СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ СТЕКЛЯННЫХ МИКРОШАРИКОВ Российский патент 1997 года по МПК C03B19/10 

Изобретение относится к области неорганических мелкодисперсных наполнителей, а именно стеклянных микрошариков, которые могут быть использованы в качестве наполнителя пластмасс в химической промышленности, для струйно-абразивной обработки металлоизделий в машиностроении и других отраслях промышленности.

Известен способ получения стеклянных микрошариков (а.с. СССР N 353399, 1972), включающий виброподачу исходного порошка стекла к устью газовой горелки, оплавление подогретого стеклянного порошка в высокотемпературном потоке газов, направляемом в горизонтальную водоохлаждаемую трубку. Последняя служит своеобразным реактором, в котором происходит формование стеклянных микрошариков. Рассматриваемое техническое решение имеет ряд недостатков, значительно снижающих технико-экономические характеристики процесса получения микрошариков. Используемый способ дозирования стеклопорошка на разогретый вибрирующий наклонный желоб не обеспечивает равномерное дозирование полидисперсных порошков стекла, содержащих разные по размеру частицы. Это в значительной степени относится к частицам с размерами менее 100 мкм. При этом происходит нарушение равномерности подачи порошка в горелку, образование из мелких частиц плохо сыпучих агломератов, что приводит к снижению выхода качественных микрошариков. Кроме того, горизонтальная схема формования предполагает высокие скорости движения температурного газового потока и вместе с ним частиц стекла. При этом велика вероятность образования дефектных частиц несферической формы из-за недостаточного времени нахождения в зоне формования.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является способ получения стеклянных микрошариков (патент ГДР N 236916 A 5), заключающийся в подаче порошка предварительно измельченного стекла в дозирующее устройство, непрерывном дозировании микропорошка в поток нагретого воздуха-носителя, формовании стеклянных микрошариков в высокотемпературном потоке газов в печи формования, охлаждении отформованных частиц в газовоздушном потоке, их отделении от газовоздушного потока в сепараторе. Недостатком способа является низкоэффективный способ дозирования порошков стекла, заключающийся в засыпке исходного микропорошка в пространство между внешней стенкой печи формования и специальной теплоизолирующей "рубашкой" и подачей стеклопорошка через узкое отверстие в предварительно нагретый транспортирующий поток воздуха. При этом по данному способу невозможно использовать порошки и соответственно получение микрошариков с размерами частиц менее 80 мкм, так как в противном случае нарушается процесс самопроизвольной непрерывной подачи порошка и формования микрошариков. Кроме того, для транспортирования стеклопорошка в печь формования используется лишь частично подогретый воздух, причем его нагрев осуществляется на горизонтальном, более охлажденном участке газохода, соединяющем печь формования и сепаратор-циклон, снижая, тем самым, эффективность способа с точки зрения энергозатрат. Используемое в прототипе для формования микрошариков горелочное устройство может быть использовано для получения микрошариков из стекла только одного (или близкого по вязкости) состава, так как при необходимости изменения температуры пламени изменяется температурный профиль зоны формования, что приводит к существенному снижению качества микрошариков. Следует также отметить, что в прототипе используется горелка внутреннего смешения (газа и воздуха), являющаяся небезопасной при эксплуатации и требующая дополнительных затрат, обеспечивающих безопасную и надежную эксплуатацию установки.

Технической задачей изобретения является снижение энергозатрат на изготовление стеклянных микрошариков, повышение их качества и увеличение производительности.

Данный технический результат достигается тем, что в способе получения стеклянных миркошариков, заключающемся в подготовке микропорошков стекла, подаче микропорошка в печь формования, формовании стеклянных микрошариков в высокотемпературном газовом потоке, охлаждении отформованных частиц в газовоздушном потоке, их отделении от газовоздушного потока в сепараторе, подготовку микропорошков стекла осуществляют путем совмещения процессов измельчения исходного стеклогранулята (стеклобоя) и классификации стеклопорошка по размерам, транспортировку микропорошков стекла в печь формования осуществляют сжатым воздухом, разогретым до высокой температуры в специальном теплообменнике, установленном на выходе из печи формования. При этом нагрев сжатого воздуха осуществляется отходящими от печи формования газами. Частицы исходного стекла подаются нагретым воздухом в зону формования печи, которая формируется специальным горелочным устройством, состоящим из трех форсунок, концентрично расположенных вокруг устья пневмотранспортной системы. Отформованные в высокотемпературном потоке газов стеклянные микрошарики охлаждаются за счет подсоса холодного атмосферного воздуха. Отделение основной массы микрошариков от газовоздушного потока осуществляется в первом сепараторе. Наиболее мелкие частицы отделяют от газовоздушного потока во втором сепараторе. Микрошарики, уловленные в первом сепараторе дополнительно подвергаются классификации по размерам.

