УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ РАСПЛАВОВ ИЗ МИНЕРАЛЬНОГО СЫРЬЯ

Предлагаемая полезная модель относится к электротермии, а именно к конструкции плавильных печей для получения расплавов из природных минералов, окислов различных элементов, применяемых при изготовлении минеральных волокон, обладающих тепло-звуко-изоляционными свойствами, в камнелитейном производстве и используемых на предприятиях, производящих строительные материалы, а также в машиностроении и других отраслях промышленности.
Известно устройство и способ получения минерального расплава (патент на изобретение РФ №2261231 от 27.09.2005 г.), которое может быть использовано в получении минеральных и других расплавов при производстве различных волокон, обладающих тепло и звукоизоляционными свойствами).
Устройство, по данному изобретению, содержит корпус, внутри которого находится плавильный узел с электродами и леткой для перелива расплава, расположенный выше электрода.
Плавильный узел представляет собой футерованную электродуговую печь с плазменным розжигом, в которой расположены электроды, подключенные через дроссель к источнику питания - теристорный агрегат, ток до 1000 А. Между электродами в процессе розжига образуется низкотемпературная плазма (до 4 000 С), энергия которой поглощается дозированным поступлением дисперсного материала с последующим его оплавлением.
Недостатком известного устройства и способа являются повышенные энергозатраты, низкая производительность и недостаточная надежность технологии.
Известна ванная печь для получения расплава из горных пород (Патент на изобретение РФ №2186740, опубл. 10.08.2002) пород, содержащая загрузочный карман, наклонную площадку для расплавленных горных пород в тонком слое, накопительную ванну, противопенный мост, площадку с встроенными в нее соплами барботажа, бассейн стабилизации расплава, фидер. В заниженном своде печи, вдоль продольной оси расположены плоскопламенные горелки.
Наличие площадки со встроенными барботажными соплами и применение пласкопламенных горелок позволяет получить расплав высокого качества из горных пород.
Недостатком данной конструкции является длительность процесса плавления, значительные энергетические затраты и низкий коэффициент полезного действия.
Кроме того, известная печь обладает большими габаритными размерами, за счет чего занимает большую производственную площадь
Известны также вращающиеся плавильные печи, которые используются для получения каменного литья (И.Е.Липовский, В.А.Дорофеев «Камнелитейное производство», издательство «Металлургия», 1965 год, стр.93, 96).
Известна печь для плавки пастообразного ванадийсодержащего материала, включающая подину, выполненную в виде воронки с центральным выпускным отверстием и установленную с возможностью вращения, боковые стенки, выполненные неразъемными с подиной, съемный охлажденный свод, установленный на опорах, горелки и загрузочное устройство, установленные на своде (патент на изобретение РФ №1598461, опубл. 07.05.93 г).
Через загрузочное отверстие в своде материал подается на подину, вращающуюся вокруг вертикальной оси, и равномерным слоем распределяется по подине. Толщина слоя регулируется изменением скорости вращения подины.
Проходя под горелками, установленными в своде, загружаемый материал оплавляется с поверхности и непрерывно стекает чрез центральное выпускное отверстие в подине в печи.
Недостатком печи для использования ее в качестве плавильного агрегата для камнелитейного производства является невозможность получения в ней однородного расплава из шихты, состоящей из нескольких компонентов.
В камнелитейном производстве используется, как правило, многокомпонентная шихта. При этом, отдельные ее составляющие имеют различную температуру плавления, в зависимости от химического и минералогического состава. Сырьем для каменного литья обычно служат не дефицитные магматические горные породы, такие как диабаз, базальт, горнблендит, диорит, пироксинит и т.п., а также вторичные материалы искусственного происхождения (золы, шлаки, бой кирпича и др.), Температура плавления этих материалов колеблется в широких пределах от 1100 до 1400 градусов C и выше. Обычно плавление на границе кристаллических фаз - легкоплавкой и тугоплавкой. При дальнейшем повышении температуры до стадии полного плавления в сырье происходят изменения: расплавляются легкоплавкие минералы и в получаемом расплаве растворяются более тугоплавкие минералы. Иногда вследствие недостаточной подготовленности сырья и нарушения технологического процесса в расплаве образуются сгустки отдельных окислов. При этом, более тугоплавкая часть шихты может скапливаться в сливном отверстии или переливном желобе.
