкие частицы), что частично снижает его прочность из-за увеличения хрупкости зерен, а вермикулиту, выходящему из печи по его краям едва хватает тепловой энергии для вспучивания, а крупные частицы могут оставаться недовспученными.
При этом в центре и по боками частицы вермикулита движутся с одинаковыми скоростями, тогда как в более нагретых зонах они могли бы двигаться быстрее, увеличивая производительность печи и сохраняя при этом качественное вспучивание без пережога.
Заявляемая полезная модель направлена на повышение производительности электрической печи при обжиге вермикулита разных фракций за счет управления скоростью движения его вспучивающихся зерен в более нагретых зонах противней с повышенной относительно боковых зон температурой.
Технический результат полезной модели заключается в повышении производительности электрической печи при обжиге разных фракций за счет управления скоростью движения вспучивающихся зерен вермикулита в более нагретых зонах противней.
Указанный технический результат достигается тем, что электрическая печь для обжига вермикулита, содержащая дозатор, противни, выполненные из огнеупорного материала, установленные под углом 45° для пересыпания вермикулита и содержащие крышки из керамовермикулитовых плит с зигзагообразными нагревателями, размешенными под каждой из них и удерживаемыми крепежными головками и серьгами, закрепленными на крышках. При этом барабан дозатора выполнен с продольными ступенчато-переменными по глубине пазами на своей поверхности.
В верхних частях противней установлены пластинчатые ускорители вермикулита, выполненные симметрично относительно продольных осей симметрии противней в виде набора пластин с разными углами наклона по отношению к огнеупорным основаниям противней. Пластина, размещенная в центральной зоне противня имеет наибольший угол, у соседних пластин слева и справа от нее углы наклона одинаковы и меньше, чем у центральной пластины, следующие за ними слева и справа пластины имеют равные между собой и еще меньшие углы, а самые крайние пластины имеют нулевой угол относительно огнеупорных поверхностей противней. Благодаря разному наклону пластин частицы вермикулита получают разные начальные скорости.
На поверхности барабана дозатора наибольшую глубину имеют пазы, находящиеся над центральной пластиной верхнего ускорителя верхнего противня, т. е. над наиболее нагретой зоной, где частицы вермикулита движутся с максимальной скоростью и где подача исходного сырья – вермикулитового концентрата, должна быть максимальной.
Соседние слева и справа пазы барабана дозатора имеют несколько меньшую глубину, что бы подача сырья соответствовала локальной производительности в соседних менее нагретых зонах, соответствующих этим пазам и пластинам ускорителя под ними (соседними с центральной зоной).
И так далее: чем дальше от центральной зоны расположены пазы барабана дозатора, тем меньше их глубина. Самые крайние пазы имеют такую глубину, которая в барабанах дозаторов печей (аналогов), не снабженных ускорителями вермикулита, выдержана по всей поверхности барабана.
Самые крайние пластины пластинчатых ускорителей вермикулита закреплены жестко без возможности изменения угла наклона относительно огнеупорных оснований противней, а все остальные их пластины закреплены шарнирно и снабжены винтами для изменения угла наклона относительно огнеупорных оснований противня. Это сделано для того, чтобы с помощью винтов изменять их угол наклона и управлять скоростью движения вспучивающихся зерен вермикулита в каждой по-разному нагретой зоне, в том числе при переходе на обжиг с одних фракций сырья на другие.
Те вспучивающиеся зерна вермикулита, которые поступают на огнеупорную поверхность каждого из противней с центральной пластины ускорителя имеют наибольшую, но регулируемую с помощью винтов, скорость движения в центральной наиболее нагретой зоне противня, что позволяет оптимально настроить локальную (в центральной зоне с максимальным нагревом) производительность, при этом обеспечивается оптимальное время движения этих зерен, при котором они успевают полноценно вспучиваться.
Другие частицы вермикулита, которые поступают на огнеупорную поверхность каждого из противней с соседних от центральной пластин, движутся с несколько меньшей, но регулируемой скоростью, так как угол их наклона меньше (но тоже регулируется), а следовательно, меньше и начальная скорость. Но в этой зоне меньше и нагрев огнеупорных оснований противней печи.
И так далее: чем дальше от центральной зоны расположены пластины ускорителя вермикулита, тем меньше (но регулируется) и скорость вермикулитовых частиц в своих зонах. Но здесь меньше и нагрев огнеупорных оснований.
В боковых зонах наклон пластин ускорителя нулевой, поэтому в этих зонах частицы движутся с не увеличенной скоростью равной той, с которой двигались бы все частицы при отсутствии пластинчатого ускорителя вермикулита.
