ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ПЕЧЬ ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ВСПУЧЕННОГО ВЕРМИКУЛИТА ИЗ ВЕРМИКУЛИТОВЫХ КОНЦЕНТРАТОВ

Полезная модель относится к области строительных материалов, а именно к технологическому оборудованию для получения вспученного вермикулита из вермикулитовых концентратов.
Известна электрическая печь для обжига вермикулитовых концентратов (RU №2351862, МПК F27B 9/00, опубликовано 10.04.2009), содержащая противни, выполненные из огнеупорного материала и установленные друг по отношению к другу под углом, снабженные электрическим нагревателями и крышками со съемными элементами, а электрические нагреватели выполнены в виде лент, установленных на ребро и размещены под крышками на поверхностях противней продольно, так что пространства между соседними нагревателями образуют продольные камеры.
Общими признаками с заявляемой полезной моделью являются противень, выполненный из огнеупорного материала, электрические нагреватели, размещенные под крышкой и крышка.
Указанная печь обладает следующими недостатками.
Вспучивающийся вермикулит движется по наклонным противням под действием сил тяжести, поэтому его скорость в верхней части противней практически равна нулю, а в нижней части становится максимальной. В верхней части концентрация зерен максимальна и между ними почти нет пустот. По мере движения скорость зерен возрастает, а пустоты между ними увеличиваются, концентрация зерен снижается, в нижней части противня она становится минимальной, а среднее расстояние между ними становится намного больше условных диаметров самих зерен. Поэтому в средней и особенно в нижней частях противня, зерна, удаляясь друг от друга, создают пустоты, в которых существенная часть теплового излучения нагревателей не поглощается вермикулитом, а нагревает воздух, движущийся в пространстве под крышкой навстречу потоку вермикулита из-за перепада температур в нижней и верхней частях противня, нагревает огнеупорное основание и крышку. Эта часть тепловой энергии рассеивается в пространство корпуса печи, а потом и в окружающую среду. Таким образом, ускоренное движение вспучивающихся зерен вермикулита, вызывающее образование все возрастающих пустот между зернами, является причиной потерь тепловой энергии, причиной снижения коэффициента полезного действия печи и увеличения удельной энергоемкости обжига.
Кроме того, в данной печи невозможно управлять скоростью движения вермикулита, что исключает возможность управления продолжительностью обжига.
Большинство вермикулитовых зерен на значительных отрезках движения находятся в состоянии проскальзывания по нагревателям, что приводит к постепенному налипанию на них мельчайших частиц различных минералов, входящих в незначительных количествах в состав природного вермикулита. При этом на поверхностях нагревателей постепенно образуется нагар, который приводит к их локальному перегреву, перегоранию, отказу печи, ее вынужденному простою и необходимости ремонта.
Известна также электрическая печь для обжига вермикулитовых концентратов (RU №101789, МПК F27B 9/06, опубликовано 27.01.2011), содержащая противни, выполненные из огнеупорного материала, установленные под углом друг к другу, снабженные электрическими нагревателями, расположенными на поверхности противней под крышками, перфорированные всасыватели, закрепленные продольно по отношению к верхним торцевым частям противней и бункер-осадитель с вытяжным вентилятором.
Общими признаками с заявляемой полезной моделью являются противень из огнеупорного материала, электрические нагреватели, размещенные под крышкой и крышка.
Указанная печь обладает всеми недостатками рассмотренного аналога, но из-за наличия перфорированных всасывателей, «вытягивающих» мелкодисперсные частицы вермикулита и других не тугоплавких минералов, нагар образуется дольше и отказы печи из-за перегорания нагревателей уменьшаются.
За прототип принята электрическая печь с вибрационной подовой платформой (RU №166554, МПК F27B 9/06, опубликовано 27.11.2016), содержащая, противень из огнеупорного материала, электрические нагреватели, вибрационную подовую платформу с эксцентриковым приводом, цилиндрическими и коническими пружинами, установленными с противоположных сторон платформы, снабженной роликами, размещенными в направляющих рамы, противень, установленный на платформе, термокрышку, закрепленную на раме шарнирно над противнем с возможностью открывания до 180°, крепежные головки с зажимами для электрических нагревателей, закрепленные на одной стороне термокрышки и блоки с проточкам из жаростойкой стали для удержания электрических нагревателей в натянутом состоянии, установленные на другой ее стороне в горизонтальной плоскости, посаженые на термостойкие втулки из диэлектрического материала, которые через траверсы и стальные канатики соединены с вертикально висящими грузами, канатики пропущены через другие блоки, имеющие диэлектрические втулки, посаженные на горизонтальную ось, закрепленную на термокрышке.
