Агрегат для получения минерального волокна
MINERAL FIBER PLANT

Изобретение относится к промышленности строительных и конструкционных материалов, а именно к оборудованию, предназначенному для производства волокна на основе горных пород, к печам для плавления минеральных составов, в частности к области производства минеральных волокон на основе горных пород типа базальтов. Изобретение может быть использовано в ванных печах на установках по получению непрерывных и штапельных волокон, диаметром от 1 до 300 мкм.
Основой всех известных способов получения минеральных волокон является вытяжка нитей из расплавов горных пород. Основным аппаратом получения расплавов есть плавильная печь. Основной конструкцией для получения расплавов на основе горных пород являются ванные прямоточные печи.  Геометрические размеры и формы этих печей определяются  их производительностью и параметрами  применяемого вспомогательного оборудования.  Высоту камеры плавления лимитирует высота расплава, форма и длина факела горения горелок, требуемое пространство для качественного процесса горения. Длина камеры плавления определяется производительностью печи, количеством и типом применяемых горелок, способом загрузки сырья и способом выпуска продуктов горения.   Если используется арочный тип свода, то такие печи обычно имеют большую ширину и  небольшую длину, недостатком таких конструкций является громоздкость и сложность процесса вывода печи на режим. Печи с плоским сводом обычно имеют большую длину, что позволяет увеличить скорость расплава и время его перемешивания. Плавление горных пород осуществляется путем сжигания газообразного или жидкого топлива в горелках, расположенных по продольной оси ванной печи. Очень  важную  роль играют процессы нагрева расплава  за счет поглощения его поверхностью энергии теплового излучения свода  и боковых стен. Арочный свод позволяет фокусировать отражение излучения на расплаве в отличии от плоского.
Известен способ получения непрерывных волокон из горных пород и печь для изготовления непрерывных волокон из горных пород включающий плавление твердой фазы породы в варочном бассейне печи и подачу расплава в зону выработки, с промежуточным подогревом его через зеркало под сводом выработочной зоны, и подачу расплава к фильерам через питатель, отличающийся тем, что промежуточный подогрев расплава в выработочной зоне ведут через тонкий слой расплава, перетекающего из варочного бассейна в выработочную зону (см. RU 2203232, C03B37/00, 2002).  Свод таких печей горизонтальный, и в сечении печь имеет форму прямоугольника. Недостатком такой конфигурации печи является наличие лишней площади поверхности внутреннего пламенного пространства, которое влияет на увеличение потерь тепла в общем на печном агрегате. В больших ванных печах «бесполезные объемы» ликвидируются путем сооружения арочных сводов.
Известен способ предварительного нагрева шихты в производстве минераловатного волокна из горных пород и устройство для его осуществления.  Технический результат изобретения заключается в повышении эффективности плавления шлакового расплава. Предварительно нагревают шихту до температуры 300-400°C в расходном бункере отходящими газами. Газы подаются с помощью вентилятора высокого давления по газоходу в конструкцию распределения горячих дымовых газов, которая находится в нижней части бункера и выполнена в виде скрещенных перфорированных труб, защищенных перевернутой V-образной пластиной из стального угольника с углом 45° (см. RU 2547182С2, C03B3/02, 2015). К недостаткам устройства можно отнести следующее: сложная конструкция, возможность эксплуатации только на определенном типе сырья, низкая энергоэффективность. Предложенное устройство имеет высокие затраты энергии на транспортировку продуктов горения за счет установки в вентилятора высокого давления. Процесс возможен только при условии, что  будет обеспечено проходное сечение для транспортировки газа через шихту, для этого требуется использование шихты только определенного размера, невозможно использование шихты размером менее 5 мм. Требуется большое количество энергии на преодоление сопротивления потоком дымовых газов. Для нагрева шихты до заявленных 400°C, необходимо использовать дымовые газы с большим градиентом температур это обусловлено конвективным теплообменом, при этом заявленные вентиляторы высокого давления не смогут выполнить эту функцию, что обусловлено их конструктивными ограничениями. В данном устройстве возможно использование только высокотемпературных дымососов с принудительным охлаждением, что значительно усложняет конструкцию и увеличивает энергозатраты. Также согласно нормам эксплуатации газосжигающего оборудования конструкция должна быть герметичной, что технически сложно обеспечить в таком устройстве. В предлагаемом нами агрегате, предварительный подогрев шихты осуществляется в загрузочных карманах без дополнительных энергозатрат и с технически простым решением.
