Установка гранулирования сварочных флюсов
WELDING FLUX GRANULATION PLANT

Изобретение относится к оборудованию для изготовления флюсов, а именно сварочных плавленых флюсов, применяемых для автоматической сварки под флюсом углеродистых, легированных сталей и сплавов различного состава.
Известен способ горизонтальной воздушной грануляции плавленого флюса в статье («Potentialities of the horizontal air granulation of fused flux CIS-F10», 2008 г., http://dx.doi.org/10.1080/09507110902844113), заключающийся в том, что гранулирование флюса осуществляют с помощью воздушной струи, которая задерживает поток шлака, льющийся из печи. По сравнению с классической технологией «мокрой» грануляцией получается более больший объем сферических плотных гранул. Классические методы «мокрой» грануляции способствуют образованию неровных внешних поверхностей на зернах с внутренними полостями, что придает им определенную склонность к гигроскопичности, делая необходимыми длительные процессы сушки и прокаливания, и это означает, что их получение требует относительно высоких потребления энергии и длительного вложения времени. Метод гранулирования с использованием воздушной струи включает простое и экономичное оборудование, простое в эксплуатации и обслуживании, позволяющее получать плавленые флюсы со сферическими зернами и гладкими поверхностями, что означает, что полученные капли имеют меньшую тенденцию к гидратации.
Однако данный способ требует наличия плавильных печей в технологическом процессе изготовления флюса, мощное оборудование для плавки минерального сырья. Плавленый флюс, получаемый таким методом грануляции не может содержать дополнительные частицы, способные придавать специальные функции, что ограничивает применение их для сварки углеродистых и низколегированных флюсов.
Известно устройство для гранулирования сварочного плавленого флюса, заключающееся в том, что струя расплавленного флюса поступает в гранулятор, оснащенный грануляционным блоком и снабженный крыльчаткой для перемешивания флюса, и по мере поступления расплавленного флюса в воду, и транспортером для удаления готового продукта (гранулятор для флюса, авторское свидетельство SU 83258 A1).
Недостатком известного устройства является использование воды, в результате чего требуются дополнительная операция сушки и специальное оборудования (отстойники), а также в известном устройстве предполагается использование печи для расплавления шихты в значительном объеме для образования струи расплавленного флюса, что требует значительных затрат электроэнергии, а также, в силу значительного переплавления исходной шихты в струю расплавленного флюса, невозможно произвести флюсы с легирующими функциями, так как вся подшихтовка в виде карбидов или ферросплавов переплавляется и образует оксиды.
Известно устройство для гранулирования сырья «Чашевой огневой гранулятор» SU 355014 A1, работа которого заключается в том, что в начальный момент вращающаяся чаша прогревается изнутри электрической дугой до покраснения поверхности футеровки. Далее на чашу постепенно подается перерабатываемый материал, который в процессе движения в чаше по замкнутым кривым сушится, обжигается и прогревается в поверхностных слоях до температуры выше температуры плавления. Под действием появившегося расплава мелкие твердые частицы более низких слоев стягиваются в комочки, которые, попадая в низкотемпературную зону, отвердевают и превращаются в прочные гранулы небольшого размера. По мере дальнейшего движения этих гранул происходит нагрев их поверхностных слоев в зоне косвенного воздействия электрической дуги и налипание на жидкие пленки новых твердых частиц при скатывании по днищу, т. е. постепенное укрупнение гранул. По достижении определенного размера, определяемого углом наклона и высотой борта чаши, скоростью вращения и плотностью гранул, последние под действием центробежной силы самопроизвольно выгружаются через борт чаши, и процесс осуществляется непрерывно.
Недостатками приведенного устройства являются потребности в использовании мощных трансформаторов, большого расхода электроэнергии, сложность в контролировании состава и подшихтовки.
Наиболее близким по технической сущности является устройство, описанное в патенте «способ гранулирования флюса» (патент РФ № 2680031 С1, опубликованный 14.02.2019 г., МКИ B23K 35/00; B01J 2/02).
