УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЗАГРУЗКИ ШИХТЫ В СТЕКЛОВАРЕННУЮ ПЕЧЬ
CHARGE INTO THE GLASS MELTING FURNACE LOADING DEVICE

Техническое решение относится к устройствам загрузки шихты и боя в стекловаренные печи и может использоваться в производстве листового стекла, стеклянной тары и других изделий из стекла.
Загрузка шихты и боя в стекловаренные печи осуществляется автоматическими загрузочными устройствами различной конструкции. При выборе типа загрузчика и способа загрузки шихты приходится учитывать многие факторы, влияющие на характер плавления шихты, производительность варки, качество получаемого стекла и срок службы печи. В связи с непрерывностью процесса варки, шихту в стекловаренные печи целесообразно загружать непрерывно или малыми порциями, чтобы избежать резких колебаний температуры и уровня стекломассы. Кроме того, необходимо оптимально распределять шихту по «зеркалу» стекломассы в загрузочном кармане и максимально увеличивать площадь поверхности загружаемой шихты с целью эффективной передачи ей тепла от газопламенного пространства печи.
Конструкция загрузчиков шихты при этом должна соответствовать конструкциям загрузочных карманов печи и ограничивать подсосы холодного воздуха в печь, минимизировать потери теплового излучения, а также снижать количество выбросов пыли и оксидов азота в окружающее пространство. Всего этого можно достигнуть лишь при использовании загрузчиков, обеспечивающих не только оптимальное распределение шихты в зоне ее загрузки, но и позволяющих выполнить надежную герметизацию всего узла подачи шихты в стекловаренную печь.
Известен вибрационный или толкательный загрузчик шихты, который наиболее часто используется при подаче смеси шихты и боя в регенеративные стекловаренные печи с подковообразным направлением пламени [1]. Сырьевая смесь из данного загрузчика подается на поверхность стекломассы с помощью вибрационного питателя, а последующее проталкивание куч шихты вглубь загрузочного кармана осуществляется с помощью водоохлаждаемого толкателя, шибер которого движется по эллиптической траектории перед краем транспортирующего лотка вибрационного питателя. Дополнительное угловое перемещение данного питателя, выполняемое совместно с толкателем, позволяет подавать шихту в нескольких направлениях и оптимально распределять ее по большей поверхности стекломассы внутри загрузочного кармана, что особенно актуально для печей с высокой производительностью. Для защиты механизмов загрузчика от теплового излучения, поступающего из стекловаренной печи, в загрузочном устройстве предусмотрен защитный экран.
Но наряду с указанными преимуществами у толкательного загрузчика есть один существенный недостаток, который связан с поворотом его несущей рамы и механизмов в процессе разнонаправленной (веерной) засыпки шихты в загрузочный карман. В связи с этим, выполнить надежную герметизацию кармана невозможно.
Известен также загрузчик шихты VIBROTUB (производство компании ZIPPE, Германия), содержащий два трубных вибрационных питателя, каждый из которых оснащен самостоятельным толкателем сырьевой смеси [2]. Вибрационные трубные питатели в этом загрузчике расположены параллельно друг другу и в процессе своей работы не изменяют своего углового положения относительно загрузочного кармана, что позволяет неподвижно устанавливать всю конструкцию загрузчика и обеспечивать необходимую герметизацию стекловаренной печи. Изменение производительности каждого из вибрационных питателей осуществляется независимо с помощью частотных преобразователей. Также независимо производится и проталкивание отдельных куч шихты вглубь кармана. Причем каждый толкатель перемещается только в горизонтальной плоскости при проталкивании шихты (у вибрационных загрузчиков веерного типа аналогичное движение толкателя производится по эллиптической траектории). Реверсивное движение толкателя с шибером обеспечивается за счет линейного сервомеханизма и пневматического привода углового поворота консоли толкателя, на которой закреплен шибер. При движении консоли толкателя вперед она поворачивается вдоль своей продольной оси и шибер начинает контактировать с шихтой, осуществляя ее проталкивание. А при движении консоли назад она поворачивается в исходное положение, при котором шибер приподнимается и перестает контактировать с загружаемыми кучами шихты, чтобы не смещать их назад в сторону выгрузки из вибрационного питателя.
