ПЛАВИЛЬНАЯ ПЕЧЬ Российский патент 1996 года по МПК F27B3/02 

Изобретение относится к конструкции комбинированных шахтноотражательных плавильных печей для приготовления минеральных расплавов на заводах по производству минеральной ваты, базальтового картона, каменного литья и других строительных материалов.

Массовое их производство, в котором суммарный объем достигает нескольких десятков миллионов тонн в год, обусловливает два трудносовместимых требования к плавильным печам:
Во-первых, они должны обеспечивать минимальный удельный расход энергии в расчете на единицу массы расплава;
во-вторых, они должны быть как можно более надежными в эксплуатации.

Раздельное выполнение этих требований не встречает существенных затруднений.

Например, термический КПД шахтных плавильных печей, в которых теплообмен между газообразным теплоносителем и шихтой происходит при фильтрации теплоносителя через слой, может достигать 50.60% (см.Справочник по чугунному литью под ред. Гиршовича Н.Г. Л. Машиностроение, 1978).

Однако, такая энергетическая эффективность достижима лишь при расплавлении кусковой металлической шихты, поскольку металлы и их сплавы переходят из твердого состояния в жидкое в узком интервале температур в момент разрушения кристаллической решетки, а низкая вязкость металлических расплавов способствует быстрому стеканию жидкости с поверхности металлического куска шихты, при этом не ухудшается газопроницаемость слоя и не нарушается устойчивость непрерывного процесса плавления шихты.

Минералы же переходят из твердого состояния в жидкое в широком температурном интервале, постепенно подплавляясь в кусках с поверхности. Подплавленные куски в силу низкой вязкости оставшегося на поверхности куска расплава слипаются между собой и прилипают к огнеупорной футеровке, перекрывая каналы для прохода газообразного теплоносителя, а иногда и закупоривая шахту.

Поэтому для плавления минералов не применяют шахтных печей, а применяют гораздо менее экономичные /с термическим КПД порядка 25%/ отражательные печи с ваннами, в которые с одной стороны загружают кусковое сырье, а с другой отбирают расплав на переработку /см. например, описание изобретения к а.с. СССР N 622768, опубл. 05.09.78/.

Вполне очевидно, что в подовых отражательных печах исключено зависание расплавляемого материала /что характерно для шахтных печей/ и существенно облегчено регулирование химического состава расплава в ванне и доводка расплава до требуемого температурного интервала.

В последнее время возникло стремление к разработке комбинированных печей, имеющих шахту и использующих ее преимущества по предварительному нагреву шихты, и ванну с отражательным сводом с преимуществами ее по доводке расплава по химсоставу и температуре.

Из числа таких конструкций к предлагаемой наиболее близка плавильная печь по патенту Великобритании N 1395229 /пуб. 1975/. Печь-прототип имеет 2 шахту, имеющую загрузочное окно, приспособление для загрузки шихты в шахту, ванну для расплавления шихты и доводки расплава, оборудованную леткой и сообщающуюся с шахтой, водоохлаждаемый корпус /"водяную ванну"/, охватывающую ванну, в которой происходит расплавление шихты, теплоотражающий огнеупорный свод, которым накрыта ванна, систему газового отопления (выполненную, в частности, в виде газовой горелки, вмонтированной в торцевую стенку ванны над леткой так, что геометрическая ось горелки параллельна или наклонена под острым углом к своду), газоход для удаления отработавших продуктов сгорания в атмосферу (выполненный, в частности, как сказано в тексте описания изобретения к патенту после перечня фигур на чертежах, в виде канала в своде).

В описанной печи разогрева шихты факелом горелки происходит только на выходе из загрузочной шихты, проем которой не связан с газоходом и заблокирован шихтовым материалом. Плавление же шихты происходит лишь под сводом ванны, причем существенная часть шихты, расположенная на дне ванны, не плавится вообще, выполняя роль теплоизолятора, который предохраняет готовый расплав от переохлаждения циркулирующей в "водяной ванне" водой. Поэтому производительность описанной печи низка, а удельный расход энергии высок.

Кроме того, при колебаниях расхода расплава на последующую переработку возможны ситуации, когда вслед за интенсивным разогревом поступающей из шихты в ванну шихты, связанным со скачкообразным увеличением отбора расплава, последует укорочение факела, и подплавленная шихта на выходе из шахты переохладится и зависнет. Поэтому эксплуатационная надежность описанной печи также недостаточна.

В основу изобретения положена задача путем усовершенствования взаимосвязи шахты и ванны и перераспределения потоков газообразного теплоносителя создать такую комбинированную плавильную печь, которая обеспечивала бы повышение производительности и уменьшение удельных энергозатрат и обладала бы большей эксплуатационной надежностью.

