Устройство для охлаждения клинкера
DEVICE FOR CLINKER COOLING

Изобретение относится к цементной, коксохимической, металлургической промышленности, а именно к устройствам для охлаждения сыпучих материалов, например клинкера при производстве цемента, кокса, цинка, свинца, олова и переработки руд.
Известно устройство для охлаждения сыпучих материалов (А.с. СССР №1765154, кл. С10В 39/00, F27B 7/38), включающее водяную ванну, установленный в ней вращающийся барабан с карманами охлаждения, выполненный из секций, каждая из которых смонтирована из шести пластин, выполненных в виде равнобочных трапеций, средства для загрузки и выгрузки. Каждая из трапеций соединяется боковой стороной попеременно с последующей трапецией по ее плоскости и проходит через вершину у верхнего основания и боковой стороны, образуя внутреннюю полость секции в виде правильного октаэдра. Секции соединены между собой в барабан нижними основаниями. Нижние основания трапеций больше боковой стороны на величину верхнего основания. Карманы охлаждения образованы соединением последовательно по периметру секции под внутренним тупым углом друг к другу попеременно к торцам секции верхним и нижним основаниями с односторонним напуском в сторону, противоположную внутреннему тупому углу. Односторонний напуск по наружному углу между двумя пластинами направлен в сторону вращения барабана.
Недостатками известного устройства являются ограниченные технологические возможности из-за недостаточной эффективности охлаждения, обусловленной недостаточной интенсивности теплообмена между частицами клинкера и охлаждающей водой, малой их перемешиваемостью и определенной упорядоченностью движения частиц клинкера внутри барабана, сложность сборки конструкции.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению является охладитель клинкера (патент РФ №2459169, кл. F27B 7/38, опубл. 20.08.2012, бюл. №23), включающий водяную ванну, установленный в ней вращающийся барабана, средства для загрузки и выгрузки клинкера, барабан по периметру выполнен из направляющих элементов в виде скрученных по винтовой линии в продольном направлении и изогнутых по винтовой линии на конической оправке в поперечном направлении трех и более полос трапециевидной формы с разными размерами по ширине, с увеличением их по длине барабана от загрузки к выгрузке, при этом по всей длине барабана смонтирована коническая пружина, которая оборудована устройством для изменения шага витков путем ее растяжения или сжатия.
Недостатками известного устройства являются ограниченные технологические возможности из-за недостаточной эффективности охлаждения, обусловленной недостаточной интенсивности теплообмена между частицами клинкера и охлаждающей водой, малой их перемешиваемостью и определенной упорядоченностью движения частиц клинкера внутри барабана, сложность сборки конструкции.
Техническим результатом задачи являются повышение эффективности охлаждения, расширение технологических возможностей и упрощение сборки конструкции.
Технический результат достигается тем, что в устройстве для охлаждения клинкера, включающем водяную ванну, установленный в ней вращающийся барабан, средства для загрузки и выгрузки клинкера, согласно изобретению барабан выполнен из полос вогнутой криволинейной формы с боковыми кромками, описанными кривыми различного порядка и степени кривизны, свернутых на вогнутой оправке в продольно-поперечном направлении, с образованием граней криволинейной формы, при этом каждые смежные грани криволинейной формы расположены под тупым углом одна к другой с наружной и внутренней сторон полос вогнутой криволинейной формы с боковыми кромками, описанными кривыми различного порядка и степени кривизны, пересекаются между собой с образованием плавных винтовых линий основного направления по наружной поверхности и плавных винтовых канавок по внутренней поверхности барабана вогнутой формы, а также плавных винтовых линий по наружной поверхности противоположного направления и плавных винтовых канавок противоположного направления внутри барабана вогнутой формы, причем по всей длине барабана вогнутой формы смонтирована пружина вогнутой формы с плоским сечением витков и устройством для изменения шага витков путем ее растяжения или сжатия.
По данным патентно-технической литературы не обнаружено техническое решение, аналогичное заявляемому, что позволяет судить об изобретательском уровне предлагаемой конструкции устройства для охлаждения клинкера.
Новизна заключается также в том, что по периметру барабана образованы винтовые поверхности из граней криволинейной формы, что обеспечивает нарушение стационарности потоков частиц клинкера внутри барабана и воды снаружи барабана, повышает эффективность охлаждения и расширяет технологические возможности.
