ЭЛЕКТРОДУГОВАЯ ПЕЧЬ Российский патент 2002 года по МПК F27B14/00 F27B14/06 

Предлагаемое изобретение относится к устройствам для плавления различных металлических и неметаллических тугоплавких материалов, преимущественно для получения цементного клинкера различного состава, и может быть использовано в цементной промышленности и металлургии.

Известно устройство для получения плавленного цементного клинкера, содержащее плавильную камеру с подвижным верхним электродом, нижним электродом, загрузочным и разгрузочным устройством (Авторское свидетельство СССР N 320694, кл. F 27 В 9/06, 1970).

Недостатками известного устройства являются значительный расход подвижного электрода, неравномерность нагрева и плавления шихты. Все это приводит к недостаточной эффективности процесса плавления.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является установка для плавления материала, преимущественно цементной сырьевой смеси, содержащая заключенную в корпус и футерованную огнеупором камеру плавления, сводом со съемной крышкой, подвижным электродом, введенным в отверстие в своде и закрепленным на консоли в системе его вертикального перемещения, подом с неподвижным электродом, системой подачи обрабатываемого материала с каналом ввода в камеру и системой эвакуации расплава из камеры (Авторское свидетельство СССР N 1020732, кл. F 27 В 14/06, 1981).

Недостатком указанного устройства является неудовлетворительное (локализованное) перемешивание расплава и, как следствие, неудовлетворительное качество получаемого продукта, ненадежность системы слива расплава через летку, сложность розжига печи (зажигание электродуги) в ситуациях аварийных остановок без слива расплава и его застывании, а также плановых остановок без слива всего расплава.

Круглая форма корпуса печи ограничивает ее производительность, создание гарнисажной футеровки (из застывшего расплава), так как любая иная футеровка не выдерживает необходимых для плавления (например портландцементного клинкера) температур на уровне 1900-2100^oC.

Индукционный нагрев в известном устройстве имеет низкий КПД, что приводит к перерасходу электроэнергии на производство готового продукта.

В основу настоящего изобретения положена задача повышения производительности печи, качества готового продукта и снижения энергозатрат.

Согласно изобретению задача решается тем, что в электродуговой печи для плавления различных металлических и неметаллических тугоплавких материалов, преимущественно для получения цементного клинкера, содержащей заключенную в корпус и футерованную огнеупором камеру плавления, свод со съемной крышкой, подвижный электрод, введенный в отверстие в своде и закрепленный на консоли в системе его вертикального перемещения, под с неподвижным электродом, систему подачи обрабатываемого материала с каналом ввода в камеру и систему эвакуации расплава из камеры. Крышка свода выполнена в виде подвижного затвора, соединенного с приводом, обеспечивающим затвору возвратно-поступательное движение относительно свода, система вертикального перемещения электрода закреплена на затворе, консоль снабжена шарниром для изменения положения электрода в вертикальной плоскости, система эвакуации расплава выполнена в виде подовой летки в форме установленных друг на друга конфузора и диффузора, причем входной конфузор контактирует с внутренним пространством камеры, диффузор - с корпусом печи, а канал системы подачи обрабатываемого материала вмонтирован в подвижной затвор. Кроме того, камера плавления выполнена в виде тоннеля шириной по поду 2D-4D, а задняя стенка летки для эвакуации расплава размещена на расстоянии 0,1-1D от торцевой стенки камеры, где D - диаметр электрода; на подвижном затворе закреплен шарнирно в системе вертикального перемещения второй
электрод, причем расстояние между первым и вторым электродами у нижних концов составляет от 0 до 5D, где D - диаметр электрода; канал ввода обрабатываемого материала вмонтирован в подвижном затворе между подвижными электродами, а неподвижный электрод разделен по длине пода на ряд стержней, установленных друг от друга на расстоянии от 2 до 5D, где D - диаметр подвижного электрода, и объединенных вне корпуса печи общей токопроводящей шиной.

На фиг. 1 схематично изображен продольный разрез плавильной камеры электродуговой печи. На фиг. 2 изображен поперечный разрез плавильной камеры по АБВ. На фиг. 3 показан вид сверху на печь с вырывом в крышке над леткой для эвакуации расплава.

