ПЕЧЬ ДЛЯ ЭЛЕКТРОКАЛЬЦИНАЦИИ АНТРАЦИТА (ВАРИАНТЫ) Российский патент 2004 года по МПК F27B3/08 

Изобретение относится к электротермическим печам для электрокальцинации антрацита и может найти применение в угольной промышленности для получения углеграфитовых материалов.

В результате высокотемпературного нагрева (до 3000°С) антрацита пропусканием электрического тока образуется углеграфитовый материал, удельное сопротивления которого на несколько порядков ниже, чем исходного антрацита.

В существующих в настоящее время печах электрокальцинации высокотемпературное прокаливание антрацита происходит неравномерно, что приводит к низкому выходу углеграфитового материала, годного для изготовления электродов. Кроме того, печи имеют высокий уровень инерционности и процессы, которые протекают в массе антрацита, слабо поддаются регулированию.

Известна печь для электрокальцинации антрацита - электрокальцинатор непрерывного действия для прокаливания сыпучего углеродного материала, содержащий футерованую шахту, верхний и нижний одиночные электроды, устройства загрузки антрацита и выгрузки готового углеграфитового материала (Электротермическое оборудование. Справочник под редакцией А.П. Альтгаузена. М.: Энергия, 1980, с.194-208).

Недостатком конструкции печи является нерациональное расходование электрической энергии. Электрический ток, текущий от одного электрода к другому через массу обрабатываемого материала, распределяется в пространстве печи, при этом, как правило, образует определенные каналы для прохождения. Такая канализация препятствует равномерному нагреву всей массы прокаливаемого материала, что вызывает неоднородность свойств готовой продукции, снижает ее показатели. Кроме того, неравномерное распределение каналов тока приводит к локальному перегреву футеровки печи и преждевременному выходу ее из строя. Все указанное является следствием отсутствия управления направлением протекания электрического тока, его распределением по объему электрокальцинатора.

Наиболее близкой к заявляемой является электропечь для высокотемпературной прокалки материала, а именно антрацита (А.с. СССР №1203338, МПК⁴ F 27 B 3/08, опубл. 07.01.86, БИ №1).

Известная печь содержит цилиндрический корпус с футеровкой, верхний и нижний электродные блоки, причем последний выполнен кольцевым и состоит из равных, изолированных друг от друга изоляционными вставками секций. Электродные блоки подсоединены к системе электропитания через устройство распределения тока по электродам, включающее коммутатор.

Недостатком этой печи электрокальцинации антрацита является сложная система коммутации изолированных секций нижнего блока электродов. Кроме этого, кольцевая конструкция электродов в значительной степени повышает токовую нагрузку на электроды, что снижает их показатели надежности, ремонтопригодность. Отсутствие информации о состоянии электрокальцинатора, а также системы управления не позволяет использовать рассматриваемый прототип как эффективный и рациональный для реализации определенных алгоритмов работы и это определяет прототип как практически неуправляемый объект.

Задача, решаемая изобретением, заключается в снижении токовой нагрузки на электроды, повышении надежности печи, повышении уровня автоматизации печи, снижении расхода электроэнергии, увеличении межремонтного периода службы футеровки, снижении удельного электросопротивления прокаленного антрацита и, следовательно, повышении его качества путем упрощения системы коммутации электродов и обеспечения возможности регулирования процесса подачи тока за счет изменения конструкции электродных блоков.

Поставленная задача решается тем, что в печи для электрокальцинации антрацита, содержащей цилиндрический корпус с футеровкой, верхний и нижний электродные блоки, подключенные к системе электропитания через устройство распределения тока по электродам и датчики температуры, согласно изобретению, каждый из указанных электродных блоков выполнен в виде одного или трех электроизолированных друг от друга электродов, установленных на равном расстоянии друг от друга, а устройство распределения тока по электродам выполнено в виде трехфазной системы питания, включающей три силовых трансформатора и регуляторы напряжения первичной цепи.

