СПОСОБ ПЛАВКИ В ГАЗОВОЙ ВАГРАНКЕ
METHOD OF MELTING IN GAS CUPOLA FURNACE

Предлагаемый способ относится к строительству и может быть применен для получения расплава из неметаллических материалов при производстве изделий для строительства, в частности, для получения минеральной ваты.
Известен способ плавки в газовой вагранке, содержащей шахту с встроенными газовыми горелками и водоохлаждаемые балки, на которые загружается огнеупорная насадка, состоящая из тугоплавких и термостойких материалов (авторское свидетельство СССР №1610209, кл. F27B 1/08, БИ №44, 1990 г.).
Недостатком известного способа является то, что при плавке неметаллических материалов на водоохлаждаемых балках вагранки происходит частичное затвердевание расплава, в связи с чем уменьшаются свободные проходы для горячих газов и жидких материалов, снижается производительность и термический коэффициент полезного действия плавильного агрегата, горячие газы неравномерно распределяются в шахте.
Из известных наиболее близким по технической сущности является способ плавки в газовой вагранке, содержащей шахту с расположенными в ее нижней части радиально, равномерно по периметру горелками с вертикальными газовыми каналами, подину, насадку - огнеупорную колошу (авторское свидетельство СССР №941823, кл. F27B 1/08, БИ №25, 1982 г.). В газовой вагранке можно плавить неметаллические материалы на огнеупорной холостой колоше, создаваемой из боя (кусков) высокоглиноземистых, шамотных, углеродсодержащих огнеупорных изделий. Но в связи с тем, что куски материалов холостой колоши сплошные, то проходы для горячих газов и расплава небольшие, они постепенно в течение плавки уменьшаются (на огнеупорах частично затвердевает расплав), увеличивается сопротивление движению газов, уменьшается производительность и термический коэффициент полезного действия плавильного агрегата, горячие газы начинают преимущественно перемещаться у стенок шахты, в связи с чем увеличиваются тепловые потери и износ футеровки шахты.
Техническим результатом предлагаемого способа является увеличение равномерности распределения горячих газов и перегреваемого расплава в холостой огнеупорной колоше газовой вагранки, улучшение теплопередачи от горячих газов расплаву, увеличение производительности и термического коэффициента полезного действия плавильного агрегата, снижение энергоемкости процесса плавки.
Сущность предлагаемого способа заключается в том, что производят разогрев футеровки шахты газовой вагранки, загрузку холостой огнеупорной колоши, разогрев ее продуктами сгорания топлива, загрузку, нагрев и расплавление шихты, но в отличие от известного способа холостую огнеупорную колошу создают путем загрузки в шахту огнеупоров с отверстиями, суммарная площадь входных и выходных сечений которых в загруженной холостой колоше равна 0,1-0,6 площади свободного поперечного сечения вагранки в зоне плавления шихты, причем огнеупоры с отверстиями загружают так, чтобы объем пустот для прохождения горячих газов и расплава был бы равен 0,15-0,7 объема шахты, заполняемой холостой огнеупорной колошей, а при работе газовой вагранки горячие продукты сгорания топлива и расплав пропускают преимущественно через отверстия огнеупоров холостой колоши.
Такое сочетание новых признаков с известными позволяет увеличить равномерность распределения горячих газов и перегреваемого расплава в холостой огнеупорной колоше газовой вагранки, улучшить теплопередачу от горячих газов расплаву, увеличить производительность и термический коэффициент полезного действия плавильного агрегата, уменьшить тепловые потери и износ футеровки, снизить энергоемкость плавки.
Предлагаемый способ плавки можно осуществлять в газовых вагранках с холостой огнеупорной колошей. Плавить можно неметаллические материалы (камни, бой огнеупоров, стекло) и получать расплав с требуемой температурой для производства применяемых в строительстве изделий. Этот способ можно применять и при плавке металлической шихты, но наибольшая эффективность достигается при получении из расплава минеральной ваты. Газовые вагранки могут работать с использованием предложенного способа на газообразном, жидком, смешанном топливе. Для загрузки в шахту газовой вагранки в период создания холостой огнеупорной колоши рационально использовать высокоогнеупорные изделия в виде перфорированных кирпичей со сквозными отверстиями, имеющими в поперечных сечениях круглую, эллиптическую, овальную, квадратную, прямоугольную, треугольную форму, форму сечения в виде трапеций, параллелограммов, многоугольников, секторов, сегментов, полукругов, комбинаций этих геометрических фигур или выполненных в виде рам со сквозными окнами (отверстиями). Огнеупорные изделия могут быть выполнены в виде призм, цилиндров, усеченных конусов, шаровых поясов, шаров, бочек, эллипсоидов. Во всех случаях огнеупорные изделия должны иметь сквозные отверстия, которые должны быть размещены так, чтобы достигалась требуемая прочность изделий и необходимая суммарная площадь входных и выходных сечений отверстий. Материал изделий должен иметь огнеупорность на 50-400 градусов выше достигаемой в печи максимальной температуры. Огнеупоры должны выдерживать 10-40 теплосмен, сохранять прочность при высокой температуре, не размягчаться, не разрушаться при работе печи, быть шлакоустойчивыми, не разрушаться при перемещении по ним расплава. При плавке неметаллических материалов, содержащих преимущественно оксиды кремния, кальция, магния, железа, при основности расплава 0,8-1 рационально применять высокоглиноземистые изделия, содержащие 60-95% оксида алюминия.