Поставленная задача решена тем, что в плавильной печи, содержащей шахту, имеющую загрузочное окно и оборудованную приспособлением для загрузки сыпучей шихты; ванну для расплавления шихты и доводки расплава, сообщающуюся с нижней частью шихты, имеющую летку для выдачи расплава и накрытую теплоотражающим огнеупорным сводом; систему газового отопления и газоход для удаления отработавших продуктов сгорания; согласно изобретению, нижняя часть шахты и ванна соединены футерованным переходным каналом, подина которого наклонена к горизонтали под углом, равным или большим угла естественного откоса сыпучего шихтового материала; газоход подключен к шахте выше уровня загрузочного окна и оборудован снабженным воздуходувкой рекуперативным теплообменников-воздухоподогревателем, выход которого подключен к системе газового отопления; а к удаленному от ванны участку упомянутого переходного канала подключен байпасный газоотвод, замкнутый на шахту перед теплообменником воздухоподогревателем.

При такой форме выполнения и взаимосвязях частей комбинированной плавильной печи существенная часть тепла, необходимого для расплавления шихты, подводится к ней еще в шахте и переходном канале, причем в зависимости от теплофизических свойств шихты и интенсивности отбора расплава на переработку обеспечивается надежное регулирование температуры шихты на выходе из шихты, исключающее слипание кусков и зависание шихтового материала в проеме. Перераспределение потока отходящих газов и их регулирование между шихтой и байпасным газоотводом обеспечивает, в частности, эффективное использование тепла продуктов сгорания независимо от того, служит ли это тепло непосредственному нагреву шихты в шахте или затрачивается на подогрев воздуха в системе отопления. Поэтому, несмотря на общеизвестность порознь взятых теплообменников-рекуператоров, байпасов и др. элементов печи, заявленная совокупность признаков соответствует критерию "изобретательский уровень" и обеспечивает повышение производительности и эксплуатационной надежности и снижение удельных энергозатрат.

Первое дополнительное отличие состоит в том, что нижняя часть шахты снабжена пустотелой воздухоохлаждаемой насадкой, вход в полость которой подключен к ответвлению нагнетательного воздухопровода за воздуходувкой, а выход из полости которой открыт в пространство между шахтой и входным участком переходного канала. Тем самым практически полностью исключается избыточный подвод тепла к шихте и чрезмерное размягчение и зависание шихты в шахте.

Второе дополнительное отличие состоит в том, что байпасный газоотвод снабжен регулятором расхода протекающих через него продуктов сгорания, управляемым от датчика температуры в нижней части шахты. Тем самым обеспечивается дополнительное регулирование количества тепла, поступающего к шихте, и, следовательно, температуры шихты на выходе из шахты в переходный канал за счет перераспределения тепловых потоков в печном пространстве.

Третье дополнительное отличие состоит в том, что на входе в переходный канал под проемом шахты установлен толкатель для принудительного сталкивания шихты на подину переходного канала, что оказывается наиболее целесообразным при использовании шихты с существенным разбросом размеров и форм ее частиц.

Четвертое дополнительное отличие заключается в том, что система газового отопления снабжена по меньшей мере двумя газовыми горелками, причем часть горелок (по меньшей мере одна) установлена в своде над ванной, а другая часть в своде переходного канала. Такое выполнение системы газового отопления наиболее целесообразно при расплавлении особо тугоплавкой шихты.

Пятое дополнительное отличие состоит в том, что в своде и стенках ванны перед леткой с зазором относительно дна ванны установлена огнеупорная поперечная перегородка, отделяющая зону доводки расплава, для которой характерно пониженное давление газов, от зоны повышенного давления газов и интенсивного плавления шихты, а в своде ванны между указанной перегородкой и леткой установлена дополнительная газовая горелка. При такой конструкции ванны достигаются оптимальные условия для доводки расплава при колебаниях его расхода на последующую его переработку в связи с хорошим доступом к части ванны перед выпускной леткой и возможностью ввода модификаторов.

Далее сущность изобретения поясняется подробным описанием конструкции и работы предлагаемой плавильной печи со ссылкой на прилагаемый чертеж, где изображена предлагаемая плавильная печь в продольном разрезе.

Плавильная печь имеет последовательно (по ходу процесса) расположенные шахту 1, переходной канал 2 и ванну 3.