Водяное охлаждение корпуса и подводка электрокабелей к электродам от источника питания условно не показаны.

Электродуговая плавильная печь состоит из собственно плавильной камеры 1, которая заключена в металлический корпус 2 с внутренней гарнисажной футеровкой 3 боковых стен, пода 4 и свода 5. Свод имеет рубашку водяного охлаждения 6 и крышку в виде подвижного затвора 7. Последний имеет свою футеровку и водяное охлаждение (условно не показаны).

На затворе 7 в системе вертикального перемещения, состоящего из направляющей 8 мотор-редуктора привода 9, винта 10, ходовой гайки 11, консоли 12 и шарнира 13 в зажиме 14 закреплен подвижный электрод 15 (например катод, подключенный к системе питания постоянного тока). Электрод 15 проходит в продольные отверстия 16 и 17, соответственно в своде 5 для возможности перемещения вдоль плавильной камеры и в подвижном затворе 7 для наклона посредством шарнира 13 в вертикальной плоскости. Под 4 имеет неподвижный электрод 18 (например, анод, подключенный к противоположной фазе вышеуказанного источника питания), который может быть разделен на ряд стержней, одни концы которых вмонтированы в днище корпуса 2 и покрыты слоем футеровки, а вторые объединены общей токопроводящей шиной 19. Стержни 18 полые и охлаждаются изнутри водой (полости стержней условно не показаны).

Подвижней затвор 7 снабжен электроприводом, состоящим из мотор-редуктора 20 с двигателем постоянного тока с переменным числом оборотов. Мотор-редуктор 20 жестко закреплен вне корпуса 2 печи. Винт 21 привода соединен с ходовой гайкой 22, закрепленной на затворе 7. Затвор 7 имеет ролики 23, опирающиеся на реборды 24 свода 5. Система эвакуации расплава из плавильной камеры 2 выполнена в виде донной летки, состоящей из конфузора 25, контактирующего с рабочим пространством плавильной камеры 1 и диффузора 26, установленного на днище корпуса 2 и контактирующего выходной частью с наружным пространством.

Печь может быть снабжена также вторым электродом 27, система вертикального перемещения которого аналогична первому подвижному электроду 15. Система вертикального перемещения электрода 27 также жестко закреплена на затворе 7. В затвор 7 между электродами 16 и 27 вмонтирован канал (патрубок) 28 для ввода обрабатываемого материала в объем плавильной камеры.

В торцевую стенку плавильной камеры 1 вмонтирована дополнительная летка из жаропрочного материала, состоящая из наклонной жаропрочной плиты 29 для стока расплава и футерованного огнеупором затвора 30, который посредством рычага 31 подвешен на оси 32 на кронштейне корпуса печи 2.

Благодаря подвеске подвижных электродов 15 и 27 на консолях 12, снабженных шарнирами 13, расстояние между осями электродов устанавливается от 0 до 5D, где D - диаметр электрода. Ширина тоннеля по поду может составлять 2-4D, в зависимости от температуры жидкотекучего состояния расплава. По этой же причине задняя стенка донной летки 25 для эвакуации расплава размещена на 0,1-1D от торцевой стенки камеры расплава и 0,1-1D от оси подвижного электрода 15 в конце его перемещения в сторону летки.

Расстояние между стержнями 18 устанавливается от 1 до 5D, где D - диаметр подвижного электрода, в зависимости от выбираемого режима плавления.

Для обжига, например, цементного клинкера футеровка внутри печи выполняется в виде бетонной массы с составом, близким к обрабатываемому материалу, которая наносится на металлический ошипованный корпус. Свод 5 футеруется жаропрочным бетоном на основе корунда и высокоглиноземистого цемента.

