Электрическая печь для получения вспученного вермикулита из вермикулитовых концентратов

Полезная модель относится к области строительных материалов, а именно к технологическому оборудованию для получения вспученного вермикулита из вермикулитовых концентратов.
Известна электрическая печь для обжига вермикулитовых концентратов (RU №2351862, МПК F27B 9/00, опубликовано 10.04.2009), содержащая противни, выполненные из огнеупорного материала, установленные под углом друг к другу, снабженные электрическими нагревателями и крышками, электрические нагреватели выполнены в виде лент, установленных на ребро и размещены под крышками на поверхностях противней продольно, так что пространства между соседними нагревателями образуют продольные камеры.
Общими признаками с заявляемой полезной моделью являются противень, выполненный из огнеупорного материала, электрические нагреватели, выполненные в виде лент, и крышка, при этом электрические нагреватели размещены на поверхностях противней.
Указанная печь обладает следующими недостатками.
Вермикулит движется по наклонным противням под действием сил тяжести, поэтому скорость его вспучивающихся зерен в верхней части противней практически равна нулю, а в нижней части становится максимальной: зерна разгоняются. В верхней части противня концентрация зерен максимальна и между ними почти нет пустот. По мере движения скорость зерен возрастает, а пустоты между ними увеличиваются, концентрация зерен снижается, в нижней части противня она становится минимальной, а среднее расстояние между ними становится намного больше средних размеров самих зерен. Поэтому в средней и особенно в нижней частях противня, зерна, удаляясь друг от друга, создают пустоты, в которых существенная часть теплового излучения нагревателей не поглощается вермикулитом, а нагревает воздух, движущийся в пространстве под крышкой навстречу потоку вермикулита из-за перепада температур в нижней и верхней частях противня, нагревает огнеупорное основание и крышку. Эта часть тепловой энергии рассеивается в пространство корпуса печи, а потом и в окружающую среду. Таким образом, ускоренное движение вспучивающихся зерен вермикулита, вызывающее образование все возрастающих пустот между зернами, является причиной потерь тепловой энергии, причиной снижения коэффициента полезного действия печи и увеличения удельной энергоемкости обжига.
Кроме того, в данной печи невозможно управлять скоростью движения зерен вспучивающегося вермикулита, что исключает возможность управления продолжительностью обжига.
Большинство вермикулитовых зерен на значительных отрезках движения находятся в состоянии периодического контакта с нагревателями, что приводит к постепенному налипанию на них мельчайших частиц различных минералов, входящих в незначительных количествах в состав природного вермикулита. При этом на поверхностях нагревателей постепенно образуется нагар, который приводит к их локальному перегреву, перегоранию, отказу печи, ее вынужденному простою и необходимости ремонта.
Известна также электрическая печь с вибрационной подовой платформой (RU №166554, МПК F27B 9/06, опубликовано 27.11.2016), содержащая противень из огнеупорного материала, электрические нагреватели, вибрационную подовую платформу с эксцентриковым приводом, цилиндрическими и коническими пружинами, установленными с противоположных сторон платформы, снабженной роликами, размещенными в направляющих рамы, противень, установленный на платформе, термокрышку, закрепленную на раме над противнем, крепежные головки с зажимами для электрических нагревателей, закрепленные на одной стороне термокрышки и блоки с проточкам из жаростойкой стали для удержания электрических нагревателей в натянутом состоянии, установленные на другой ее стороне в горизонтальной плоскости, посаженные на термостойкие втулки из диэлектрического материала, которые через траверсы и стальные канатики соединены с вертикально висящими грузами, канатики пропущены через другие блоки, имеющие диэлектрические втулки, посаженные на горизонтальную ось, закрепленную на термокрышке.
Общими признаками с заявляемой полезной модели являются противень из огнеупорного материала, рама, электрические нагреватели, вибрационная подовая платформа, эксцентриковый привод, пружины, крепежные головки с зажимами для электрических нагревателей и термокрышка.
Указанная печь обладает следующим недостатками.
Электрические нагреватели располагаются над движущимся вспучивающимся вермикулитом с некоторым зазором, и вермикулит поглощает только энергию температурного излучения, мощность падающего потока которого зависит от расстояния между электрическими нагревателями и вермикулитом. Так как между ними имеет место зазор, то существенная часть лучистой энергии теряется.
Во вспучиваемом вермикулите всегда присутствуют зерна, превышающие в 2…3 раза размерами средний размер (их 5…10% по массе в исходном концентрате). Эти зерна при движении под электрическими нагревателями вступают в непосредственный контакт с ними, что приводит к постепенному налипанию мельчайших частиц различных не тугоплавких минералов, входящих в состав природного вермикулита. При этом на поверхности электрических нагревателей образуется нагар, который постепенно приводит к их локальному перегреву, перегоранию и отказу печи.