Шахта 1 имеет вид преимущественно цилиндрического канала, ограниченного на всем протяжении металлическим кожухом 4 и частично огнеупорной футеровкой 5. В верхней части шахты 1 имеется загрузочное окно 6, к которому примыкает транспортер 7 (например, скиповый подъемник) для подачи минеральной шихты в проем шахты 1. Над загрузочным окном 6 последовательно (по направлению движения отходящих газов) установлены рекуперативный теплообменник - воздухоподогреватель 8 с воздуходувкой 9 и лабиринтный пылеосадитель 10 с не показанным на чертеже средствами выгрузки уловленной пыли. Воздуходувка 9 подключена ко входу воздухоподогревателя 8 нагнетательным воздухопроводом 11. Нижняя часть шахты 1 обычно оборудована пустотелой воздухоохлаждаемой насадкой 12, полость которой подключена ответвлением 13 к нагнетательному воздухопроводу 11. На ответвлении 13 установлен регулятор 14 расхода воздуха на охлаждение, который может управляться как вручную, так и с помощью широко известных средств автоматизации управления. Проем шахты 1 на ее протяжении выше загрузочного окна 6, и газопропускные каналы лабиринтного пылеосадителя 10 служат основным газоходом для выпуска продуктов сгорания используемого при эксплуатации печи топлива в атмосферу. При этом огнеупорная футеровка 5 простирается от верхнего уровня насадки 12 до входа в воздухоподогреватель 8.

Переходный канал 2 имеет футерованные огнеупорами подину 15, наклоненную к горизонтали под углом, равным или большим угла естественного откоса сыпучего шихтового материала, и свод 16 с боковыми стенками.

Ванна 3, полностью футерованная изнутри огнеупорным материалом, имеет летку 17 для выпуска минерального расплава на переработку. На практике целесообразно оборудовать ванну огнеупорной поперечной перегородкой 18, которая должна быть закреплена в своде и боковых стенках ванны и установлена с зазором относительно дна ванны. Эта перегородка 18 служит для отделения прилегающей к летке 17 зоны доводки расплава, для которой характерно пониженное близкое к атмосферному избыточное давление, от прилегающей к переходному каналу 12 зоны интенсивного плавления шихты с существенным давлением газов.

Верхняя часть переходного канала 2, прилегающая к выходному участку шахты 1, в частности, к воздухоохлаждаемой насадке 12, выход которой открыт в пространство между шахтой 1 и входным участком переходного канала 2, связана с байпасным газоходом 19. Этот газоход 19 замкнут на шахту 1 выше загрузочного окна 6 перед воздухоподогревателем 8, служит для оптимизации распределения тепловой нагрузки на шихту, нагреваемую в проеме шахты 1 ниже загрузочного окна 6 и на воздухоподогреватель 8 и, как правило, снабжен регулятором 20 расхода продуктов сгорания через гахоход 19. Обычно такой регулятор 20 совместно с регулятором 14 расхода воздуха на охлаждение насадки 12 подключают к общему блоку 21 управления, срабатывающему в зависимости от температуры в нижней части шахты, контролируемой не показанным особо на чертеже датчиком.

В зависимости от теплофизических и механических свойств расплавляемых в печи минералов на входе в переходной канал 2 под проемом шахты может быть установлен толкатель 22 для принудительного перемещения нагретой в шахте 1 шихты на подину 15 переходного канала 2.

Печь может быть оборудована разными системами газового отопления, лишь одна из которых показана на чертеже. Во всех возможных системах обязательными частями будут по меньшей мере одна газовая горелка 23, подключенная к источнику горючего (обычно природного) газа, и воздухопровод 24, подключенный к воздухонагревателю 8.

Более конкретно, желательно иметь три сводовых двухпроводных горелки 23; одну в зоне доводки расплава в ванне 3 между перегородкой 18 и леткой 17; по меньшей мере одну в своде зоны интенсивного плавления минеральной шихты в ванне 3 и также по меньшей мере одну в своде 16 переходного канала 2. При этом каждая из горелок 23 будет подключена к разводящим коллекторам 25 газа и 26 подогретого воздуха.

Целесообразно также подключать коллектор 26 для подачи нагретого воздуха от воздухоподогревателя 8 по воздухопроводу 24 через промежуточный теплообменник типа "труба в трубе", внешняя труба 27 которого охватывает байпасный газоход 19, а над леткой 17 устанавливать зонт с дополнительным газоходом 28 для отвода продуктов сгорания газа из зоны доводки расплава в атмосферу.

Минеральные расплавы приготовляют в описанной комбинированной шахтно-отражательной плавильной печи следующим образом.

В период запуска при полностью свободном проеме шахты 1 и продолжающего ее газохода, полностью открытом регуляторе 20 расхода продуктов сгорания (дымовых газов) через байпасный газоход 19 и полностью закрытом регуляторе 14 расхода воздуха через ответвление 13 включают воздуходувку 9 и продувают полость ванны 3, переходного канала 2 и шахты 1 чистым воздухом. Затем на горелку 23 (или горелки, если их больше одной) в своде ванны 3, включая и горелку 23 в зоне доводки и выпуска расплава, и горелку (горелки) 23 в своде 16 переходного канала 2 подают газообразное топливо и нагревают футеровку печи до 1500.1600^oC (1773.1873 К). По мере нагрева футеровки до указанных температур расход продуктов сгорания через байпасный газоход 19 уменьшают, а регулятор 14 расхода воздуха через ответвление 13 увеличивают (последнее необходимо для исключения прогара полой насадки 12 на выходе из шахты 1).