Таким образом, локальная производительность (производительность по зонам нагрева) в заявляемой полезной модели различна и управляема, но в среднем она существенно выше, чем в аналогичных печах, не снабженных пластинчатыми ускорителями вермикулита.
Отличительными признаками заявляемой полезной модели является применение пластинчатых ускорителей вермикулита, у которых крайние пластины закреплены жестко без возможности изменения угла наклона относительно огнеупорных оснований противней, а все остальные пластины закреплены шарнирно и снабжены винтами для изменения угла наклона относительно огнеупорных оснований противня.
Наличие отличительных признаков доказывает соответствие заявляемой полезной модели условию патентоспособности «новизна».
На фиг. 1 схематично показана электрическая печь для обжига вермикулита.
На фиг. 2 схематично показан противень печи для обжига вермикулита (вид сбоку).
На фиг. 3 схематично показан поперечный разрез пластинчатого ускорителя вермикулита.
На фиг. 4 схематично показан вид на электрический нагреватель, огнеупорное основание противня, пластинчатый ускоритель вермикулита и продольный разрез барабана дозатора печи с указанием примерного распределения температур по ширине.
На фиг. 5 показаны векторные схемы скоростей частиц вермикулита при прохождении по пластинам ускорителя вермикулита.
На фиг. 6 схематично показаны два сечения барабана дозатора в его центре и по краям.
Электрическая печь для обжига вермикулита, фиг. 1, содержит барабанный дозатор сырья (вермикулитового концентрата) со спусковым лотком 1, по которому концентрат ссыпается на пластинчатый ускоритель вермикулита, закрепленный в верхней части верхнего противня 2. Такие же ускорители вермикулита установлены и на двух других противнях 3 и 4. Противни печи установлены в ее корпусе 5 под углом 45° и включают в себя нагреватели 6 с крышками, выполненными из керамовермикулитовых плит 7, фиг. 1 и 2, с окантовкой из металлического уголка 8, фиг. 2.
Проволочный нагреватель 6, размещен и закреплен под керамовермикулитовой плитой 7 крышки противня округлыми зацепами 9 серег и на крепежных головках 10, фиг. 1 и 2, установленных на крышках противней 2, 3 и 4, фиг. 1. Сами серьги удерживаются в отверстиях 11 керамовермикулитовой плиты 7 за счет плоских зацепов 12, фиг. 2.
Крепежные головки 10 обеспечивают электрический контакт между собой и двумя концами нагревателя 6 за счет резьбового соединения 13, фиг. 2 и 4, и подводящими электрическими кабелями (на фигурах не показаны).
Между нагревателями 6 и огнеупорными основаниями противней имеется зазор а, фиг. 2, одинаковый по всей длине противня l, фиг. 2.
2
3
4
В верхней части каждого противня установлен пластинчатый ускоритель вермикулита, фиг. 1, 2, 3 и 4, состоящий из базовой пластины 14, фиг. 2, 3 и 4, упора 15 и набора шарнирно закрепленных пластин 16, 17 и 18, фиг. 3, с разными углами наклона α, α и α, сопряженных с винтами 19.
4
3
2
1
Барабан дозатора выполнен с продольными ступенчато-переменными по глубине пазами 20, 21, 22 и 23, фиг. 4 и 6, при этом наибольшую глубину (t) имеют пазы 20, находящиеся над центральной пластиной 18 пластинчатого ускорителя вермикулита. Соседние слева и справа от пазов 20 пазы 21 барабана, находящиеся над пластинами 17 ускорителя вермикулита, имеют несколько меньшую глубину (t). Соседние с пазами 21 пазы 22, находящиеся над пластинами 16, имеют еще меньшую глубину (t), а самые крайние пазы 23 имеют минимальную глубину (t), фиг. 4.
1
2
3
4
Количество пластин ускорителя вермикулита и соответствующее им количество пазов на барабане может быть другим в зависимости от общей ширины противня В. Кроме этого, ширина пазов барабана В, В, В, и В и соответствующая им ширина пластин ускорителя вермикулита так же может быть разной в зависимости от общей ширины противня В и в зависимости от распределения температур по зонам 1, 2, 3 и т.д.
Электрическая печь для обжига вермикулита работает следующим образом.
