способ получения расплава из горных пород и отходов минераловатного производства и устройство для его осуществления

Формула изобретения

1. Способ безваннового плавления горных пород и отходов минераловатного производства в газовой печи на скатной подине, включающий тонкослойную загрузку шихты на жаровые пятна с температурой 1700±250°С, формируемые ударно-струйным нагревом при скорости соударения газового факела с подиной 30-250 м/с с непрерывным гравитационным отбором расплава на выработку, отличающийся тем, что на скатной подине печи формируют постоянный объем шихты, состоящий из выплавляемой части - шихтовой кучи в виде усеченного конуса, большее основание которого расположено на скатной подине, и подпитывающей части в виде шихтового столба, нижняя часть которого сопряжена с меньшим основанием усеченного конуса, при этом плавление шихты осуществляют при условии размещения жаровых пятен по периметру большего основания усеченного конуса с саморегулируемым восполнением выплавляемой части конуса за счет оседания шихтового столба под собственным весом.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что плавление шихты осуществляют при размещении, по меньшей мере, 1/3 площади жаровых пятен внутри периметра большего основания усеченного конуса.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что загрузку на жаровые пятна ведут непрерывно путем осыпания шихты с откосов выплавляемой части конуса.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что количество шихты в шихтовом столбе обеспечивает, по меньшей мере, один час бесперебойной выдачи расплава при отсутствии загрузки.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что постоянный объем шихты с подпитывающим шихтовым столбом формируют вплотную к стенке газовой печи.

6. Способ по п.1, отличающийся тем, что минераловатные отходы перед загрузкой в печь подвергают обмятию и/или дроблению.

7. Устройство для безванного плавления горных пород и отходов минераловатного производства, включающее газовую печь с керамической скатной подиной, водоохлаждаемым футерованным сводом, выполненным из листовой стали и снабженным технологическими фурмами для установки газовых горелок, датчиков температуры и загрузки шихты, сливным лотком для выдачи расплава, отличающееся тем, что, по крайней мере, над одной из фурм для загрузки шихты установлена с помощью присоединительного фланца вертикальная водоохлаждаемая шахта, причем в шахте коаксиально стенкам установлен с возможностью перемещения загрузочный ствол, выполненный из жаропрочного материала.

8. Устройство по п.7, отличающееся тем, что, по меньшей мере, часть загрузочного ствола выполнена из силицированного графита.

9. Устройство по п.7, отличающееся тем, что загрузочный ствол снабжен вибропобудителем для схода шихты.

10. Устройство по п.7, отличающееся тем, что на скатную подину под загрузочный ствол дополнительно установлен раскладчик шихты в виде массивного конусообразного тела, изготовленного из высокоогнеупорного материала.

11. Устройство по п.7, отличающееся тем, что над фурмами для датчиков температур установлен, по крайней мере, один дистанционный бесконтактный измеритель температуры, ориентированный на жаровые пятна.

12. Устройство по п.12, отличающееся тем, что в качестве бесконтактного измерителя температуры установлен инфракрасный термометр.

Описание изобретения к патенту

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к технологии получения расплава безванновым способом из горных пород и отходов минераловатного производства, в частности к плавлению шихты на скатной подине с кучевой загрузкой в печь, и может быть использовано при изготовлении волокнистых утеплителей для гражданского и промышленного строительства.

Уровень техники

Существующие способы кучевой загрузки шихты в накопительно-расходные ванны при получении силикатных расплавов не позволяют интенсифицировать процесс плавления, поскольку формирование шихтовых куч ведут боковыми загрузчиками "под стенку" плавильного бассейна и более половины тепловоспринимающей поверхности шихтовых куч закрыто от лучевого и конвективного нагрева (см. Тонкослойная варка стекла. Технология стекла под ред. И.И.Китайгородского, М., 1967 г., стр.105-108).

В то же время кучевая загрузка позволяет решить проблему непрерывной и своевременной подачи шихты под факел горелок. Известны технические решения более рационального способа формирования шихтовых куч с круговым обогревом газовыми горелками. В изобретении в соответствии с авторским свидетельством SU 1101426 шихтовую кучу формируют на середине плавильного бассейна путем продавливания шихты винтовым загрузчиком снизу печи через встроенный в подину водоохлаждаемый мундштук. При этом основание шихтовой кучи находится под расплавом. Во избежание выноса шихты на зеркало бассейна при обрушении откосов кучи вокруг основания кучи выполнено лабиринтное ограждение из огнеупоров с выходом расплава в сторону, противоположную выработочному протоку.