Предлагаемый способ плавки осуществляется следующим образом.
Производят розжиг горелок газовой вагранки, производят разогрев футеровки шихты, загрузку холостой огнеупорной колоши, разогрев ее продуктами сгорания топлива. Холостую огнеупорную колошу создают, загружая в шахту огнеупоры с отверстиями, суммарная площадь входных и выходных сечений которых в загруженной холостой колоше равна 0,1-0,6 площади свободного поперечного сечения вагранки в зоне плавления шихты. Огнеупоры с отверстиями загружают так, чтобы объем пустот для прохождения горячих газов и расплава был бы равен 0,15-0,7 объема шахты, заполняемой холостой огнеупорной колошей.
На разогретую холостую огнеупорную колошу загружают шихту, доводят путем регулирования расходы топлива и окислителя до требуемых, нагревают и плавят горячими продуктами сгорания шихту. Продукты сгорания перемещаются преимущественно по отверстиям в огнеупорах и частично между огнеупорами холостой колоши, нагревают стенки огнеупоров, а навстречу движущимся горячим газам поступает из зоны плавления расплав, который перегревается, стекает на подину, выходит из вагранки и отбирается для получения литых изделий.
Благодаря наличию в огнеупорах холостой колоши отверстий и неплотной их упаковке горячие газы распределяются в холостой колоше более равномерно, огнеупоры больше отбирают теплоты от горячих газов, в связи с чем повышается температура расплава, производительность и термический коэффициент полезного действия вагранки.
1
1
1
1
При суммарной площади входных и выходных сечений отверстий S в огнеупорах холостой колоши меньше 0,1 площади свободного поперечного сечения вагранки S в зоне плавления шихты не достигается равномерность распределения горячих газов в холостой колоше, экономичность процесса резко снижается. При S>0,6·S резко снижается прочность огнеупоров в холостой колоше и нарушается процесс плавки. Оптимальность достигается при 0,1·S≤S≤0,6·S.
1
1
1
1
1
1
1
1
1
Огнеупоры с отверстиями надо загружать так, чтобы объем пустот V для прохождения горячих газов и расплава был бы 0,15·V≤V≤0,7·V, где V - объем шахты, заполняемый холостой огнеупорной колошей. При V<0,15·V в связи с плотной упаковкой огнеупоров в холостой колоше перекрывается часть отверстий в огнеупорах, резко повышается сопротивление движению горячих газов в холостой колоше, резко снижается производительность плавильного агрегата. При V>0,7·V резко снижается скорость движения горячих газов в холостой огнеупорной колоше, нарушается процесс теплопередачи от горячих газов расплаву, снижается температура расплава. При 0,1·S≤S≤0,6·S, 0,15·V≤V≤0,7·V горячие продукты сгорания топлива и расплав проходят преимущественно через отверстия огнеупоров, происходит интенсивная теплопередача, достигается экономичность процесса, энергоемкость плавки минимальная.
Пример осуществления способа.
1
1
1
1
В экспериментальной газовой вагранке, предназначенной для плавки чугуна, создавали холостую огнеупорную колошу из высокоглиноземистых кирпичей, в которых были выполнены отверстия в таком количестве и так, чтобы 0,1·S≤S≤0,6·S. Огнеупоры с отверстиями загружали так, чтобы 0,15·V≤V≤0,7·V. Плавили в газовой вагранке битый строительный кирпич при сжигании природного газа в смеси с горячим воздухом и получаемой температуре продуктов сгорания в холостой колоше 1650-1700°С. Температура расплава на выходе из печи была 1350-1420°С. Из расплава в формах получали пористые изделия (путем продувки газом) для теплоизоляции строительных конструкций. Количество плавок определялось, исходя из необходимости выявления оптимальности параметров. Для сравнения плавили в этой вагранке ту же шихту при использовании в огнеупорной колоше сплошных огнеупоров, то есть применяли известный способ. Проводился анализ материальных и тепловых балансов. Были достигнуты равномерность распределения горячих газов и расплава в огнеупорной колоше, повышение термического коэффициента полезного действия в 1,3-2 раза, увеличение производительности в 1,5-1,8 раза, по сравнению с применением известного способа (когда загружались в холостую колошу неперфорированные огнеупоры). Износ футеровки был незначительный, тепловые потери были небольшие. На плавки расходовалось в 1,1-1,3 раза меньше природного газа. Было установлено, что при длительных непрерывных плавках экономичность процесса возрастает и она может достигать максимальной величины, если предложенный способ используется в оборудовании (газовой вагранке) минераловатного производства.
Предлагаемый способ обеспечивает технический эффект и может быть осуществлен с помощью известных в технике средств, его можно применять не только для плавки материалов (неметаллических, металлических), но и при нагреве и обжиге керамических изделий, при обжиге известняка, руд, при сжигании бытовых отходов и плавке содержащихся в них негорючих веществ.
При применении предлагаемого способа расход огнеупоров на холостую колошу по массе уменьшается в 1,3-2 раза по сравнению с применением сплошных огнеупоров в известном способе, снижается трудоемкость выбивки холостой колоши в конце плавки. При меньшей массе меньше стоимость материалов, расходуемых на изготовление изделий для холостой колоши. Предлагаемый способ позволяет повысить производительность, термический коэффициент полезного действия плавильного агрегата, достигать экономичности процесса плавки.