Электродуговая печь работает следующим образом. Перед розжигом печи один из стержней наращивается токопроводящим материалом, например металлом, до выхода на поверхность футеровки. С помощью привода от мотор-редуктора 20 подвижный затвор 7 перемещается вдоль тоннеля плавильной камеры до совпадения оси подвижного электрода (катода) 15 с осью нарощенной части стержня неподвижного электрода (анода) 18. Катод 15 и анод 18 подключаются к источнику постоянного тока. Катод 15 опускают с помощью системы вертикального перемещения до замыкания с нарощенным анодом 18. Включают источник тока и ток проходит по цепи: источник тока - катод - анод-источник, затем цепь размыкают путем поднятия подвижного электрода (катода) 15 и в образовавшемся зазоре возникает электрическая дуга. Ток разряда увеличивают. Увеличивают и напряжение путем увеличения зазора между катодом и анодом. Мощность подводимой электроэнергии возрастает, а вместе с этим возрастает выделение тепловой энергии путем излучения низкотемпературной плазмы, из которой состоит дуга, и тока сопротивления цепи. Как было отмечено в описании устройства, первоначальная футеровка по химическому составу близка к обрабатываемому материалу. При высокотемпературном нагреве она начинает плавиться вокруг неподвижного электрода. При этом насадка над электродом сплавляется до тех пор, пока не восстановится баланс между подводом тепла от источника и отводом тепла посредством охлаждающей воды. То же самое происходит и с плавлением пода над стержнями анода 18. При этом электрическая цепь изменяется, так как добавляется новое звено - токопроводящий расплав между дугой и анодом.

С помощью привода от мотор-редуктора 20 катод 15 медленно перемещают вдоль тоннеля плавильной камеры, подплавляя футеровку. При этом движении ток проходит по пути наименьшего сопротивления к ближайшему стержню, а дуга отклоняется в его сторону. По мере набора расплава от футеровки и разогрева камеры 1 через канал 28 и отверстия 17 и 16 соответственно в затворе 7 и своде 5 в камеру 1 небольшими порциями подают сырьевой материал, который, попадая на расплав и в зону действия электродуги, расплавляется, пополняя массу расплава над подом 4. Тепловое напряжение в плавильной камере постепенно наращивают до такого уровня, при котором достигается расчетная производительность по выходу расплава и достаточная толщина гарнисажной футеровки, обеспечивающая минимально возможные потери тепла с охлаждающей водой и целостность камеры (безопасность от прогорания корпуса).

Для достижения нужного качества расплава привод затвора обеспечивает подвижному электроду постоянное возвратно-поступательное перемещение вдоль тоннеля камеры. При этом в зависимости от температуры жидкотекучего состояния, например, цементного клинкера ширину пода 4 перед розжигом выполняют в пределах от 2 до 4D, где D - диаметр подвижного электрода.

Например, при плавлении сырьевой шихты глиноземистого цемента в зависимости от химического состава температура жидкотекучего состояния может составлять 1600 - 1800^oC. При этом зеркало расплава может достигать до 400 мм при диаметре подвижного электрода, равном 100 мм. При плавлении портландцементного клинкера или иного тугоплавкого материала, например корунда или карбида кальция, интервал температур, при которых можно произвести достаточно хорошее усреднение и слив расплава, может достигать 1900-2100^oC и выше. В связи с тугоплавкостью и высокой вязкостью расплава ширина зеркала не превышает 2-3D или 200 - 300 мм при указанном диаметре электрода. В связи с этим производительность печи при увеличении зеркала расплава практически пропорциональна его площади, т.е. площади пода.

При подплавлении боковых и торцевых стен толщина их автоматически наращивается в зоне действия дуги (у пода), а выше стены не оплавляются благодаря преобладанию отвода тепла над подводом от электродуги. То же самое происходит и со сводом 5 и затвором 7 свода 5.

При перемещении подвижного электрода происходит как бы растягивание токопроводящего участка расплава, кипение расплава с разной степенью турбулизации и, как следствие, высокая степень перемешивания, что создает условия получения высокого качества конечного продукта.