Известно плавильное устройство, содержащее транспортирующее устройство в виде барабанного сушила для подогрева шихты за счет тепла отходящих от печи газов и плавильную печь, сообщающуюся с копильником. Плавильная печь содержит барабан, боковые стенки которого выполнены не разъемными с подиной, вращающийся вокруг вертикальной оси. В дне барабана имеется центральное отверстие для вытекания расплава. Охлажденный свод печи установлен на опорах и включает монтированные горелки и воронку для подачи шихты, соединенную с транспортирующим средством (патент ЕР 0263410, опубл. 13.04.88)
Недостатком печи для использования ее в качестве плавильного агрегата для камнелитейного производства является неоднородность состава полученного расплава из шихты, состоящей из нескольких компонентов из-за неполного перемешивания расплава.
В отличие от ванных печей шихта в них находится в непрерывном движении, что ускоряет процесс ее плавления и одновременно процессы гомогенизации и дегазации расплава.
Однако, вращающиеся плавильные печи имеют ряд существенных недостатков, основные из них следующие:
- низкий коэффициент полезного действия использования тепла;
- невозможность непрерывного обеспечения расплавом, т.к. перед началом вращения отверстие загрузки шихты и выдачи расплава необходимо каждый раз заделывать;
- процесс плавления во вращающихся плавильных печах состоит из трех этапов: прокаливания шихты после загрузки, собственно плавления и гомогенизации, т.е. усреднения состава и его частичной дегазации, а также отстаивания расплава в течение 20-30 минут для полной дегазации, завершения его гомогенизации и выравнивания температуры, и поэтому является циклическим;
- несмотря на небольшие скорости вращения (1-3 об/мин), футеровка в печи быстро изнашивается из-за абразивности загружаемого материала и требует частой замены, что сказывается на производительности печи и стоимости конечной продукции;
- смена футеровки не поддается механизации, осуществляется вручную, связана с большим простоями оборудования и происходит в тяжелых и стесненных условиях, особенно на малых вращающихся печах.
Наиболее близким по техническому результату и конструктивным признакам к предлагаемой полезной модели является «Устройство для плавки оксидных материалов» (патент на изобретение РФ №2186740, опубл. 10.04.2002 года), которое может быть использовано для плавления окислов различных элементов и их соединений, особенно в камнелитейном производстве на предприятиях строительных материалов, а также при производстве минераловатных изделий и различных утеплителей.
Известное устройство для плавки оксидных материалов включает плавильную печь с футерованным корпусом, где происходит первая стадия плавления шихты. Плавильная печь сообщается с копильником посредством переливного желоба. В копильнике происходит доведение расплава, поступающего из плавильной печи до получения однородного расплава со стабильным химическим составом из шихты.