Новизна обусловлена также тем, что смежные грани криволинейной формы, расположенные под тупым углом одна к другой с наружной и внутренней сторон по периметру барабана, пересекаются между собой с образованием плавных винтовых линий основного направления по наружной поверхности и плавных винтовых канавок по внутренней поверхности барабана вогнутой формы, а также плавных винтовых линий по наружной поверхности противоположного направления и плавных винтовых канавок противоположного направления внутри барабана вогнутой формы, что не только упрощает изготовление, но и обеспечивает нарушение стационарности потоков частиц клинкера внутри барабана, а также потоков воды снаружи барабана и расширяет технологические возможности.
Новизна обусловлена также тем, что смежные грани криволинейной формы расположены под тупым углом одна к другой с наружной и внутренней сторон полос вогнутой криволинейной формы с боковыми кромками, описанными кривыми различного порядка и степени кривизны, пересекаются между собой с образованием плавных винтовых линий основного направления по наружной поверхности и плавных винтовых канавок по внутренней поверхности барабана вогнутой формы, а также плавных винтовых линий по наружной поверхности противоположного направления и плавных винтовых канавок противоположного направления внутри барабана вогнутой формы, что увеличивает энергоемкость и изменяет частоту взаимодействия частиц клинкера друг с другом и со стенками барабана, что расширяет технологические возможности.
Новизна заключается также в том, что поперечное проходное сечение барабана имеет форму многоугольника, площадь которого по длине многократно меняется от загрузки к выгрузке, обеспечивая периодическое поджатие частиц клинкера, что увеличивает энергоемкость соударений, повышает производительность и расширяет технологические возможности.
Новизна обусловлена тем, барабан снабжен винтовыми линиями, направленными навстречу друг к другу по периметру барабана, и соответственно винтовыми канавками внутри барабана, направленными тоже навстречу друг другу, что обеспечивает создание направленных навстречу друг другу потоков частиц клинкера с максимальной энергоемкостью соударений частиц друг с другом и со стенками барабана под разными углами, увеличивает частоту взаимодействия частиц клинкера друг с другом и со стенками барабана, увеличивает производительность и расширяет технологические возможности.
Новизна предлагаемого изобретения заключается в том, что барабан вогнутой формы по всей длине имеет переменное не только поперечное, но и продольное сечение, что интенсифицирует процесс смешивания и охлаждение клинкера, расширяет технологические возможности.
Новизна предлагаемого изобретения заключается в том, что такое конструктивное оформление барабана позволяет обеспечить последовательное постепенное уплотнение и разряжение потоков клинкера внутри барабана, а также потоков воды снаружи барабана по мере продвижения клинкера от загрузки к выгрузке, а также повысить эффективность смешивания частиц клинкера и их охлаждение.
Новизна заключается также в том, что по периметру барабана образованы направленные навстречу друг другу винтовые поверхности по длине барабана, что обеспечивает не только нарушение стационарности потоков движения частиц клинкера внутри барабана, но и потоков воды снаружи барабана.
Новизна заключатся также в том, что по периметру барабана образованы направленные навстречу не только друг другу под углом, но и к оси вращения барабана грани, что обеспечивает нарушение стационарности движения потоков частиц клинкера внутри барабана, а также потоков воды снаружи барабана, при этом скорость частиц клинкера внутри барабана, а также воды снаружи барабана в каждой точке их потоков хаотически пульсирует, поэтому частицы клинкера внутри барабана, а также воды снаружи барабана совершают неустановившиеся беспорядочные движения по сложным траекториям, а именно турбулентное течение.
Новизна усматривается в том, что по всей длине барабана смонтирована пружина вогнутой формы с плоским сечением витков, которая обеспечивает не только перемещение частиц клинкера от загрузки к выгрузке в радиальном направлении, но и способствует интенсификации процесса теплопередачи и охлаждения, причем направление ее витков совпадает с направлением вращения барабана. Радиальное движение частиц клинкера обеспечивается за счет того, что частицы клинкера, совершающие движение внутри барабана в плоскостях, перпендикулярных оси симметрии барабана, встречаясь с витками пружины, изменяют траекторию своего движения и перемещаются от загрузки к выгрузке, при этом создаются противопотоки частиц клинкера, увеличивается интенсивность процесса теплопередачи и расширяются технологические возможности.