По второму варианту печь для электрокальцинации антрацита, содержащая цилиндрический корпус с футеровкой, верхний и нижний электродные блоки, подключенные к системе электропитания через устройство распределения тока по электродам и датчики температуры, согласно изобретению, каждый из указанных электродных блоков выполнен в виде одного или трех электроизолированных друг от друга электродов, установленных на равном расстоянии друг от друга, а устройство распределения тока по электродам выполнено в виде силовых полупроводниковых ключей, соединенных с дополнительно введенной системой управления, к которой подключены таймеры и датчики тока.

В обоих вариантах датчики температуры установлены в футеровке в зоне размещения электродов и подключены к системам управления и регуляторам.

Оба варианта выполнения заявляемого устройства направлены на решение одной и той же задачи, которая указана выше.

Одним из отличительных признаков изобретения является то, что верхний и нижний электродные блоки могут быть выполнены в разных вариантах, например, нижний электродный блок может быть выполнен из трех электродов, а верхний блок - из одного электрода; первый дополнительный вариант - верхний электродный блок может быть выполнен из трех электродов, а нижний - из одного; второй дополнительный вариант - верхний и нижний электродные блоки выполнены из трех электродов. Такие варианты конструктивного выполнения электродных блоков способствуют равномерному распределению электрических силовых линий внутри печи, проходящих через обрабатываемую массу антрацита, что повышает равномерность характеристик получаемого углеграфитового материала.

Схема подключения верхнего и нижнего электродных блоков к источнику электропитания по первому варианту включает подключение к каждому из трех электродов однофазных источников тока - трансформаторов, которые в свою очередь подключены к трехфазной сети, что обеспечивает автоматическое регулирование подачи тока на электроды вследствие поочередной коммутации напряжений действующей в указанной трехфазной сети электроснабжения. Схема снабжена также регуляторами напряжения и датчиками температуры.

По второму варианту для регулирования подаваемого на электроды тока электродные блоки подключены к источнику питания через систему силовых полупроводниковых ключей, соединенных с дополнительно введенной системой управления, к которой подключены таймеры, датчики тока и температуры печи.

В первом и втором вариантах выполнения конструкции печи датчики температуры установлены в футеровке печи в зоне размещения электродов.

Сущность изобретения поясняется чертежами.

На фиг.1 изображена схема печи по варианту 1, вертикальный разрез.

На фиг.2 изображены вид печи сверху и схема подключения электродов к источнику питания.

На фиг.3 изображена схема печи по первому дополнительному варианту к варианту 1, вертикальный разрез.

На фиг.4 изображены вид печи сверху и схема подключения электродов к источнику питания.

На фиг.5 изображена схема печи по второму дополнительному варианту к варианту 1, вертикальный разрез.

На фиг.6 изображены вид печи сверху и схема подключения электродов к источнику питания

На фиг.7 изображена схема печи по варианту 2, вертикальный разрез.

На фиг.8 изображен вид печи сверху и схема подключения электродов к системе питания.