При достижении указанной температуры транспортером 7 через окно 6 порциями заливают шихту в шахту 1 и сталкивают ее толкателем 22 на подину 15 переходного канала 2. Темп подачи шихты регулируют таким образом, чтобы каждая очередная порция успевала расплавиться и стечь по подине 15 в ванну 3. Как только уровень расплава в ванне 3 поднимается над нижним срезом перегородки 18 и возникнет подпор продуктов сгорания в части ванны, непосредственно сообщающейся с переходным каналом 2, в этом канале 2, шахте 1 и газоходах, подачу шихты транспортером 7 увеличивают и заполняют ею проем шахты 1 ниже уровня загрузочного окна 6, а затем подачу шихты регулируют, сообразуясь с отбором расплава через летку 17 на переработку.

Одновременно с заполнением проема шахты 1 твердой шихтой расход продуктов сгорания через байпасный газоход уменьшают, а расход воздуха через ответвление 13 и полость насадки 12 увеличивают таким образом, чтобы температура шихты на выходе из шахты 1 была максимально приближена к температуре начала плавления расплавляемого минерала, но подплавление и слипание частиц шихты и ее зависание в проеме шахты 1 исключались.

Выполнение указанных условий означает переход к квазистационарному режиму плавления шихты, в котором непрерывность плавления сочетается с дискретной (порционной) подачей шихты и непрерывным (возможно, колеблющимся) или периодическим отбором расплава из буферной емкости между перегородкой 18 и торцевой стенкой ванны 3.

Выбивающиеся из летки 17 продукты сгорания от горелки 23, установленной в зоне доводки и выдача расплава (т.е. упомянутой "буферной емкости") удаляются в атмосферу через зонт с дополнительным газоходом 28.

Использование: Изобретение относится к конструкциям комбинированных шахтноотражательных плавильных печей для приготовления минеральных расплавов на заводах по производству минеральной ваты, базальтового картона, каменного литья и других строительных материалов. Сущность: в плавильной печи нижняя часть шахты и ванна соединены футерованным огнеупором переходным каналом, подина которого наклонена к горизонтали под углом, равным или большим углу естественного откоса сыпучего шихтового материала, газоход шахты выше уровня загрузочного окна имеет рекуперативный теплообменник-воздухоподогреватель с воздуходувкой, выход которого соединен с системой газового отопления, а удаленный от ванны участок переходного канала соединен с байпасным газоотводом, соединенным с шахтой перед теплообменником-воздухоподогревателем. 5 з.п.ф-лы, 1 ил.

1. Плавильная печь для приготовления минеральных расплавов, содержащая шахту с загрузочным окном и приспособлением для загрузки сыпучей шихты, ванну для расплавления шихты и доводки расплава, сообщающуюся с нижней частью шахты, с леткой для выдачи расплава и теплоотражающим огнеупорным сводом, систему газового отопления и газоходов для удаления отработанных продуктов сгорания топлива, отличающаяся тем, что нижняя часть шахты и ванна соединены футерованным огнеупорами переходным каналом, подина которого наклонена к горизонтали под углом, равным или большим угла естественного откоса сыпучего шихтового материала, газоход соединен с шахтой выше уровня загрузочного окна и имеет рекуперативный теплообменник воздухоподогреватель с воздуходувкой, выход которого соединен с системой газового отопления, а удаленный от ванны участок переходного канала соединен с байпасным газоотводом, соединенным с шахтой перед теплообменником воздухоподогревателем. 2. Печь по п. 1, отличающаяся тем, что нижняя часть шахты выполнена с пустотелой воздухоохлаждаемой насадкой, вход в полость которой соединен с ответвлением нагнетательного воздухопровода за воздуходувкой, а выход из полости которой открыт в пространство между шахтой и входным участком переходного канала. 3. Печь по п.1, отличающаяся тем, что байпасный газопровод имеет регулятор расхода протекающих через него продуктов сгорания топлива, управляемый от датчика температуры в нижней части шахты. 4. Печь по п.1, отличающаяся тем, что на входе в переходный канал под проемом шахты установлен толкатель для принудительного сталкивания шихты на подину переходного канала. 5. Печь по п.1, отличающаяся тем, что система газового отопления имеет по меньшей мере одну газовую горелку, причем по меньшей мере одна горелка установлена в своде над ванной и по меньшей мере одна другая горелка установлена в своде переходного канала. 6. Печь по п.1, отличающаяся тем, что в своде и стенках ванны перед леткой с зазором относительно дна ванны установлена огнеупорная перегородка, отделяющая зону доводки расплава от зоны интенсивного плавления шихты, а на своде ванны в промежутке между леткой и перегородкой установлена дополнительная горелка.