Новизна обусловлена тем, барабан снабжен винтовыми линиями, направленными навстречу друг к другу по периметру барабана, и соответственно винтовыми канавками внутри барабана, направленными тоже навстречу друг другу, что обеспечивает создание направленных навстречу друг другу потоков частиц клинкера с максимальной энергоемкостью соударений частиц друг с другом и со стенками барабана под разными углами, увеличивает частоту взаимодействия частиц клинкера друг с другом и со стенками барабана, увеличивает производительность и расширяет технологические возможности.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где: на фиг. 1 изображено предлагаемое устройство для охлаждения клинкера, общий вид; на фиг. 2 - барабан установки, общий вид, вид спереди; на фиг. 3 - вид А на фиг. 2; фиг. 4 - одна из вогнутых полос криволинейной формы различного порядка и степени кривизны с надрезом со скошенными стенками; на фиг. 5 - сечение В-В на фиг. 4; фиг. 6 - вид вогнутой полосы криволинейной формы различного порядка и степени кривизны с надрезом со скошенными стенками после скручивания ее концов относительно горизонтальной оси; на фиг. 7 - вид вогнутой полосы криволинейной формы различного порядка и степени кривизны с надрезом со скошенными стенками после скручивания ее на вогнутой оправке.
Устройство для охлаждения клинкера (фиг. 1) включает водяную ванну 1, установленный в ней вращающийся барабана 2 с загрузочным 3 и разгрузочным 4 приспособлениями. Над барабаном 2 установлен разбрызгиватель 5. Над водяной ванной 1 установлен дефлегматор 6. Для обеспечения продольного перемещения частиц клинкера внутри барабана 2 по всей его длине смонтирована пружина 7 вогнутой формы с плоским сечением витков, которая оборудована устройством для изменения шага витков пружины путем ее растяжения или сжатия (на чертежах не показано). Регулировка величины шага витков пружины 7 может производиться также в процессе охлаждения клинкера. В зависимости от требуемого времени охлаждения клинкера устанавливается такой шаг пружины 7, который отвечает оптимальным условиям процесса охлаждения.
Барабан 1 вогнутой формы (фиг. 2, фиг. 3) выполнен из вогнутых полос 8, 9, 10, 11, 12, 13 криволинейной формы различного порядка и степени кривизны (фиг. 4) с надрезами 14, 15 (фиг. 4, фиг. 5). Вогнутые полосы 8, 9, 10, 11, 12, 13 свернуты в вертикальной плоскости в продольном направлении относительно собственной оси симметрии вогнутых полос криволинейной формы различного порядка и степени кривизны (фиг. 6), изогнуты по винтовым линиям в поперечном направлении и согнуты (фиг. 7) по надрезам со скошенными стенками в поперечно-продольном направлении, расположенными попарно под углом один к другому, с обеих сторон вогнутых полос криволинейной формы различного порядка и степени кривизны 8, 9, 10, 11, 12, 13.
Вогнутые полосы 8, 9, 10, 11, 12, 13 изготовлены вогнутыми с боковыми кромками 14 и 19, описанными кривыми различного порядка и степени кривизны, например линиями второго порядка кривизны:
2
2
2
2
- эллипсом x/а+у/b=1;
2
- параболой у=2*р*х;
- гиперболой у=к/х;
линиями третьего порядка кривизны и выше:
3
3
- Декартов лист х+у-3*а*х*у=0;
3
2
2
- локон Аньези у=а*(α+х);
3
2
- строфоида у=x(а+х)/(а-х);
2
2
2
2
2
2
- улитка Паскаля (х+у-2R*x)-а*(х+у)=0 и т.д.;
и линиями n-го порядка кривизны - полиномами.
Так как вогнутые полосы криволинейной формы различного порядка и степени кривизны 8, 9, 10, 11, 12, 13 имеют переменную ширину (фиг. 4), то вогнутый барабан 1 (фиг. 2, фиг. 3) имеет переменное продольное сечение и переменное проходное поперечное сечение по длине вогнутого барабана 2. Кроме того, вогнутые полосы криволинейной формы различного порядка и степени кривизны 8, 9, 10, 11, 12, 13 выполнены ребристыми в продольно-поперечном направлении, образуя чередующие грани криволинейной формы, например, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23 для вогнутой полосы криволинейной формы различного порядка и степени кривизны, например 9. При этом каждые две смежные грани криволинейной формы, например 16 и 17, 17 и 18 и т.д., расположены под тупым углом одна к другой с наружной и внутренней сторон вогнутых полос криволинейной формы различного порядка и степени кривизны, пересекаются между собой с образованием плавных винтовых линий основного направления, например 24-25-26-27-28-29-30-31-32, по наружной поверхности и плавных винтовых канавок по внутренней поверхности вогнутого барабана 2. На фиг. 2 и фиг. 3 плавная винтовая линия основного направления 24-25-26-27-28-29-30-31-32 показана утолщенной линией. На наружной поверхности вогнутого барабана 2 образуются также плавные винтовые канавки и плавные винтовые линии противоположного направления, например, 33-34-35-36-37-27-38-39-40, которые на фиг. 2 и фиг. 3 показаны утолщенной линией. Плавные винтовые линии по наружной поверхности вогнутого барабана 2 имеют одинаковые обозначения позиций с соответствующими им плавными винтовыми канавками на внутренней поверхности, причем плавные винтовые канавки и плавные винтовые линии вогнутого барабана 2 могут иметь различное число заходов и различные шаги.