Совмещение процессов измельчения исходного стекла и классификации порошков позволяет получить однородные по гранулометрическому составу порошки с хорошей сыпучестью, что обеспечивает равномерное непрерывное дозирование и однородное распределение частиц стекла в зоне формования. При этом повышается качество изготавливаемых стеклянных микрошариков.

Применение в качестве транспортирующего газа сжатого воздуха, нагреваемого до высокой температуры (не превышающей температуру размягчения стекла) отходящими от печи формования газами в спиральном теплообменнике, установленном на выходе из печи формования, позволяет использовать тепло отходящих газов. При этом происходит подогрев не только воздуха, направляемого частично на сгорание топлива, но и частиц стекла. Причем такой предварительный нагрев частиц в непрерывном потоке нагретого воздуха происходит равномерно по сечению потока. Этой же цели снижению энергозатрат, экономии топлива, служит подогрев воздуха на горение, принудительно подаваемый в пространство между жаровой трубой и внешней стенкой печи формования. При этом жаровая труба, состоящая из конических царг, входящих одна в одну с кольцевым зазором, играет роль рекуператора для подогрева воздуха, поступающего на сжигание топлива. Это не только значительно снижает энергозатраты на проведение процесса формования микрошариков, но и улучшает их качество. Высокую эффективность процесса обеспечивает подача нагретого воздуха через кольцевые зазоры между коническими царгами жаровой трубы, так как в этом случае образуется воздушная "рубашка" между жаровой трубой и пламенем горелочного устройства, исключающая контакт частиц стекла со стенками камеры печи. Тем самым предотвращается возможность налипания частиц стекла на стенки камеры, их деформация, то есть повышается качество отформованных микрошариков.

На фиг. 1 изображена принципиальная схема получения стеклянных микрошариков. В состав основного оборудования для получения микрошариков входят измельчитель стеклогранулята со встроенным воздушно-механическим классификатором 1, сепаратор-циклон 2 для отделения от потока воздуха измельченных частиц стекла, направляемых в дальнейшем на формование микрошариков, рукавный фильтр 3 для отделения стеклянной пыли и очистки сбрасываемого воздуха в атмосферу, вентилятор 4, обеспечивающий газодинамический режим работы измельчителя и сепараторов, питатель микропорошков стекла 5, воздушный эжектор 6, печь формования микрошариков 7, сепаратор-циклон 8 для отделения основной массы сферических частиц от газовоздушного потока, сепаратор 9 для выделения микрошариков маленького размера (менее 30 мкм), классификатор виброкипящего слоя 11 с сепараторами 12.1-12.3, хвостовые вентиляторы 10, 13 обеспечивающие газодинамические режимы работы соответственно печи формования и классификатора виброкипящего слоя.

Процесс изготовления стеклянных микрошариков осуществляется следующим образом. Исходный стеклогранулят (стеклобой) загружается в измельчитель с встроенным классификатором 1, в котором происходит его измельчение и предварительная классификация частиц стекла по размерам. Из классификатора порошок стекла потоком воздуха уносится в первый сепаратор 2, в бункере которого осуществляется сбор стеклопорошка, направляемого далее в печь формования. Поток воздуха после отделения основной массы частиц стекла в сепараторе 2 направляется в рукавный фильтр 3, в котором осуществляется эффективная очистка газовоздушного потока перед выбросом в атмосферу. Стеклянный порошок из бункера сепаратора 2 транспортируется в бункер питателя 5, из которого с помощью воздушного эжектора 6 поступает в пневмотранспортную систему 14. Транспортирование порошка в печь формования 7 осуществляется потоком сжатого воздуха, нагреваемого отходящими газами в спиральном теплообменнике 15, установленном в верхней части печи формования. Отформованные микрошарики охлаждаются в потоке газов за счет подсоса холодного атмосферного воздуха в верхней части печи формования. Отделение отформованных микрошариков от газовоздушного потока осуществляется последовательно в первом сепараторе 8 и втором сепараторе 9, причем во втором сепараторе происходит выделение наиболее мелких частиц. Стеклянные микрошарики, собранные в бункере сепаратора 8 транспортируются в классификатор виброкипящего слоя 11, где происходит разделение всей массы частиц по размерам на отдельные фракции, улавливаемые в сепараторах (12.1-12.3). Газодинамический режим работы установки формования и классификатора микрошариков по размерам обеспечивается работой хвостовых вентиляторов 10 и 13 соответственно.

