ВАГРАНКА ГАЗОВАЯ

Полезная модель относится к области литейного производства, в частности к устройствам - вагранки газовой с огнеупорной насадкой. Она может быть использована для получения глиноземного клинкера.
Известна вагранка для получения высокоалюминистого клинкера [1] (пат. Великобритании №1291352, МПК С04В 7/44, от 24.09.1970 г.), включающая вращающуюся печь, отражательную печь, блок дозировки сырья, состоящий из бункера для боксита и бункера для известняка, кускового конвейера, расположенного под блоком, бункер, установленный для сбора выгружаемых конвейером материалов и направляющий их в питающий желоб, разгружающий вверху вращающей печи материал. К верхней части печи относятся всасывающая и пылеотделительная камера, куда поступают газы и пыль из печи, вытяжной вентилятор, удаляющий газы из камеры и подающий их в дымоход, конвейер, удаляющий пыль из камеры и открывающийся в подъемник, пыль из которого направляется сверху вниз в желоб. Отражательная печь включает наклонный свод и под, дутьевую фурму и фурму для впрыскивания топлива в жидкой или порошкообразной форме и вентилятор для подачи воздуха, размещенный в нижней части отражающей печи.
В поде имеются отверстия на сливе расплава в изложницы. Вращающуюся и отражательную печь соединяет газонепроницаемый колпак, охватывающий собой нижнюю часть печи. Имеется охлаждающий экран из огнеупорного материала, установленный между вращающейся и отражательной печью.
Недостатками устройства являются:
Многозвенность, многооперационность, усложнена технология получения глиноземистого клинкера. Для получения высокоглиноземистого клинкера обязательно требуется противоточный движению шихты разогрев, что оправдывает такое размещение составляющих устройства. Для получения же глиноземистого клинкера с меньшим содержанием алюминия - устройство неоправданно усложнено конструктивно и технологически. В качестве топлива используют жидкое топливо или порошок, что создает трудности в поддержании постоянства температуры в зоне непосредственного расплавления шихты.
Устройство рассчитано на использование одинаковой степени дробления, гранулометрического состава компонентов шихты, что усложняет технологию получения шихты.
Переход из одной печи в другую и организация постоянного нагрева шихты увеличивает время рабочего цикла, не гарантируя качества гомогенизации расплава, получаемого при такой низкой температуре (1400-1500°С), так как летка открыта постоянно. Возможен, следовательно, выпуск негомогенизированного расплава. Постоянно вверх поднимаются газы со значительным количеством твердых частиц, захваченных вверх газом от проходящего через вращающуюся печь сырья, ухудшая экологию и необоснованно рециркулируя шихту в печах.
Известно устройство (пат.№2055284, МПК F27B 1/08, от 11.08.1994 г.), газовая вагранка, содержащая шахту, подину и огнеупорную насадку из углеродсодержащего материала, расположенного на ней. В качестве углеродсодержащего материала используют куски графитовых огнеупоров фракцией от 100 до 300 мм. Высота огнеупорной насадки равна 0,8-1,2 диаметра шахты вагранки.
Имеются газовые горелки, сжигающие газ в огнеупорной насадке.
Недостатками устройства являются:
функциональное ограничение - выплавка расплава из минераловатного сырья;
при использовании вагранки для расплавления шихты, содержащей известь и бокситы для получения глиноземистого клинкера, сложно достичь высокого качества продукта, т.к. в качестве насадки используют углеродсодержащий материал - графит, который способствует науглероживанию шихты и переводу железа из окисной формы в закисную форму и, тем самым, снижает качество расплава клинкера, ухудшая, затем, физико-механические свойства цемента из этого клинкера.
В качестве прототипа выбрано устройство (пат. №2194932, МПК F27B 1/08, от 28.05.2001 г.), наиболее близкое к заявляемому по технической сущности, состоящее из шахты, горна, копильника, опорной части. Копильник соединен с горном переходной леткой. В горне смонтированы газовые горелки с трубопроводами для подачи газа и воздуха в горелки. В копильнике смонтирован желоб для слива металла в ковш и шлаковая летка для скачивания шлака. Горн вагранки заполнен огнеупорной насадкой, состоящей из послойно размещенных кусковых материалов огнеупоров и карбюризатора. Недостатками устройства являются:
ограничение функциональных возможностей, получая чугун;
использование устройства для получения глиноземистого клинкера возможно, но низкого качества;
устройство усложнено составом насадки (высокоглиноземистый огнеупор, шамот, шунгит) и его использованием (послойно, дозировано, строго в зависимости от соотношения компонентов по слоям);
большое количество углеродсодержащих материалов в насадке и алюминия.