Устройство включает дозирующее устройство, электроды, просеивающее устройство. Работа устройства заключается в том, что из дозаторной системы шихта горных пород образует поток падающих частиц, попадающих прямо в электрическую дугу, либо на сами графитовые электроды. В зоне гранулирования под динамическим воздействием дуги и высоких температур за короткие промежутки времени происходит сплавление частиц в гранулы сварочного флюса, попадающие в просеивающие устройство. Фракционный состав частиц менее 0,2 мм поступает обратно в дозирующее устройство.
Недостатками принятого в качестве прототипа устройства гранулирования флюса являются: использование электрической угольной дуги как менее производительной по сравнению с плазменной дугой, необходимость в постоянном поддержании расстояния между графитовыми электродами, периодическая замена их, большой разлет шихты от электрической дуги в процессе гранулирования, возможное попадание расплавленных гранул в зону просеивания в жидком состоянии и слипание их между собой на поверхности просеивающего устройства, отсутствие вибростенда для просеивания, что приводит к низкой производительности и технологичности процесса гранулирования.
Задачей изобретения является повысить производительность и технологичность процесса гранулирования плавленых сварочных флюсов.
Поставленная задача была решена за счет того, что известное устройство гранулирования сварочных флюсов, включающее бункер для шихты, сопло для регулирования расхода шихты, неплавящийся токопроводящий электрод, вибростенд для просеивания гранул и шихты, согласно изобретению, дополнительно снабжено камерой для гранулирования, плазмотроном, предназначенным для создания плазменной дуги и наклонным коробом для охлаждения и подачи гранул и шихты в зону просеивания, камера для гранулирования расположена под бункером для шихты, при этом сопло для регулирования расхода шихты и неплавящийся токопроводящий электрод расположены внутри камеры для гранулирования, плазмотрон закреплен к камере для гранулирования, наклонный короб для охлаждения и подачи гранул и шихты в зону просеивания расположен между камерой для гранулирования и вибростендом для просеивания.
Признаки заявляемого технического решения, отличительные от прототипа - в предложенном устройстве использование плазменной дуги взамен угольной дуги приводит к большей концентрации тепла в зоне гранулирования, что приводит к лучшей эффективности переплавления шихты в гранулы сварочного флюса, используют камеру для гранулирования, а не гранулирование в открытом пространстве, что приводит к большей производительности процесса гранулирования, так как значительно снижается разлет шихты от зоны гранулирования, и гораздо большее количество шихты попадает под тепловое воздействие источника тепла и переплавляется в гранулы, используют наклонный короб для охлаждения и подачи гранул и шихты в зону просеивания, а не подают гранулы в открытом пространстве, что обеспечивает попадание всей массы гранул в зону просеивания и значительно снижает вероятность попадания гранул в зону просеивания в жидком состоянии, в качестве просеивающего устройства используют вибростенд для просеивания для более эффективной сепарации получаемого материала на три фракции: менее 0,25 мм - шихта, идущая на повторное гранулирование; 0,25…4,5 мм - гранулированный сварочный флюс требуемого фракционного состава; более 4,5 мм - гранулы с фракцией, превышающей требуемый размер, идут на дробление и повторное просеивание.
Предлагаемое устройство поясняется чертежами, представленными на фиг. 1-10.
На фиг.1 показан общий вид установки гранулирования, включает в себя: бункер для шихты 1, камера для гранулирования 2, наклонный короб для охлаждения и подачи гранул и шихты в зону просеивания 3, вибростенд для просеивания гранул и шихты 4, плазмотрон 5, сварная рама 6, источник питания 7.
На фиг.2 показан общий вид камеры для гранулирования, включает в себя: плазмотрон 5, корпус камеры для гранулирования 8, электрододержатель 9, медная стенка камеры для гранулирования 10, сопло подачи шихты 11, токоведущий неплавящийся электрод 12.
На фиг.3 показан общий вид камеры для гранулирования, включает в себя: плазмотрон 5, корпус камеры для гранулирования 8, электрододержатель 9, медная стенка камеры для гранулирования 10, сопло подачи шихты 11, токоведущий неплавящийся электрод 12.
На фиг.4 показана установка гранулирования сварочных флюсов.
