СВОДОВЫЙ КИРПИЧ, ЦИЛИНДРИЧЕСКАЯ ВНУТРЕННЯЯ ОБЛИЦОВКА ВРАЩАЮЩЕЙСЯ ТРУБЧАТОЙ ПЕЧИ И ВРАЩАЮЩАЯСЯ ТРУБЧАТАЯ ПЕЧЬ
ARCH BRICK, CYLINDRICAL INTERNAL LINING OF TUBULAR ROTARY KILN AND TUBULAR ROTARY KILN

Изобретение относится к сводовому кирпичу (по-английски: arch brick) согласно DIN 1082-4, редакция от января 2007, к цилиндрической внутренней облицовке вращающейся трубчатой печи (по-английски: cylindrical inner lining of a rotary kiln), причем облицовка содержит предложенные сводовые кирпичи, и к вращающейся трубчатой печи с облицовкой и сводовыми кирпичами.
Сводовые кирпичи, кирпичная облицовка и вращающаяся трубчатая печь описаны ниже в положении монтажа и в рабочем положении печи.
Сводовый кирпич согласно стандарту представлен на фиг. 1 и имеет следующие шесть поверхностей:
- прямоугольная внешняя базовая поверхность AG с размерами а×S,
- прямоугольная внутренняя базовая поверхность IG с размерами b×1,
- две прямоугольные боковые поверхности RS1, RS2 с размерами 1×h,
- две трапецевидные торцовые поверхности TS1, TS2 с размерами a/b×h, причем а/b обозначают две стороны с различными длинами торцовой поверхности.
Такие сводовые кирпичи применяются для кирпичной облицовки вращающейся трубчатой печи, например вращающейся трубчатой печи для изготовления цементного клинкера (по-английски: cement clinker).
Прямоугольная большая базовая поверхность AG простирается в таком случае снаружи, смежно кожуху вращающейся трубчатой печи, в то время как прямоугольная меньшая базовая поверхность IG располагается внутри и обращена к внутреннему пространству печи. Кирпичи расположены таким образом, что их длина (1) простирается в аксиальном направлении печи.
Основные принципы монтажа сводовых кирпичей во вращающейся трубчатой печи получены из стандарта и нижеследующего уровня техники: DE 2843412 A, DE 29921807 U1, и могут быть подытожены следующим образом: сводовые кирпичи расположены в окружном направлении печи рядом друг с другом в кольцеобразных сегментах. Несколько сегментов расположены в аксиальном направлении печи последовательно друг за другом.
При эксплуатации печи огнеупорные кирпичи облицовки (кирпичная облицовка) подвержены значительной механической нагрузке. При этом важны следующие факторы:
- сжимающая нагрузка в аксиальном направлении, по направлению к выходу печи, за счет наклона печи (по направлению к выходу печи) и собственного веса кирпичей,
- тепловое расширение огнеупорного материала кирпичей (у входа печи цементной вращающейся трубчатой печи температура может составлять, например, 1000°C, на выходе печи она может достигать примерно 1500°C),
- вращение печи,
- вес и трение между продуктом обжига и кирпичной облицовкой.
В отсутствие специальных мероприятий сводовые кирпичи ломаются, прежде всего, на обращенной к выгрузочному концу печи половине печи. Последствиями являются частые ремонты и сокращение выпуска продукции печи, а также высокие издержки.
DE 29921607 U1 предлагает приваривать металлическое кольцо к внешнему кожуху печи. Кольцо образует разновидность контропоры для вышеописанного осевого давления. Кольцо является прямоугольным в поперечном сечении, причем его «высота» в радиальном направлении может быть только весьма незначительной (на практике: примерно 50-70 мм), поскольку металлический материал слишком малоустойчив к температуре, а температура в печи возрастает по направлению снаружи внутрь.
Незначительная поверхность прилегания или контактная поверхность между кольцом и огнеупорным кирпичом облицовки приводит к высокому давлению на поверхность. При этом прочность керамических кирпичей зачастую оказывается превзойденной. Образуются трещины или кирпичи оказываются раздавленными в пределах кирпичной облицовки посредством аксиального толкающего усилия.