Сырье по лотку 1 поступает из дозатора печи на пластинчатый ускоритель вермикулита верхнего противня 2 и далее  на его огнеупорную поверхность, по которой движется в тепловом поле нагревателей 6. Частично вспученный на верхнем противне 2 вермикулит пересыпается на пластинчатый ускоритель вермикулита нижерасположенного противня 3, где так же подвергается тепловому воздействию от нагревателей 6. Затем, уже почти полностью вспученный вермикулит пересыпается на пластинчатый ускоритель нижнего противня 4 и окончательно вспучивается в его тепловом поле, создаваемом нагревателем 6 нижнего противня, фиг. 1, и выходит как готовый продукт из печи. Продолжительность обжига в такой печи при длине противней 950 мм, как показали измерения на опытно-промышленной печи, составляет примерно 3 секунды [Нижегородов А.И., Звездин А.В. Энерготехнологические агрегаты для переработки вермикулитовых концентратов / Иркутск: Изд-во ИРНИТУ, – 2015. – 250 с]. При производственной эксплуатации опытно-промышленной печи было установлено, что электрические нагреватели не обеспечивают равномерный нагрев огнеупорной поверхности противней по ширине (те же 950 мм) и при обжиге вермикулитовых концентратов различного фракционного состава ее температура в центральной зоне может достигать значений 600…680 °С, а в боковых зонах 470…540 °С, как это показано на фиг. 4. Поэтому вермикулит, проходящий по противням печи в центральных зонах (зоны 4 и 3, фиг. 4) полностью вспучивался, но был немного пережженным от избытка теплового излучения, а вермикулиту, проходящему по противням печи в боковых зонах (зоны 2 и 1, фиг. 4) едва хватало тепловой энергии для вспучивания. При этом и в центре, и по краям противней частицы вермикулита двигались с одинаковыми скоростями [Нижегородов А.И., Звездин А.В. Энерготехнологические агрегаты для переработки вермикулитовых концентратов / Иркутск: Изд-во ИРНИТУ, – 2015. – 250 с].
В рассматриваемой конструкции печи для задания разных скоростей движения частицам вспучивающегося вермикулита в каждом противне установлены пластинчатые ускорители этих частиц, фиг. 2, 3 и 4.
04x
4
Так, частицы, попадающие на пластины 18, фиг. 3 и 4, находящиеся в центральной зоне №4, фиг. 4, получают наибольшую начальную скорость вдоль огнеупорных поверхностей v из-за большего угла наклона α пластины 18 к поверхности огнеупорного основания (см. так же векторные схемы скоростей частиц вермикулита при прохождении по пластинам ускорителя вермикулита, фиг. 5). Поэтому скорость их движения по центральным зонам противней (зоны №4, фиг. 4) больше, чем была бы, если бы ускорители вермикулита отсутствовали. Поэтому, из-за увеличения средней скорости частиц в центральных зонах локальная производительность в центральной зоне №4 увеличится пропорционально скорости движения, а время прохождения частиц по ним сократится. Тем не менее, несмотря на уменьшение времени обжига, вспучивание вермикулита будет полноценным (при отсутствии пережога) из-за более мощного температурного воздействия.
03x
3
В зонах №3 во всех противнях печи температура ниже, чем в самых нагретых зона №4 противней, но она все же значительно больше, чем в зонах №1 по краям противней. Поэтому здесь частицы, попадающие на пластины 17, фиг. 3 и 4, находящиеся в центральной зонах №3, фиг. 4, получают немного меньшую начальную скорость вдоль огнеупорных поверхностей v из-за несколько меньшего угла наклона α пластины 17 к поверхности огнеупорного основания (см. так же фиг. 5). Средняя скорость движения частиц вермикулита по зонам №3 меньше, чем в зонах №4, но больше, чем была бы, если бы печь не была оснащена ускорителями вермикулита. Из-за увеличения средней скорости частиц в зонах №3 локальная производительность в этих зонах будет пропорциональна средней скорости движения, а время прохождения частиц по ним сократится.
02x
2
В зонах №2 средние скорости v, фиг. 4 и 5, из-за меньшего угла наклона α пластин 16 меньше, чем в зонах №3 и №4, но больше, чем в зонах №1.
Таким образом, благодаря разному наклону пластин 18, 17 и 16, фиг. 2 и 3, обеспечивается такое заданное распределение средних скоростей по зонам №4, №3, №2 и №1 противней печи, что в более нагретых зонах, фиг. 4, вермикулит вспучивается за меньшее время прохождения по противням печи, при этом он полноценно вспучивается. Из-за увеличения средних скоростей движения частиц в более нагретых зонах, локальная производительность печи по указанным зонам возрастает там, где огнеупорные основания противней нагреты больше.
С помощью винтов 19 можно регулировать угол наклона пластин 16, 17 и 18 и управлять скоростью движения вспучивающихся зерен вермикулита в зонах №1, №2, №3 и №4 при настройке печи на оптимальную производительность по зонам или в тех случаях, когда печь настраивается на оптимальную работу с другим видом сырья или другой фракцией сырья, с более крупными или более мелкими в среднем частицами, так как размеры частиц оказывают влияние на их скорость движения.