Общими признаками с заявляемой полезной моделью являются противень из огнеупорного материала, рама, электрические нагреватели, вибрационная подовая платформа с эксцентриковым приводом, цилиндрическими и коническими пружинами, установленными с противоположных сторон платформы, снабженной роликами, размещенными в направляющих рамы, крепежные головки с зажимами для электрических нагревателей и термокрышки, закрепленные на раме.
Указанная печь обладает следующим недостатками.
Электрические нагреватели располагаются над движущимся вермикулитом с некоторым зазором, и вермикулит поглощает только энергию температурного излучения, мощность падающего потока которого зависит от расстояния между электрическими нагревателями и вермикулитом. Так как между ними имеет место зазор, то часть лучистой энергии теряется.
Конвективные потоки раскаленного воздуха уходят вверх, в пространство зазора между термокрышкой и электрическими нагревателями и тепловая энергия, уносимая с ними ни в коей мере не поглощаются вспучиваемым вермикулитом и так же теряется. Из-за этих двух факторов при той же подаче сырья на обжиг приходится увеличивать потребляемую мощность и температуру электрических нагревателей, по сравнению с тем, как если бы они находились непосредственно в вермикулитовом потоке.
Во вспучиваемом вермикулите всегда присутствуют зерна, превышающие в 2…3 раза размерами средний условный диаметр (5…10% по массе исходного концентрата). Эти зерна при движении под электрическими нагревателями вступают в непосредственный контакт с ними, что приводит к постепенному налипанию мельчайших частиц различных не тугоплавких минералов, входящих в состав природного вермикулита. При этом на поверхности электрических нагревателей образуется нагар, который постепенно приводит к их локальному перегреву, перегоранию и отказу печи.
Заявляемая полезная модель направлена на создание движения вспучиваемого вермикулита плотным потоком без существенных пустот между зернами с постоянной скоростью по поверхности, нагретой до 500…600°C подовой плиты вибрационной подовой платформы с передачей зернам вермикулита тепловой энергии не только температурным излучением, но так же кондукцией через их постоянный контакт с подовой плитой, и конвекцией от раскаленного воздуха, что в комплексе позволяет снизить потребление электроэнергии при равной подаче сырья на обжиг и полностью исключить контакт вермикулита с раскаленными до 700…800°С, уменьшить удельную энергоемкость обжига и исключить образование нагара.
Технический результат полезной модели заключается в уменьшении удельной энергоемкости обжига вермикулита за счет передачи от нагретой до 550…600°С подовой плиты его зернам тепловой энергии не только температурным излучением, но так же кондукцией и конвекцией благодаря режиму движения вспучиваемого вермикулита плотным потоком без существенных пустот между зернами с постоянной скоростью по поверхности подовой плиты вибрационной подовой платформы.
Указанный технический результат достигается тем, что электрическая печь для получения вспученного вермикулита из вермикулитовых концентратов, содержащая противни из огнеупорного материала, раму, электрические нагреватели, вибрационную подовую платформу с эксцентриковым приводом, цилиндрические и конические пружины, установленные с противоположных сторон платформы, ролики, размещенные в направляющих рамы, крепежные головки с зажимами для электрических нагревателей и термокрышки, закрепленные на раме, согласно полезной модели, противни выполнены из диэлектрического огнеупорного материала и размещены на раме под подовыми плитами вибрационной подовой платформы, выполненными из жаростойкой стали, электрические нагреватели выполнены П-образными из полосового нихрома плашмя уложены на поверхностях противней и закреплены со стороны эксцентрикового привода вибрационной подовой платформы на крепежных головках зажимами, а термокрышки установлены над подовыми плитами с зазором.
За счет вращения эксцентрика с частотой, равной (или примерно равной) частоте собственных колебаний вибрационной подовой платформы, подовые плиты совершают резонансные несимметричные колебания,
формирующиеся за счет переменной жесткости конических пружин. При этом вермикулитовые зерна плотным потоком без существенных пустот, совершая односторонние пульсирующие движения, продвигаются по поверхностям подовых плит со стороны подачи концентрата из дозаторов в сторону выхода вспученного вермикулита.