3
3
Шунгит содержит до 90% углерода аморфного и сильнодиспергированного графита, что способствует науглероживанию расплава и снижению качества получаемого клинкера, а, впоследствии, и цемента из него. Устройство усложнено наличием копильника и его функциями (отдельно шлак, отдельно расплав металла, летка переходная, летка для шамотного шлака, основная летка для выпуска расплава). Исходя из плотности материалов, используемых в насадке, получается, что при послойном их размещении в нижнем слое должен оказаться высокоглиноземистый кусковой материал (ρ=3,0 г/см), а затем шамот (ρ=2,0 г/см). Следовательно, насыпная плотность в нижнем слое должна быть близкой к 1,0 по отношению к плотности материалов и, соответственно, кусковой материал насадки должен разместиться внизу с малыми зазорами и плохой пропускной способностью расплава.
Задачей устройства является возможность получения качественного глиноземистого клинкера и упрощение устройства.
Технический результат достигается тем, что, устройство, как и в известном, включающее корпус шахты, подвижное дно, горновую часть, подину, газовые горелки, топливо - природный газ, коллекторы для подвода газа к горелкам и для воздуха, насадку, летку основную, облицовку, отличающееся тем, что насадка выполнена из глиноземистого материала в виде кусков осколочного типа, с насыпной плотностью, равной 0,6-0,7 плотности глиноземистого материала, в качестве облицовки использован огнеупорный алюмосиликатный кирпич, закрепленный на внутренней поверхности корпуса шахты и горновой части с образованием слоев разной толщины, при этом, в корпусе шахты выполнена запасная летка.
Признаки заявляемого устройства, совпадающие с признаками прототипа: корпус шахты, подвижное дно, горновую часть, подину, газовые горелки, топливо - природный газ, коллекторы для подвода газа к горелкам и для воздуха, насадку, основную летку, облицовку.
Признаки заявляемого устройства, отличающиеся от признаков прототипа: в качестве топлива использован только природный газ, насадка выполнена из глиноземистого материала, а, как элемент, она состоит из набора, произвольно контактирующих, с насыпной плотностью, равной 0,6-0,7 плотности глиноземистого материала, кусков осколочного типа; в качестве копильника использована нижняя горновая часть шахты от подины до газовых горелок; имеется запасная летка; в качестве облицовки использован огнеупорный алюмосиликатный кирпич, разнотолщинно закрепленный на внутренней поверхности корпуса и горновой части.
Сопоставительный анализ заявляемого устройства с прототипом показал, что заявляемое устройство обладает новизной, т.к. совокупность существенных признаков не известна из уровня техники. В качестве насадки использован новый материал для получения глиноземистого клинкера. Насадка выполнена из кусков глиноземистого материала и, вопреки ожиданиям, дала неожиданные результаты (улучшила свойства глиноземистого клинкера по сравнению с прототипом (см. таблицу)).
Насадка, несмотря на высокую температуру в зоне ее размещения (в горновой части), не расплавляется, а поверхностно оплавляется при длительном использовании ее в вагранке, что не создает проблем с ее выбиванием, увеличивает ее жизнеспособность. За счет химической реакции между компонентами смеси: воды, углекислого газа и компонента шихты - извести, появилась возможность материалу насадки длительное время не расплавляться, сохранять пористость на поверхности и в объеме кусков глиноземистого материала, а также длительное время сохранять зазоры между кусками. Зазоры между кусками глиноземистого материала насадки сохраняются длительное время и за счет того, что куски размещены в горновой части произвольно, но крупной фракции, позволяя иметь малую насыпную плотность (ρ=0,6-0,7 ρ глиноземистого материала) из элементов насадки и, следовательно, гарантировать оптимизацию зазоров между ними, и их пропускную способность (расплавляемой шихты в копильник).