Пример 1. Гранулят стекла алюмоборосиликатного состава (мас. содержание): 53,5 Si0₂, 10,0 B₂0₃, 15,0 Al₂0₃, 17,0 CaO, 4,5 MgO загружали в измельчитель со встроенным классификатором 1. В результате измельчения и классификации получен стеклопорошок с размерами частиц 10-160 мкм, который транспортировали в бункер питателя 5. Из него порошок с помощью воздушного эжектора 6 поступал в поток сжатого воздуха, нагретого в спиральном теплообменнике до температуры 380^oC. Расход сжатого воздуха составил при этом 27 м³/час. В потоке нагретого сжатого воздуха стеклопорошок подавался в печь формования через пневмотранспортную систему, выход из которой расположен осесимметрично в днище корпуса печи формования. Формование микрошариков проводили в восходящем пламени горелочного устройства при температуре 1200^oC. Расход топлива на три концентрически расположенные относительно оси печи форсунки составил 34 кг/час. Давление сжатого воздуха на распыление топлива составило 3,5 атм. Отформованные стеклянные микрошарики потоком отходящих газов перемещались в зону охлаждения, температура которой снижалась за счет подсоса холодного атмосферного воздуха до 200-220^oC. Основное количество микрошариков улавливали в первом сепараторе 8 и транспортировали затем в классификатор виброкипящего слоя 11. В классификаторе микрошарики разделяли на отдельные фракции, которые улавливали в сепараторах 12.1-12.3. Фракцию с наименьшим размером частиц (менее 30 мкм) улавливали во втором сепараторе 9. Таким образом, в результате получены следующие фракции высококачественных стеклянных микрошариков менее 30 мкм, 20-80, 50-125, 125-160 мкмк. Частицы имеют практически идеальную сферическую форму.

Пример 2. Стеклогранулят состава (мас. содержание): 66,7 Si0₂; 4,8 B₂0₃; 5,5 Al₂0₃; 5,5 CaO; 4,0 MgO; 13,5 Na₂O загружали в измельчитель со встроенным классификатором 1, измельчали и классифицировали порошки стекла по размерам, после чего в первом сепараторе 3 улавливали частицы стекла, имеющие размеры 15-140 мкм. Аналогично примеру 1 стеклопорошок подавали потоком нагретого до температуры 290^oC сжатого воздуха при расходе последнего 25 м³/час. Формование стеклянных микрошариков осуществляли при температуре 1150^oC. Расход топлива при этом составил 27 кг/час. Давление сжатого воздуха на распыление топлива составило 3,2 атм. Отформованные микрошарики поступали в зону охлаждения, температура в которой за счет подсоса холодного атмосферного воздуха составляла 190-200^oC. Аналогично примеру 1 высококачественные стеклянные микрошарики подвергали двухстадийной классификации по размерам, в результате чего получены следующие фракции: менее 30 мкм, 20-80, 50-125, 125-140 мкм.

Изобретение относится к области неорганических мелкодисперсных наполнителей, а именно стеклянных микрошариков, которые могут быть использованы в качестве наполнителя пластмасс в химической промышленности, для струйно-абразивной обработки металлоизделий в машиностроении и других отраслях промышленности. Сущность изобретения заключается в том, что подготовку микропорошков стекла осуществляют путем совмещения процессов измельчения исходного стеклогранулята и классификации порошков стекла. Подачу микропорошков стекла в печь формования производят предварительно нагретым сжатым воздухом (подогрев осуществляется в теплообменнике спирального типа отходящими от печи формования газами). Формование микрошариков осуществляют в газопламенном потоке, создаваемом горелочным устройством, состоящим из концентрически расположенных относительно оси печи формования форсунок, причем газопламенный поток для формования микрошариков создается внутри жаровой трубы, состоящей из конических царг, входящих одна в другую с кольцевым зазором. Воздух, подаваемый на горение топлива, предварительно нагревается в пространстве между внешним кожухом печи формования и жаровой трубой при принудительном нагнетании воздуха в верхнюю часть печи. А охлаждение отформованных микрошариков осуществляется за счет подсоса холодного атмосферного воздуха, после чего микрошарики подвергаются дополнительно двухступенчатой классификации по размерам. 1 ил.

Способ получения стеклянных микрошариков путем подачи микропорошков стекла в дозирующее устройство, формования микрошариков в печи формования в высокотемпературном газовом потоке, охлаждения отформованных микрошариков в газовоздушном потоке, их отделения от газовоздушного потока в сепараторе, отличающийся тем, что предварительно осуществляют двуступенчатую классификацию микропорошка.