Согласно DE 29921607 U1 также предложены контропоры с треугольным поперечным сечением. При этом соответствующая наклонная поверхность (которая служит в качестве опорной поверхности для расположенных перед ней сводовых кирпичей) простирается снаружи (смежно кожуху печи) внутрь и по направлению к выходу печи. Также крепления металлических клиньев приварены к кожуху печи, поскольку болтовые соединения при высоких осевых нагрузках не имеют достаточной прочности.
Эти клинья имеют большую опорную поверхность, но проблемы недостаточной термической стойкости остаются. Соответствующим образом угол наклона контропоры ограничен <20 градусами, что обеспечивает металлическим частям достаточную защиту со стороны соседних к ним в радиальном внутреннем направлении огнеупорных кирпичей.
В основе изобретения лежит цель предоставления решения для описанных осевых нагрузок во вращающейся трубчатой печи, которое позволяет предотвратить указанные недостатки.
Изобретение устраняет известные металлические контропоры и изменяет геометрию огнеупорных сводовых кирпичей, которые использованы для огнеупорной облицовки. Вследствие того, что отсутствует необходимость в каких-либо металлических частях, получено несколько преимуществ:
- отсутствует отдельный этап монтажа,
- термическая стойкость огнеупорной облицовки существенно превышает таковую для металлических частей,
- большая огнестойкость (по-английски: refractoriness) делает возможным применение кирпичей произвольного размера и формы,
- издержки системы меньше по сравнению с описанными клиньями и кольцами.
Прежде всего, необходимо констатировать, что невозможно устранить осевое давление в пределах огнеупорной керамической облицовки печи. Изобретение, тем не менее, показало, что функция контропоры (для компенсации осевого давления в пределах кирпичной облицовки) может быть перенята самой огнеупорной облицовкой в том случае, когда кирпичи облицовки разделены в радиальном направлении и при этом выполнены наклонные поверхности между соседними элементами кирпича.
Эти выполненные, как будто на месте, наклонные поверхности отвечают за то, что аксиальная сжимающая нагрузка в пределах огнеупорной облицовки печи, по меньшей мере, частично отклоняется и распределяется в радиальном и окружном направлении. Вследствие этого уменьшена осевая нагрузка кирпичей, которые располагаются далее (по направлению к выходу печи), и, в целом, получено значительно более равномерное распределение нагрузки в пределах кирпичей облицовки.
За счет применения огнеупорных керамических «контропор» отсутствуют ограничения в отношении конструктивного размера и конструктивной формы. Секции кирпича могут быть выполнены, прежде всего, в радиальном направлении большими (более глубокими) по сравнению с металлическими кольцами. Модернизация имеющихся установок является возможной, поскольку примененные секции кирпича могут быть геометрически дополнены до сводового кирпича обычной конструктивной формы, и способны полностью заменять его.
В его самом общем варианте осуществления изобретение относится к сводовому кирпичу согласно DIN 1082-4, редакция от января 2007, который разделен по меньшей мере вдоль одной разделительной поверхности, которая простирается от базовой поверхности AG к торцовой поверхности TS2 или к другой базовой поверхности IG, по меньшей мере на две раздельные (отдельные) секции кирпича.
Центральная идея изобретения состоит в разделении известного сводового кирпича на несколько частей (две, три или более). Части этого комплекта могут быть вновь составлены с геометрическим замыканием к сводовому кирпичу, а именно с точным геометрическим замыканием или с (компенсационными) зазорами между отдельными секциями и/или таким образом, что компенсационные зазоры образуются между соседними сводовыми кирпичами. Эти компенсационные зазоры могут быть заполнены во время или после изготовления кирпичной облицовки уплотнительными материалами, прежде всего, упругими уплотнительными материалами, такими как волокнистые материалы.