В качестве копильника использовано пространство (в высоту) в горновой части между подиной и горелочным поясом, где расплав гомогенизируется и тем самым повышается качество выпускаемого через основную летку клинкера и значительно упрощается устройство.
При насыпной плотности насадки меньше 0,6 от плотности глиноземного материала велики зазоры между кусками и мало элементов, возможно нежелательное смесеобразование компонентов шихты и несвоевременное заполнение зазоров насадки, а большая, чем 0,7 плотность от плотности глиноземного материала - нежелательна, т.к. зазоры малы, пропускная способность насадки уменьшается, увеличивая сопротивление перемещению расплава в насадке, затрудняя тем самым процесс гомогенизации этого расплава.
2
2
2
3
По сравнению с прототипом выполнение насадки из крупных кусков осколочного типа глиноземистого материала, в зоне которого происходит газообразование (образуется углекислота: CO+HO=HCO, затем с известью кислота взаимодействует), позволяет удешевить и упростить конструкцию вагранки; увеличить долговечность работы самой насадки; технологический процесс клинкерообразования в вагранке вести непрерывно, не с полной заменой, а с периодическим восполнением элементов насадки (кусков глиноземистого материала).
В устройстве имеется запасная летка, гарантирующая непрерывность процесса выхода расплава получаемого клинкера в желоб и шлаковню или другую приготовленную емкость для него при замене основной летки. К тому же, наличие запасной летки позволяет быстро среагировать в случае, когда у основной летки аварийная ситуация, или ситуация, когда необходимо ускорить прохождение расплава из горновой части путем одновременного срабатывания обеих леток, а также, при проведении ремонтных работ.
Куски глиноземистого материала, используемого в качестве насадки имеют одну плотность по всему объему горновой части вагранки, что упрощает технологический процесс формирования насадки и расчета задаваемой насыпной плотности с получением зазоров между кусками, удовлетворяющих эксплуатационные свойства насадки, ее пропускную способность, степень контакта с расплавом шихты.
В качестве облицовки использован огнеупорный алюмосиликатный кирпич как материал близкий к составу, получаемого глиноземистого клинкера, что способствует улучшению физико-химических свойств получаемого в устройстве глиноземистого клинкера, не привнося дополнительно компоненты, не предусмотренные химическим составом клинкера.
К тому же, облицовка выполнена разнотолщинной: с двойным слоем в зоне «риска» - в зоне повышенной температуры, чтобы обеспечить более длительную эксплуатацию устройства без ремонта и, следовательно, непрерывность процесса, увеличение производительности получаемого продукта.
На фиг.1 показано схематически устройство, разрез.
На фиг.2 сечение А-А, на фиг.1 показано размещение газовых горелок в виде пояса из восьми блоков (фурм), в разрезе.
На фиг.3 показан блок горелки с четырмя сквозными отверстиями, разрез.
На фиг.4 схематически показано устройство в начальный момент работы, разрез.
На фиг.5 схематически показано устройство в момент расплавления шихты. Горелки размещены по направлению к подине, разрез.
На фиг.6 схематически показано устройство в момент расплавления шихты. Горелки размещены разнонаправленно, разрез.
Устройство имеет корпус металлический (1), (фиг.1), облицованный кирпичом в 1 слой (2'), горновую часть (3), облицованную алюмосиликатным огнеупором в 2 слоя (2"), дно корпуса (4), подину (5), выполненную с наклоном в направлении основной летки (6), насадка (7) из глиноземистого материала в виде кусков осколочного типа, газовых горелок (8), (фиг.2), размещенных в виде пояса равномерно по периметру горновой части в виде блока из четырех элементов, (фиг.3), направленных в сторону к подине (фиг.5) или разнонаправленных (фиг.6), коллекторы (9) для подвода газа, коллекторы (10) для подвода воздуха к горелкам, коллекторы (11) для рециркуляции воды, запасная летка (12).
Устройство работает следующим образом:
Компонуют устройство элементами (1-12), причем набор элементов насадки (8) - куски из глиноземистого материала размещают в горновой части (3) с расчетом их насыпной плотности: ρ=0,6-0,7 ρ - от плотности кусков глиноземистого материала.
