ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ БАРАБАННАЯ ПЕЧЬ

Полезная модель относится к области строительных материалов, а именно к технологическому оборудованию для вспучивания вермикулитовых концентратови термообработки различных сыпучих материалов.
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, 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 электрические нагреватели, размещенные под крышкой и крышка. Указанная печь обладает следующими недостатками.
Вспучиваемый вермикулит движется по наклонным противням под действием сил тяжести, поэтому скорость его зерен в верхней части противней равна нулю, а в нижней части - максимальна. В верхней части противня концентрация зерен максимальна и между ними практически нет пустот: здесь они плотно прилегают друг к другу и получают максимум теплового излучения. Зерна в центральной части противня, получают уже значительно меньше теплового излучения, так как по мере движения их скорость возрастает, а пустоты между ними увеличиваются, концентрация зерен снижается, а в нижней части противня она вообще становится минимальной и среднее расстояние между ними становится значительно больше размеров самих зерен. Поэтому в средней, а особенно в нижней частях противня, зерна 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 теплового излучения большей частью рассеивается за пределы пространства между крышкой и противнем и рассеивается в пространство корпуса печи, а потом и в окружающую среду. Таким образом, ускоренное движение вспучивающихся зерен вермикулита под действием сил тяжести, вызывающее образование все возрастающих пустот между зернами, является причиной потерь тепловой энергии.
Кроме того в рассматриваемой печи невозможно управлять скоростью движения вспучиваемых вермикулитовых зерен по причине их ускоренного движения, определяемого действием сил тяжести. А это исключает возможность управления продолжительностью обжига.
Еще одним недостатком является то, что значительное количество зерен на больших отрезках своего движения контактируют с нагревателями, а это приводит к постепенному налипанию мелкодисперсных частиц различных не тугоплавких минералов, входящих в малых количествах в состав природного вермикулита. При этом на стенках нагревателей постепенно образуется нагар, который со временем 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 электрические нагреватели, размещенные под крышкой, крышка и бункер.
Указанная печь обладает недостатками рассмотренного аналога, но частично лишена третьего недостатка, связанного с налипанием мелкодисперсных частиц различных не тугоплавких минералов, входящих в малых количествах в состав природного вермикулита из-за перфорированных всасывателей, «высасывающих» мелкодисперсный вермикулит, а вместе с ним и мельчайшие частицы упомянутых минералов, что снижает интенсивность образования нагара.
За прототип принята электрическая печь с вибрационной подовой платформой (RU №166554, МПК F27B 9/06, опубликовано 27.11.2016), содержащая раму, противень из огнеупорного материала, электрические нагреватели и термокрышку, горизонтальную вибрационную подовую платформу с эксцентриковым приводом (благодаря колебаниям которой вспучиваемый вермикулит движется в одну сторону сплошным и плотным потоком без пустот между его зернами), 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 рама, электрические нагреватели и термокрышка.
Указанная печь обладает следующими недостатками. Во-первых она содержит сложную систему крепления и поддержания в натянутом состоянии электрических нагревателей. Во-вторых - содержит вибрационную подовую платформу, установленную на роликах, с эксцентриковым механизмом и приводом, цилиндрическими и коническими пружинами, установленными с противоположных сторон платформы. Кроме того, печь имеет второй привод барабанного дозатора, подающего вермикулитовый концентрат на противень подовой платформы. Еще одним недостатком является то, что при колебаниях подовой платформы возникают значительные инерционные нагрузки, которые могут возбуждать неконтролируемые колебания нагревательных элементов, элементов металлоконструкции печи на суб- и супергармониках.
Обобщая сказанное, можно сформулировать все ее недостатки как высокая сложность конструкции.
Технический результат полезной модели заключается в упрощении конструкции печи при обеспечении движения вспучиваемого вермикулита и других сыпучих материалов сплошным и плотным потоком без пустот между их зернами, частицами или гранулами под действием теплового излучения.
Указанный технический результат достигается тем, что электрическая барабанная печь, содержащая раму, электрические нагреватели, бункер с термокрышкой, под которой закреплены электрические нагреватели и барабанный дозатор с приводом, закрепленный на раме, согласно полезной модели, печь дополнительно содержит термобарабан, размещенный внутри термоизолированного со всех сторон бункера, на поверхности термобарабана выполнены поперечные прорези, его вал, установленный в подшипниках, вынесенных за стенки бункера, связан клиноременной передачей с приводом барабанного дозатора, термокрышка имеет цилиндрическую форму, установлена в верхней части бункера над верхней частью термобарабана, а лоток барабанного дозатора сопряжен с поверхностью термобарабана в его верхней части.
При вращении термобарабана, получающего это вращения от привода барабанного дозатора, вермикулитовый концентрат (или иной сыпучий материал) по лотку из барабанного дозатора ссыпается в его поперечные прорези. При дальнейшем вращении заполненные концентратом (сыпучим материалом) прорези термобарабана на 2,5…3,5 с оказываются в зоне под термокрышкой, поэтому тепловое излучение, идущее от электрических нагревателей, нагревает термообрабатываемый материал (вспучивает вермикулит), который затем ссыпается в термоизолированный бункер.
