НИЗКИЙ ЗОНТ ОТКРЫТОЙ РУДОВОССТАНОВИТЕЛЬНОЙ ЭЛЕКТРОПЕЧИ Российский патент 2006 года по МПК F27D1/00 C22C33/04 

Изобретение относится к области металлургии, в частности к производству металлов и сплавов методом рудовосстановительной электроплавки, преимущественно к производству кристаллического кремния и ферросилиция.

Наибольшее распространение в конструкции открытых рудовосстановительных электропечей нашел низкий зонт, предназначенный для сбора выделяющихся технологических газов, но не препятствующий обработке колошника. Конструкция зонта предусматривает проход через его крышку токоподводов и труботечек, а также расположение на нем заборных окон для отвода технологических газов в газоходный тракт. Заборные окна газоходов имеют размеры, позволяющие создать разрежение в подзонтовом пространстве с тем, чтобы предотвратить выброс печных газов в цех.

Известен низкий зонт открытой рудовосстановительной электропечи [1], состоящий из крышки зонта, на которой расположены отверстия под токоподводы, труботечки и заборные окна газоходов, и боковых стен, зазор между которыми и фланцем кожуха печи перекрыт подъемными экранами. Газоходы от заборных окон выходят вертикально вверх, а затем резко изгибаются под прямым углом и далее идут горизонтально.

Известная конструкция низкого зонта позволяет реализовать удаление колошниковых газов из подзонтового пространства только за счет разрежения, создаваемого по газоходному тракту, без какой-либо организации движения газового потока в подзонтовом пространстве.

Недостатком известной конструкции низкого зонта являются чрезмерно большая площадь сечения заборных окон и объемность газоходов, затрудняющие обслуживание зонта и ухудшающие энергетические параметры печи. Характер движения и скорость газовых потоков под зонтом и в заборных окнах таковы, что для исключения выброса печных газов из-под зонта требуется создать разряжение, обеспечивающее не мене чем десятикратный, по сравнению с объемом собственно технологических газов, подсос воздуха. При этом скорости движения газов настолько низки, что практически вся увлеченная или выделившаяся при охлаждении газов пыль оседает на внутренних поверхностях газоходов, перекрывая сечение заборных окон газоходов и собственно газоходов.

Наиболее близкой по технической сущности и достигаемым результатам является низкий зонт, предназначенный для рудовосстановительной печи производства кристаллического кремния [2]. Предложенный низкий зонт открытой рудовосстановительной электропечи состоит из крышки, боковых стен и подвижного экрана, перекрывающего зазор между боковыми стенами зонта и фланцем кожуха печи. На крышке зонта расположены отверстия под токоподводы и труботечки. В месте стыка крышки и боковых стен расположены заборные окна газоходов и патрубки подачи леточных газов.

Для удаления колошниковых газов предусмотрены два заборных окна, расположенных симметрично относительно плоскости, проходящей через ось печи. Диаметр и угол наклона заборных окон и газоходов подобраны таким образом, чтобы обеспечить достаточную скорость газового потока, препятствующую осаждению пыли на конструкциях зонта и газоходов.

Уловленные над леткой газы собираются и через собственный вентилятор подаются на патрубки, рассредоточенные по периметру боковых стен. Расположение и угол наклона патрубков обеспечивают тангенциальную подачу леточных газов в подзонтовое пространство печи.

Известная конструкция позволяет снизить разубоживание технологических газов, отходящих от колошника, и не допустить оседания пыли на технологических конструкциях, а также вовлечь в общую газоходную систему леточные газы, которые в известных конструкциях зонта удаляются по самостоятельной газоходной системе.

Недостатком известной конструкции зонта, несмотря на упорядоченное и с достаточной скоростью движение газов по газоходному тракту, является хаотичное их движение в подзонтовом пространстве. Поэтому в целях предотвращения выбросов печных газов в атмосферу цеха требуется создание значительного разрежения в подзонтовом пространстве, ведущего к значительным подсосам воздуха и разубоживанию технологических газов.

Целью настоящего изобретения является снижение объема отходящих колошниковых газов, уменьшение выбросов из-под зонта за счет организации направленного вихревого потока газов под зонтом.