На полосах вогнутой криволинейной формы различного порядка и степени кривизны 8, 9, 10, 11, 12, 13 перед свертыванием выполняют надрезы 14, 15 со скошенными стенками, расположенными попарно под углом один к другому, как, например, на фиг. 4, фиг. 5, посредством фрезерования, обработки давлением и т.п. Геометрия и величина углов α, β, λ, ϕ, ψ, ω скосов надрезов и их взаимное расположение соответствуют числу заходов и величинам шагов плавных винтовых линий основного и противоположного направлений.
Надрезы 14, 15 создают (фиг. 4, фиг. 5) попеременно с противоположных сторон каждой полосы вогнутой криволинейной формы различного порядка и степени кривизны 8, 9, 10, 11, 12, 13. Затем относительно продольной оси каждую из вогнутых полос криволинейной формы различного порядка и степени кривизны 8, 9, 10, 11, 12, 13 скручивают в вертикальной плоскости относительно продольной оси полосы вогнутой криволинейной формы различного порядка и степени кривизны. На фиг. 6 показана одна из вогнутых полос криволинейной формы различного порядка и степени кривизны, например 13, скрученная в вертикальной плоскости вдоль своей продольной оси, с расположенными по винтовым линиям вдоль продольной оси боковыми кромками 41 и 42.
Предварительно скрученную в вертикальной плоскости относительно продольной оси полосу выпуклой криволинейной формы различного порядка и степени кривизны, например 9, помещают на оправку вогнутой формы 43 (фиг. 7) и изгибают так, чтобы кромки 41 и 42 разместились по винтовым линиям и в поперечном направлении. После изгиба в поперечном сечении каждая вогнутая полоса криволинейной формы различного порядка и степени кривизны повернута относительно продольной оси оправки вогнутой формы так, что ее кромки образуют и в поперечном направлении полосы плавную винтовую линию с одинаковым шагом для всех вогнутых полос криволинейной формы различного порядка и степени кривизны. После этого полосу выпуклой криволинейной формы различного порядка и степени кривизны, например 9, деформируют и снимают с оправки 43, либо фиксируют на оправке 43. Аналогичным образом обрабатывают остальные вогнутые полосы, например 8, 10, 11, 12, 13. Далее все деформированные, таким образом, вогнутые полосы криволинейной формы различного порядка и степени кривизны размещают на оправке 43, совмещают и соединяют известными методами, например сваркой.
Для придания дополнительных перемещений и регулировки скорости продольного движения частиц измельчаемых материалов внутри вогнутого барабана 2 смонтирована пружина вогнутой формы 7 с плоским сечением витков, которая оборудована устройством для изменения шага витков путем ее растяжения или сжатия (на чертежах не показано). Регулировка скорости продольного движения внутри вогнутого барабана 2 с помощью пружины 7 может производиться в процессе движения частиц клинкера внутри вогнутого барабана 2 от загрузки к выгрузке.
Устройство для охлаждения клинкера работает следующим образом.
Раскаленный клинкер поступает во вращающийся барабана 2 с помощью загрузочного приспособления 4 через коническую трубу. Барабан 2 орошается водой, поступающей из разбрызгивателя 5. При вращении барабана 2 плоские элементы, смонтированные по периметру барабана 2 в виде чередующихся граней криволинейной формы, например, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23 и т.д., разнонаклоненных к оси вращения барабана 2 и друг к другу, работая как ковши (внутренние карманы) захватывают различные по объему порции частиц клинкера, поднимают их по направлению вращения барабана 2 несколько выше угла естественного откоса, а затем направляют эти порции в направлениях, перпендикулярных этим полкам (ковшам), под некоторым углом не только к оси вращения барабана 2, но и к другим по массе потокам частиц клинкера, движущихся внутри барабана 2 под другими углами и с другими скоростями. Длина траектории движения (амплитуда) этих потоков частиц горячих материалов в значительной степени зависит от диаметра барабана 2, от углов наклона плоских элементов стенок барабана 2 друг к другу и к оси вращения. Частота соударений потоков частиц горячего клинкера определяется не только частотой вращения барабана 2, но и количеством разных по форме плоских элементов (граней) по периметру барабана 2. Поэтому, в предлагаемой конструкции устройства для охлаждения клинкера обеспечивается повышение частоты взаимодействия частиц раскаленного клинкера друг с другом и со стенками барабана 2, обеспечивается интенсивная теплопередача частиц раскаленного клинкера и стенок барабана 2, охлаждаемых с наружной стороны водой, в том числе за счет полива стенок барабана 2 водой, которая захватывается углублениями на наружной поверхности барабана 2 между расположенными под углом друг другу гранями 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23 и т.д.