Как результат описанного прохождения «разделительной поверхности» между секциями кирпича комплекта непосредственно получено, что эта разделительная поверхность (разделительный стык) простирается в радиальном направлении печи скошенно (наклонно). Другими словами: геометрия и расположение по меньшей мере одной секции кирпича могут быть похожи на геометрию и расположение металлической встроенной детали согласно DE 29921807 U1.
Эта наклонная поверхность простирается с подъемом (при рассмотрении от входа печи к выходу печи и от стенки печи к внутреннему пространству печи) и служит также, согласно изобретению, в качестве упорной поверхности для расположенных перед ней (по направлению к входу печи) кирпичам облицовки. Осевое давление кирпичей компенсировано этой «разделительной поверхностью», которая выполняет функцию контропоры.
Наклонная поверхность служит для разворота аксиального толкающего усилия кирпичной облицовки в значительной его части в радиальном и окружном направлении подобной цилиндру вращающейся трубчатой печи. Вследствие этого механическая нагрузка на эту часть кирпича уменьшена, и одновременно получено относительно равномерное распределение нагрузки на соседнюю область кирпичной облицовки печи.
Когда сводовые кирпичи согласно изобретению размещены рядом друг с другом для выполнения полного кольца кирпичной облицовки, за счет кольцевой геометрии получено отведение усилий на металлический кожух печи, и тем самым получена дальнейшая разгрузка от давления огнеупорного материала.
По сравнению с металлическими частями согласно уровню техники получены дополнительные преимущества, такие как:
- намного более высокая термическая стойкость,
- возможность вследствие этого увеличения поверхности и угла расположения наклонной поверхности (по отношению к продольно простирающемуся кожуху печи),
- устранена необходимость применения материалов различных типов с существенно различными коэффициентами теплового расширения.
Секции кирпича могут быть произведены из обычных огнеупорных материалов, например, из материалов на основе оксида алюминия, оксида магния, карбида кремния, двуокиси циркония и т.д.
Секция кирпича, которая служит для восприятия аксиального сдвигающего усилия, может быть произведена из материала с особо высоким пределом прочности на сжатие, прежде всего, пределом прочности на сжатие при высокой температуре, например, из шихты (по-английски: batch) со следующим составом (все данные в % по массе):
Пример А:
Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>:
40-95 (85)
SiO<sub>2</sub>:
2-50(12)
SiC:
0-50
ZrO<sub>2</sub>:
0-40
Cr<sub>2</sub>O<sub>3</sub>:
0-10
Fe<sub>2</sub>O<sub>3</sub>:
0-3 (0,5)
прочее:
0-3 (2,5)
Пример Б:
MgO:
80-95 (90)
Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>:
2-15 (4)
Cr<sub>2</sub>O<sub>3</sub>:
0-15
SiO<sub>2</sub>:
0,1-2 (0,5)
Fe<sub>2</sub>O<sub>3</sub>:
0,1-10 (4)
CaO:
0,1-3 (1)
прочее:
0-3 (0,5)
Величины в скобках относятся к конкретному возможному составу.
Согласно варианту осуществления разделительная поверхность простирается между соседними частями кирпича под углом ≥20 градусов относительно внешней базовой поверхности AG, причем этот угол может быть также существенно большим, например ≥25 градусов, ≥30 градусов или>40 градусов. Угол должен быть, само собой разумеется, меньше 90 градусов для выполнения требуемой функции «подпятника» или, соответственно, упора. Согласно варианту осуществления угол составляет ≤75 градусов, зачастую ≤60 градусов или ≤45 градусов.
Наклонная поверхность в пределах формата сводового кирпича может быть произведена посредством разделения сводового кирпича на две секции кирпича. Разумеется, являются принципиально возможными варианты осуществления с тремя или большим количеством секций кирпича, как показывают последующие чертежи, которые иллюстрируют возможные геометрии секций кирпича и сводовых кирпичей:
Фиг. 2 показывает вид сбоку на комплект из двух секций кирпича, которые совместно образуют сводовый кирпич согласно DIN 1082-4 (фиг. 1). Правая секция 10 кирпича имеет две противоположные одинаковые боковые поверхности R51, RS2 в форме трапеции, из которых показана только одна (RS2).