Поставленная цель достигается тем, что низкий зонт открытой рудовосстановительной электропечи, состоящий из крышки, боковых стен и подвижного экрана и содержащий на крышке отверстия под токоподводы и труботечки, а на боковых стенах заборные окна газоходов и патрубки подачи леточных газов с перекрытием зазора между фланцем печи и боковыми стенами зонта подвижным экраном имеет вид ступенчатой пирамиды с боковыми стенами меньшего диаметра и подвижным экраном большего диаметра, а заборные окна газоходов прямоугольного сечения располагаются тангенциально и повернуты друг относительно друга на 180°, причем верхняя кромка заборного окна находится на одном уровне с крышкой зонта. Патрубки подачи леточных газов располагаются вдоль оси заборного окна газоходов, причем ось патрубка подачи леточных газов совпадает по высоте с осью заборного окна, а по горизонтали находится со смещением к внешней стороне заборного окна. Низкий зонт открытой рудовосстановительной электропечи имеет следующие соотношения размеров:

- диаметр боковых стен составляет 0,7...0,9 диаметра подвижных экранов;

- высота заборного окна газохода составляет 0,3...0,7 от его ширины;

- высота заборного окна газохода составляет 0,2...0,4 его превышения над фланцем кожуха печи;

- площадь заборного окна газохода составляет 0,02...0,04 площади активного сечения подзонтового пространства.

Предложенное конструктивное решение низкого зонта позволяет обеспечить организацию вихревого движения газового потока в подзонтовом пространстве на уровне от колошника печи до заборных окон газоходов. Создаваемое вихревое движение газового потока аналогично смерчу. В этом случае в наружной зоне вихря газовый поток движется вверх по спиралеобразной траектории вокруг вертикальной оси, а в центре вихря происходит нисходящее движение. Вследствие высоких скоростей движения внутри вихря создается область разряжения при образовании области высокого давления на его периферии. Наличие в центральной части вихря области с пониженным давлением приводит к возникновению газового потока, поднимающегося ему навстречу от колошника, суживающегося кверху и соединяющегося с ядром. Внутри ядра развивается нисходящее движение, а снаружи, в его оболочке, - восходящий газовый поток.

Сочетание разрежения внутри ядра с избыточным давлением на периферии создает эффективное препятствие для выброса печных газов из подзонтового пространства при достаточно малом объеме удаляемых из подзонтового пространства газов, что позволяет снизить степень разубоживания колошниковых газов.

Форма зонта в виде ступенчатой пирамиды, когда выход газов из подзонтового пространства находится в его верхней узкой части, позволяет организовать закрученное движение газового потока. Такое закрученное движение газов создает разрежение в центральной части подзонтового пространства, поэтому, когда происходит отрыв газового потока на уступе между боковыми стенами и подвижным экраном, газы приобретают центростремительное ускорение, а образующийся вихревой поток создает пережимаемую в средней части воронку, перекрывающую своим широким основанием поверхность колошника печи.

Тангенциальное расположение заборных окон газоходов на боковых стенах зонта, когда два заборных окна развернуты друг относительно друга на угол в 180°, обеспечивает возможность организации направленного движения газов под зонтом печи по касательной к боковым стенам зонта, позволяющий создать закрученный газовый поток в подзонтовом пространстве.

Прямоугольная форма заборных окон позволяет организовать ламинарный газовый поток вдоль боковых стен зонта, обеспечивающий в конечном счете создание вихревого потока в подзонтовом пространстве.

Установка патрубков подачи леточных газов вдоль оси заборного окна газоходов позволяет организовать дополнительное разрежение на входе в заборное окно газохода за счет эжекционного эффекта, что ведет к увеличению скоростей газового потока и, следовательно, к усилению вихревого эффекта в подзонтовом пространстве.