Таким образом, при вращении барабана 2 грани, например, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23 и т.д., смонтированные по периметру барабана 2 разнонаклоненными к оси вращения барабана 2 и друг к другу, образующие наружные карманы, захватывают различные по объему порции воды, поднимают их по направлению вращения барабана 2 и обеспечивают, таким образом, дополнительный полив верхней поверхности барабана 2 водой, что обеспечивает интенсификацию теплопередачи, расширяет технологические возможности. Так как по длине барабана 2 от загрузки к выгрузке меняется многократно форма и размеры поперечного сечения, имеющего форму многоугольника, то не только обеспечивается периодическое поджатие масс потоков частиц клинкера, что увеличивает интенсивность соударений, расширяет технологические возможности, повышает эффективность охлаждения, но обеспечивает смешиваемость воды, что улучшает теплообмен. По мере прохождения клинкера по барабану 2 он охлаждается и удаляется из барабана 2 с помощью разгрузочного устройства 4. Движение клинкера или кокса внутри барабана 2 осуществляется не только за счет наличия внутри барабана 2 ломанных винтовых линий, но и пружины 7. Выделяющийся при охлаждении клинкера или кокса пар конденсируется в дефлегматоре 6, что позволяет сократить расходы воды при охлаждении.
Таким образом, с помощью загрузочного устройства 3 барабан 2 заполняется непрерывным потоком горячим клинкером. При вращении барабана 2 частицы клинкера совершают сложное пространственное движение по винтовым линиям с перемещением масс клинкера вдоль винтовых линий от загрузки к выгрузке. Благодаря тому что полосы имеют переменную ширину и выполнены ребристыми в поперечном направлении с образованием по периметру барабана 2 чередующих граней, осуществляется постепенное разрежение и уплотнение масс потоков клинкера, что интенсифицирует теплообменные процессы и повышает эффективность охлаждения.
Так как полосы, из которых смонтирован барабан 2, свернуты не только в продольном, но и в поперечном направлении, то по периметру барабана 2 образованы различные по шагу направленные навстречу друг другу винтовые внутренние поверхности и в местах их соединения винтовые канавки. Образование сложной внутренней поверхности в виде сочетания двух криволинейных поверхностей, в каждой точке которых возникают разнонаправленные составляющие движения, повышает интенсивность теплообменных процессов и эффективность охлаждения, расширяет технологические возможности трубной мельницы.
Пружина вогнутой формы 7 с плоским сечением витков обеспечивает не только регулирование скорости перемещения частиц клинкера внутри вогнутого барабана 2, но и обеспечивает их поджатие по длине вогнутого барабана 2, интенсифицируя таким образом процесс теплообмена, повышает эффективность охлаждения и обеспечивает расширение технологических возможностей.
Технико-экономическое преимущества возникают за счет расширения технологических возможностей, повышения эффективности охлаждения, обусловленной повышением интенсивности теплообмена между частицами клинкера и охлаждаемой водой, увеличения их перемешиваемости и интенсификации движения частиц клинкера внутри барабана, упрощения сборки барабана, за счет образования по периметру барабана граней различных типоразмеров, что обеспечивает нарушение стационарности потоков частиц раскаленного клинкера внутри барабана, увеличивает частоту их взаимодействия не только друг с другом, но и со стенками барабана, повышает эффективность охлаждения и расширяет технологические возможности.
Технико-экономические преимущества возникают также за счет повышения интенсивности смешивания, увеличения энергоемкости и частоты взаимодействия частиц клинкера не только друг с другом, но и со стенками вращающегося барабана и витками вогнутой пружины с плоским сечением витков внутри барабана, поджатия потоков частиц клинкера, изменения плотности этих потоков при продольном их перемещении от загрузки к выгрузки, что повышает интенсивность теплообменных процессов и эффективность охлаждения, а также расширяет технологические возможности.