Изменяя расстояния между стержнями анода 18 от 2 до 5D, можно регулировать величину участка жидкотекучего расплава между неподвижным анодом и подвижным катодом и тем самым изменять величину температуры, турбулизации и скорости плавления обрабатываемого материала. Так, например, для вышеуказанных легкоплавких материалов можно устанавливать стержни на расстоянии от 3 до 5D, а для тугоплавких - от 2 до 3D при одной и той же скорости перемещения подвижного электрода, которая также изменяется с помощью изменения скорости вращения двигателя мотор-редуктора 20.

При накоплении расплава на поде 4 уровень его становится выше кромки входного отверстия конфузора 25 донной летки для эвакуации расплава. В моменты, когда подвижной катод 15 приближается к летке, происходит локальный перегрев расплава, и он приобретает жидкотекучее состояние, при котором выливается в конфузор. Благодаря расположению оси летки на расстоянии 0,1-1D от торцевой стенки камеры 1 и 0,1 - 1D от оси подвижного катода 15 (расстояния зависят от температуры жидкотекучего состояния обрабатываемого материала) температура конфузора близка к температуре расплава и поэтому расплав, не застывая, проходит конфузор и входит в отверстие диффузора. В этот момент происходит отрыв капель расплава из-за расширяющейся поверхности диффузора. Капли или струя выливается из печи и направляется на дальнейшую обработку. Диффузор защищен от прямого воздействия дуги гарнисажной футеровкой и холодным днищем плавильной камеры.

Вследствие высоких температур в зоне летки конфузор и диффузор изготавливают из жаропрочных и твердых материалов, нейтральных по химическому взаимодействию к получаемым расплавам. Для цементных клинкеров применяют карбид кремния.

При использовании второго электрода 27 в качестве анода достигается быстрый розжиг дуги, особенно в аварийных ситуациях. При погасании дуги (по какой-либо причине) оператору печи необходимо немедленно опустить электрод в расплав, пока последний является электропроводным. При застывании расплава и потере его токопроводности зажигание дуги вызывает большие проблемы.

Для решения проблемы, например, через отверстие, прикрываемое затвором 30 дополнительной летки, вводят так называемый розжиговый анод в виде металлического или графитового стержня до контакта с катодом. Зажигают дугу при поднятии катода и доводят застывший расплав до состояния, когда он становится токопроводным. При этом электрическая цепь автоматически замыкается на нижний рабочий анод 18. Розжиговый анод удаляется из объема камеры, и процесс плавления возобновляется.

На эту вышеописанную операцию затрачивается много времени, теряется производительность печи.

В настоящем изобретении проблема розжига решается путем поворота электрода 27 в шарнире 13 при расстоянии между осями обоих подвижных электродов от 0 до 2,5D или поворотом обоих электродов навстречу друг другу, при расстоянии от 0 до 50, где D - диаметр электрода.

Таким образом, при повороте электродов достигается их замыкание, а далее процесс розжига происходит, как было описано выше, а электрод 27 поднимается из камеры 1.

При определенных условиях плавки, например плавки с малым временем выдержки, второй электрод 27 является рабочим и после розжига нижний анод отключают, и электрическая цепь замыкается следующим образом: источник тока - катод 15 - дуга катода - расплав - дуга анода - источник тока. При этом расстояние между осями электродов в процессе работы (что определяет длину прохождения тока в расплаве) устанавливается в зависимости от тугоплавкости материала. Так, для вышеуказанных процессов плавления (приведенных в виде примера), для относительно легкоплавких глиноземистых клинкеров расстояние между электродами может составлять от D до 5D, а для тугоплавких портландцементных клинкеров с высокой вязкостью - от 0,5 до 2D. При изменениях химического состава, а следовательно, и вязкости расплава с помощью оператора или автоматически по температуре расстояние между электродами меняется. Меняется и скорость их совместного перемещения вдоль тоннеля камеры, а следовательно, и скорость перемещения поля жидкотекучего состояния расплава.

Предложенная конструкция печи позволяет благодаря ее универсальности производить плавки различных материалов, повысить производительность за счет уменьшения времени на остановки из-за ненадежного слива и розжиговых периодов, улучшить качество за счет высокой степени перемешивания расплава и регулирования времени пребывания в зоне высоких температур.