При этом противни выполнены из диэлектрического огнеупорного материала, размещены на раме под подовыми плитами вибрационной подовой платформы с зазором, выполненными из жаростойкой стали, на поверхностях противней плашмя уложены электрические нагреватели, выполненные П-образными из полосового нихрома и закрепленные со стороны эксцентрикового привода вибрационной подовой платформы на крепежных головках зажимами, а термокрышки установлены над подовыми плитами с зазором.
Крепежные головки с зажимами служат для удержания электрических нагревателей на поверхностях противней под подовыми плитами с зазором относительно нижних поверхностей подовых плит 4…5 мм. Электрические нагреватели, нагретые до температуры 650…680°C, после предварительного прогрева печи при установившемся тепловом режиме передают тепловую энергию температурным излучением и конвекцией через воздух подовым плитам, нагревая их так, что на поверхности подовых плит устанавливается температура 550…600°C, достаточная для качественного вспучивания вермикулита.
За счет изменением амплитуды резонанса путем расстройки или настройки частоты вращения эксцентрика (частоты возбуждения) на собственную частоту обеспечивается изменение средней скорости движения вермикулита и управление продолжительностью обжига. Это время может так же изменяться при изменении угла наклона рамы печи с вибрационной подовой платформой.
При движении вермикулита по раскаленным до температуры 550…600°C подовым плитам происходит передача его зернам тепловой энергии путем температурного излучения, кондукцией через их постоянный контакт с подовыми плитами, и конвекцией от раскаленного воздуха. Все это в комплексе позволяет снизить потребление электроэнергии при равной подаче сырья на обжиг дозатором, уменьшить удельную энергоемкость обжига и исключить нагарообразование и отказы печи.
Отличительными признаками заявляемой полезной модели является то, что противни выполнены из диэлектрического огнеупорного материала и размещены на раме под подовыми плитами вибрационной подовой платформы, выполненными из жаростойкой стали, электрические нагреватели выполнены П-образными из полосового нихрома плашмя уложены на поверхностях противней и закреплены со стороны эксцентрикового привода вибрационной подовой платформы на крепежных головках зажимами, а термокрышки установлены над подовыми плитами с зазором.
Наличие отличительных признаков позволяет сделать вывод о соответствии заявляемой полезной модели условию патентоспособности «новизна».
На фиг. 1 схематично показана электрическая печь с вибрационной подовой платформой, вид сбоку.
На фиг. 2 схематично показан фрагмент I вибрационной подовой платформы с продольным разрезом.
На фиг. 3 схематично показано поперечное сечение А-А по противню и подовой плите.
Электрическая печь для получения вспученного вермикулита из вермикулитовых концентратов, показанная на фигурах 1, 2 и 3 содержит противень 1 из диэлектрического огнеупорного материала (например - огнеупорного кирпича), электрические нагреватели 2, термокрышку 3 с ребрами жесткости, горизонтальную вибрационную подовую платформу (в дальнейшем платформу) с эксцентриковым приводом, содержащим эксцентрик 4, цилиндр 5, пустотелый плунжер 6 и пружину 7, вставленную внутрь пустотелого плунжера 6. Цилиндрические 8 и 7 конические 9 пружины установлены с противоположных сторон платформы, снабженной осями 10 и роликами 11, размещенными в направляющих 12 рамы. На осях 10 закреплены продольные балки 13, к ним приварены пластины 14, выполненные из жаростойкой стали, а к ним в свою очередь приварены подовые плиты 15. Противень 1 размещен на уголках 16 через термоизоляционные прокладки 17 и подкладки 18. Между подкладками 18 размещен термоизоляционный материал 19.
Термокрышка 3 установлена на уголках 20 имеет ребра жесткости 21 и выполнена съемной. Крепежные головки 22 жестко закреплены на уголках 23 через диэлектрические прокладки и имеют зажимы 24, с помощью которых болтами 25 электрические нагреватели 2 удерживаются на поверхностях противней 1 под подовыми плитами 15 с зазором относительно нижних поверхностей подовых плит 4…5 мм. Термокрышки 3 имеют термоизоляционный слой 26.