Таким образом, более простой по конструкции термобарабан заменяет вибрационную подовую платформу, а печь имеет только один привод. Наличие бункера, внутри которого размещен термобарабан, делает печь еще и компактной. У аналогов и прототипа, рассмотренных выше, бункер для впученного вермикулита так же имеет место, но под печью(в описании бункер он опущен).
Отличительными признаками заявляемой полезной модели являются термобарабан с поперечными прорезями на поверхности, размещенный внутри термоизолированного бункера, его вал, связанный клиноременной передачей с приводом барабанного дозатора, термокрышка цилиндрической формы, установленная над верхней частью термобарабана, и лоток барабанного дозатора, сопряженный с поверхностью термобарабана в его верхней части.
Наличие отличительных признаков позволяет сделать вывод о соответствии заявляемой полезной модели условию патентоспособности «новизна».
На фиг. 1 схематично показана барабанная электропечь для обжига вермикулита.
На фиг. 2 показаны увеличенные термокрышка с электрическими нагревателями, фрагмент термобарабана и лоток барабанного дозатора.
На фиг. 3 показан фрагмент комплекта электрических нагревателей (вид снизу).
Электрическая барабанная печь, фиг. 1, содержит раму 1, термоизолированный со всех сторон бункер 2, двойные стенки которого заполнены термоизоляционным материалом 3, например, муллитокремнеземистым войлоком, барабанный дозатор 4 с лотком 5. Термокрышка 6, имеющая в поперечном сечении цилиндрическую форму, плотно вставлена в верхнюю часть бункера 2 и снабжена ручками для возможности ее вынимания. Электрические нагреватели 7 размещены под термокрышкой 6 над верхней частью цилиндрической поверхности термобарабана 8. Термобарабан 8 имеет вал 9, шейки которого установлены в подшипниках 10, закрепленных на раме 1. При этом концевые части вала 9 вынесены за пределы термоизолированного бункера 2 наружу. В задней части термоизолированного бункера 2 под барабанным дозатором 4 размещен лоток 11, для выхода части подаваемого барабанным дозатором 4 сыпучего материала, который в небольших количествах может просыпаться вниз. Барабанный дозатор 4 имеет регулируемый привод (на фиг. не показан), закрепленный на раме 1, а вал барабанного дозатора 4 имеет трех-четырех ручьевой шкив, соединенный клиновым ремнем со шкивом, посаженным на вал термобарабана 8 (на фиг. не показаны). В нижней части барабана 2 расположен затвор 12.
Под термокрышкой 6, выполненной из листового жаростойкого металла, фиг. 2, размещены электрические нагреватели 7, которые удерживаются с помощью креплений 13, выполненных их ленточного нихрома в виде хомутиков в нижней части и загнутых в их верхней части. При этом крепления 13 вставлены в отверстия огнеупорных керамических втулок 14, которые исключают контакт электрических нагревателей 7 с металлической частью термокрышки 6. Исключению упомянутого контакта способствуют так же электроизоляционные шайбы 15. На фиг. 2 укрупненно показаны поперечные пазы 16, выполненные на цилиндрической поверхности термобарабана 8.
На фиг. 3. показан фрагмент комплекта электрических нагревателей 7 как вид снизу (вид А) со стороны термобарабана 8, где видны крепежные головки 17, удерживающие концевые части электрических нагревателей 7 и одна из электрических шин 18 для подключения к сети.
Электрическая барабанная печь работает следующим образом.
1
2
1
2
При включении привода барабанного дозатора 4, одновременно с вращением термобарабана 8, получающего это вращение через клиноременную передачу от привода барабанного дозатора 4, вермикулитовый концентрат (или иной сыпучий материал) по лотку 5 из барабанного дозатора 4 ссыпается в его поперечные прорези 16 (фиг. 2). При дальнейшем вращении заполненные вермикулитовым концентратом (или другим сыпучим материалом) прорези 16 термобарабана 8 на 2,5…3,5 секунды оказываются в зоне под термокрышкой 6. При этом угловые скорости ω барабана барабанного дозатора 4 и ω термобарабана 8 подобраны так, что вермикулитовый концентрат или иной термообрабатываемый сыпучий материал, покрывают поверхность термобарабана 8 сплошным слоем частиц или гранул практически без пустот и промежутков между ними. Кроме того, за счет трех-четырех ручьевого шкива на валу барабанного дозатора 4 обеспечивается возможность регулирования соотношением указанных угловых скоростей ω и ω зависимости от обрабатываемого сырья.
Благодаря тепловому излучению, идущему от электрических нагревателей 7, в то время (2,5…3,5 с) пока заполненные вермикулитовым концентратом или другим сыпучим материалом прорези 16 термобарабана 8 проходят под термокрышкой 6, вермикулит вспучивается, а если термообработке подвергается иной сыпучий материал, то он обжигается, нагреваясь до требуемой температуры.