Шахта печи для электрокальцинации антрацита содержит футеровку 1 (фиг.1, фиг.2, фиг.3, фиг.4, фиг.5, фиг.6, фиг.7, фиг.8). В верхней части шахты печи установлен верхний электродный блок 2 (фиг.1, фиг.2, фиг.3, фиг.4, фиг.5, фиг.6, фиг.7, фиг.8), а в нижней части шахты печи - нижний электродный блок 3 (фиг.1, фиг.2, фиг.3, фиг.4, фиг.5, фиг.6, фиг.7, фиг.8). При этом для вариантов на фиг.1, фиг.2 и фиг.7, фиг.8 верхний блок электродов состоит из одного электрода 2, а нижний блок электродов из трех (3а, 3б, 3в) электрически изолированных друг от друга электродов. Для варианта, представленного на фиг.3 и фиг.4, верхний блок электродов состоит из трех изолированных друг от друга электродов (2а, 2б, 2в), а нижний - из одного электрода 3 (фиг.3 и фиг.4). Для варианта, который дан на фиг.5, фиг.6, верхний и нижний блоки электродов содержат по три электрода (верхний 2а, 2б, 2в; нижний 3а, 3б, 3в). Питание печи электрокальцинации, загруженной антрацитом, осуществляется от системы питания 4 (фиг.2, фиг.4, фиг.6, фиг.8), которая для вариантов, представленных на фиг.2, фиг.4, фиг.6, выполнена в виде трех однофазных трансформаторов, включенных пофазно в трехфазную сеть электроснабжения, а для варианта, представленного на фиг.8 - в виде одного однофазного трансформатора. Подключение указанных трансформаторов к сети электроснабжения осуществляется через регуляторы напряжения 5 (фиг.2, фиг.4, фиг.6, фиг.8), которых в системе питания с тремя однофазными трансформаторами может быть три. Для контроля течения процесса при электрокальцинировании антрацита и контроля состояния футеровки (ее нагрев) в футеровке печи в зоне размещения электродов 3 установлены датчики температуры 6 (фиг.2, фиг 4, фиг.6, фиг.8.), которые подключены к регуляторам напряжения 5 (для вариантов на фиг.2, фиг.4, фиг.6) и к регулятору напряжения 5 и системе управления 7 (для варианта на фиг.8), при этом указанные датчики расположены в зоне установки электродных блоков 2 или 3. Система управления 7 связана с силовыми полупроводниковыми ключами 8 (фиг.8), которые осуществляют подключение электродов 3а, 3б, 3в к однофазному трансформатору 4 и снабжена также таймерами 9 (фиг.8) и датчиками тока 10 (фиг.8).

Печь работает следующим образом.

Процесс электрокальцинации каждой порции антрацита начинается с загрузки последнего в шахту печи. Далее включается система питания и между верхним 2 и нижним 3 электродными блоками через загруженный антрацит протекает электрический ток. Слой антрацита между электродными блоками 2 и 3 представляет собой омическое сопротивление, благодаря которому в указанном слое антрацита происходит его нагрев протекающим электрическим током. В предлагаемой конструкции печи, представленной на фиг.1, фиг.2, фиг.3, фиг.4, фиг.5, фиг.6, где осуществляется трехфазное питание печи, ток периодически переключается с одного электрода на другой (вследствие принципа работы трехфазной системы электроснабжения). В варианте конструкции печи, представленном на фиг.7 и фиг.8, последняя питается от однофазного трансформатора 4, а напряжение от него периодически поступает на нижний блок электродов 3, при этом указанное напряжение подключается к каждому из электродов 3а, 3б, 3в через силовые полупроводниковые ключи 8 по определенному алгоритму, например, через определенные (заданные) промежутки времени, определяемые таймерами 9, установленными в системе управления 7, или датчиками тока 10, установленными также в системе управления 7 и задающими порядок переключения силовых полупроводниковых ключей при достижении определенного (заданного) уровня электрического тока в цепях питания электродов 3а, 3б, 3в. Датчики температуры 6, служат для выполнения двух задач:

- снижение мощности (уровня напряжения) или отключения питания (через регулятор напряжения 5) того электрода, в зоне которого (в футеровке 1) уровень температуры превысил допустимый предел, выше которого возможно прогорание указанной футеровки и выход печи из строя;

- организация цикла переключения питания электродов 3а, 3б, 3в по варианту, представленному на фиг.8, за счет управления силовыми полупроводниковыми ключами системы управления 7 при достижении определенного заданного уровня нагрева футеровки 1 печи в зоне работы электродов 3а, 3б, 3в.

При работе печи с периодическим прохождением электрического тока через разные пары электродов, образованных нижними и верхними электродными блоками, электрический ток периодически меняет каналы своего прохождения по массе антрацита (стрелки на фиг.1, фиг.3, фиг.5, фиг.7), что позволяет существенно расширить зону эффективного нагрева антрацита, исключить произвольное формирование каналов прохождения электрического тока с перегревом антрацита в локальных областях и его недогревом в остальной массе. В процессе работы печи кальцинируемый антрацит постоянно находится в движении за счет его отбора из нижней части шахты. При этом принципы работы печи сохраняются и поддерживаются стабильными и безаварийными за счет действия регуляторов напряжения и датчиков температуры для вариантов на фиг.2, фиг.4, фиг.6, фиг.8, системы управления, датчиков температуры и тока, а также таймеров для варианта фиг.8.

