способ плавления горных пород и устройство для его осуществления

Формула изобретения

1. Способ плавления горных пород, включающий тонкослойную загрузку материала в виде кусковой россыпи, ударно-струйный нагрев материала высокоскоростными горелками, плавление и непрерывный гравитационный отбор расплава, отличающийся тем, что материал перед загрузкой при постоянном его перемешивании нагревают дымовыми газами, отходящими из плавильной печи через кольцевой дымоотводящий канал, до температуры на 100-150°С ниже температуры его размягчения, тонкослойную загрузку материала производят равномерно и одновременно по всей длине и ширине плавильной печи, выполненной в виде сегмента кольцевого канала, путем направления материала на вершину распределительного элемента, выполненного с конусной наружной поверхностью, переходящей в цилиндрическую, отбор расплава из плавильной печи производят в камеру накопления для его перегрева и гомогенизации, при этом высокоскоростные струи продуктов сгорания направляют со стороны стен плавильной печи и камеры накопления под углом к поду.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что перемешивание материала осуществляют в камере для подогрева материала, выполненной в виде вращающегося цилиндрического барабана.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что высокоскоростные струи продуктов сгорания направляют под углом 25-35° к поду со скоростью истечения на срезе сопла 150-200 м/с.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что плавление материала осуществляют при температуре 1200-1400°С, а перегрев расплава - при температуре 1500-1600°С.

5. Устройство для плавления горных пород, включающее загрузочное отверстие, плавильную печь, снабженную сводом, стенами и наклонным двускатным подом, высокоскоростными горелками для сжигания углеводородного топлива, отличающееся тем, что оно содержит камеру накопления, снабженную высокоскоростными горелками, камеру для подогрева материала, соединенную с загрузочным отверстием, камеру загрузки с распределительным элементом, снабженным конусной наружной поверхностью, переходящей в цилиндрическую, вершина которого расположена под загрузочным отверстием, а основание соединено с подом плавильной печи, выполненной в виде сегмента кольцевого канала, при этом камера загрузки выполнена в виде сегмента полого цилиндра, основание которого соединено со сводом плавильной печи, образуя между сводом и распределительным элементом кольцевой дымоотводящий канал, а высокоскоростные горелки установлены в стенах плавильной печи и камеры накопления под углом к поду.

6. Устройство по п.5, отличающееся тем, что камера для подогрева материала выполнена в виде цилиндрического барабана, установленного в загрузочном отверстии с возможностью вращения.

7. Устройство по п.5, отличающееся тем, что загрузочное отверстие выполнено из огнеупорного бетона и снабжено направляющим лотком.

8. Устройство по п.5, отличающееся тем, что высокоскоростные горелки установлены под углом 25-35° к поду плавильной печи и камеры накопления.

9. Устройство по п.5, отличающееся тем, что свод плавильной печи выполнен подвесным из огнеупорного бетона.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к промышленности строительных материалов, в частности к способам и плавильньм агрегатам для получения расплава из горных пород.

Известен способ плавления горных пород в ванной печи, включающий тонкослойную загрузку материала (шихты) на наклонную площадку, нагрев и плавление его расположенными на своде вдоль ванны плоскопламенными газовыми горелками, отбор расплава путем вертикального падения его в накопительную ванну, пеноудаление, гомогенизация и дегазация путем барботажа, отведение рабочего потока расплава в зону накопления и стабилизации (см. патент РФ №2017691, 5МПК С 03 В 5/04, «Ванная печь для получения расплава из горных пород», опубликованный 1994.08.15).

В известном способе загрузка холодного материала снижает скорость его плавления, что увеличивает время нахождения материала в зоне плавления, а следовательно, снижает эффективность способа.

Способ подвода теплоносителя расположенными на своде вдоль печи плоскопламенными горелками не может обеспечить конвективный нагрев материала и предопределяет длительное нахождение расплава на каждой стадии его получения, что также снижает эффективность способа.