На фиг.5 показан процесс гранулирования сварочного флюса, зажигание дуги между плазмотроном и электродом с последующей подачей шихты, образование жидкой гранулы.
На фиг.6 показан процесс гранулирования сварочного флюса, стекание гранулы с поверхности токоведущего неплавящегося электрода.
На фиг.7 показан процесс гранулирования сварочного флюса, подача гранулы в зону просеивания.
На фиг.8 показан общий вид полученных гранул свароного флюса, фракция 0,25…4,5 мм.
На фиг.9 показан общий вид полученных гранул свароного флюса, фракция более 4,5 мм;
На фиг.10 показан общий вид полученных гранул свароного флюса, пример образующихся сферических гранул.
В качестве сырья используется шихта минерального сырья однокомпонентного либо многокомпонентного состава фракцией до 0,5 мм.
Предложенное устройство содержит следующие функции: преобразование шихты минерального сырья однокомпонентного либо многокомпонентного состава с фракцией менее 0,5 мм в гранулы плавленого сварочного флюса, то есть обеспечивает протекание процесса гранулирования и всех вспомогательных процессов, необходимых для его осуществления:
1) подача шихты в зону гранулирования;
2) возбуждение и горение плазменной дуги с плазмотрона на инструменте гранулирования: на токоведущем неплавящемся электроде;
3) увеличение вероятности попадания шихты именно в зону гранулирования, снижение разлета шихты от зоны гранулирования и удержание шихты и гранул в зоне гранулирования;
4) увеличение теплового эффекта плазменной дуги на шихту в процессе гранулирования;
5) обеспечение стабильного протекания процесса плазменного гранулирования;
6) подача гранул сварочного флюса в зону просеивания;
7) охлаждение и затвердевание гранул в процессе их подачи в зону просеивания;
8) просеивание гранул сварочного флюса и шихты, не попавшей в зону гранулирования на три фракции: менее 0,25 мм - шихта, идущая на повторное гранулирование; 0,25…4,5 мм - гранулированный сварочный флюс требуемого фракционного состава; более 4,5 мм - гранулы с фракцией, превышающей требуемый размер, идут на дробление и повторное просеивание.
Соответственно для выполнения как основной функции, так и всех вспомогательных процессов предложены элементы прототипа установки плазменного гранулирования:
1) Бункер для шихты 1. Для обеспечения подачи шихты в зону гранулирования предложен бункер. Бункер разрабатывался с учетом беспрерывной работы установки на протяжении 2 часа, расчетный объем бункера 30 литров. Из бункера шихта сначала попадает в патрубок и выходя из него, через сопло подачи шихты 11 попадает в камеру для гранулирования 2.
2) Камера для гранулирования 2. Для обеспечения поджига и горения плазменной дуги с плазмотрона 5 на инструменте гранулирования: на токоведущем неплавящемся электроде 12, увеличения вероятности попадания шихты именно в зону гранулирования, снижения разлета шихты от зоны гранулирования, удержания шихты и гранул в зоне гранулирования, увеличения теплового эффекта плазменной дуги на шихту в процессе гранулирования, стабильного протекания процесса предложена камера для гранулирования. Обеспечение поджига и горения плазменной дуги с плазмотрона 5 на инструменте гранулирования, на токоведущем неплавящемся электроде 12, достигается за счет крепления на камере для гранулирования плазмотрона 5 и электрода 12 в необходимом положении и придания им неподвижного состояния. Обеспечение всех остальных перечисленных выше вспомогательных процессов достигается за счет стенок корпуса камеры для гранулирования 8, ограничивающих разлет подаваемой шихты и получаемых гранул сварочного флюса. Попадая в камеру, шихта попадает на электрод 12 и, находясь под тепловым воздействием плазменной дуги плавится, в результате чего формируется расплавленная гранула, которая, набрав требуемую критическую массу, стекает с электрода и под воздействием собственного веса подается дальше в зону просеивания фиг. 5-7.