Использование: изобретение относится к электродуговым печам для плавления различных металлических и неметаллических тугоплавких материалов, преимущественно для получения цементного клинкера, имеющих высокую степень вязкости расплава, и может быть использовано также в металлургии и химической технологии. Сущность: в известной электродуговой печи для плавления различных металлических и неметаллических тугоплавких материалов, содержащей заключенную в корпус и футерованную огнеупором камеру плавления, свод со съемной крышкой, подвижным электродом, введенным в отверстие свода и закрепленным на консоли в системе его вертикального перемещения, под с неподвижным электродом, систему подачи обрабатываемого материала с каналом ввода в камеру и систему эвакуации расплава из камеры.

Крышка свода выполнена в виде подвижного затвора, соединенного с приводом, обеспечивающим затвору возвратно-поступательное движение относительно свода, система вертикального перемещения электрода закреплена на затворе, консоль снабжена шарниром для изменения положения электрода в вертикальной плоскости, система эвакуации расплава выполнена в виде подовой летки в форме установленных друг на друга конфузора и диффузора, причем входной конфузор контактирует с внутренним пространством камеры, диффузор - с корпусом печи, а канал системы подачи обрабатываемого материала вмонтирован в подвижный затвор, камера плавления выполнена в виде тоннеля шириной по поду 2-4D, а летка для эвакуации расплава размещена на расстоянии 1-2D от торцевой стенки камеры (где D - диаметр электрода). На подвижном затворе закреплен шарнирно в системе вертикального перемещения второй электрод, причем расстояние между первым и вторым электродами у нижних концов составляет 0 - 5D, где D - диаметр электрода). Канал ввода обрабатываемого материала вмонтирован в подвижном затворе между подвижными электродами. Неподвижный электрод разделен по длине пода на ряд стержней, установленных друг от друга на расстоянии 2 - 5D, где D - диаметр подвижного электрода, и объединенных вне корпуса печи общей токопроводящей шиной. Изобретение обеспечивает повышение производительности и качества сырья, а также снижение удельных энергозатрат на получение готового продукта. 4 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Электродуговая печь для плавления различных металлических и неметаллических тугоплавких материалов, преимущественно для получения цементного клинкера, содержащая заключенную в корпус и футерованную огнеупором камеру плавления, свод со съемной крышкой, подвижным электродом, введенным в отверстие в своде и закрепленным на консоли в системе его вертикального перемещения, подом с неподвижным электродом, системой подачи обрабатываемого материала с каналом ввода в камеру и системой эвакуации расплава из камеры, отличающаяся тем, что крышка свода выполнена в виде подвижного затвора, соединенного с приводом, обеспечивающим затвору возвратно-поступательное движение относительно свода, система вертикального перемещения электрода закреплена на затворе, консоль снабжена шарниром для изменения положения электрода в вертикальной плоскости, система эвакуации расплава выполнена в виде подовой летки в форме установленных друг на друга конфузора и диффузора, причем входной конфузор контактирует с внутренним пространством камеры, диффузор - с корпусом печи, а канал системы подачи обрабатываемого материала вмонтирован в подвижный затвор. 2. Электродуговая печь по п. 1, отличающаяся тем, что камера плавления выполнена в виде тоннеля шириной по поду 2 - 4D, а задняя стенка летки для эвакуации расплава размещена на расстоянии 0,1 - 1D от торцевой стенки камеры, где D - диаметр электрода. 3. Электродуговая печь по п. 1, отличающаяся тем, что на подвижном затворе закреплен шарнирно в системе вертикального перемещения второй электрод, причем расстояние между первым и вторым электродами у нижних концов составляет 0 - 5D, где D - диаметр электрода. 4. Электродуговая печь по пп. 1 и 3, отличающаяся тем, что канал ввода обрабатываемого материала вмонтирован в подвижном затворе между подвижными электродами. 5. Электродуговая печь по п. 1, отличающаяся тем, что неподвижный электрод разделен по длине пода на ряд стержней, установленных друг от друга на расстоянии 2 - 5D, где D - диаметр подвижного электрода, и объединенных вне корпуса печи общей токопроводящей шиной.