Устройство включает плавильную печь, сообщающуюся с копильником посредством переливного желоба. Плавильная печь содержит подину с центральным выпускным отверстием и жестко соединенные с не боковые стенки. Подина установлена на роликах и имеет механизм вращения. На специальных опорах над печью установлен водоохлаждающий свод, собранный в целях удобства обслуживания из отдельных элементов. Для создания необходимой тепловой нагрузки на своде установлены горелки, например горелки низкого давления типа ГНП или регенеративные. Для загрузки шихты на своде установлена загрузочная воронка, соединенная с транспортным средством, которое может быть выполнено в виде вращающейся трубы, установленной на опорных роликах, или в виде барабанного сушила. Во избежание выбивания газов из печи между корпусом и сводом имеется гидравлический затвор. Шихта подается в печь через транспортное средство с помощью скипового подъемника (не показан). Свод печи оборудован рабочим окном, расположенным между горелками и загрузочным отверстием. В подине печи по периметру выпускного отверстия 5 выполнен бортик, образующий в подине ванну глубиной 100-150 мм для смешения расплавов различных составляющих. В бортиках выполнены проходы, через которые расплав непрерывно стекает в выпускное отверстие. В переливном желобе 3 под выпускным отверстием 5 печи установлено пульверизационное устройство для перемешивания расплава, вытекающего из печи. Для поддержания постоянной температуры петрургического расплава в своде копильника установлены погружные горелки, которые перемешивают расплав за счет газодинамического воздействия. Горелки на своде копильника установлены тангенциально для повышения эффекта перемешивания и лучшей гомогенизации расплава перед выпуском. В печи установлен теплообменник подачи рабочего воздуха и воздуховод.
Шихта из барабанного сушила через загрузочную воронку подается в печь. В непрерывно вращающемся барабанном сушиле происходит перемешивание и прокаливание шихты при ее транспортировке. Загружаемая на вращающуюся подину печи шихта, распределяется по ней тонки равномерным слоем. Проходя под горелками, установленными в своде, шихта расплавляется и прогревается в ванне. Через проходы в бортике часть расплава непрерывно стекает в сливной канал, а непроплавленная часть шихты удерживается бортиком и продолжает вращение до полного растворения в расплаве.
Вытекающий из печи расплав поступает в пульверизационное устройство, где дополнительно нагревается перед подачей в копильник, дробиться на капли и стекает через переливной желоб в копильник, в котором происходит перемешивание и окончательное усреднение состава расплава.
Предлагаемое плавильное устройство обеспечивает получение однородного расплава со стабильным химическим составом из шихты, состоящей из нескольких компонентов с различной температурой плавления, за счет его лучшего перемешивания и более полной гомогенизации и, как следствие снижение брака и повышение качества отлива изделий.
Задачей, на решение которой направлено известное изобретение является совершенствование конструкций известных плавильных печей для плавки оксидных материалов с целью осуществления плавки шихты, состоящей из нескольких оксидных материалов, повышение ее надежности и производительности, а также повышение качества выплавляемого расплава за счет его лучшего перемешивания и более полной гомогенизации.
Однако, конструкция известного устройства сложна в виду того, что она, практически, содержит два плавильных устройства: плавильная печь и копильник, причем, они соединены специальным футерованным желобом.
Кроме того, под печи установлен на роликах и имеет механизм вращения, что также усложняет конструкцию печи, в целом и увеличивает накладные расходы технологического процесса.
В нижней части печи установлено пульверизационное устройство, предназначенное для дополнительного подогрева и перемешивания потока расплава, вытекающего из данного сливного отверстия камнеплавильной печи.
Пульверизация производится высокоскоростными струями горящего газовоздушного факела.
В своде плавильной печи для создания необходимой тепловой нагрузки установлены горелки.. В своде копильника также установлены горелки для повышения эффекта перемешивания и лучшей гомогенизации расплава. Горелки, в данном случае, установлены над расплавом, что приводит к высоким потерям тепла, в связи с этим тепло горелок не доходит до дна печи, поэтому необходимо увеличивать число горелок или создавать узел дополнительного нагрева.
Установка пульверизационного устройства, обеспечение вращения пода печи, наличие горелок в плавильной печи и дополнительно в копильнике требует больших энергетических затрат и приводит к снижению КПД.
Техническим результатом предлагаемой полезной модели является снижение энергетических затрат устройства для получения расплавов из минерального сырья при сохранении высокого качества получаемого расплава и высокой производительности устройства.