Подобная загрузка и подобное проталкивание куч шихты двумя толкателями, которые могут работать синхронно, в противофазе и асинхронно, позволяет распределять шихту в загрузочном кармане только в двух направлениях (вперед с левой стороны кармана и вперед с правой стороны кармана). Учитывая то, что шихту целесообразнее распределять по зеркалу стекломассы в трех направлениях (веерно), а в некоторых случаях в одном из трех направлений (по центру кармана, с левой и правой сторон кармана) требуется производить преимущественное проталкивание шихты, данный загрузчик имеет ограниченные функциональные возможности по изменению профиля загрузки шихты. Это обусловлено тем, что шиберы обоих толкателей расположены перпендикулярно консолям толкателей и при их движении вперед шихта проталкивается тоже только вперед.
Наиболее близким техническим решением к заявляемому решению является устройство для загрузки шихты в стекловаренную печь EME-NEND (совместная разработка компаний SORG и ЕМЕ, Германия), содержащее неподвижную опорную раму, приемную воронку, два винтовых питателя, расположенных под углом друг к другу, систему рычагов, связанную с эксцентриковым механизмом и толкателем шихты [3]. К консоли толкателя, расположенной между винтовыми питателями, прикреплен водоохлаждаемый шибер, выполняющий проталкивание шихты по «зеркалу» стекломассы. В процессе проталкивания шибер осуществляет возвратно - поступательное движение по эллиптической траектории и при перемещении вперед опускается, контактируя с шихтой. А при возврате в исходное положение шибер поднимается и движется над загружаемыми кучами шихты. Поскольку шибер при перемещении вперед - назад двигается только в вертикальной плоскости, а другие механизмы загрузчика не меняют своего положения относительно загрузочного кармана, выполнить герметизацию узла засыпки шихты в печь несложно. Этому способствуют и небольшие размеры вертикального щелевого отверстия в теплозащитном экране загрузчика, через которое проходит консоль толкателя шихты.
Изменение преимущественного направления подачи шихты в загрузочный карман, осуществляемого с помощью данного загрузчика, производится за счет регулируемого изменения количества загружаемой шихты винтовыми питателями и ее периодического проталкивания. Но так как шихта вглубь загрузочного кармана проталкивается вперед одним шибером, выполнить эффективное распределение шихты по всей ширине загрузочного кармана при использовании прямоугольного шибера, прикрепленного перпендикулярно к консоли толкателя, сложно. Прямоугольная форма шибера в этой конструкции может быть заменена на выпуклую (или стреловидную) форму, у которой отдельные части шибера прикреплены под разными углами к консоли толкателя. Это дает возможность дополнительно раздвигать загружаемые кучи шихты влево и вправо при их проталкивании вперед. Но такое распределение шихты, достигаемое за счет изменения формы шибера, является фиксированным для определенной конструкции шибера и нерегулируемым, что не позволяет корректировать фронт загрузки шихты в загрузочном кармане с помощью системы управления при использовании адаптивных алгоритмов подачи сырьевой смеси в стекловаренную печь.
Таким образом, известные конструкции загрузчиков шихты либо оптимально распределяют шихту по поверхности стекломассы в загрузочном кармане, конструкция которого при этом остается негерметичной, либо позволяют выполнить хорошую герметизацию, ограничивая ширину дифференцированного фронта загрузки сырьевой смеси, а также ограничивая возможность автоматического управления профилем загрузки.
Решаемая задача - оптимизация и расширение разнонаправленного фронта загрузки и проталкивания шихты при сохранении герметизации загрузочного кармана стекловаренной печи, а также создание возможности для автоматического управления профилем загрузки шихты.