Наиболее близким по технической сущности является способ плавления горных пород, содержащих тугоплавкие примеси - кварциты и др., включающий загрузку и плавление материала (шихты) на твердом основании при непрерывном гравитационном отборе расплава на выдачу, при этом материал плавят на перегретых локальных участках твердого основания - жаровых пятнах, которые формируют с помощью направленного ударно-струйного нагрева при температуре 1700±250°С, материал на жаровые пятна дозируют тонким слоем и/или в виде кусковой россыпи, а получаемый расплав в процессе отбора непрерывно сепарируют от тугоплавких примесей путем осадки непроплава на твердое основание с периодическим удалением из печи с помощью скребка, при этом одно жаровое пятно формируют, по крайней мере, двумя ударно-струйными потоками, причем на твердом основании локально или по всей площади плавильной зоны с целью защиты пода от размывания скоростным факелом оставляют постоянный слой восстановленного металла (см. заявку на изобретение РФ №202109399, 7МПК С 03 В 5/04, «Безванное плавление горных пород по способу Р.Д. Тихонова и устройство для его осуществления», опубликованную 2003.11.20).

Известный способ плавления на жаровых пятнах ударно-струйным нагревом повышает конвективную составляющую процесса теплообмена, однако для обеспечения высокой производительности необходимо большое количество жаровых пятен, что усложняет процесс загрузки материала и управление процессом плавления.

Загрузка холодного материала на все жаровые пятна одновременно приводит к значительному снижению температуры, что во избежание загустения расплава обуславливает ведение процесса плавления при высоких температурах до 1700-1950°С, отрицательно влияющих при ударно-струйном нагреве на стойкость огнеупора плавильной печи. Дифференцированная загрузка жаровых пятен уменьшает влияние холодного материала в объеме печи, однако усложняет управление процессом плавления.

Кроме того, даже при дозированной загрузке материала через отверстия свода невозможно получить равномерный по высоте слой материала на всей поверхности жарового пятна, что снижает скорость плавления, а следовательно, эффективность способа.

Технический результат заявляемого изобретения предусматривает упрощение способа и повышение его эффективности путем интенсификации теплообмена за счет создания в зоне плавления развитой теплообменной поверхности, а также за счет использования тепла отходящих дымовых газов.

Указанный технический результат обеспечивается тем, что в способе плавления горных пород, включающем тонкослойную загрузку материала в виде кусковой россыпи, ударно-струйный нагрев материала высокоскоростными горелками, плавление и непрерывный гравитационный отбор расплава, согласно изобретению, материал перед загрузкой при постоянном его перемешивании нагревают дымовыми газами, отходящими из плавильной печи через кольцевой дымоотводящий канал, до температуры на 100-150°С ниже температуры его размягчения, тонкослойную загрузку материала производят равномерно и одновременно по всей длине и ширине пода плавильной печи, выполненной в виде сегмента кольцевого канала, путем направления материала на вершину распределительного элемента, выполненного с конусной наружной поверхностью, переходящей в цилиндрическую, отбор расплава из плавильной печи производят в камеру накопления для его перегрева и гомогенизации, при этом высокоскоростные струи продуктов сгорания направляют со стороны стен плавильной печи и камеры накопления под углом к поду, подогрев материала осуществляют в выполненной в виде вращающегося цилиндрического барабана камере для подогрева материала, высокоскоростные струи продуктов сгорания направляют под углом 25-35° к поду со скоростью истечения на срезе сопла -150-200 м/сек, а плавление материала и перегрев расплава производят при температурах 1200-1400°С, и 1500-1600°С соответственно.

Нагрев материала перед его загрузкой отходящими из плавильной печи дымовыми газами до температуры на 100-150°С ниже температуры его размягчения позволяет повысить скорость его плавления и уменьшить теплозатраты в плавильной зоне на получение расплава, а следовательно, повысить эффективность способа.

Направление дымовых газов из плавильной печи на подогрев материала через кольцевой дымоотводящий канал, позволяет локализовать зону высоких температур, что повышает эффективность плавления материала.