3) Наклонный короб 3 для охлаждения и подачи гранул и шихты в зону просеивания. Для обеспечения подачи гранул сварочного флюса в зону просеивания, а также для охлаждения и затвердевания гранул в процессе их подачи в зону просеивания предложен наклонный короб. Обеспечение подачи гранул сварочного флюса в зону просеивания достигается за счет стенок короба, направляющих путь гранул, а обеспечение охлаждения и затвердевания гранул достигается за счет протяженности пути гранул от зоны гранулирования до зоны просеивания и теплообмена между гранулами и стенками наклонного короба.
4) Вибростенд 4 для просеивания гранул и шихты. Для обеспечения просеивания гранул сварочного флюса и шихты, не попавшей в зону гранулирования на три фракции: менее 0,25 мм - шихта, идущая на повторное гранулирование; 0,25…4,5 мм - гранулированный сварочный флюс требуемого фракционного состава; более 4,5 мм - гранулы с фракцией, превышающей требуемый размер, идут на дробление и повторное просеивание, предложен вибростенд. Обеспечение просеивания гранул и шихты в вибростенде достигается следующим образом: вибростенд разделен на три секции: в верхней секции находится сито с фракцией 4,5 мм, соответственно остаются гранулы, превышающие по размеру необходимую фракцию; в средней секции находится сито с фракцией 0,25 мм, соответственно остаются гранулы сварочного флюса требуемого фракционного состава; нижняя секция представляет собой ящик без сита, куда попадает не переплавленная шихта.
5) Сварная рама 6. Для позиционирования всех элементов установки в требуемом положении друг относительно друга предложена сварная рама на которой крепятся все элементы установки гранулирования сварочных флюсов.
Более подробно необходимо описать камеру для гранулирования, как элемент установки, благодаря которому обеспечивается выполнение основной функции установки - преобразование шихты с фракцией менее 0,5 мм в гранулы плавленого сварочного флюса, то есть протекание процесса гранулирования.
Камера для гранулирования представлена на фиг. 2 и фиг. 3. Она состоит из стенок, большинство из которых являются стальными, однако стенка, претерпевающая наибольшее тепловое влияние изготовлена из меди 10, так как медь обладает большей теплопроводностью и способна выдерживать более высокие тепловые нагрузки по сравнению со сталью. Также камера для гранулирования включает крепление плазмотрона 5 и токоведущего неплавящегося электрода 12, а также крепление сопла подачи шихты 11 и позиционирование их друг относительно друга для осуществления процесса гранулирования.
Устройство работает следующим образом:
1. В камеру для гранулирования 2 устанавливают плазмотрон 5 и подключают к источнику питания сварочного тока 7;
2. В камеру для гранулирования 2 устанавливают токоведущий неплавящийся электрод 12 требуемого диаметра и подключают к источнику питания сварочного тока 7;
3. В камеру для гранулирования 2 устанавливают сопло подачи шихты 11 с отверстием требуемого диаметра;
4. Включают источник питания сварочного тока 7 и настраивают на требуемый режим, силу тока в диапазоне 100-300 А, обеспечивающем стабильное протекание процесса гранулирования;
5. В бункер для шихты 1 засыпают шихту минерального сырья фракцией менее 0,5 мм для стабильного протекания процесса гранулирования. При большем гранулометрическом составе шихты теплового воздействия плазменной дуги недостаточно для эффективного гранулирования;
6. Зажигают плазменную дугу между плазмотроном 5 и токоведущим неплавящимся электродом 12.
7. Подают шихту из бункера 1 в камеру для гранулирования 2;
8. Производят цикл гранулирования сварочного флюса - шихта, попадающая в камеру для гранулирования, преобразуется в расплавленные гранулы сварочного флюса под тепловым воздействием плазменной дуги, а затем расплавленные гранулы сварочного флюса под действием силы тяжести попадают в наклонный короб, где охлаждаются, затвердевают и попадают в вибростенд, где разделяются на различные фракции;
9. В конце цикла гранулирования прекращают подачу шихты в камеру гранулирования 2, производят гашение плазменной дуги между плазмотроном 5 и токоведущим неплавящимся электродом 12;
10. Из вибростенда для просеивания гранул и шихты 4 извлекают шихту и гранулы сварочного флюса.