Предложенные соотношения основных размеров конструктивных элементов зонта определяются из следующих предположений:

- соотношение диаметров боковых стен и подвижного экрана обеспечивает достаточно устойчивый отрыв вихревого потока от боковых стен зонта

- при соотношении менее 0,7 конструктивно сужается крышка зонта, ведущее к затруднениям при размещении на ней токоподводов и труботечек;

- при соотношении более 0,9 невозможно обеспечить устойчивый отрыв газового потока;

- соотношение высоты заборного окна газохода и его ширины определяет создание направленного вихревого потока газа из подзонтового пространства

- при соотношении менее 0,3 площадь заборного окна становится настолько малой, что не позволяет обеспечить газовый поток требуемой скорости;

- при соотношении более 0,7 возникают затруднения с формированием газового потока требуемой конфигурации;

- соотношение высоты заборного окна газохода и его превышения над фланцем кожуха обуславливает создание устойчивой воронки при лимитированной высоте зонта

- при соотношении более 0,4 образующаяся газовая воронка неустойчива при избыточном возрастании общей высоты зонта;

- при соотношении менее 0,2 диаметр образующейся воронки очень мал и не перекрывает всей площади колошника;

- соотношение площади заборного окна газохода и площади активного сечения подзонтового пространства определяет геометрию и скорости газового потока

- при соотношении менее 0,02 объем удаляемых газов настолько мал, что не позволяет организовать вихревой поток и сформировать воронку;

- при соотношении более 0,04 объем удаляемых газов становится настолько большим, что не достигается поставленная в изобретении цель.

На фиг.1 и 2 представлен общий вид предложенного низкого зонта открытой рудовосстановительной электропечи, там же показаны основные размеры конструктивных элементов зонта.

Низкий зонт открытой рудовосстановительной электропечи представляет собой полый кожух с конфигурацией в виде ступенчатой пирамиды. Сверху зонт перекрывается крышкой зонта 1, в которой выполнены отверстия для прохода токоподводов 2 и труботечек 3.

Из токоподводов 2 в подзонтовом пространстве непосредственно над колошником выходят электроды 9, опускающие в объем колошника печи. Места проходов токоподводов 2 и труботечек 3 снабжены уплотнениями 10 для предотвращения выброса колошниковых газов из-под зонта.

Крышка зонта 1 соединяется с боковой стеной 4, в которой имеются отверстия для пристыковки заподлицо заборных окон газохода 5 и для прохода патрубков подачи леточных газов 7.

Снизу на боковую стену 4 подвешивается подвижный экран зонта 6, перекрывающий просвет между боковой стеной зонта 4 и фланцем кожуха печи 8. На боковой стене зонта 4 установлен привод 11, приводящий в круговое вращение подвижный экран 6.

Для улавливания леточных газов при сливе продуктов плавки на боковой стороне кожуха печи над леткой 12 установлен газосборник леточных газов 13, соединенный газоходом через вентилятор с патрубками подачи леточных газов 7.

Патрубок подачи леточных 7 газов расположен таким образом, чтобы плоскость обреза патрубка находилась на уровне начала внешнего края заборного окна газохода 5 при смещении его оси от оси заборного окна в горизонтальной плоскости на 1/6 ширины заборного окна.

На фиг.1 и 2 приведены следующие обозначения основных размеров зонта:

D_б - диаметр боковых стен;

D_э - диаметр подвижного экрана;

h_г -высота заборного окна газохода;

b_г -ширина заборного окна газохода;

Н_г - превышение газохода над фланцем кожуха печи;

d_т - диаметр токоподвода;

S_г - площадь заборного окна газохода [S_г=h_г·b_г];

S_a - площадь активного сечения подзонтового пространства [S_a=π/4·(D_б ²-3d_т ²)].

Низкий зонт открытой рудовосстановительной электропечи работает следующим образом.

При создании разрежения по газоходному тракту в заборные окна газоходов начинает втягиваться газовая фаза из подзонтового пространства. Вследствие тангенциального расположения заборных окон к поверхности боковой стены зонта движение газовой фазы идет по окружности параллельно стенам. За счет сил трения в газовый поток увлекаются окружающие массы газовой фазы. В результате образуется закрученное движение газового потока. При отрыве газового потока от боковой стены на переходе из узкого участка боковых стен к более широкому участку подвижного экрана образуется ядро вихря, опускающееся на колошник печи.

Вследствие наличия в центральной части вихря устойчивой области с пониженным давлением навстречу ему от колошника поднимается газовый поток, суживающийся кверху и соединяющийся с ядром. Образовавшийся вихревой газовый поток, отрываясь от боковых стенок зонта, образует перевернутую воронку, опирающуюся своим основанием на колошник печи. Внутри ядра развивается нисходящее движение, а снаружи, в его оболочке, - восходящий газовый поток.