Указанный технический результат достигается тем, что в устройстве для загрузки шихты в стекловаренную печь, содержащем опорную раму с теплозащитным экраном, приемную воронку шихты, два выхода которой соединены с входами двух винтовых питателей, расположенных под углом друг к другу, систему рычагов, связанную с эксцентриковым механизмом и толкателем шихты, состоящим из водоохлождаемой консоли, к одному концу которой прикреплен проталкивающий шибер выпуклой формы, двигающийся в процессе проталкивания шихты по эллиптической траектории и содержащий центральный прямоугольный участок, прикрепленный перпендикулярно к консоли так, что при движении консоли вперед его нижняя кромка располагается параллельно поверхности стекломассы и контактирует с кучами шихты, осуществляя их проталкивание по центру загрузочного кармана, а также содержащий левый и правый боковые участки, соединенные с центральным участком шибера и расположенные под углом 70-80° к направлению движения консоли, причем нижние кромки левого и правого боковых участков, имеющих трапецеидальную форму, выполнены со скосом, направленным от места соединения их с нижней кромкой центрального участка шибера вверх под углом 40-60° к поверхности стекломассы, и не контактируют с кучами шихты при исходном угловом положении консоли во время ее движения вперед. При этом другой конец консоли, выполненной с возможностью ее поворота вокруг своей продольной оси, соединен с реверсивным приводом поворота так, что при повороте консоли на 40-60° по часовой стрелке от исходного углового положения шибер также поворачивается по часовой стрелке и его центральный участок приподнимается от поверхности загружаемой шихты, переставая с ней контактировать, а правый боковой участок трапецеидальной формы опускается и при движении консоли вперед начинает своей нижней кромкой, длина которой равна длине нижней кромки центрального участка шибера, проталкивать кучи шихты вперед и вправо, отодвигая их от центра к правой боковой стене загрузочного кармана. Если же консоль поворачивается на 40-60° против часовой стрелки от исходного углового положения, центральный участок шибера также поворачивается против часовой стрелки и приподнимается от поверхности шихты, переставая с ней контактировать при движении консоли вперед, а левый боковой участок трапецеидальной формы опускается и начинает своей нижней кромкой, длина которой равна длине нижней кромки центрального участка шибера, проталкивать кучи шихты вперед и влево, отодвигая их от центра к левой боковой стороне загрузочного кармана. Причем при повороте консоли на 20-30° по часовой стрелки от исходного углового положения шибер также поворачивается по часовой стрелке и встает в промежуточное положение таким образом, что при движении консоли вперед с кучами шихты начинают контактировать смежные части центрального и правого бокового участков шибера, осуществляя частичное проталкивание шихты вперед и вправо, а при аналогичном повороте консоли на 20-30° против часовой стрелки от исходного углового положения шибер поворачивается против часовой стрелки и встает в другое промежуточное положение, при котором во время движения консоли вперед с кучами шихты начинают контактировать смежные части центрального и левого бокового участков шибера, осуществляя частичное проталкивание шихты вперед и влево.
Отличием данного технического решения от известного уровня техники является возможность разнонаправленного вращения консоли толкателя вокруг своей продольной оси при одновременном возвратно-поступательном движении шибера, перемещающегося при проталкивании шихты по эллиптической траектории. Вращение консоли в направлениях по часовой и против часовой стрелки позволяет поворачивать шибер в разных направлениях и задействовать разные участки шибера, ориентированные под разными углами по отношению к консоли толкателя. Причем поворот шибера и фиксация его как минимум в трех основных и двух промежуточных положениях может осуществляться автоматически в соответствии с заданным алгоритмом загрузки шихты, учитывающим, например, распределение шихты в варочной зоне и направление пламени в регенеративной стекловаренной печи.
Другим отличием является трапецеидальная форма левого и правого боковых участков у шибера, расположенных под углом к направлению движения консоли. Поскольку нижние кромки этих участков выполнены со скосом, направленным от места соединения их с нижней кромкой центрального участка шибера вверх под углом 40-60° к поверхности стекломассы, и не контактируют с кучами шихты при исходном угловом положении консоли во время ее движения вперед, становится возможным либо исключать контакт боковых участков шибера с шихтой, либо обеспечивать этот контакт при изменении угла поворота шибера. Все это в совокупности позволяет в автоматическом режиме управления корректировать распределение шихты в загрузочном кармане, осуществляя равномерное или преимущественное проталкивание шихты в разных направлениях.
Принцип работы устройства для загрузки шихты в стекловаренную печь поясняется чертежами, на Фиг. 1 которых изображен вид сбоку устройства; на Фиг. 2 - вид сверху устройства; на Фиг. 3 - проталкивающий шибер; на Фиг. 4 - исходное положение проталкивающего шибера; на Фиг. 5-движение толкателя вперед (консоль шибера в исходном угловом положении); на Фиг. 6 - движение толкателя вперед (консоль шибера повернута по часовой стрелке на 40-60° от исходного углового положения); на Фиг. 7 - движение толкателя вперед (консоль шибера повернута против часовой стрелки на 40-60° от исходного углового положения); на Фиг. 8 - движение толкателя вперед (консоль шибера повернута по часовой стрелке на 20-30° от исходного углового положения); на Фиг. 9 - движение толкателя вперед (консоль шибера повернута против часовой стрелки на 20-30° от исходного углового положения). За исходное угловое положение консоли принимается положение, при котором нижняя кромка центрального участка шибера располагается параллельно поверхности стекломассы.
