ПЕЧЬ ДЛЯ МАГНИЕТЕРМИЧЕСКОГО ПОЛУЧЕНИЯ ГУБЧАТОГО ТИТАНА

Область техники, к которой относится изобретение
Полезная модель относится к области получения тугоплавких металлов, в частности, к устройствам получения губчатого титана магниетермическим способом.
Уровень техники
Известна нагревательная печь для производства губчатого титана совмещённым способом (CN100436613C, 26.11.2008), включающая корпус печи, футеровку печи и электронагревательный элемент. Футеровка печи состоит из огнеупорных кирпичей, изоляционных слоёв. Электронагревательный элемент представляет собой провод сопротивления, установленный на опорном кирпиче. Изоляционный слой представляет собой плиту из каменной ваты, другой изоляционный слой представляет собой вспученный вермикулит, 8 воздухозаборников расположены в середине стенки нагревательной печи и, по меньшей мере, 4 воздуховыпускных отверстия расположены в верхней части стенки нагревательной печи.
Недостатком данной нагревательной печи является то, что каналы для подачи и отвода охлаждающего воздуха жёстко соединены с кожухом печи, что не позволяет производить их своевременный ремонт и замену, что снижает эффективность системы охлаждения печи, ведёт к возникновению вынужденных простоев на процессах восстановления и снижает производительность печи. Кроме того, использование плит из каменной ваты увеличивает продолжительность и усложняет монтаж теплоизоляционного слоя печи.
Известна печь для получения губчатого титана (патент ПМ № 39137, опубл. 20.07.2004, бюл. № 20) включающая шахту с электронагревателями и состоящая из кожуха и футеровки. В боковой стенке печи выполнены каналы, подводящие воздух в печь и отводящие воздух из печи. На подине печи размещены электронагреватели. Кожух подины печи дополнительно снабжён теплоизоляционным слоем, размещенным на наружной поверхности и выполненным в виде ребер жесткости, приваренных к кожуху подины печи, к которым прикреплен теплоизоляционный материал и приварен металлический лист. В качестве теплоизоляционного материала использована высокоглиноземистая вата. Каналы печи для подачи и отвода охлаждающего воздуха изготовлены из углеродистой стали и жёстко закреплены на внутренней поверхности кожуха печи. Футеровка цилиндрического кожуха печи, включает кладку из теплоизоляционного и огнеупорного кирпича, между вертикальными стенками кожуха печи и кладкой находится теплоизоляционный слой из насыпного материала, например, крошки пенодиатомитовой.
Недостатком данного устройства является то, что при коррозионном разрушении металлических каналов для подачи и отвода охлаждающего воздуха невозможно произвести замену горизонтальных, наиболее подверженных износу, частей каналов, что ведёт к разрушению кирпичной кладки вокруг каналов, приводит к недостаточному и неравномерному охлаждению зоны реакции, возникновению вынужденных простоев на процессах восстановления и снижению производительности печи. Кроме того, в ходе эксплуатации возникают пустоты в слое футеровки, выполненном из насыпного теплоизоляционного материала, что приводит к повышенным потерям тепла и к увеличению затрат электроэнергии на обогрев печи.
Известно устройство для магниетермического получения губчатого титана (патент РФ № 2358028, опубл. 10.06.2009, бюл. №16) по количеству общих признаков принятое за ближайший аналог-прототип, которое содержит шахтную электропечь с аппаратом восстановления в виде реторты с крышкой, ложным дном и сливным устройством. Шахтная печь выполнена с двумя рядами каналов для подачи охлаждающего воздуха, с каналами для вывода горячего воздуха и с отверстием в подине. Шахтная печь с указанными в данном изобретении соотношениями высот применяется на Соликамском магниевом заводе в производстве губчатого титана. Конструкция каналов для подачи и отвода охлаждающего воздуха и футеровки кожуха печи аналогична указанной в описанной ранее полезной модели № 39137. Каналы печи для подачи и отвода охлаждающего воздуха изготовлены из углеродистой стали и жёстко закреплены на внутренней поверхности кожуха печи. Футеровка цилиндрического кожуха печи, включает слои из крошки пенодиатомитовой и теплоизоляционного пенодиатомитового кирпича, шахта печи, выложена из огнеупорного шамотного кирпича. На стенке шахты печи рядами расположены крючки, на которые подвешены нагреватели, изготовленные из нихромовой проволоки диаметром 9 мм. Для подвода электроэнергии к нагревателям используются токоподводящие стержни, к концам токоподводящих стержней приварена нагревательная проволока, проволока нагревателя изогнута в форме кольца, кольцо надето на токоподводящий стержень и обварено по кругу.