Левая секция 12 кирпича сформирована сопряженной с секцией 10 таким образом, что обе секции 10, 12 кирпича дополняют друг друга с геометрическим и силовым замыканием до сводового кирпича согласно DIN 1082-4 (редакция от января 2007).
Секции 10, 12 кирпича могут быть отформованы в отдельных формах. Они также могут быть произведены, когда обычный сводовый кирпич разрезан между его базовыми поверхностями AG и IG под прямым углом к боковым поверхностям RS1, RS2.
Боковые поверхности RS1, RS2 секции 10 кирпича имеют два прямых угла, один острый угол и один тупой угол. Правая трапецевидная торцовая поверхность TS2 оставлена неизменной, новая трапецевидная торцовая поверхность TS1* выполнена из описанной разделительной поверхности TF между секциями 10, 12 кирпича. Внутренняя (на чертеже - нижняя) базовая поверхность 1G* и внешняя (на чертеже - верхняя) базовая поверхность AG* являются частичными поверхностями соответствующей базовой поверхности AG, IG сводового кирпича согласно стандарту. Наклонная поверхность/разделительная поверхность TF между секциями 10, 12 кирпича простирается под углом α примерно 45 градусов к базовым поверхностям AG*, IG* и в направлении от базовой поверхности AG к другой базовой поверхности IG.
Левая половина 12 кирпича сформирована таким образом, что она образует в итоге в результате геометрического замыкания полный сводовый кирпич совместно с частью 10.
Фиг. 3 показывает вариант осуществления, в котором разделительный стык TF простирается между двумя секциями 10, 12 кирпича по существу от внешней базовой поверхности AG к задней торцовой поверхности TS2 таким образом, что секция 10 кирпича на виде сбоку имеет приблизительно треугольный профиль. Разделительная поверхность TF является, как и на фиг. 2, плоской, хотя она может также быть выполнена изогнутой или с различными углами наклона. Угол а между базовой поверхностью AG* части 10 и наклонной поверхностью/разделительной поверхностью TF составляет примерно 35 градусов.
Для воспрепятствования выкрашиванию кромок, они могут быть обрезаны, что представлено как К на фиг. 3. Принципиальная геометрия и принципиальная сущность изобретения вследствие этого не изменены.
Как показывает фиг. 3, вторая секция 12 кирпича на виде сбоку имеет форму пятиугольника таким образом, что обе части 10, 12 вновь образуют в итоге после монтажа полный сводовый кирпич.
Показанная на чертеже торцовая поверхность TS2** части 12 несколько смещена по сравнению с торцовой поверхностью TS2* части 10. Вследствие этого выполнен обращенный к соседнему в аксиальном направлении печи сводовому кирпичу компенсационный зазор, который может быть заполнен уплотнительным материалом, таким как волокнистый материал.
В варианте осуществления согласно фиг. 4 разделительный стык TF обрезан таким образом, что верхняя правая часть 10 на виде сбоку получает форму трапеции, а боковые поверхности RS1*, RS2* соответствующей части 12 имеют в каждом случае по шесть углов. В остальном пример на фиг. 4 подобен примеру на фиг. 3.
На фиг. 4 представлено возможное другое разбиение секции 12 кирпича, а именно показанное пунктиром, причем выполненная вследствие этого разделительная поверхность TF* простирается подобно делению секций 10, 12 на фиг. 2.
Как уже упомянуто, осевое давление возрастает в огнеупорной кирпичной облицовке по направлению к выходу печи. Поэтому имеет смысл выполнение в этой области кольца из сводовых кирпичей согласно изобретению.
В рамках изобретения находятся следующие варианты осуществления.