Технический результат достигается тем, что устройство для получения расплавов из минерального сырья, содержащее плавильную печь с футерованным корпусом, имеющим свод и под, загрузочный бункер в виде воронки, соединенный с транспортным средством подачи шихты, горелки и электроды, установленные в своде печи, теплообменник подачи рабочего воздуха, воздуховод, выпускное отверстие для расплава со сливным стаканом для вывода расплава, Согласно предлагаемой полезной модели, что в бункере печи установлен кольцевой делитель потока дымовых газов, образующий щелевидное пространство между внутренней и внешней стенкой бункера, вокруг выходной части воронки бункера, выполнен вертикальный газоходный канал, в своде печи, установлены, по крайней мере, две горелки с возможностью их осевого перемещения в расплав и имеют в нижней части газовыходные окна, печь снабжена несущим каркасом в виде трубчатого спиралевидного теплообменника, установленного на опорах, по внутренней поверхности теплообменника, находящегося в подовом пространстве печи, расположена комбинированная теплоизоляция, с внешней стороны теплообменника размещены водоохлаждаемые термоэлектрические преобразователи, соединенные посредством электрической цепи с нерасходуемыми электродами, установленными в своде печи с возможностью их осевого перемещения в расплав, спиралевидная труба теплообменника соединена с воздуховодом, установленным с внешней стороны печи, соединенным с горелкой, на уровне бункера, посредством гибкого теплоизолированного рукава, стакан сливного отверстия выполнен съемным с возможностью его замены в зависимости от выпускаемого объема расплава.
Теплоизоляция, расположенная по внутренней поверхности теплообменника состоит из пенокерамики, на которой размещена футеровка из огнеупорных материалов.
Термоэлектрические преобразователи выполнены в виде блоков.
С внутренней стороны, сливной стакан печи имеет футеровку из жаропрочных материалов, поверхность которых обмурована пенокерамическим материалом и кожухом из блестящего материала.
Предлагаемое устройство представлено на фигуре 1. - вид с фасада в разрезе и на фигуре 2. - вид с боку в разрезе.
Устройство для получения расплавов из минерального сырья содержит плавильную печь 1 с футерованным корпусом. Печь имеет свод 2 и под 3. Над печью установлен загрузочный бункер 4 в виде воронки, соединенный с транспортным средством подачи шиты 5. В бункере 4, установлен кольцевой делитель потока газов 6, образующий щелевидное пространство 7 между внутренней 8 и внешней 9 стенкой бункера. Вокруг выходной части воронки бункера 4 выполнен вертикальный газоходный канал 10. В своде 2 печи установлены горелки 11 и электроды 12 с возможностью их осевого перемещения. Горелки имеют в нижней части газоходные окна 13.
По внутренней поверхности печи установлен несущий каркас в виде трубчатого спиралевидного теплообменника 14, установленного на опорах 15. По внутренней поверхности теплообменника 14 расположена пенокерамическая изоляция 16, на которой размещена футеровка 17 из огнеупорных материалов.
С внешней стороны теплообменника 14 размещены термоэлектрические преобразователи 18, выполненные в виде блоков и соединенные посредством электрической цепи с нерасходуемыми электродами 12.
Блоки состоят из пластин, одна из которых нагревается от спирали теплообменника, а другая охлаждается водой. Разница тепловых потенциалов, возникающих в блоках позволяет вырабатывать электроэнергию, которая подается к электродам 12. Спиралевидная труба теплообменника 14 соединена с воздуховодом 19, выполненным в виде трубы и установленным с внешней стороны печи, по ее высоте. Воздуховод 19 на уровне бункера соединен с горелкой 11 посредством гибкого теплоизолированного рукава 20. Сливное отверстие 21 имеет съемный стакан 22, который с внутренней стороны футерован жаропрочными материалами 23, поверхность которых обмурована пенокерамическим материалом 24 и облицована кожухом 25 из блестящего материала.
Предлагаемое устройство работает следующим образом.
Сначала осуществляют подготовку шихты путем предварительной очистки горных пород от примесей, измельчения их до порошкообразного состояния и при необходимости введения в шихту добавок доломита, извести, глины, суглинка и других веществ.