Ускорение газового потока при его заходе в заборное окно газохода достигается за счет эжекционного эффекта при подаче с достаточно большой скоростью леточных газов через патрубок.

Характер движения газовых потоков при их вихревом движении в подзонтовом пространстве показан на фиг.3.

Созданная внутри вихревого потока зона разрежения препятствует выбросам колошниковых газов из-под зонта, при этом обеспечивая существенно меньшее их разубоживание за счет внешних подсосов по сравнению с существующими конструкциями низких зонтов.

Пример конкретного использования низкого зонта открытой рудовосстановительной электропечи. Представленный на фиг.1 и 2 низкий зонт предназначен для открытой рудовосстановительной печи для производства кристаллического кремния.

На основании расчетов были получены следующие значения скоростей газовых потоков

- скорость движения газов через заборные окна газоходов - не менее 25 м/сек;

- скорость кругового движения газового потока под зонтом - не менее 15 м/сек;

- скорость движения леточных газов на выходе из патрубка - не более 40 м/сек.

В этом случае выделение технологических газов из колошника печи составит 15 тыс.м³/час, а подача в подзонтовое пространство леточных газов - 40 тыс.м³/час. Расчетное снижение объема удаляемых из-под зонта газов по сравнению с известными конструкциями зонта составит с 400 до 200 тыс.м³/час.

Таким образом, обеспечивается достижение поставленной цели снижения объема отходящих колошниковых газов в два раза, уменьшения выбросов из-под зонта за счет организации направленного вихревого потока газов под зонтом.

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ

1. Жучков В.И., Розенберг В.Л., Елкин К.С. и др. Энергетические параметры и конструкции рудовосстановительных электропечей. - Челябинск, Металл, 1994, - 192 с.

2. Your success with SAF technology. SMS DEMAG Aktiengesellschaft. H 4/301 E. - Dusseldorf, 2002.

Изобретение относится к области металлургии, в частности к элементам конструкции открытой рудовосстановительной печи для производства преимущественно кристаллического кремния и ферросилиция. Низкий зонт открытой рудовосстановительной электропечи состоит из крышки, боковых стен и подвижного экрана и содержит на крышке отверстия под токоподводы и труботечки, а на боковых стенах заборные окна газоходов и патрубки подачи леточных газов с перекрытием зазора между фланцем печи и боковыми стенами зонта подвижным экраном. Зонт выполнен в виде ступенчатой пирамиды с боковыми стенами меньшего диаметра и подвижным экраном большего диаметра, а заборные окна газоходов прямоугольного сечения расположены тангенциально и повернуты относительно друг друга на 180°, причем верхняя кромка заборного окна расположена на одном уровне с крышкой зонта. Изобретение позволяет снизить объем отходящих колошниковых газов, уменьшить выбросы из-под зонта за счет организации направленного вихревого потока газов под зонтом. 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Низкий зонт открытой рудовосстановительной электропечи, состоящий из крышки, боковых стен и подвижного экрана, и содержащий на крышке отверстия под токоподводы и труботечки, а на боковых стенах заборные окна газоходов и патрубки подачи леточных газов, с перекрытием зазора между фланцем печи и боковыми стенами зонта подвижным экраном, отличающийся тем, что зонт выполнен в виде ступенчатой пирамиды с боковыми стенами меньшего диаметра и подвижным экраном большего диаметра, а заборные окна газоходов прямоугольного сечения расположены тангенциально и повернуты относительно друг друга на 180°, причем верхняя кромка заборного окна расположена на одном уровне с крышкой зонта.2. Низкий зонт по п.1, отличающийся тем, что патрубки подачи ленточных газов расположены вдоль оси заборного окна газоходов, причем ось патрубка подачи леточных газов совпадает по высоте с осью заборного окна, а по горизонтали расположена со смещением к внешней стороне заборного окна.3. Низкий зонт по п.1 или 2, отличающийся тем, что имеет следующие соотношения размеров: диаметр боковых стен составляет 0,7...0,9 диаметра подвижных экранов, высота заборного окна газохода составляет 0,3...0,7 его ширины, высота заборного окна газохода составляет 0,2...0,4 его превышения над фланцем кожуха печи, площадь заборного окна газохода составляет 0,02...0,04 площади активного сечения подзонтового пространства.