Кроме того, конструкция аналога является чрезмерно сложной и весьма металлоемкой, так как в нее входят массивная рама подовой платформы с роликами, направляющие рамы самой печи, в которых платформа совершает возвратно-поступательное движение, а также закрепленные на одной стороне термокрышки блоки с проточкам из жаростойкой стали для удержания электрических нагревателей в натянутом состоянии, установленные на другой ее стороне в горизонтальной плоскости, посаженые на термостойкие втулки из диэлектрического материала, которые через траверсы и стальные канатики соединены с вертикально висящими грузами, другие блоки, имеющие диэлектрические втулки, посаженные на горизонтальную ось, закрепленную на термокрышке.
За прототип принята электрическая печь для получения вспученного вермикулита из вермикулитовых концентратов (RU №179059, МПК F27B 9/06, опубликовано 25.04.2018), содержащая противни из огнеупорного материала, раму, электрические нагреватели, вибрационную подовую платформу с эксцентриковым приводом, цилиндрические и конические пружины, установленные с противоположных сторон платформы, ролики, размещенные в направляющих рамы, крепежные головки с зажимами для электрических нагревателей и термокрышки, закрепленные на раме, отличающаяся тем, что противни выполнены из диэлектрического огнеупорного материала и размещены на раме под подовыми плитами вибрационной подовой платформы, выполненными из жаростойкой стали, электрические нагреватели выполнены П-образными из полосового нихрома, плашмя уложены на поверхностях противней и закреплены со стороны эксцентрикового привода вибрационной подовой платформы на крепежных головках зажимами, а термокрышки установлены над подовыми плитами с зазором.
Недостатком является то, что конструкция прототипа отличается чрезмерной сложностью и является металлоемкой, так как в нее входят массивная подвижная рама вибрационной подовой платформы с продольными балками и осями, на которых установлены ролики, размещенные в направляющих неподвижной рамы печи, в которых платформа совершает возвратно-поступательное движение, а к вибрационной платформе приварены пластины, к которым в свою очередь приварены подовые плиты, которые могли бы сами быть подвижными и без роликов, рамы и направляющих совершать возвратно-поступательное движение в процессе обжига вермикулита, обеспечивая низкую металлоемкость и относительно простую и легкую конструкцию печи в целом. А, следовательно, печь могла бы быть дешевле при изготовлении и в производственной эксплуатации.
Общими признаками с заявляемой полезной моделью являются противень из диэлектрического огнеупорного материала, рама печи и термокрышка, крепежные головки с зажимами, П-образные электрические нагреватели, выполненные из полосового нихрома, уложенные плашмя на поверхность противня и закрепленные на крепежных головках зажимами,  вибрационная подовая платформа с подовыми плитами, эксцентриковый привод, пружины, причем противни размещены на раме под вибрационной подовой платформой, а термокрышки установлены над ней.
Заявляемая полезная модель направлена на упрощение конструкции печи и, за счет этого, на снижение ее металлоемкости, стоимости при изготовлении и эксплуатации.
Технический результат полезной модели заключается в упрощении конструкции печи и, за счет этого, в снижении ее металлоемкости, а также стоимости при изготовлении и эксплуатации.
Указанный технический результат достигается тем, что электрическая печь для получения вспученного вермикулита из вермикулитовых концентратов, содержащая противень из диэлектрического огнеупорного материала, раму печи, термокрышку, крепежные головки с зажимами, закрепленные на раме печи, П-образные электрические нагреватели, выполненные из полосового нихрома, уложенные плашмя на поверхность противня и закрепленные на крепежных головках зажимами,  вибрационная подовая платформа, эксцентриковый привод, приводящий ее в возвратно-поступательное движение и пружины, противни размещены на раме печи под вибрационной подовой платформой, термокрышки установлены над ней. При этом вибрационная платформа сама является подовой плитой, выполненной из жаростойкого листового металла, подвешена на пружинах, размещенных по ее краям горизонтально с одной и другой стороны и снабженных натяжителями и размещена над П-образными электрическими нагревателями противня, а термокрышка снабжена отражателями, которые ограничивают выход теплового излучения с поверхности подовой плиты со стороны пружин и одновременно ограничивают возможность ссыпания вспучивающегося вермикулита по краям подовой плиты.
За счет вращения эксцентрика эксцентрикового привода с заданной частотой вибрационная подовая платформа, сама являющаяся подовой плитой, совершает продольные колебания, которые при установке печи по углом 19…23 град. к горизонту, вызывают движение сплошного без зазора между зернами потока вспучивающегося вермикулита по поверхности подовой плиты, разогретой до нужной температуры полосовыми нихромовыми нагревателями, размещенными под ней на поверхности противня. За счет пружин, предварительно натянутых натяжителями, расширяющаяся при нагреве подовая плита остается натянутой, обеспечивая ровную горизонтальную поверхность, по которой движется вермикулит.
Изменение скорости движения вермикулитового потока обеспечивается за счет регулирования угла наклона печи или за счет изменения частоты вращения эксцентрика.
Отличительными признаками заявляемой полезной модели является то, что вибрационная платформа сама является подовой плитой, выполненной из жаростойкого листового металла, подвешена на пружинах, размещенных по ее краям горизонтально с одной и другой стороны, снабженных натяжителями и размещена над П-образными электрическими нагревателями противня, а термокрышка снабжена отражателями теплового излучения.