01x
Пластины ускорителей вермикулита, расположенные в зонах №1 имеют нулевой угол наклона к огнеупорному основанию противней 2, 3 и 4, поэтому начальная скорость частиц, проходящих по ним равна нулю: v = 0, фиг. 5 и 4.
2
02x
Пластины 16 ускорителей вермикулита, наклоненные под углом αирасположенные в зонах №2, имеют начальную скорость частиц, проходящих по ним равную: v > 0, фиг. 5 и 4.
3
03x
02x
Пластины 17 ускорителей вермикулита, наклоненные под углом αирасположенные в зонах №3, имеют начальную скорость частиц, проходящих по ним равную: v > v, фиг. 5 и 4.
4
04x
03x
Пластины 18 ускорителей вермикулита, наклоненные под углом αирасположенные в центральных зонах №4, имеют начальную скорость частиц, проходящих по ним равную: v > v, фиг. 5 и 4.
Для изменения локальной производительности по зонам углы пластин ускорителя могут быть изменены за счет винтов 19, при этом угловая скорость вращения барабана тоже должна корректироваться в ту или иную сторону.
Для обеспечения повышенной локальной производительности барабан дозатора, вращающийся с угловой скоростью ω, выполнен с продольными ступенчато-переменными по глубине пазами 20, 21, 22 и 23, фиг. 4 и 6, на своей поверхности при их равной ширине b, фиг. 6.
Благодаря разной глубине пазов, в зоне №4, фиг. 4, где частицы вермикулита движутся с максимальной средней скоростью, подача вермикулитового концентрата максимальна.
Соседние слева и справа пазы 21 барабана дозатора имеют несколько меньшую глубину, что бы подача сырья соответствовала локальной производительности в зонах №3, соответствующих этим пазам и пластинам 17 ускорителя, фиг. 4.
И так далее: чем дальше от центральной зоны №4 расположены пазы барабана дозатора, тем меньше их глубина. Самые крайние пазы имеют минимальную глубину, соответствующие по подаче средним скоростям движения частиц в зонах №1.
Благодаря тому, что электрическая печь для обжига вермикулита снабжена ускорителем вермикулитовых частиц по зонам нагрева на каждом противне и дозатором с барабаном с продольными ступенчато-переменными по глубине пазами на его поверхности, обеспечивается повышение локальных (по зонам) производительностей и производительность печи в целом.
3
3
Так, при ширине противней В = 95 см (как у опытно-промышленной печи) производительность печи без пластинчатых ускорителей на вермикулитовом концентрате марки КВК-4 (4 – условное число, отражающее крупность концентрата) составляет примерно 0,75 м/час, а приведенная к единице ширины часовая производительность будет равна, м/см·час:
пр
П = 0,75/95 = 0,0079.
4
3
Локальная производительность в зоне №4 при увеличении средней скорости частиц, например на 20 %, при ширине пластин 18 (и, соответственно зоны №4) В =18 см, будет равна, м/час:
№4
П = 0,0079·18·1,2 = 0,1707.
3
3
Локальная производительность в двух зонах №3 при увеличении средней скорости частиц в них, например на 15 %, при ширине пластин 17 (и, соответственно зон №3) В =14 см, будет равна, м/час:
№3
П = 2·0,0079·14·1,15 = 0,2544.
2
3
Локальная производительность в двух зонах №2 при увеличении средней скорости частиц в них, например на 9 %, при ширине пластин 16 (и, соответственно зон №2) В =12 см, будет равна, м/час:
№2
П = 2·0,0079·12·1,09 = 0,2067.
1
3
Локальная производительность в двух зонах №1, где средняя скорость не увеличивается, при ширине зон №1 по В =12,5 см, будет равна, м/час:
№1
П = 2·0,0079·12,5·1,0 = 0,1975.
3
Полная производительность печи будет равна, м/час:
П = 0,1707 + 0,2544 + 0,2067 + 0,1975 = 0,8293,
что на 10,6 % больше.
В зависимости от распределения температур огнеупорной поверхности по зонам, от ширины пластин ускорителей вермикулита, от настраиваемых значений углов их наклона,  и от глубины пазов барабана дозатора печи, а также в зависимости от вида сырья и его фракции, локальные и полная производительности могут отличаться в некоторых пределах.
Так достигается технический результат полезной – повышение производительности электрической печи при обжиге разных фракций вермикулита за счет управления скоростью движения вспучивающихся зерен вермикулита в более нагретых зонах противней.