В другом известном изобретении (SU 1033421) шихтовая куча формируется на середине бассейна путем завалки шихты через свод плавильной печи с помощью вертикальной цилиндрической шахты. В этом случае шихтовая куча представляет собой правильный усеченный конус, верхнее основание которого служит опорой для шихты, находящейся в загрузочной шахте. По периметру нижнего основания шихтовой кучи, под расплавом, установлены барботажные головки для подачи сжатого воздуха. Стекающий по откосу шихтовой кучи расплав захватывает с собой мелкие частички шихты, увлекая их в зону барботажа перегретого расплава, и способствует более быстрому их расплавлению.

Известно еще одно изобретение (SU 579234) с загрузкой плавильного бассейна через свод печи. Устройство включает плавильную накопительно-расходную ванну с газовыми горелками, дымоотводом и загрузчиком шихты в виде металлической шахты, как в SU 1033421, причем шахта в своде печи выполнена с возможностью вертикального перемещения от электропривода.

Общим недостатком описанных известных технических решений является вынос нерасплавленной шихты в рабочий проток.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту к предлагаемому изобретению является способ плавления горных пород, включающий загрузку и плавление шихты на твердом основании при непрерывном гравитационном отборе получаемого расплава на выработку, при этом плавление шихты ведут на жаровых пятнах, которые формируют с помощью направленного ударно-струйного нагрева при скорости соударения газового факела с подиной 30...250 м/с и температуре 1700±250°С, причем шихту на жаровые пятна дозируют тонким слоем и/или в виде кусковой россыпи. Устройство для осуществления способа содержит газовую печь с керамическим скатным подом, включающую водоохлаждаемый футерованный свод, сваренный из листовой стали, с технологическими фурмами для установки скоростных горелок, датчиков температуры и загрузки шихты, сливной лоток для выдачи расплава (RU 2230709). Под жаровыми пятнами как в известном, так и в предложенном изобретениях понимаются локальные перегретые до указанных температур участки подины, наблюдаемые визуально.

Недостатком известного изобретения является размыв скатной подины высокотемпературным скоростным факелом при нарушениях в подаче шихты на жаровые пятна плавильной зоны.

Раскрытие изобретения

Задачей изобретения является устранение всех присущих известным способам недостатков, повышение производительности способа, а также расширение технологических возможностей.

Поставленная задача решается способом безваннового плавления горных пород и отходов минераловатного производства в газовой печи на скатной подине, включающим тонкослойную загрузку шихты на жаровые пятна с температурой 1700±250°С, формируемые ударно-струйным нагревом при скорости соударения газового факела с подиной 30...250 м/с с непрерывным гравитационным отбором расплава на выработку, в соответствии с которым на скатной подине печи формируют постоянный объем шихты, состоящий из выплавляемой части - шихтовой кучи в виде усеченного конуса, большее основание которого расположено на скатной подине, и подпитывающей части в виде шихтового столба, нижняя часть которого сопряжена с меньшим основанием усеченного конуса, при этом плавление шихты осуществляют при условии размещения жаровых пятен по периметру большего основания усеченного конуса с саморегулируемым восполнением выплавляемой части конуса за счет оседания шихтового столба под собственным весом.

В частных воплощениях изобретения поставленная задача решается тем, что плавление шихты осуществляют при размещении, по меньшей мере, 1/3 площади жаровых пятен внутри периметра большего основания усеченного конуса.

Целесообразно загрузку на жаровые пятна проводить непрерывно путем осыпания шихты с откосов выплавляемой части конуса.

Желательно, чтобы количество шихты в шихтовом столбе обеспечивало, по меньшей мере, один час бесперебойной выдачи расплава при отсутствии загрузки.

В некоторых воплощениях изобретения целесообразно формировать постоянный объем шихты с подпитывающим шихтовым столбом вплотную к стенке газовой печи.

Если в способе используются минераловатные отходы, то перед загрузкой в печь их подвергают обмятию и/или дроблению, например, на колесных бегунах.

Поставленная задача также решается устройством для безванного плавления горных пород и отходов минераловатного производства, включающим газовую печь с керамической скатной подиной, водоохлаждаемым футерованным сводом, выполненным из листовой стали и снабженным технологическими фурмами для установки газовых горелок, датчиков температуры и загрузки шихты, сливным лотком для выдачи расплава, в соответствии с которым, по крайней мере, над одной из фурм для загрузки шихты установлена с помощью присоединительного фланца вертикальная водоохлаждаемая шахта, причем в шахте коаксиально стенкам установлен, с возможностью перемещения, загрузочный ствол, выполненный из жаропрочного материала.

В частных воплощениях изобретения поставленная задача решается тем, что по меньшей мере, часть загрузочного ствола выполнена из силицированного графита.

Загрузочный ствол может быть снабжен вибропобудителем для схода шихты.

На скатную подину под загрузочный ствол может быть дополнительно установлен раскладчик шихты в виде массивного конусообразного тела, изготовленного из высокоогнеупорного материала.