Наличие отличительных признаков позволяет сделать вывод о соответствии заявляемой полезной модели условию патентоспособности «новизна».
На фиг. 1 схематично показана электрическая печь для получения вспученного вермикулита из вермикулитовых концентратов.
На фиг. 2 схематично показано сечение I-I по фигуре 1.
На фиг. 3 схематично показан фрагмент комплекта полосовых нагревателей.
На фиг. 4 схематично показан натяжитель пружин.
Электрическая печь для получения вспученного вермикулита из вермикулитовых концентратов, показанная на фигурах 1, 2, 3 и 4, содержит противень 1 из диэлектрического огнеупорного материала (например – огнеупорного кирпича), размещенный на раме печи, П-образные электрические нагреватели 2, уложенные плашмя на его поверхность, термокрышку 3 с ребрами жесткости и отражателями теплового излучения 4, вибрационную подовую платформу, выполненную из жаростойкого листового металла в виде подовой плиты 5, подвешенной на пружинах 6, размещенных по ее краям горизонтально с одной и другой стороны в натяжителях 7, закрепленных на стойках 8, приваренных к раме печи.
Эксцентриковый привод содержит эксцентрик 9, посаженный на вал регулируемого электродвигателя 10, сопряжен эксцентриком 9 с торцевой частью подовой плиты 5.
П-образные электрические нагреватели 2 из полосового нихрома (см. фиг. 3) закреплены на крепежных головках 11 зажимами 12 с помощью резьбовых соединений 13, термокрышка 3 имеет термоизоляционный слой 14, а натяжитель 7 содержит винт с квадратной головкой под ключ и натяжную гайку (см. фиг. 4).
Электрическая печь для получения вспученного вермикулита из вермикулитовых концентратов работает следующим образом. Электрические нагреватели 2 подключают к сети и прогревают диэлектрический огнеупорный материал противня 1 и подовую плиту 5. При этом пружины 6, предварительно натянутые натяжителями 7, компенсируют расширение нагревающейся подовой плиты 5 и она остается натянутой, обеспечивая ровную горизонтальную поверхность.
Быстрому прогреву противня 1 и подовой плиты 5, выходу печи на установившийся тепловой режим и дальнейшему поддержанию температуры подовой плиты 5 на уровне 550…600°С способствует узкое пространство между противнем 1 и подовой плитой 5 (зазор 4…5 мм), низкая теплопроводность термоизоляционного слоя 14 термокрышки 3, а также отражатели  теплового излучения 4.
При нагревании электрические нагреватели 2, закрепленные на крепежных головках 11 зажимами 12, из-за температурной деформации удлиняются, но противни 1 не препятствуют этому удлинению, так как электрические нагреватели 2 просто лежат на поверхности противня 1 плашмя и закреплены только с одной стороны.
При включении эксцентрикового привода вращение эксцентрика 9 с эксцентриситетом е задает возвратно-поступательное движение подовой плите 5 через ее торцевую часть, с частотой, не превышающей собственную частоту колебаний подовой плиты 5 (в пределах 17…12 Гц). Амплитуда колебаний подовой плиты 5 при этом равна эксцентриситету е эксцентрика 9, а сами колебания происходят в ее собственной плоскости.
Вермикулитовый концентрат подается в печь на обжиг через лоток, (сырье, см. фиг. 1), расположенный с противоположной эксцентриковому приводу стороны. Попадая на поверхность подовой плиты 5, совершающей колебания, при условии установки печи под углом к горизонту 19…23 град., он начинает двигаться по поверхности подовой плиты 5 в сторону от лотка к эксцентриковому приводу в течение 2,5…3,5 сек (в зависимости от крупности частиц).
Так как вермикулитовые частицы находятся на поверхности подовой плиты 5, раскаленной до температуры 550…600°C, при движении вермикулитовых частиц по ее поверхности происходит передача частицам вермикулита тепловой энергии за счет температурного излучения, идущего от подовой плиты 5 (в том числе – отраженного излучения от внутренней поверхности термокрышки 3 и ее отражателей 4), за счет кондукции через постоянный контакт частиц с подовой плитой 5 и за счет конвекциии от раскаленного воздуха, проходящего между подовой плитой 5 и  термокрышкой 3. Эти процессы теплопередачи в комплексе позволяют быстро за 2,5…3,5 сек обеспечить вспучивание вермикулита.
Подбирая время обжига и температуру электрических нагревателей 2, можно настроить работу печи на требуемый режим в зависимости от размерности вермикулитового концентрата и его вида.
Из описания полезной модели очевидно, что конструкция электрической печи для получения вспученного вермикулита из вермикулитовых концентратов устраняет недостаток прототипа.
Так достигается технический результат полезной модели, заключающийся в упрощении конструкции печи и, за счет этого, в снижении ее металлоемкости, а также стоимости при изготовлении и эксплуатации.