Подают из коллектора (9) природный газ, а из коллектора (10) воздух в горелки (8), включают коллектор воды (11). Продукты горения природного газа (16) и воздуха поступают в горновую часть вагранки, заполненной насадкой (7), проходят через насадку, поднимаются по облицованному алюмосиликатным кирпичом (2') корпусу шахты вверх (фиг.5 и 6) или в разных направлениях, в зависимости от направленности элементов горелок в блоке (8). Происходит интенсивный разогрев всего объема вагранки и насадки, в том числе. Температуру поддерживают около 1800°C. Загружают через загрузочное окно (не показано) шихту послойно и в порядке: известь (13), боксит (14), известь (13), боксит (14) и т.д. (фиг.4).
2
Компоненты шихты постепенно плавятся и образующийся расплав стекает в горновую часть (3) (фиг.5 и 6) по поверхности элементов насадки, через зазоры между ними. Куски глиноземистого материала обладают тугоплавкостью и не расплавляются под воздействием высокой температуры. Длительное воздействие газовой среды, наличие извести, разлагающейся постоянно до CaO и CO и присутствие паров воды, из поступающего воздуха в горелки и влажной шихты, способствуют газообразованию в порах глиноземистого материала, на поверхности и в зазорах кусков - элементов насадки.
Таким образом, используемая насадка, для получения в заявляемом устройстве глиноземистого материала, обладает долговечностью, позволяя, к тому же, работать вагранке длительное время без смены элементов насадки. Расплав постепенно накапливается в нижней горновой части (фиг.6) как в копильнике (15) и гомогенизируется. При этом, поскольку использован только природный газ (углеводород с минимумом углерода) в качестве топлива и нет углеродсодержащих веществ (кокса, нефти, графита и т.д., которые обычно используют вместе с газом), то нет условий для образования сажи, карбидов, закиси железа, которые отрицательно влияют на состав клинкера и цемента из этого клинкера. Однонаправленность элементов горелки или разнонаправленность в блоке зависят от объема вагранки, диаметра его и стремления достичь как можно более равномерного распределения тепла по объему вагранки, для того, чтобы избежать образования свода, арки из шихты, быстрее и надежнее обеспечить гомогенизацию расплава.
Гомогенизируемую часть расплава, открывая основную летку (6), выпускают в желоб и шлаковню, где он остывает, и его направляют для помола и получения цемента.
В ситуации, когда возникают сложности выпуска расплава через основную летку, расплав выпускают через запасную летку (12) (фиг.1).
Получают глиноземистый клинкер, который после измельчения является цементом высокого качества (таблица).
Из данных таблицы видно, что получаемый клинкер, не имея FeO обладает более высокими прочностными свойствами и с более быстрым сроком окончательного схватывания, чем прототип.
Получаемый в устройстве из глиноземистого клинкера цемент относится к марке 600 по прочности при сжатии с улучшенными данными по сравнению с ГОСТ 969-91, т.к. рекомендуемый ГОСТом предел прочности за 3 суток достигается за сутки, а рекомендуемые за сутки -достигаются за 6 часов и менее (35-50 Мпа), что позволяет повысить производительность работ по цементированию.
6
2
2
По сравнению с прототипом, в котором возможно получить глиноземистый клинкер, минералогического состава CA, CA, заявляемое устройство позволяет получить глиноземистый клинкер с моно - и дикальциевым алюминатом (CA и CA - минералогический состав) и, соответственно, высокое качество цемента из него.
2
2
2
За счет постоянства взаимодействия CO с HO и присутствия CO в избытке нет проблем с выбиванием насадки из горновой части, т.к. как показали исследования состояния поверхности футеровки, пристенной адгезии нет. После длительной работы насадка спекается, образуя конгломерат с зазором между поверхностью горна и этой насадкой. Дно шахты открывают и насадка свободно выходит из корпуса.
Использование природного газа в сочетании с наличием извести в шихте позволяет увеличить теплотворную способность СН4 в природном газе за счет происходящих реакций:
3
2
1. CaCO=CaO+CO
2
2
2
3
2. CO+HO=HCO
3
2
-
2-
3. CaCO+2H=Ca+HO+↑CO2
3
2
-
-
2
HCO +H=↑CO+HO
катализатор Fe
4.