Наиболее близким является агрегат для  получения минеральных  волокон из горных пород, включающий плавление измельченного до определенной фракции базальтового сырья в ванной печи с подачей расплава в выработочную зону с последующей вытяжкой волокна струей сжатого воздуха, наматывающим либо тянущим устройством, отличающееся тем, что для максимального использования излучающей тепловой энергии свода печи,  последний выполнен  в виде трапеции (см. UA 90360 C03B37/00, 2014). Свод печи разделен на три равные зоны и угол наклона отражающих плит зависит от ширины протока и высоты зоны плавления. Недостатком такой конструкции является то, что технически малые углы и площадь наклона более 60% от общей площади свода малоэффективны. Конструктивно изготовление данной конструкции свода сложно. Предлагаемый конфузор и рассекатели создают сопротивление газовому потоку и выполненные в зоне выработки, где согласно технологических режимов производства расплава для волокна требуется охлаждение и стабилизация по температуре, что уменьшает эффективность процесса и негативно влияет на стабильность процесса волокнообразования. В предлагаемом нами техническом решении механизм распределения излучаемой энергии более эффективный, максимальная температура формируется в зоне загрузки, а в зоне выгрузки формируется гомогенный готовый к волокнообразованию расплав, за счет передачи излучения расплаву и перемешивания.
Технической задачей является повышение продуктивности процесса получения минерального волокна, при снижении энергоемкости, максимальное увеличение передачи тепловой энергии минеральному расплаву.
В общем виде плавильную печь можно рассматривать как теплоизолированную систему тел, образованную боковыми стенками, сводом и телом расплава. При одинаковой температуре тел, образующих теплоизолированную систему, теплообмен между ними путем испускания и поглощения энергии теплового излучения (согласно второму началу термодинамики) отсутствует.  В реальных условиях работы плавильной печи, температура расплава, при регулярном его отборе на выработку и особенно в зоне подачи сырья, всегда ниже температуры боковых стенок и свода.  Это обуславливает наличие процесса поглощения поверхностью расплава энергии теплового излучения, испускаемого поверхностью свода и боковых стенок. При всех равных условиях энергия излучения определяется температурой излучающего тела и площадью излучения. При этом максимум излучения направлен по нормали к поверхности излучаемого тела.
Наличие арочного свода в больших ванных печах позволяет максимально использовать энергию теплового излучения.
Поставленная задача решается конструкцией печи с плоским сводом и боковыми стенками, выполненными с боковой поверхностью, наклоненной к расплаву под углом менее 90 градусов (фиг.1).
Определение угла наклона предлагаемой конструкции производится исходя из следующих предпосылок.
Высота зоны плавления b определяется суммой высоты слоя расплава R и высотой пламенного пространства P, ширина зоны плавления а определяется требуемой  производительностью печи и объемом отходящих газов продуктов горения. Центральная часть свода перекрывается горизонтальной плитой. Боковые стенки устанавливаются под углом α, обеспечивающим попадание максимального количества излучаемой тепловой энергии   на поверхность расплава, верхняя часть стенки выступает в пламенное пространство на расстояние S. При этом предполагается, что максимум излучаемой тепловой энергии происходит по нормали к поверхности излучения.
Угол наклона боковых граней к горизонтальной поверхности свода печи определяется из выражения:
tg α = P/S.
Для расчетов мы берем высоту пламенного пространства так как излучение воспринимается максимально на его поверхности ввиду плохой теплопрозрачности минерального расплава. Важным моментом использования наклона стенок является так же то, что расплав соприкасаясь со стенкой ванны отдает часть энергии, излучение с поверхности верхней части стенки направленное на расплав будет частично компенсировать потери тепла во внешнюю часть футеровки печи. Это дает возможность получать на выработке равномерно прогретый расплав, так же за счет одинаковой вязкости расплава по сечению протока истечение его будет проходить без застойных зон, что положительно влияет на технологический процесс, делая его более стабильным, повышая качество продукта и уменьшая количество некондиции.
По данным исследований, использование конструкции печи с наклонными стенками позволяет сократить расход газа на плавление до 5% при повышении производительности оборудования за счет уменьшения количества некондиции.
Еще одним способом снижения расхода газа является максимальное использование тепла отходящих продуктов горения. Для этого предлагается максимально приблизить поток отходящих продуктов горения от горелок к поверхности расплава по всей длине печи и увеличить теплоотдачу  отходящих газов за счет установки в канале отходящих газов по всей длине печи отсекателей 1 (фиг. 2). Приближение потока отходящих газов  к зеркалу расплава в зонах между горелками осуществляется путем уменьшения проходящего сечения отводящего канала в зонах между горелками.