Далее посредством транспортного средства шихта подается в загрузочный бункер 4, в виде воронки, где происходит ее предварительный подогрев избыточным теплом рабочих газов, поднимающихся с поверхности верхнего слоя расплава и проходящих по кольцевым щелям 7 бункера 4, образованным кольцевым делителем потока газов 6.
Затем шихта поступает через выпускной стакан бункера в рабочее пространство печи 1 и также первоначально подогревается за счет газов из пространства печи, поступающих в газоходные каналы 10.
Затем, в слой шихты до сливного отверстия 21, опускаются горелки 11 посредством механизма перемещения. Разогретый воздух, поступающий из спиралевидного теплообменника 14, нагревающегося от печи, проходя по трубам спиралевидного теплообменника 14 поступает в воздуховод 19 и по гибкому шлангу 20 подается.
Далее в слой шихты, посредством механизма перемещения в расплав постепенно опускается горелка 11, за счет этого происходит нагрев свода печи. Затем, при медленном ее опускании шихта приводится в предрасплавное состояние. При дальнейшем опускании горелки 11 до сливного отверстия 21 осуществляется разогрев шихтовой массы до ее расплава. Через газоходные окна 13, выполненные в нижней части горелок, за счет создания ими высокой турбулентности расплава, одновременно осуществляется дополнительный расплав шихты и перемешивание, до доведения ее до однородного состояния.
В горелку 11 подается топливо одновременно с воздухом. После достижения необходимого состояния расплава разогретого горелками 11, горелки поднимают в верхнее положение и отпускают в расплав электроды 12. Электроды 12 обеспечивают разогрев расплава до необходимой степени текучести. Питание электродов 12 происходит от термоэлектрических преобразователей 18.
Затем полученный расплав поступает в сливное отверстие 21 через съемный стакан 22, имеющий внутреннюю футеровку 23 и поступает в формы.
В зависимости от выпускаемого объема расплава, стакан 22 вынимают из сливного отверстия 21 и заменяют его на стакан с размерными параметрами, обеспечивающими выход того или иного объема расплава.
Преимущество предлагаемого устройства для получения расплавов из минерального сырья состоит в следующем.
Снабжение горелок и электродов механизмом перемещения обеспечивает нижнее их расположение до дна печи, что способствует глубокому прогреву расплава по всей его высоте.
Газоходные окна горелок способствуют основательному перемешиванию расплава, исключая установку и поднимание специальных устройств турбоизоляции.
Поочередное опускание горелок и электродов в расплав и поднятие их из расплава позволяет предотвратить оплавление корпуса горелок индукционными токами опускаемых электродов.
Выполнение газоходных щелей между бункером и сводом печи, а также выполнение газоходных каналов в нижней части бункера позволяет производить подогрев шихты в бункере во время загрузки за счет потока горячих отходящих газов с поверхности расплава, проходящих через щели и каналы, исключая снабжение бункера специальными подогревающими устройствами.
Спиралевидный теплообменник, являющийся одновременно несущим каркасом печи, повышающим надежность устройства и источником увеличения внутренней энергии воздуха, повышающего скорость и степень сгораемости топлива, позволяет значительно повысить КПД процесса горения.
Размещение термоэлектрических преобразователей на спиралевидном теплообменнике позволяет вырабатывать электроэнергию за счет преобразования разницы потенциалов, возникающих на поверхности пластин блоков, для питания электродов, без применения внешнего источника тока.
Предлагаемое устройство возможно встраивать в существующие производства, а также, а также создавать модульное производство.
Теплоизоляция, установленная как внутри печи, так и снаружи, а также в узлах подачи воздуха и расплава позволяет создать тепло, необходимое для плавления шихты.
Предлагаемое устройство для получения расплава из минерального сырья обладает значительной экономией энергозатрат, вследствие чего возможно значительное повышение КПД и получение высококачественного однородного расплава со стабильным химическим составом из шихты, состоящей из нескольких компонентов с различной температурой плавления, и как следствие, снижение брака и повышение качества отливаемых изделий.