В ходе эксплуатации данного устройства выявлены следующие недостатки. В результате коррозии от воздействия повышенных температур и паров хлорида водорода происходит разрушение металлических каналов и кирпичной кладки вокруг каналов, что снижает срок службы печи, приводит к недостаточному и неравномерному охлаждению зоны реакции, возникновению вынужденных простоев на процессах восстановления и снижению производительности печи. Кроме того, футеровка цилиндрического кожуха печи имеет повышенные потери тепла, которые возникают из-за появления пустот в слое футеровки, выполненном из крошки пенодиатомитовой. Тепловой контроль поверхности выявил, что наружная поверхность кожуха печей в ходе процесса восстановления имеет среднюю температуру 80°С, что превышает санитарные нормы по теплоизлучению в производственном помещении. Частые разрушения сварных швов крепления нагревателей к токоподводящим стержням приводят к возникновению непредвиденных остановок печи, прерыванию процессов восстановления и снижению производительности печи.
Технический результат направлен на устранение недостатков прототипа и заключается в повышении производительности печи, снижении тепловых потерь печи и расхода электроэнергии на нагрев аппарата, размещённого в шахте печи, увеличении срока службы печи, каналов для подачи или отвода охлаждающего воздуха и сварных швов соединения нагревателей и токоподводящих стержней
Технический результат достигается тем, что предложена печь для магниетермического получения губчатого титана, содержащая цилиндрический кожух, футеровку, нагреватели электрического сопротивления, подсоединённые к токоподводящим стержням, каналы для подачи или отвода охлаждающего воздуха, отличающаяся тем, что печь дополнительно снабжена теплоизоляционным слоем, размещённым на внутренней поверхности кожуха печи и выполненным в виде штырей, приваренных к внутренней поверхности кожуха печи, на которые насажен эластичный теплоизоляционный материал.
Кроме того, канал для подачи или отвода охлаждающего воздуха содержит стационарно установленную вертикальную часть с направляющей, в которую установлена съёмная горизонтальная часть.
Кроме того, нагреватель печи изогнут под прямым углом и приварен к токоподводящему стержню.
Размещённый на внутренней поверхности кожуха печи теплоизоляционный слой обладает высоким тепловым сопротивлением, что позволяет сократить потери тепла теплопроводностью. Крепление эластичного материала к внутренней поверхности кожуха печи на штыри снижает трудозатраты и ускоряет процесс монтажа футеровки печи.
Выполнение горизонтальных частей металлических каналов для подачи и отвода охлаждающего воздуха съёмными, позволяет выполнять замену наиболее подверженных износу и коррозионному разрушению горизонтальных частей каналов без длительных остановок печи на ремонт, что увеличивает срок службы системы охлаждения печи и повышает производительность печи.
Изгиб конца нагревателя под прямым углом и приварка к токоподводящему стержню исключает разрушение сварных швов крепления нагревателей к токоподводящим стержням и возникновение по этой причине непредвиденных остановок печей, исключены прерывания процессов восстановления, что также повышает производительность печи.
На фиг. 1 представлена печь для магниетермического получения губчатого титана. Печь содержит цилиндрический стальной кожух 1, теплоизоляционный слой 2, содержащий штыри 3, приваренные к внутренней поверхности кожуха 1 и эластичный теплоизоляционный материал 4, футеровку 5, верхний ряд каналов 6 и нижний ряд каналов 7 для подачи охлаждающего воздуха, ряд каналов 8 для отвода охлаждающего воздуха, токоподводящие стержни 9, нагреватели 10, аппарат восстановления 11, сливное устройство 12.
На фиг. 2 показан канал 6, который размещён в теплоизоляционном слое 2 и футеровке 5, канал 6 включает приваренную к кожуху 1 стационарно установленную вертикальную часть 13, с направляющей 14, в которую вставлена съёмная горизонтальная часть 15. Конструкция каналов 7 и 8 аналогична конструкции канала 6.
На фиг. 3 показан токоподводящий стержень 9, который размещён в футеровке 5, к концу стержня 9, выставленному в рабочее пространство печи, приварен нагреватель 10, конец нагревателя 10 изогнут под углом 90°.
Печь для магниетермического получения губчатого титана работает следующим образом. Монтаж печи для работы: устанавливают стальной цилиндрический кожух 1. На внутренней поверхности кожуха размещают теплоизоляционный слой 2, внутри к кожуху по кругу на равных расстояниях друг от друга приваривают штыри 3, на которые насаживают эластичный теплоизоляционный материал 4. Выкладывают из теплоизоляционного и огнеупорного кирпича футеровку 5. Монтируют каналы 6, 7 и 8, для этого с внутренней стороны к кожуху 1, приваривают  вертикальные части 13, на концах которых смонтированы направляющие  14. В футеровке 5 и кожухе 1 печи размещают токоподводящие стержни 9, на внутренней поверхности футеровки устанавливают по кругу крючки (не показаны), на которые навешивают проволочные электронагреватели 10. Конец каждого электронагревателя 10 изгибают под прямым углом и приваривают к токоподводящим стержням 9. В направляющие 14 вертикальных частей 13 устанавливают горизонтальные части 15 каналов 6, 7 для подвода и 8 для отвода охлаждающего воздуха.