Над фурмами для датчиков температур может быть установлен, по крайней мере, один дистанционный бесконтактный измеритель температуры, ориентированный на жаровые пятна, в качестве которого может быть установлен инфракрасный термометр.

Краткое описание чертежей

На фиг.1 приведен общий вид устройства.

На фиг.2 приведена схемы расположения жаровых пятен при одностороннем скате шихтовой кучи, примыкающей к стенке печи.

На фиг.3 приведена схема корректировки плавильной зоны путем изменения угла наклона плавильных горелок.

На фиг.4 приведена схема корректировки плавильной зоны путем изменения площади основания шихтовой кучи.

На фиг.5 приведена разновидность устройства с использованием раскладчика шихты в виде конусообразного тела.

На фиг.6 приведена разновидность устройства с использованием раскладчика шихты в виде сложного конусообразного тела.

Позиции на чертежах и схемах означают следующее.

1. Печь

2. Скатная подина

3. Сливной лоток

4. Водоохлаждаемый свод

5. Технологическая фурма

6. Легковесный огнеупор

7. Газовая горелка для плавления шихты

8. Газовая горелка для экранирования расплава

9. Водоохлаждаемая шахта

10. Фланцевое соединение

11. Загрузочный ствол

12. Раскладчик шихты

13. Шихтовая куча

14. Шихтовой столб

15. Жаровое пятно

16. Инфракрасный термометр

Осуществление изобретения

Устройство для реализации предложенного способа представляет собой плавильную безванновую печь (1), которая включает керамическую жаростойкую скатную подину (2), сливной лоток (3), полый, сваренный из листовой стали водоохлаждаемый свод (4), снабженный технологическими фурмами (5), свод (4) футерован легковесным огнеупором (6), силовой каркас (не показан) и другие элементы конструкционной жесткости размещены как с наружной, так и с внутренней стороны полости свода (4). В технологических фурмах (5) свода (4) установлены скоростные газовые горелки для плавления шихты (7) и для теплового экранирования (8) сливного лотка (3) и, по крайней мере, одна вертикальная водоохлаждаемая шахта (9), сопряженная со сводом (4) фланцевым соединением (10), в шахте (9) коаксиально стенкам размещен загрузочный ствол (11) с возможностью вертикального перемещения от специального привода (не показано). Под устьем загрузочного ствола (11) на скатной подине (2) установлен дополнительный раскладчик (12) для формирования тонкого слоя шихты. Раскладчик (12) имеет конусообразную форму (см. фиг.5), либо сложную конусообразную форму - выполняется в виде конуса, переходящего в плоское основание (см. фиг.6) и изготавливается из термоабразивостойкого материала, например хромо-алюмо-циркониевого состава. Выполнение раскладчика конусообразной формы стимулирует сход шихты и расположение ее на подине в виде тонкого слоя, при этом конусообразная часть раскладчика при сходе шихты взаимодействует с устьем загрузочного ствола, а плоское основание - с факелами газовых горелок.

На загрузочном стволе (11) шахты (9) установлен побудитель схода шихты вибрационного или ударного действия (не показан).

Изобретение осуществляется следующим образом.

Пример 1

В печь (1) для безваннового плавления шихты, изготовленную по предлагаемому изобретению, загружают базальтовую шихту с фракционным составом 2...30 мм. Загрузку ведут через загрузочный ствол (11) водоохлаждаемой шахты (9), при этом ствол (11) предварительно опускают в печь до упора в скатную подину (2). Ствол (11) заполняют шихтой и медленно возвращают в шахту (9) с помощью подъемного устройства, оставляя на скатной подине (2) шихтовую кучу (13) в виде конуса - опору для шихтового столба (14). Согласно изобретению периметр нижнего основания опорного конуса шихтовой кучи (13) не должен выходить за пределы плавильной зоны, условно определяемой проекциями влетов плавильных газовых горелок (7) на скатную подину (2) - жаровыми пятнами (15) (см. фиг.2). После возврата в шахту (9) загрузочный ствол (11) фиксируют по месту и не меняют найденного положения, пока используется шихта с данным углом естественного откоса. Убыль шихты в загрузочном стволе (11), затраченную на формирование опорного конуса, восполняют из расходного кюбеля (не показан) после установки его над загрузочной шахтой. На этом операция формирования саморегулируемой системы подпитки шихтой плавильной зоны завершается.

Как вариант реализации предложенного способа шихтовой столб (14) и опорный конус (13) формируют вплотную под стенку печи с односкатным откосом (фиг.1).

После того как система самоподпитки сформирована, приступают к разогреву и выводке печи, включают горелки плавления (7), а также экранирования и перегрева (8) с постепенным увеличением их тепловой мощности.

Осыпание откосов по мере выплавления основания расходного конуса в предложенном изобретении является основным принципом тонкослойной загрузки и плавления шихты на жаровых пятнах.