Принцип работы предлагаемой конструкции следующий. Движение расплава осуществляется в противотоке с отходящими газами. Продукты горения за счет уменьшения сечения создаваемого отсекателями максимально приближаются к зеркалу расплава и проходя в следующий участок печи увеличивая турбулентность потока отдают максимум своего тепла расплаву. За счет конфигурации стенок излучение максимально передается расплаву. По ходу движения расплава установлен каскад порогов 2 (фиг. 2)  для уменьшения времени гомогенизации за счет более интенсивного перемешивания и разности температур между слоями расплава. Минеральный не теплопрозрачный расплав поступает на выработку в фидер с минимальным градиентом температур по сечению протока. В борове, продукты горения отдают часть своего тепла рассекателям 3, которые излучением передают его расплаву, обеспечивая тем самым дополнительный нагрев расплава в зоне загрузки и уменьшаются потери энергии за счет излучения. Рассекатели расположены горизонтально и передача максимума излучаемой тепловой энергии происходит по нормали к поверхности излучения на расплав.
Агрегат имеет загрузчик сырьевой композиции подающий сырье в зону плавления сырья с двух сторон в загрузочные карманы, далее расположены зона газоотделения, пластификации расплава и фидерная часть выработки расплава. В фидерной части установлено устройство волокно формующее. Газовые горелки сводовые, газоотводящий боров выполнен в торцевой части печи с использованием капельников 4 (фиг. 2) расплава и рассекателей потока. Капельники и рассекатели выполнены из коррозионно- и абразивно-стойкого огнеупорного материала, например, литой корунд, и служат для улавливания пылевидных частиц сырья, которые прилипая к поверхности капельников стекают в расплавленном виде в ванну. Одной из важных функций устройства является отражение излучения с передачей его на расплав. Рассекатели представляют собой блоки из огнеупорного материала выложенные в определенном порядке, например в шахматном. Порядок укладки блоков предусматривает уменьшение сечения прохода отходящих газов и максимальное отражение поверхностью блоков излучения обратно в зону загрузки сырья. Капельники, выполненные из коррозионно-стойких огнеупорных материалов, установлены так же в определенном порядке, например шахматном. Конфигурация каналов прохода отходящих газов в капельниках предусматривает резкое изменение направления движения потока, что  приводит к прилипанию более инерционных частиц потока на поверхности капельника с последующим стеканием под действием гравитации.  Загрузочные узлы 5 (фиг. 3) выполнены в виде закрытых полостей с перекрытиями из огнеупорного материала позволяющего передавать излучение от внутренней поверхности печи и горения газовоздушной смеси сырьевой композиции. Для максимального предотвращения движению в пламенном пространстве пылевидных частиц сырьевой композиции установлены пороги  и отсекатели и движение расплава выполнено в противотоке к движению отходящих газов. Свод печи выполнен  горизонтально, а  стенки под наклоном, который позволяет максимально передавать отражение излучения от горения газовоздушной смеси сырьевой композиции. Загрузка и боров 6 (фиг. 2) для отвода отходящих газов расположены в торцевой части печного агрегата. Количество узлов выработки в поперечном направлении от 1 до 4.
П р и м е р. В ванной печи с шириной варочной части а= 420 мм, угол наклона боковых стенок печи составил 35 градусов. В зонах между горелками поток отходящих продуктов горения расстояние между рассекателем и поверхностью расплава 70 мм, расстояние между рассекателями в борове 40 мм, капельники высотой 300 мм выполнены из хромоксидного огнеупора, загрузочный узел выполнен в виде закрытой полости с перекрытиями из электроплавленного корунда TY-M, который позволяет передавать излучение от внутренней поверхности печи и горения газовоздушной смеси сырьевой композиции.
Порядок проведения экспериментов был следующий.
2
2
2
3
2
3
2
2
2
5
3
В качестве сырья использовалась порошкообразная смесь для производства минерального волокна с химическим составом, мас.%: SiO- 50,0; TiO- 1,40; AlO- 12,10; FeO + FeO - 8,95; MnO - 0,25; MgO - 8,30; CaO - 10,95; NaО - 5.70; КО - 1,10; PO- не более 0,1; п.п.п.- не более 5. Сырье загружалось шнековым загрузчиком в загрузочную часть печи, где под действием излучения передаваемого от процесса горения газовоздушной смеси и поверхности огнеупоров переходило в аморфное состояние, расплав. Пылевидные частицы, оторванные от поверхности загружаемого сырья потоком отходящих газов задерживаются на поверхности капельников, накапливаясь они стекали под действием силы тяжести в ванну печи.  В расплаве, который двигаясь в сторону выработочной части печи в противотоке с отходящими газами, происходило газоудаление. Пробы, отобранные в  районе выработки расплава, показали плотную гомогенную массу расплава. Производительность установки по расплаву составила 70 кг/час. Во время экспериментов получено минеральное волокно с диаметром  9-17 мкм. Средний расход природного газа на 1 кг расплава составил 0.72 м при стабильном технологическом процессе.