В результате первых трех реакций увеличивается долговечность насадки, а четвертая реакция позволяет получить метиловый спирт, усиливающий теплотворную способность природного газа.
По сравнению с прототипом заявляемое устройство имеет преимущества:
- использование природного газа позволяет избежать сажеобразования, появление окиси углерода, ухудшающих физико-механические свойства цемента из получаемого в вагранке клинкера;
4
2
- использование природного газа в сочетании с глиноземистой насадкой, не содержащей углерода, графита как в прототипе, позволяет иметь в печи, кроме газообразного CH - восстановителя, постоянно CO, образующуюся в результате декальцинирования извести.
Наличие в качестве насадки глиноземистого материала, используемого впервые в качестве насадки при получении глиноземистого клинкера, неожиданно позволило получить клинкер высокого качества, с хорошими физико-механическими свойствами, убедиться в длительной работоспособности насадки, т.к. логически этого не должно быть (высокая температура в насадке (1800°C) должна была расплавить куски глиноземистого материала, перекрыть поры и зазоры между кусками).
Работоспособность глиноземистого шлака в качестве насадки в заявляемом устройстве объясняем следующим образом.
4
Природный газ (CH) подается совместно с воздухом, имеющим, кроме необходимого кислорода для усиления горения топлива, воду. Шихта также содержит воду.
2
4
2
2
Следовательно в насадке на поверхности кусков глиноземистого материала и между кусками имеем газовую среду, содержащую CO, CH, HO, O.
2
2
CO - ранее считался нейтральным соединением, а в данном случае С02 в насадке вступает в реакцию с HO, с которой она, кстати, легко вступает в реакцию в любых условиях.
2
3
Образуется угольная кислота - HCO, которая быстро разлагаясь на- и в кусках насадки, не дает конгломерироваться, спечься им между собой, а кускам позволяет сохранить поры и образовать новые за счет постоянного газообразования.
Процесс постоянен, пока идет клинкерообразование в вагранке. Таким образом, насадка увеличивает срок службы (работоспособность). За счет оптимизации соотношения в смеси газ - воздух (природный газ и воздух - в пределах 1:12) улучшается тепловой баланс работы печи, что позволяет сэкономить топливо.
2
3
За счет отсутствия углесодержащей насадки и CO в газовой атмосфере печи, постоянно присутствующее железо может быть в получаемом клинкере в виде алюмоферритов в форме FeO в количестве, не влияющем отрицательно на свойства цемента из этого клинкера. А алюмоферрит, к тому же, способствует снижению температуры плавления, увеличению текучести расплава (т.е. снижению вязкости его).
Устройство - вагранка газовая, применяемая ранее для получения, в основном, чугуна или минеральной ваты, расширило свои функциональные возможности, получая глиноземистый клинкер высокого качества.
Устройство промышленно применимо, т.к. может быть скомпоновано из доступных материалов, имеет возможность получать при значительно менее затратной насадке и монотопливе качественный клинкер (см. таблицу).
Устройство предполагается внедрить в ОАО «Пашийский металлургическо-цементный завод».
Таблица
№ п/п
Устройство
Химический состав клинкера
Прочностные свойства цемента из заявляемого клинкера, активность при сжатии
Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
CaO
SiO<sub>2</sub>
FeO
Fe<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
MgO
%
%
%
%
%
%
σ сж, МПа
1
Прототип
40-42
30-34
5
10,08
1,19
23,0
Через:
1 сутки = 40-70 МПа,
т.е. 55 Мпа в среднем;
3 суток = 50-75 МПа,
т.е. 67 Мпа в среднем.
2
Заявляемое устройство
40-42
30-34
5
-
13,0
23,0
Через:
6 часов = 35-50 МПа.
т.е. 42,5 МПа в среднем;
1 сутки = 60-80 МПа,
т.е. 75 Мпа в среднем.
Таким образом, заявляемое устройство
позволяет получить клинкер без FeO, a
цемент получает большую активность и
ускоряет схватываемость в 4-5 раза.