Преимущества заявляемого устройства состоят в упрощении системы коммутации электродов верхнего и нижнего электродных блоков, снижении токовой нагрузки на электроды, повышении надежности и ремонтопригодности печи, обеспечении регулирования процесса, повышении уровня автоматизации печи, снижении расхода электроэнергии, увеличении межремонтного периода службы футеровки, снижении удельного электросопротивления прокаленного антрацита. Заявляемая печь является электрокальцинатором управляемого типа, в котором осуществляется управление направлением линий электрического тока по определенным (выбранным и заданным) алгоритмам. При этом высокотемпературному нагреву подвергается вся масса материала, обеспечивая высокие показатели выхода качественного продукта. Энергия расходуется лишь на высокопроизводительный нагрев без излишнего непроизводительного перегрева футеровки. Очевидно, что в любой печи электрокальцинации наиболее уязвимым местом является футеровка и от ее состояния зависит общая работоспособность печи. В заявляемом устройстве режимы работы футеровки щадящие, они контролируются и управляются, а следовательно, печь более надежна и может работать существенно большее время в отличие от прототипа.

Следовательно, использование предлагаемого изобретения позволит снизить токовую нагрузку на электроды, повысить надежность ремонтопригодности и уровень автоматизации печи, снизить расход электроэнергии, увеличить межремонтный период службы футеровки, снизить удельное электросопротивление прокаленного антрацита и, следовательно, повысить его качество.

Кроме указанного, конструкция вариантов печи с использованием систем трехфазного питания существенно проще конструкции печи-прототипа.

Изобретение относится к области металлургии, в частности к электротермическим печам для получения углеграфитовых материалов. Печь содержит цилиндрический корпус с футеровкой, верхний и нижний электродные блоки, подключенные к системе электропитания через устройство распределения тока по электродам, датчики температуры, при этом каждый из указанных электродных блоков выполнен в виде одного или трех электроизолированных друг от друга электродов, установленных на равном расстоянии друг от друга. Устройство распределения тока по электродам выполнено в виде трехфазной системы питания, включающей три силовых трансформатора и регуляторы напряжения первичной цепи, или в виде силовых полупроводниковых ключей, соединенных с дополнительно введенной системой управления, к которой подключены таймеры и датчики тока. Существенно снижаются затраты на электроэнергию, повышается качество получаемого углеграфитового материала. 2 н. и 2 з.п. ф-лы, 8 ил.

1. Печь для электрокальцинации антрацита, содержащая цилиндрический корпус с футеровкой, верхний и нижний электродные блоки, подключенные к системе электропитания через устройство распределения тока по электродам и датчики температуры, отличающаяся тем, что каждый из указанных электродных блоков выполнен в виде одного или трех электроизолированных друг от друга электродов, установленных на равном расстоянии друг от друга, а устройство распределения тока по электродам выполнено в виде трехфазной системы питания, включающей три силовых трансформатора и регуляторы напряжения первичной цепи.2. Печь по п.1, отличающаяся тем, что в ее футеровке установлены датчики температуры и подключены к системам управления и регуляторам, при этом указанные датчики расположены в зоне размещения электродов.3. Печь для электрокальцинации антрацита, содержащая цилиндрический корпус с футеровкой, верхний и нижний электродные блоки, подключенные к системе электропитания через устройство распределения тока по электродам и датчики температуры, отличающаяся тем, что каждый из указанных электродных блоков выполнен в виде одного или трех электроизолированных друг от друга электродов, установленных на равном расстоянии друг от друга, а устройство распределения тока по электродам выполнено в виде силовых полупроводниковых ключей, соединенных с дополнительно введенной системой управления, к которой подключены таймеры и датчики тока.4. Печь по п.3, отличающаяся тем, что в ее футеровке установлены датчики температуры и подключены к системам управления и регуляторам, при этом указанные датчики расположены в зоне размещения электродов.