- Расположение нескольких колец (рядов) из новых сводовых кирпичей в аксиальном направлении печи друг за другом, а именно непосредственно друг за другом или на расстоянии. В вышеупомянутом случае между кольцами/рядами с сводовыми кирпичами согласно изобретению могут быть предусмотрены либо обычные кирпичи кирпичной облицовки, либо между ними располагается компенсационный зазор, который может быть заполнен упругим компенсационным материалом, таким как волокнистый мат.
- Другая альтернатива состоит во встраивании вслед за кирпичным рядом из сводовых кирпичей согласно изобретению обычного металлического кольца в качестве дополнительного удерживающего устройства, которое может быть выполнено в таком случае меньшим, поскольку оно должно воспринимать значительно меньшие силы.
- Выполнение кольца из сводовых кирпичей, причем новые (составные) сводовые кирпичи уложены попеременно с обычными (нераздельными) сводовыми кирпичами.
- Кирпичные ряды могут быть уложены с геометрическим замыканием или на расстоянии друг от друга, также в комбинации с обычными форматами кирпича (DE 2843412 A, DE 29921807 U1).
- Кирпичи могут быть уложены насухо или со строительным раствором.
- Разделительная поверхность между соседними секциями кирпича может быть выполнена под углом, отличным от 90 градусов по отношению к боковым поверхностям, а также быть плоской или неплоской.
- Противоположные поверхности (RS1, RS2; RS1*, RS2*) секции кирпича могут иметь форму трапеции, форму треугольника, форму пятиугольника и быть выполнены одинаковыми или неодинаковыми.
Соответственно цилиндрическая внутренняя облицовка вращающейся трубчатой печи имеет, в общем, следующие признаки:
- облицовка простирается между входом печи на первом конце вращающейся трубчатой печи и выходом печи на втором конце вращающейся трубчатой печи,
- облицовка состоит по существу из последовательно расположенных кольцеобразных сегментов, причем
- по меньшей мере один кольцеобразный сегмент выполнен, по меньшей мере, преимущественно из сводовых кирпичей согласно п. 1 формулы изобретения, которые в окружном направлении расположены их боковыми поверхностями RS1, RS2 с прилеганием друг к другу, а их большими базовыми поверхностями AG - лежащими снаружи, причем
- разделительные поверхности TF сводовых кирпичей простираются от внешней базовой поверхности AG по направлению к выходу печи.
Эти сводовые кирпичи могут быть изменены, как описано выше.
К изобретению также принадлежит промышленная вращающаяся трубчатая печь с цилиндрической внутренней облицовкой вышеописанной разновидности.
Фиг. 5 показывает в значительно схематизированном представлении вертикальный продольный разрез через цементную вращающуюся трубчатую печь с внешним кожухом 20 печи и с расположенной радиально внутри цилиндрической огнеупорной облицовкой 30 между входом ОЕ печи и выходом OA печи. В аксиальном направлении (стрелка А) последовательно расположены несколько колец 30а…30z из обычных сводовых кирпичей, как это известно. На расстоянии примерно 1 м перед выходом OA печи можно увидеть кольцо 30w, которое выполнено из сформированных сводовых кирпичей согласно изобретению, а именно из сводовых кирпичей согласно фиг. 2.
Разделительная поверхность/наклонная поверхность TF между частями 10, 12 кирпича перенимает согласно изобретению функцию контропоры, по меньшей мере, для частичного восприятия осевого давления (Ра) расположенных перед нею по направлению к входу ОЕ печи сводовых кирпичей, и для отклонения его на стенку 20 печи, а также на соседние сводовые кирпичи.
Фиг. 6 показывает перспективное, частично разрезанное внутреннее представление части огнеупорной кирпичной облицовки 30 вращающейся трубчатой печи в области кирпичного ряда 30w из составных сводовых кирпичей согласно изобретению аналогично фиг. 3.
В кирпичном ряду 30х сзади выполнено обычное стальное кольцо 40 согласно уровню техники в качестве дополнительного удерживающего устройства против осевого давления РА. Это, однако, является факультативным.