Скорость вращения термобарабана 8, температура электрических нагревателей 7 и зазор между ними и цилиндрической поверхностью термобарабана 8 могут регулироваться в требуемых диапазонах (устройства для регулирования температуры - тиристорный регулятор, для регулирования скорости вращения - частотный регулятор и для регулирования упомянутого зазора на фиг. 1, 2 и 3 условно не показаны). Поэтому электрическая барабанная печь может настраиваться на различную производительность при одновременном обеспечении требуемого качества вспучивания вермикулита или термообработки других материалов, обрабатываемых в печи.
Если какая то часть подаваемого через лоток 5 барабанного дозатора 4 вермикулитового концентрата или другого сыпучего материала полностью не укладывается в прорези 16 термобарабана 8 и просыпается вниз, то благодаря лотку 11, размещенному в задней части термоизолированного бункера 2 под барабанным дозатором 4, этот материал выводится наружу и не смешивается со вспученным вермикулитом или иным термообработанным материалом.
1
2
1
2
На фиг. 1 показаны максимальные углы α и α, определенные экспериментально на наклонной гладкой металлической поверхности для вермикулитовых концентратов Ковдорского, Кокшаровского и Татарского месторождений - α (~ 37° 30' или 0,6545 рад.)и вспученного из них вермикулита - α (~ 32° 45' или 0,5716 рад.), при которых частицы концентрата и вспученного вермикулита удерживаются от сползания или скатывания по этой поверхности (Нижегородов А.И. Экспериментальное определение коэффициентов трения некоторых потенциально термоактивных минералов / Строительные материалы. - №11. - 2016 - с. 63-67).
Угол ϕ, фиг. 1, рассчитываемый как разность:
1
2
ϕ=180°-(α+α),
определяет часть периметра  поверхности термобарабана 8 и площадь его поверхности, равную:
(где В - ширина барабана), которая будет покрыта сплошным слоем частиц или гранул практически без пустот и промежутков между ними.
Находясь именно на этой поверхности, площадью s, вермикулитовый концентрат или иной сыпучий материал будет подвергаться обработке тепловым излучением, идущим от электрических нагревателей 7.
1
2
Но, учитывая то, что многие другие термообрабатываемыев данной печи сыпучие материалы могут иметь значения углов α и α больше, чем у вермикулитовых концентратов и вспученного вермикулита, следует ввести коэффициент запаса k и уменьшить угол ϕ до угла ψ, фиг. 1, с запасом по сползанию или скатыванию частиц и гранул 10…20%. Тогда угол ψ будет определяться по выражению:
1
2
ψ=k[180°-(α+α)],
где k=0,9⋅0,95. Теперь угол ψ будет определять длину дуги L, охваченную углом ψ, равную части периметра поверхности термобарабана 8. При этом длина дуги L равна:
(r - радиус термобарабана 8), а площадь поверхности, на которой вермикулитовый концентрат или другой сыпучий материал будет подвергаться обработке тепловым излучением, идущим от электрических нагревателей 7, будет равна:
l
2
s=k[180°-(α+α)]r×В.
Для печей с вибрационной подовой платформой (прототип RU №166554, МПК F27B 9/06, опубликовано 27.11.2016) длина подовой плиты платформы L=0,4 м оказалась достаточной, что бы за время 2,5…3,5 с.прохождения по ней вермикулитовый концентрат успевал полностью вспучиваться (Брянских Т.Б., Кокоуров Д.В. Энергоэффективность электропечей с подвижным подом при обжиге вермикулитовых концентратов различных размерных групп / Новые огнеупоры. - №8. - 2017 - с. 16-21).
min
1
2
Если принять длину дуги L, как рабочую часть термобарабана 8, равную 0,4 метра, то из формулы (1) можно определить его минимально достаточный радиус r, м. Так как сумма α и α равна 1,2261 рад, а 180°=3,14 рад, то при k=0,925 (запас 7,5%) он будет равен:
и диаметр - 0,452 м. При периметре цилиндрической поверхности термобарабана 8 равном 3,14×0,452=1,419 м, доля его рабочей части 0,4 м составляет 0,282. Разделив знаменатель дроби (2), выраженный в градусах и равный 101,5° на 360° получим те же 0,282.
Полученный результат показывает, что электрическая барабанная печь характеризуется не только более простой, по сравнению с прототипом, конструкцией, но и весьма малыми габаритами ее основного рабочего органа - термобарабана 8, разместить который можно даже в небольшом по размерам бункере 2. Из этого следует, что основной габаритный размер всей печи в целом будет определяться шириной барабана В, которая пропорциональна ее производительности.
Для большей надежности удержания частиц или гранул на поверхности термобарабана 8 на нем имеются поперечные прорези 16.
2
Имея такую компактную конструкцию термобарабана 8, можно увеличить производительность печи не только увеличением ширины В, но и за счет увеличения рабочей части барабана L при одновременном увеличении угловой скорости вращения ω.
Так достигается технический результат полезной модели - упрощение конструкции печи при обеспечении движения вспучиваемого вермикулита или иных сыпучих термообрабатываемых материалов сплошным и плотным потоком без пустот между их зернами, частицами или гранулами.