Оптимальный режим плавления достигается при размещении, по меньшей мере, 1/3 площади жаровых пятен внутри периметра основания шихтовой кучи. Опытным путем установлено, что при площади жаровых пятен менее 1/3 - скорость выплавления основания расходного конуса минимальна.

Корректировка плавильной зоны в этом случае может быть достигнута путем изменения угла наклона плавильных горелок (фиг.3). Первым признаком начавшегося плавления шихты служит тонкоструйное прерывистое истечение расплава из выработочного сливного лотка (3) в подине (2). По мере разогрева печи наполненность струи возрастает, расплав формируется в устойчивую монострую, достигая максимума. Чем выше тепловое напряжение в зоне плавления, тем выше дебит выдачи расплава. При необходимости получить расплав с максимальным перегревом без изменения дебита делают это, повышая мощность экранирующих горелок (8), не изменяя теплового режима плавильных горелок (7).

Согласно изобретению площадь нижнего основания опорного конуса шихтового столба можно в некоторых пределах корректировать (уменьшая или увеличивая) путем подъема - опускания загрузочного ствола с помощью домкратного механизма (см. фиг.4).

Во избежание перегрева и/или зашлаковывания устья загрузочного ствола в шахту подают вентиляторный воздух.

Для обеспечения своевременного поступления шихты на жаровые пятна загрузочный ствол (11) сверху постоянно подпитывают из сменного кюбеля (не показан) с емкостью, рассчитанной на три-четыре часа работы печи в оптимальном режиме выдачи расплава.

При углах естественного откоса менее 45 возможны неконтролируемые лавинные сходы шихты на жаровые пятна. Во избежание этого предложена тонкослойная раскладка шихты при загрузке с помощью раскладчика шихты (12), установленного на подине (2) под загрузочным стволом (11) и выполненного в виде массивного тела с постоянной или переменной конусностью, плавно переходящей в плоское основание. При этом конусная часть раскладчика (12) взаимодействует с устьем загрузочного ствола (11), а основание - с факелами газовых горелок (7). Для контроля за тепловым напряжением плавильной зоны над сводовыми фурмами для замера температур установлены дистанционные инфракрасные термометры (16), ориентированные на жаровые пятна (15), в частности пирометры "Кельвин К Б Диполь", разработанные Технологическим Центром Уникального приборостроения РАН.

В технологии безваннового плавления шихты используют скоростные горелки с высокотемпературным ударно-струйным факелом. Принцип сжигания газа в этих горелках исключает (без необходимости) содержание в продуктах горения окиси углерода, что позволяет, в свою очередь, использовать отработавшее тепло в технологическом процессе, например, для открытой подвялки или сушки.

Способ загрузки печи "шихтовым столбом" расширяет возможности безваннового плавления на скатной подине, в частности решает проблему защиты скатной подины от размывания и прожога путем предложенной саморегулируемой подачи шихты на жаровые пятна.

Формирование шихтового столба "под стенку" следует рассматривать как вариант защиты основания стенок плавильной зоны.

Пример 2

Плавление отходов минераловатного производства

Производство минеральной ваты и изделий на ее основе является самостоятельной крупнотоннажной технологией. Для получения расплава и волокна в минераловатном производстве используют высокопроизводительные коксовые печи - вагранки с дебетом выдачи до 4,0 тонн/час, и многовалковые центрифуги. При этом проектно-нормативные потери расплава при переработке в волокно составляют 25%. Практически, по мере износа валков центрифуги потери достигают 40-45% (Горяйнов К.Э. и др. Технология теплоизоляционных материалов и изделий. М.: Стройиздат. 1982 г., стр.158). Отходы минераловатного производства представляют собой волокнисто-кусковую смесь, состоящую из шлаковых настылей различной крупности и геометрической формы, остеклованного песка ("корольков") и ваты, обработанной, как правило, токсичным, не прошедшим полимеризацию связующим. Минераловатные отходы имеют малую объемную плотность (150-300 кг в м³ ), склонны к слеживанию, уплотнению и зависанию в накопительно-расходных бункерах.

Из-за технологических особенностей плавления шихты в вагранках использование волокнисто-кусковых отходов для повторного проплава невозможно. Существующие ванные печи, применяемые в минераловатном производстве, в силу отмеченных выше недостатков также непригодны для утилизации волокнисто-кусковых отходов. В этой ситуации для решения проблемы утилизации волокнисто-кусковых отходов наиболее перспективными, по мнению авторов, являются печи безваннового плавления, в частности, по предлагаемому способу со столбовой загрузкой. При этом необходимо выполнение одного требования: повысить плотность и сыпучесть отходов. Для этого отходы перед загрузкой в печь подвергают обмятию и/или дроблению на колесных бегунах.