Тонкослойная загрузка материала равномерно и одновременно по всей длине и ширине пода плавильной печи позволяет создать развитую теплообменную поверхность материала и образовавшегося расплава, что повышает интенсивность теплообмена в зоне плавления и скорость плавления материала, а следовательно, эффективность способа в целом.

Отбор расплава из плавильной печи в камеру накопления для его перегрева и гомогенизации позволяет довести расплав до оптимальной вязкости, необходимой для изготовления волокна и повысить качество расплава.

Направление высокоскоростных струй продуктов сгорания со стороны стен плавильной печи и камеры накопления под углом 25-35° к поду со скоростью истечения на срезе сопла -150-200 м/сек позволяет при сохранении интенсивности теплопередачи за счет приближения струи к поверхности плавления и повышения скорости ее истечения перенести тепловую нагрузку на под зоны плавления, что снижает температуру на своде, повышая его стойкость.

Осуществление плавления материала при температурах 1200-1400°С и перегрева расплава при - 1500-1600°С позволяет, по сравнению с известными способами, уменьшить теплозатраты на тонну расплава, что также повышает эффективность способа.

Известна ванная печь для плавления горных пород, включающая варочный бассейн, стены и свод, образующие пламенное пространство, загрузочное отверстие и отверстие для установки горелки, выполненные в своде печи, дьмовой канал с рекуператором на выходе, выработочную часть, проток, сообщающий варочный бассейн с выработочной частью, фильерный питатель, размещенный в поде выработочной части, при этом дымовой канал проходит над выработочной частью, проток выполнен многоступенчатым, стены и свод, образующие пламенное пространство печи, выложены по форме сгорания топлива, дымовой канал над протоком и выработочной частью имеет форму узкой щели, причем в торцовых стенах выработочной части над концами фильерного питателя выполнены смотровые окна (см. заявку на изобретение №98117545, 7 МПК С 03 В 5/04. «Ванная печь для производства волокна из горных пород», опубликованную 1998.09.22).

Расположение загрузочного отверстия в своде печи и вертикальная загрузка материала не позволяют обеспечить равномерную тонкослойную его загрузку по всему зеркалу варочного бассейна. А низкая теплопроводность образовавшегося расплава верхнего слоя материала из горных пород не позволяет быстро производить его прогрев до температуры плавления на глубину более 50-100 мм и требует увеличения времени нахождения материала в зоне плавления или уменьшения скорости загрузки, что снижает производительность печи.

Выполнение стен и свода пламенного пространства по форме факела несколько повышает температуру в пространстве над варочным бассейном за счет увеличения теплового напряжения, но не может существенно повысить производительность печи.

Известна ванная печь для получения расплава из горных пород, включающая бассейн со сводом, выработочный канал фидера, свод с горелками, расположенными вдоль его продольной оси, загрузочное отверстие, при этом бассейн печи выполнен в виде зон, расположенных ступенчато относительно друг друга по отношению к верхней плоскости огнеупора стен бассейна с соотношением их глубин -1:+2,5:-3:-2:-05:-1,5, а именно: зоны плавления, накопительной зоны, зоны отбора усредненного расплава с противопенным мостом, зоны накопления и стабилизации, причем первая зона выполнена в виде площадки, поднятой над верхней плоскостью огнеупора стен бассейна с углом наклона 7-10° к продольной оси поверхности огнеупора бассейна печи, а сливной торец площадки скошен под углом менее 90° (см. патент РФ №2017691, 5МПК С 03 В 5/04 «Ванная печь для получения расплава из горных пород», опубликованный 1994.08.15).

Расположение загрузочного отверстия на своде печи не позволяет обеспечить равномерную тонкослойную загрузку материала по всей плоскости площадки, где происходит его расплав, а низкая теплопроводность образовавшегося расплава верхнего слоя материала из горных пород не позволяет быстро производить его прогрев до температуры плавления на глубину более 50-100 мм и требует увеличения времени нахождения материала в зоне плавления или уменьшения скорости загрузки, что снижает производительность печи.