Электрическая печь для получения вспученного вермикулита из вермикулитовых концентратов (в дальнейшем - печь) работает следующим образом. Электрические нагреватели 2 подключают к сети и прогревают диэлектрический огнеупорный материал противней 1 и подовые плиты 15. Быстрому прогреву, выходу печи на установившийся тепловой режим и дальнейшему поддержанию температуры подовых плит 15 на уровне 550…600°С способствует узкое пространство между противнями 1 и подовыми плитами 15 с зазором 4…5 мм, низкая теплопроводность термоизоляционного слоя 26 термокрышек 3, а также термоизоляционный материал 19, расположенный между подкладками 18 под противнями 1. При нагревании электрические нагреватели 2, закрепленные на крепежных головках 22, из-за температурной деформации удлиняются, но противни 1 не препятствуют этому удлинению, так как электрические нагреватели просто лежат на поверхности плашмя и закреплены только с одной стороны.
1
2
При включении эксцентрикового привода вращение эксцентрика 4 создает возвратно-поступательное движение пустотелого плунжера 6 в цилиндре 5, сжимающегоразжимающего пружину 7 с частотой возбуждения ƒ (Гц), благодаря чему возбуждаются колебания вибрационной подовой платформы с подовыми плитами 15 и находящимся на них вермикулитовым концентратом, подаваемым барабанными дозаторами на левые части поверхностей подовых плит 15. Вибрационная подовая платформа совершает колебания благодаря роликами 11, размещенным в направляющих 12 рамы печи. Совокупная жесткость цилиндрических 7, 8 и конических 9 пружин и масса вибрационной подовой платформы с подовыми плитами 15 (вес вермикулита не учитывается) определяют собственную частоту колебаний ƒ (Гц) вибрационной подовой платформы.
1
2
При вращении эксцентрика 4 с частотой ƒ, равной частоте собственных колебаний ƒ, вибрационная подовая платформа вводится в резонанс и совершает несимметричные колебания, формирующиеся за счет переменной жесткости конических пружин 9. Любая колебательная система, имеющая конические пружины с одной стороны обладает, так называемой «мягкой» амплитудно-частотной характеристикой (АЧХ).
1
2
Данная колебательная система - вибрационная подовая платформа также имеет мягкую АЧХ, для которой характерен наклон резонансного пика в сторону малых частот. После входа в резонанс можно изменять амплитуду резонансных колебаний за счет расстройки частоты вращения эксцентрика (частоты возбуждения ƒ) с собственной частотой f. При этом колебания имеют несимметричный характер, когда в крайнем правом положении вибрационной подовой платформы ее ускорение, направленное вправо является максимальным, а в крайнем левом положении, ускорение направлено влево и оно минимально. Очевидно, что эти несимметричные колебания, при которых, как известно, создается односторонний транспортный эффект (Бауман И.И., Быховский В.А. Вибрационные машины и процессы в строительстве. М., «Высш. школа», 1977, стр. 74) будут вызывать пульсирующее движение вспучивающегося вермикулита вправо без отрыва от поверхностей подовых плит 15.
Это подтверждается и экспериментом с тележкой, подпружиненной конической и цилиндрической пружинами. Движение любого предмета относительно поверхности тележки при ее колебаниях направлено в сторону конической пружины.
1
Изменяя частоту возбуждения эксцентрика ƒ после начала резонансных колебаний можно управлять виброперемещением, амплитудой виброскорости и амплитудой виброускорения вибрационной подовой платформы, обеспечивая изменение средней скорости движения вермикулита по поверхностям подовых плит 15 и управление продолжительностью обжига.
Так как вермикулитовые зерна находятся на поверхности подовых плит, раскаленных до температуры 550…600°C, при движении вермикулита по их поверхностям происходит передача зернам вермикулита тепловой энергии путем температурного излучения, кондукцией через их постоянный контакт с подовыми плитами 15, и конвекцией от раскаленного воздуха. Эти процессы теплопередачи в комплексе позволяют существенно уменьшить общее потребление электроэнергии при той же подаче сырья на обжиг дозаторами, уменьшить удельную энергоемкость обжига и исключить нагарообразование и отказы печи, так как контакта вермикулитовых зерен с электронагревателями не происходит.
Подбирая время обжига и температуру электрических нагревателей, можно настроить работу печи на требуемый режим в зависимости от размерности вермикулитового концентрата и его вида.
Так достигается технический результат полезной модели - уменьшение удельной энергоемкости обжига вермикулита за счет передачи от нагретой до 550…600°C подовой плиты его зернам тепловой энергии не только температурным излучением, но так же кондукцией и конвекцией благодаря режиму движения вспучиваемого вермикулита плотным потоком без существенных пустот между зернами с постоянной скоростью по поверхности подовой плиты вибрационной подовой платформы.