Печь работает циклами. Каждый цикл соответствует процессу восстановления. Перед процессом монтируют аппарат восстановления 11: реторту закрывают крышкой, к донному патрубку реторты приваривают сливное устройство 12. Аппарат устанавливают в шахту печи. Аппарат в шахте печи разогревают до 800°С подачей переменного тока через стержни 9 на каждый из 12 нагревателей сопротивления 10. В аппарат 11 заливают расплавленный магний в количестве 11,5 т. В аппарат 11 подают тетрахлорид титана. Взаимодействие тетрахлорида титана с магнием происходит с выделением большого количества тепла. Температура в зоне реакции поднимается до 1100°С. Чтобы не прожечь стенку аппарата 11 её в период проведения процесса периодически охлаждают воздухом, который в первой половине процесса подают через верхний ряд каналов 6, а во второй половине процесса подают через нижний ряд каналов 7, так как уровень реакции понижается. В каналах 6 и 7 воздух сначала проходит через вертикальную часть 13, затем через горизонтальную часть 15, вставленную в направляющую 14, откуда проходя через горизонтальный отрезок канала в футеровке 5 попадает в печное пространство, где охлаждает стенку аппарата 11 в зоне протекания экзотермической реакции.  В обоих случаях горячий воздух выходит через каналы 8. В канале 8 нагретый воздух сначала проходит через горизонтальную часть 15, затем через вертикальную часть 13 откуда выводится из печи. В ходе процесса восстановления тетрахлорида титана магнием образуется хлорид магния, который периодически сливается через сливное устройство 12. В аппарате формируется блок губчатого титана массой 7 т. После окончания процесса печь отключают от электроэнергии. Аппарат 11 охлаждают, извлекают из печи и направляют на сборку аппарата вакуумной сепарации. После этого в печь устанавливают следующий аппарат восстановления и проводят процесс также как это описано выше.
Выполнение горизонтальных частей 15 каналов 6, 7 для подачи и 8 для отвода охлаждающего воздуха съёмными позволяет эффективно отводить тепло экзотермической реакции, исключает перегрев зоны реакции, сокращает количество непроизводительных простоев. Это повышает производительность предлагаемого устройства и повышает срок службы системы охлаждения печи в целом.
Предлагаемое взаимное положение свариваемых концов нагревательной проволоки 10 и токоподводящих стержней 9 повышает надёжность сварных швов, исключает разрушение сварных швов и возникновение непроизводительных простоев по причине размыкания контакта в точке соединения стержня 9 с нагревателем 10. Это также способствует увеличению производительности устройства.
3
Использование эластичного теплоизоляционного материала 4 снижает тепловые потери через стенку печи. Выполненный при испытаниях печи тепловой контроль выявил снижение до 57,5°С средней температуры наружной поверхности кожуха печи. В сравнении с прототипом на 26,5°С снизилась средняя температура наружной поверхности кожуха печи. В качестве эластичного теплоизоляционного материала 4 может быть использовано, например, стекловолокно огнеупорное керамическое, рулонированная минеральная вата, маты прошивные из минеральной ваты или любой другой подходящий по свойствам неорганический теплоизоляционный материал (кн. Справочник теплоизолировщика / Грушман Р.П. 2-е изд., перераб. и доп. – Л. Стройиздат. Ленингр. отд.-ние, 1980. – 184 с., с. 6-16). Указанный эластичный материал 4 легко монтируется при помощи штырей 3 с внутренней стороны кожуха 1 печи, позволяет плотно заполнять пустоты сложной конфигурации, обладает необходимым набором свойств: при 800°С коэффициент теплопроводности не более 0,18 Вт/(м·К) в сочетании с плотностью не более 160 кг/м.
Результаты испытаний предлагаемой печи в сравнении с прототипом представлены в таблице.
4
По сравнению с прототипом предлагаемое устройство позволяет повысить производительности печи в среднем на 1,9 кг/ч, снизить длительность общих простоев на 2,1 ч, сократить занятость печи на 4 ч, повысить среднюю скорость подачи TiCl на 21,3 кг/ч.
Таблица
Показатели
Прототип
Предлагаемое решение
Количество процессов в серии
349
327
Загружено, т:
Mg
11,7
11,6
TiCl<sub>4</sub>
27,9
27,8
Печной цикл, ч:
Разогрев
18,9
19,1
Подача TiCl<sub>4</sub>
86,8
81,1
Простои общие
5,3
3,2
Занятость печи
121,9
117,9
Средняя скорость подачи TiCl<sub>4</sub>, кг/ч
321,4
342,8
Производительность печи, кг/ч
56,8
58,7
Цикловой съём губчатого титана, т
6,92
6,92