Кроме того, холодный материал, поступающий из загрузочного отверстия, снижает температуру в зоне плавления на 100-150°С, а плоскопламенные горелки, расположенные вдоль свода печи, не могут обеспечить конвективный струйный нагрев материала для быстрого восстановления температуры плавления, что снижает эффективность нагрева и плавления, а следовательно, и производительность ванной печи.

Небольшая площадь зоны плавления по сравнению с зеркалом бассейна, медленное проплавление материала по высоте загружаемого слоя, оседание нерасплавленных частиц в придонном слое накопительной ванны обуславливают длительное нахождение расплава в бассейне печи, что снижает ее эффективность, а необходимость ступенчатого выполнения бассейна усложняет ванную печь.

Наиболее близким по технической сущности является устройство для осуществления способа плавления горных пород, включающее плавильную со сводом, стенами и керамическим наклонным подом печь, загрузчик шихты, горелки для сжигания углеводородного топлива с системой дымоотвода, выработочный смонтированный внутри печи лоток с вертикальным на торце каналом, под которым в подине образовано конусообразное отверстие для слива расплава, при этом на подине или ее части, выложенных горизонтально, расположены жаровые пятна, а свод печи выполнен водоохлаждаемым в виде, по крайней мере, одной полой горелочной панели, сваренной из листовой стали, с цилиндрическими монтажньми фурмами, технологическими отверстиями для загрузки материала, замера температур, причем панель с огневой стороны футерована легковесным теплоизоляционньм огнеупором, в фурмах установлены высокоскоростные горелки ударно-струйного нагрева для сжигания газа и/или жидкого топлива, а соотношение высоты свода к среднему диаметру жарового пятна составляет 0,5-4,0, причем внутри печи параллельно основным стенкам установлена, по крайней мере, одна массивная отражательная фальшстена из высокоогнеупорного материала, а подина выполнена с уклоном на два ската и выложена из хромоксидных огнеупоров с содержанием оксида хрома 92,5-96,0% (см. заявку на изобретение РФ №202109399, 7МПК С 03 В 5/04, «Безванное плавление горных пород по способу Р.Д.Тихонова и устройство для его осуществления», опубликованную 2003.11.20).

Наличие в печи жаровых пятен и применение в устройстве высокоскоростных горелок ударно-струйного нагрева, направленных на жаровые пятна, повышает конвективную составляющую процесса теплообмена и съем расплава с одного жарового пятна, однако для обеспечения высокой производительности устройства необходимо большое количество жаровых пятен, что увеличивает габариты плавильной печи, снижая ее эффективность, а именно удельный съем расплава с квадратного метра пода. Увеличение диаметра жаровых пятен также не может существенно повысить производительность устройства, так как вызывает снижение интенсивности конвективного нагрева, а следовательно, скорости плавления материала.

Установка высокоскоростных горелок ударно-струйного нагрева для сжигания газа и/или жидкого топлива на своде плавильной печи создает на нем область высоких температур и вызывает необходимость делать свод водоохлаждаемым, что усложняет его конструкцию, а также повышает механическую нагрузку на свод, снижая его надежность.

Установка одной и более массивных отражательных фальшстен для повышения температуры в зоне жаровых пятен усложняет плавильную печь и снижает стойкость огнеупоров, что снижает надежность работы плавильной печи.

Технический результат заявляемого изобретения предусматривает повышение эффективности устройства путем интенсификации теплообмена за счет создания в зоне плавления развитой теплообменной поверхности и использования тепла отходящих дымовых газов, а также повышение надежности устройства за счет повышения стойкости огнеупоров.