Устройство для загрузки шихты (Фиг. 1, 2) в стекловаренную печь содержит: опорную раму 1 с теплозащитным экраном 2; приемную воронку 3 шихты, два выхода которой соединены с входами двух винтовых питателей 4, 5, расположенных под углом друг к другу; систему рычагов 6, связанную с эксцентриковым механизмом 7; толкатель шихты 8, состоящий из водоохлаждаемой консоли 9, к одному концу которой прикреплен проталкивающий шибер 10 выпуклой формы; подшипниковый узел 11 поворота консоли; реверсивный привод 12 поворота, связанный с консолью с помощью цепной передачи 13. Проталкивание загружаемой шихты 14 осуществляется в загрузочном кармане 15 стекловаренной печи.
Проталкивающий шибер 10 (Фиг. 3) содержит: центральный прямоугольный участок 16, прикрепленный перпендикулярно к консоли 9 так, что его нижняя кромка располагается параллельно поверхности стекломассы; левый (относительно направления проталкивания шихты) боковой участок 17 трапецеидальной формы, расположенный под углом 70-80° к направлению движения консоли, причем его нижняя кромка направлена вверх под углом 40-60° к поверхности стекломассы (при исходном угловом положении консоли); правый (относительно направления проталкивания шихты) участок 18 трапецеидальной формы, также расположенный под углом 70-80° к направлению движения консоли, причем его нижняя кромка направлена вверх под углом 40-60° к поверхности стекломассы (при исходном угловом положении консоли).
Угол 70-80° расположения левого и правого боковых участков 17, 18 шибера 10 по отношению к направлению движения консоли (это направление загрузки шихты) выбирается из такого расчета, чтобы торцевые кромки этих участков при проталкивании шихты перемещались перпендикулярно боковым стенкам загрузочного кармана, которые, в свою очередь, примыкают к боковым стенам печи под углом 70-80°.
Подъем нижних кромок левого и правого боковых участков 16, 17 вверх под углом 40-60° к поверхности стекломассы (при исходном угловом положении консоли) выбирается из расчета высоты загружаемых куч шихты. Если осуществляется мелкокучевая загрузка шихты с высотой куч не более 70 мм, то выбирается угол 40°, а если загружаемые кучи имеют высоту более 70 мм, то целесообразнее угол подъема нижних кромок боковых участков шибера делать более крутым, чтобы не сдвигать кучи шихты этими участками при проталкивании шихты центральным участком.
Одинаковая длина нижних кромок центрального и двух боковых участков шибера позволяет формировать разнонаправленные потоки шихты в загрузочном кармане, имеющие одинаковую ширину.
Устройство работает следующим образом. В связи с тем, что рама 1 устройства загрузки шихты в стекловаренную печь является неподвижной в процессе работы, теплозащитный экран 2 вплотную примыкает к загрузочному карману 15, обеспечивая надежную изоляцию печи в этом месте от подсоса холодного воздуха, тепловых потерь, а также от выбросов пыли и оксидов азота. Шихта из промежуточного бункера (не показан) поступает в приемную воронку 3, два выхода которой связаны с входами винтовых питателей 4, 5, расположенных под углом друг к другу. Производительность этих питателей регулируется отдельными преобразователями частоты, что позволяет задавать переменные скорости подачи материала для каждого механизма и обеспечивает мелкие кучи при загрузке. А взаимное расположение питателей дополнительно создает возможность изменения направления преимущественной загрузки шихты. Однако без разнонаправленного проталкивания шихты изменение направления подачи сырьевой смеси в загрузочном кармане неэффективно. Поэтому в конструкции данного устройства используется толкатель 8 шихты 14, состоящий из водоохлождаемой консоли 9 и прикрепленного к ней шибера 10.
Непосредственный контакт с шихтой в процессе ее проталкивания осуществляется с помощью шибера 10, который при движении консоли вперед погружается своими нижними кромками в кучи шихты, проталкивая их, и возвращается в исходное положение над загружаемым материалом. Режим такого возвратно-поступательного перемещения шибера, двигающегося по эллиптической траектории, а также длина его хода, скорость и глубина погружения регулируются с помощью системы рычагов 6 и эксцентрикового механизма 7, оснащенного соответствующим электроприводом (не показан).
Изменение направления проталкивания шихты в загрузочном кармане обеспечивается за счет особой формы проталкивающего шибера и возможности дополнительного поворота консоли вокруг своей продольной оси. Поворот консоли 9, которая крепится к системе рычагов 6 с помощью подшипникового узла 11, осуществляется реверсивным приводом 12 поворота, соединенным с консолью с помощью цепной передачи 13. Данная передача при работе реверсивного привода 12 передает вращение от привода к консоли, обеспечивая ее поворот вокруг своей продольной оси (на Фиг. 1, 2 эта ось указана штрихпунктирной линией).
