ПЕЧЬ ЭЛЕКТРОКАЛЬЦИНАЦИИ СЫПУЧЕГО УГЛЕРОДНОГО МАТЕРИАЛА
FURNACE OF ELECTRO-CALCINATION OF BULK CARBON MATERIAL

Изобретение относится к области электрометаллургии, а именно к электрическим прокалочным печам - электрокальцинаторам, используемым для прокалки сыпучих углеродных материалов, например антрацита, путем пропускания через них электрического тока.
В настоящее время разработано достаточно много конструкций печей электрокальцинации для прокалки сыпучих углеродных материалов. Конструктивные усовершенствования, в основном, направлены на повышение равномерности прокаливания материала, предотвращение локального перегрева футеровки и, следовательно, ее прогара.
Например, известен «Электрокальцинатор непрерывного действия» по а.с. СССР №1434224 от 15.12.86 г., опуб. 30.10.88 г., согласно которому футеровка выполнена с чередующимися кольцевыми выступами, расстояние между которыми зависит от угла естественного откоса сыпучего углеродного материала. Однако известная конструкция не обеспечивает равномерного прокаливания углеродного материала. В зоне, близкой к оси электрокальцинатора, температура наиболее высокая, однако прокаливаемый углеродный материал, перемещается сверху вниз без перемешивания, частично зависает на кольцевых выступах и не достигает высокотемпературной зоны. Это приводит к неравномерности свойств прокаливаемого материала, а также к локальному перегреву и расплавлению футеровки в местах расположения выступов.
Известно «Устройство для прокаливания углеродистых материалов» по патенту России №2311599 от 19.05.04 г., опуб. 27.11.07 г., согласно которому вертикальный футерованный кожух выполнен в виде гантелеобразной фигуры с переменным сечением по высоте. Футеровка кожуха выполнена двухслойной, состоящей из рабочего огнеупорного и внешнего теплоизоляционного слоев. Огнеупорный слой в узкой части кожуха, расположенной по высоте между электродами, выполнен из электропроводного материала, выдерживающего температуру до 2500°С.
Однако изготовление цельнофутерованного кожуха гантелеобразной формы является очень сложным. Отсутствие информации об огнеупорном материале, использованном для футеровки узкой части кожуха, не дает возможности оценить действительную эффективность его применения в известном техническом решении, но, безусловно, усложняет реальное использование данного устройства в связи с уникальностью заявленных теплофизических свойств огнеупорного футеровочного материала.
При этом можно предположить, что наличие значительного по высоте слоя футеровки из электропроводного огнеупорного материала в комбинации с верхним электродом, имеющим плоский нижний торец, будет препятствовать равномерному распределению силовых линий электрического тока по прокаливаемому материалу и способствовать увеличению плотности тока в направлении электропроводной футеровки, что, в дальнейшем, может сделать процесс прокаливания практически неуправляемым.
Наиболее близким техническим решением является «Печь электрокальцинации сыпучего углеродного материала» по патенту России №2244890 от 31.07.03 г., опуб. 20.01.2005 г., согласно которому печь электрокальцинации содержит цилиндрическую шахту, футеровку кожуха с кольцевым выступом, укрепленным в верхней части шахты и выполненным в виде дросселя, образующего сквозное внутреннее отверстие. Дроссель имеет каналы для отвода газов сухой перегонки углеродного материала. Поверхность участка дросселя, обращенная к верхнему электроду, состоит из прямоугольной части и части, имеющей угол наклона к горизонтали, поверхность участка дросселя, обращенная к нижнему электроду, выполнена горизонтальной. В верхней части печи расположены устройство загрузки и верхний электрод, имеющий плоский нижний торец, в нижней части печи - устройство выгрузки и нижний электрод.
В известной конструкции печи предпринята попытка, посредством дросселя, сосредоточить силовые линии электрического тока, перетекающего от верхнего электрода к нижнему, в зоне цилиндрического отверстия дросселя. Однако известная конструкция не может обеспечить равномерного протекания силовых линий тока вдоль вертикальной оси печи. Образование застойных зон неподвижного материала, накапливающегося на горизонтальных поверхностях участков дросселя, обращенных к верхнему электроду, приведет к тому, что с течением времени этот материал будет иметь более низкое удельное электросопротивление, чем материал, движущийся в нижнюю часть печи по внутреннему отверстию. В результате ток изменит направление в сторону материала с более низким удельным электросопротивлением и образует, так называемый, самопроизвольный канал тока, способствующий повышению плотности тока в застойных зонах и приводящий к разрушению футеровки и дросселя и остановке печи для ремонта.
Известная конструкция не может обеспечить равномерного нагрева всего углеродного материала, загружаемого в печь электрокальцинации. Нарушение равномерности протекания электрического тока по прокаливаемому углеродному материалу ухудшает его качество.
В результате закупоривания газоотводящих каналов дросселя пылевидными фракциями углеродного материала, эвакуация газов по ним прекращается и под горизонтальной поверхностью дросселя, обращенной к нижнему электроду, будут скапливаться газы сухой перегонки углеродного материала и остаточный кислород, проникший в печь через механизм выгрузки. Произойдет окисление и разрушение материала нижней поверхности дросселя, что приведет к остановке печи для ремонта.