Указанный технический результат достигается тем, что устройство для плавления горных пород, включающее загрузочное отверстие, плавильную печь, снабженную сводом, стенами и наклонным двускатным подом, высокоскоростными горелками для сжигания углеводородного топлива, согласно изобретению оно содержит камеру накопления, снабженную высокоскоростными горелками, камеру для подогрева материала, соединенную с загрузочным отверстием, камеру загрузки с распределительным элементом, снабженным конусной наружной поверхностью, переходящей в цилиндрическую, вершина которого расположена под загрузочным отверстием, а основание соединено с подом плавильной печи, выполненной в виде сегмента кольцевого канала, при этом камера загрузки выполнена в виде сегмента полого цилиндра, основание которого соединено со сводом плавильной печи, образуя между сводом и распределительным элементом кольцевой дымоотводящий канал, а высокоскоростные горелки установлены в стенах плавильной печи и камеры накопления под углом к поду, причем камера для подогрева материала выполнена в виде цилиндрического барабана, установленного в загрузочном отверстии с возможностью вращения, загрузочное отверстие выполнено из огнеупорного бетона и снабжено направляющим лотком, высокоскоростные горелки установлены под углом 25-35° к поду плавильной печи и камеры накопления, а свод плавильной печи выполнен подвесным из огнеупорного бетона.

Наличие камеры накопления, снабженной высокоскоростными горелками, установленными под углом к поду, позволяет производить перегрев расплава и его гомогенизацию для достижения необходимой вязкости и однородности, что повышает качество расплава, скорость его отбора из камеры накопления.

Разделение зоны перегрева и плавильной печи позволяет снизить температуру в последней, повысить стойкость огнеупоров и продлить срок их службы, что повышает надежность устройства.

Наличие камеры для подогрева материала перед его загрузкой в зону плавления отходящими из варочного бассейна высокотемпературными дымовыми газами позволяет исключить отрицательное влияние загрузки холодного материала на скорость плавления, что повышает производительность печи и эффективность устройства в целом, а также благоприятно влияет на стойкость огнеупора, повышая надежность устройства.

Выполнение камеры для подогрева материала в виде цилиндрического барабана, установленного в загрузочном отверстии с возможностью вращения, повышает эффективность нагрева материала при его перемешивании, а также обеспечивает равномерную дозированную его подачу на распределительный элемент.

Наличие камеры загрузки с распределительным элементом, снабженным конусной наружной поверхностью, переходящей в цилиндрическую, вершина которого расположена под загрузочным отверстием, а основание соединено с подом плавильной печи, выполненной в виде сегмента кольцевого канала, позволяет производить загрузку одновременно по всей поверхности пода плавильной печи равномерным тонким слоем подогретого материала, создавая развитую теплообменную поверхность материала и верхнего слоя расплава, что интенсифицирует теплообмен в зоне плавления и сокращает время плавления материала, а следовательно, повышает производительность плавильной печи и эффективность устройства в целом.

Выполнение камеры загрузки в виде сегмента полого цилиндра, основание которого соединено со сводом плавильной печи, образуя между ним и распределительным элементом кольцевой дымоотводящий канал, позволяет уменьшить объем плавильной печи, локализовать зону сравнительно высоких температур и повысить стойкость огнеупоров, что повышает эффективность и надежность устройства.

Расположение высокоскоростных горелок в стенах плавильной печи под углом к поду позволяет уменьшить механическую нагрузку на свод плавильной печи и повысить его стойкость, что также повышает надежность устройства.

Технических решений, совпадающих с совокупностью существенных признаков изобретения, не выявлено, что позволяет сделать вывод о соответствии изобретения условию патентоспособности «новизна».

Заявляемые существенные признаки изобретения, предопределяющие получение указанного технического результата, явным образом не следуют из уровня техники, что позволяет сделать вывод о соответствии изобретения условию патентоспособности «изобретательский уровень».

Условие патентоспособности «промышленная применимость» подтверждено на примере конкретного выполнения способа для плавления горных пород устройства для его осуществления.

На фигуре 1 показано устройство для плавления горных пород разрезе, на фигуре 2 показан вид сверху на устройство в разрезе по А-А, на фигуре 3 показано сечение устройства Б-Б по камере подогрева материала, на фигуре 4 показано сечение плавильной печи В-В по высокоскоростной горелке.