Заданный угол поворота консоли вокруг своей продольной оси при регулируемом изменении положения шибера 10 и его отдельных участков 16, 17, 18 относительно поверхности стекломассы контролируется измерительной системой привода поворота, в качестве которого может, например, использоваться следящий электропневматический привод производства компании КАМОЦЦИ. Такой привод обладает значительным вращающим моментом и высокой точностью позиционирования углового положения приводного вала.
В исходном положении шибер 10 (Фиг. 4) приподнят над поверхностью шихты и приближен к разгрузочным отверстиям винтовых питателей 4, 5. А его центральный участок 16 находится в исходном угловом положении, при котором нижняя кромка этого участка шибера располагается параллельно поверхности стекломассы и не контактирует с кучами шихты 14. При движении консоли 9 толкателя шихты вперед (Фиг. 5) шибер 10, двигающийся по эллиптической траектории, начинает опускаться и проталкивать шихту вперед (вглубь загрузочного кармана). Поскольку шибер 10 находится в исходном угловом положении, с шихтой контактирует только центральный участок 16 шибера, осуществляющий проталкивание куч шихты вперед и по центру загрузочного кармана. В конце хода шибера вперед он поднимается и возвращается над шихтой в исходное положение, после чего цикл проталкивания шихты повторяется аналогично.
Чтобы осуществить проталкивание куч шихты вдоль правой (относительно направления загрузки) боковой стенки загрузочного кармана 15, шибер 10 поворачивается по часовой стрелке (если смотреть на шибер со стороны его крепления к консоли 9) на угол 40-60° таким образом, что правый боковой участок 18 шибера опускается и в ходе движения консоли вперед начинает контактировать с кучами шихты, проталкивая их вперед и вправо (Фиг. 6) вдоль правой боковой стенки загрузочного кармана. Центральный участок 16 и левый боковой участок 17 шибера в это время с шихтой не контактируют. Поворот шибера при этом выполняется при его движении назад, когда он приподнят над шихтой.
Для проталкивания куч шихты вдоль левой боковой стены загрузочного кармана шибер необходимо повернуть против часовой стрелки на угол 40-60° относительно исходного углового положения. Если же после проталкивания куч шихты вдоль правой боковой стены загрузочного кармана необходимо сразу переключиться на проталкивание куч шихты вдоль левой боковой стены загрузочного кармана, то поворот шибера требуется осуществить на 80-120°. В ходе такого поворота левый боковой участок 17 шибера опускается (Фиг. 7) и при движении консоли вперед начинает контактировать с кучами шихты, проталкивая их вперед и влево вдоль левой боковой стенки загрузочного кармана. Центральный участок 16 и правый боковой участок 18 шибера в это время с шихтой не контактируют.
Осуществляя подобным образом поворот шибера по часовой стрелке на 20-30° (Фиг. 8), можно задать промежуточное положение центрального участка 16 и правого участка 18. В этом промежуточном положении при движении консоли вперед с шихтой контактирует примерно половина центрального участка и примыкающая к нему половина правого бокового участка 18. Шихта при этом частично проталкивается вперед по центру загрузочного кармана и вперед и вправо вдоль правой стороны загрузочного кармана.
Аналогично выполняется частичное проталкивание шихты по центру и слева загрузочного кармана, которое производится при повороте шибера против часовой стрелке на 20-30° (Фиг. 9).
Таким образом, возможность дополнительного поворота шибера при его движении по эллиптической траектории создает условия для более широкого (веерного) распределения шихты по зеркалу стекломассы в загрузочном кармане. Этому способствует не только поворот шибера по часовой и против часовой стрелок, но и трапецеидальная форма боковых участков шибера, имеющего выпуклую конструкцию. Расположение в исходном состоянии нижних кромок боковых участков шибера под углом 40-60° по отношению к поверхности стекломассы позволяет при возможности поворота шибера либо задействовать эти участки при проталкивании шихты, либо их не использовать. Причем поворот шибера в ту или иную сторону и изменение направления проталкивания шихты по фронту ее загрузки может осуществляться автоматически в соответствии с заданным алгоритмом управления.
Источники информации
1. Ефременков В.В. Технология загрузки шихты в стекловаренные печи // Технология стекла. Справочные материалы. / Под ред. П.Д. Саркисова. Москва. 2012. С. 391-404;
2.  М. Innovation in batch charging // Glass Worldwide (Russian language supplement). 2015. May/June. P. 55.
3. Пат. РФ на изобретение 2547865, МПК С03В 3/00. Способ и устройство для загрузки стеклоплавильных печей / В. Эрих; опубл. 10.04.2015 // Бюлл. 2015. №10.