В основу изобретения поставлена задача разработки такой конструкции печи электрокальцинации, которая позволит создать условия для равномерного распределения силовых линий тока вдоль вертикальной оси печи и тем самым увеличить межремонтный период эксплуатации печи, снизить удельный расход электроэнергии, а также обеспечить равномерный нагрев прокаливаемого углеродного материала и повысить его качество.
Поставленная задача решается тем, что в известной печи электрокальцинации сыпучего углеродного материала, содержащей цилиндрическую шахту, футеровку кожуха, расположенный в верхней части шахты печи дроссель, образующий сквозное внутреннее отверстие, верхний и нижний электроды, устройства загрузки и выгрузки, новым является то, что дроссель встроен в футеровку кожуха таким образом, что делит ее на верхнюю и нижнюю части и выполнен в виде верхнего, среднего и нижнего поясов, сопряженных друг с другом горизонтальными поверхностями. Горизонтальная поверхность нижнего пояса, обращенная к нижнему электроду, опирается на нижнюю часть футеровки кожуха, горизонтальная поверхность верхнего пояса, обращенная к верхнему электроду, примыкает к верхней части футеровки, при этом части поясов дросселя, выступающие за вертикальную внутреннюю поверхность футеровки, в вертикальном сечении, имеют форму трапеций, основания которых, обращенные к центральной оси печи, являются высотой сквозного отверстия, равной 0,08-0,1 высоты шахты печи. Причем средний и нижний пояса дросселя выполнены из жаропрочного электропроводного материала, верхний пояс выполнен из неэлектропроводного огнеупорного материала, нижняя часть верхнего электрода выполнена в форме конуса, при этом угол между вертикальной осью верхнего электрода и образующей конуса не более угла естественного откоса прокаливаемого материала, нижний электрод установлен на водоохлаждаемой токоподводящей опоре и прикреплен к ней посредством ниппельного соединения и самоспекающейся углеродной массы, верхний электрод выполнен графитированным, нижний из обожженного углеродного материала, причем между вертикальными поверхностями нижнего и среднего поясов дросселя и кожухом печи расположена теплоизоляция.
Заявляемая совокупность признаков обеспечивает условия для равномерного распределения силовых линий тока вдоль вертикальной оси печи, т.е. способствует увеличению плотности тока в осевом направлении, а именно по прокаливаемому материалу, и снижает вероятность отклонения токовых линий в сторону футеровки. Конструкция дросселя благодаря надежному закреплению в футеровке печи, а также сопряжению поясов дросселя горизонтальными поверхностями, приобретает достаточную устойчивость для того, чтобы длительный период противостоять высоким температурам и механическим нагрузкам, при этом трапециевидная в вертикальном сечении конфигурация частей поясов, выступающих за пределы внутренней поверхности футеровки, способствует исключению образования в пространстве печи застойных зон неподвижного углеродного материала. Верхний пояс обеспечивает беспрепятственное и равномерное движение материала в сквозное отверстие дросселя, в процессе которого происходит перемешивание материала, а нижний исключает скопление газов сухой перегонки углеродного материала. То есть, как оказалось, конструктивное выполнение и расположение дросселя способствуют тому, что снижается вероятность образования самопроизвольного канала электрического тока, отклоняющегося от вертикальной оси в сторону футеровки, в результате чего реже происходит локальное разрушение футеровки, увеличивается межремонтный период работы печи и уменьшается удельный расход электроэнергии. При этом силовые линии тока концентрируются в осевом направлении, что приводит к повышению плотности тока в области сквозного внутреннего отверстия дросселя и созданию в объеме отверстия высоких температур. Все это приводит к прохождению всей массы материала через область высоких температур и обеспечивает равномерный нагрев углеродного материала и существенное повышение однородности его свойств.
Причем высота сквозного внутреннего отверстия, составляющая 0,08-0,1 высоты шахты печи, определена опытным путем и зависит от оптимальной продолжительности нахождения материала в высокотемпературной области и является достаточной для достижения поставленной задачи.
При высоте отверстия, составляющей менее 0,08 высоты шахты печи, продолжительность пребывания прокаливаемого материала в высокотемпературной области будет недостаточна для приобретения материалом необходимых свойств. Для получения необходимых свойств потребуется повторное прокаливание материала, которое повлечет за собой повышение удельного расхода электроэнергии. При этом скорость движения материала по поверхности верхнего пояса дросселя будет такова, что увеличит износ его поверхности.
При высоте отверстия более 0,1 высоты шахты печи наклонные поверхности верхнего пояса дросселя будут расположены под углом, способствующим образованию зон с накапливающимся неподвижным материалом, которые, как известно, приводят к разрушению дросселя и футеровки в течение более короткого периода эксплуатации, ухудшению качества прокаливаемого материала и увеличению удельного расхода электроэнергии. При этом угол наклона поверхности нижнего пояса дросселя будет способствовать скоплению отходящих газов, окисляющих и разрушающих поверхность дросселя и футеровки печи.