Устройство для плавления горных пород, включающее загрузочное отверстие 1, выполненное из огнеупорного бетона, плавильную печь 2, выполненную в виде сегмента кольцевого канала и снабженную подвесным сводом 3, выполненным из огнеупорного бетона, стенами 4 и 5 и наклонным двускатным подом 6, высокоскоростными горелками 7 ударно-струйного нагрева для сжигании углеводородного топлива, установленными в стенах 4 и 5 плавильной печи 2 под углом 35° к поду 6. Устройство содержит также камеру накопления 8, для перегрева и гомогенизации расплава, включающую под 9, стены 10 высокоскоростные горелки 7, установленные в стенах 10 под углом 35° к поду 9.

Устройство содержит камеру для подогрева материала 11, выполненную в виде цилиндрического барабана и установленную с возможностью вращения в загрузочном отверстии 1, а также выполненную в виде сегмента полого цилиндра камеру загрузки 12 с распределительным элементом 13, наружная поверхность которого выполнена в виде конусной поверхности 14, переходящей в цилиндрическую поверхность 15.

Вершина распределительного элемента 13 расположена под загрузочным отверстием 1, а основание соединено с подом 6 плавильной печи 2. Цилиндрическое основание камеры загрузки 12 соединено со сводом 3, образуя между ним и распределительным элементом 13 кольцевой дымоотводящий канал 16. Загрузочное отверстие 1 снабжено направляющим лотком 17.

Способ осуществляют следующим образом. Включают высокоскоростные горелки 7 и производят нагрев плавильной печи 2 и камеры накопления 8. Отходящие дымовые газы направляют через кольцевой дымоотводящий канал 16 в камеру загрузки 12 и далее в камеру для подогрева материала 11, выполненную в виде вращающегося барабана.

Материал из горных пород в виде базальтовой крошки фракцией 5-12 мм загружают в камеру для подогрева материала 11, где материал при постоянном его перемешивании равномерно нагревают до температуры 700-800°С.

Нагретый материал через лоток 17 загрузочного отверстия 1 поступает со скоростью 2000-2500 кг/час на вершину распределительного элемента 13 и равномерным веерообразным потоком ссыпается по конусной поверхности 14 на под 6 плавильной печи 2, а при наличии расплава - на зеркало расплава. С основания конусной поверхности 14 частицы материала свободно падают на под 6 или зеркало расплава плавильной печи 2. В зависимости от массы и формы отдельные частицы пролетают разные расстояния по ширине пода 6, обеспечивая равномерное распределение материала по ширине пода 6 плавильной печи 2.

Веерообразное распределение материала по конусной поверхности 14 распределительного элемента 13 и свободное падение его с высоты цилиндрической поверхности 15 распределительного элемента 13 на всей длине плавильной печи 2 обеспечивают равномерную тонкослойную загрузку материала одновременно по всей длине и ширине пода 6 плавильной печи 2.

Высокотемпературные струи продуктов сгорания, образованные высокоскоростными горелками 7, установленными в стенах 4 и 5 под углом 35° к поду 6, со скоростью 150-200 м/сек направляют на материал, нагревая его до 1300-1400°С, обеспечивая интенсивный теплообмен в зоне плавления.

Учитывая, что скорость загрузки материала составляет ˜ 0,12 кг/сек на 1 м², а скорость плавления одного усредненного кусочка шихты 30-35 сек, то слой материала успевает расплавиться до того, как поступит следующая его порция. Таким образом, вновь загружаемые кусочки материала практически не перекрывают предыдущие, обеспечивая нагрев каждого кусочка со всех сторон, интенсивное плавление материала и отток расплава через промежутки между кусочками.

По двускатному поду 6 образовавшийся расплав стекает сначала к наружной стенке 4, а затем к центру пода 6 и направляется в камеру накопления 8, где под действием высокотемпературных струй высокоскоростных горелок 7, расположенных в стенах 10 под углом 35° к поду 9 происходит перегрев расплава до температуры 1500-1550°С, его гомогенизация и дегазация. Осевшие на под 6 плавильной печи 2 или на под 9 камеры накопления 8 нерасплавившиеся тугоплавкие примеси по мере их накопления периодически удаляют через окна (не показаны).