Выполнение верхнего пояса дросселя из неэлектропроводного огнеупорного материала, а среднего и нижнего поясов из жаропрочного электропроводного материала максимально увеличивает плотность тока в области сквозного отверстия дросселя.
Теплоизоляция, расположенная между вертикальными электропроводными поверхностями нижнего и среднего поясов дросселя и кожухом печи, защищает кожух от перегрева и выхода из строя и способствует увеличению межремонтного периода эксплуатации печи.
Выполнение верхнего электрода графитированным способствует уменьшению удельного расхода электроэнергии, а изготовление его нижней части в форме конуса увеличивает поверхность контакта между электродом и прокаливаемым материалом, что исключает возникновение электрических дуг и увеличивает срок службы электрода. Максимальному увеличению поверхности контакта способствует выполнение угла между вертикальной осью верхнего электрода и образующей конуса размером не более угла естественного откоса прокаливаемого материала. Это приводит к увеличению межремонтного периода эксплуатации печи и уменьшению удельного расхода электроэнергии.
Выполнение нижнего электрода заявляемым способом обеспечивает ему высокую механическую прочность и плотное соединение с токоподводящей опорой, что увеличивает межремонтный период эксплуатации печи.
Из вышесказанного следует, что заявляемая совокупность признаков является необходимой и достаточной для достижения поставленной задачи.
Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором показано вертикальное сечение общего вида печи электрокальцинации.
Печь электрокальцинации состоит из металлического кожуха 1 с огнеупорной кирпичной футеровкой в нижней 2 и верхней 3 частях. Шахта 4 печи сверху закрыта пробкой 5, выполненной из жаропрочного бетона. В пробке 5 предусмотрены отверстия для удаления отходящих газов (на чертеже не показано) и отверстие 6 для размещения графитированного верхнего электрода 7 и загрузочной воронки 8. Дроссель 9 встроен между нижней 2 и верхней 3 частями футеровки шахты 4 печи. Дроссель 9 состоит из сопряженных друг с другом горизонтальными поверхностями верхнего 10, среднего 11 и нижнего 12 поясов. Пояс 10 выполнен из неэлектропроводного огнеупорного материала, пояса 11 и 12 выполнены из электропроводного жаропрочного материала. Горизонтальная поверхность 13 нижнего пояса 12 опирается на верхнюю часть футеровки 2 шахты 4, горизонтальная поверхность 14 верхнего пояса 10 примыкает к нижней части футеровки 3 шахты 4. Части поясов 10, 11, 12 дросселя 9, выступающие за пределы верхней 3 и нижней 2 частей футеровки, в вертикальном сечении имеют форму трапеции, боковые поверхности которой образуют углы, соответствующие углу естественного откоса сыпучего углеродного материала, а основания, обращенные к вертикальной оси печи, являются высотой (h) сквозного внутреннего отверстия 15. Высота (h) сквозного внутреннего отверстия 15 составляет 0,08-0,1 общей высоты (Н) шахты 4 печи. В нижней части печи на водоохлаждаемой опоре 16 установлен нижний электрод 17, выполненный из обожженного углеродного материала. Верхний 7 и нижний 17 электроды соединены с источником тока (на чертеже не показан). Нижний электрод 17 закреплен на водоохлаждаемой опоре 16 посредством ниппельного соединения 18 и самоспекающейся углеродной массы 19. В нижней части печи предусмотрено устройство для выгрузки прокаленного материала (на чертеже не показано). Между вертикальными поверхностями нижнего 12 и среднего 11 поясов, обращенных к кожуху 1 печи, расположена теплоизоляция 20.
Печь электрокальцинации работает следующим образом.
Подлежащий прокалке сыпучий углеродный материал самотеком поступает в шахту 4 печи через загрузочную воронку 8, расположенную на пробке 5. Между верхним 7 и нижним 17 электродами от источника тока (на чертеже не показан) пропускают электрический ток для нагрева углеродного материала. Масса загруженного материала равномерно перетекает из верхней части шахты 4 через сквозное внутреннее отверстие 15, в пространстве которого создана наибольшая плотность тока, обеспечивающая область наибольшего нагрева. Таким образом, вся масса загруженного материала проходит через область высоких температур, что приводит к стабилизации его удельного электросопротивления. Высота h сквозного отверстия дросселя 9 и его диаметр достаточны для полного прокаливания материала. В дальнейшем материал движется в нижнюю часть шахты 4 и попадает в зону, нижнего водоохлаждаемого электрода 17, где начинается его охлаждение. Выгрузка прокаленного материала происходит с помощью устройства для выгрузки (на чертеже не показано).
Заявляемое устройство было опробовано в промышленных условиях на ОАО «Укрграфит» и позволило снизить удельный расход электроэнергии на 25-30%, увеличить в 2-3 раза межремонтный период работы печи и улучшить качество прокаленного материала за счет стабилизации диапазона значений удельного электросопротивления в пределах 100÷200 мкОм·м.
Кроме того, использование заявляемого устройства способствует повышению взрывобезопасности конструкции за счет исключения скопления газов в пространстве под поверхностью дросселя, обращенной к нижнему электроду.