4.4.3.Плавильные печи. Назначение, устройства, принцип работы

Для получения расплавов в производстве минераль­ной ваты применяют вагранки, ванные и электродуговые печи. При приготовлении фриттованных глазурей для получения расплава используют вращающиеся печи пе­риодического действия и ванные печи.

Вагонетки. Вагранки относятся к группе шахтных противоточных пересыпных печей. Рабочей камерой вагранки является шахта, сваренная из листовой стали толщиной 10—14 мм (рис. 4.64,а). Нижняя часть шахты выполнена в виде полого цилиндра, в концентрическом пространстве кото­рого непрерывно циркулирует вода, охлаждающая внут­реннюю его поверхность. Этот конструктивный элемент вагранки, представляющий собой водяную рубашку 1 называют обычно ватержакетом (по английской терми­нологии). Максимальная температура воды, вытекающей из ватержакета, 70°С. Верхняя часть корпуса футеро­вана изнутри огнеупорным кирпичом 2, а в зоне загруз­ки материала — чугунными сегментами 3, способными воспринимать ударные нагрузки загружаемого мате­риала.

Рис. 4.64. Вагранка для получения минерального расплава

а - конструктивная схема; б - расположение технологических зон; в- изменение концентраций газов и температур по зонам (I - IV); t_Г, t_М соответственно температура газов и материала; Н_ш - высота шахты; Н_Г - высота горна; К_г - концентрация газов; Н_кх - высота холостой колоши; Н_р - рабочая высота; Н _в.р - высота водяной рубашки

Днище шахты (под, лещадь) 4 выполняют (для удоб­ства ремонта) раскрывающимся двухсекционным, укреп­ленным на шарнирах. Изнутри днище футеровано огне­упорной набивкой 5 с уклоном для стока расплава к вы­грузочному отверстию — летке 6. Конструктивно летку оформляют в виде водоохлаждаемой трубы диаметром 55—65 мм, укрепленной в ватержакете. В нижней части ватержакета вмонтированы фурмы 7 — трубы диаметром 50—100 мм, через которые воздух поступает в шахту из кольцевого коллектора 8. В последний воздух нагнетает дутьевой вентилятор 9, или воздуходувка. Фурмы рас­полагают в один или два ряда (как показано на рис. 4.64), а иногда даже в три ряда. Количество фурм в од­ном ряду 8—16.

В верхней части шахты расположено загрузочное отверстие 10, через которое в шахту подают сырьевые ма­териалы и кокс, а внутри шахты укреплен конус 11, пред назначенный для равномерного распределения загружае­мого материала и топлива по сечению шахты. Над верх­ней горловиной шахты укреплен металлический колпак 12 со скошенным днищем, являющийся искрогасителем. Выпадающие из газового потока твердые частицы скаты­ваются по наклонному днищу искрогасителя и выводят­ся через патрубок 13.

Как уже указывалось, вагранка работает по принци­пу противотока. Загруженный материал, кокс и образу­ющийся расплав движутся сверху вниз, а продукты го­рения топлива — дымовые газы вместе с летучими веще­ствами, выделившимися при нагревании материала, дви­жутся снизу вверх, омывая и нагревая материал.

Материал и кокс загружают ритмически определен­ными порциями, называемыми колошами, а расплав из летки вытекает непрерывно. Различают холостую коло­шу и рабочие колоши кокса, а также сырьевые колоши, состоящие из сырьевых материалов, подвергаемых плав­лению. Кокс холостой колоши в процессе горения почти не участвует. На него опирается столб вышележащего материала. Кокс рабочей колоши является топливом, и за счет теплоты его горения осуществляется процесс плавки. Высота рабочей колоши кокса обычно 150—-180 мм. Соотношение по массе между рабочими и сырь­евыми колошами соответствует доле удельного расхода натурального топлива на весовую единицу сырьевой сме­си. Сырьевые и рабочие колоши загружают в определен­ной последовательности.

Нижнюю часть шахты, занимающую объем от пода до первого ряда фурм, называют горном (рис. 4.64,б). В нем скапливается расплав, который при этом усредня­ется по составу и температуре. Одновременно в горне расплав несколько остывает с соответственным возрас­танием вязкости до заданных кондиций. Для обеспечения требуемого усреднения расплава продолжительность на­хождения его в горне строго фиксирована. Поэтому с увеличением производительности вагранки необходимо одновременно увеличивать и объем горна. Обычно высо­та горна составляет 0,5—1 его диаметра (практически 0,6—0,7).

Горн заполняют коксом, который в виде холостой ко­лоши (Н_к.х) загружают при розжиге вагранки. По нему расплав стекает в нижнюю часть горна. В горне кокс на­ходится в раскаленном состоянии, однако в основной своей части он не горит из-за отсутствия притока в горн кислорода. Кокс холостой колоши удерживает на себе весь столб материала шахты, обеспечивает как равно­мерное распределение по сечению шахты подаваемого в нее воздуха, так и образующихся раскаленных продук­тов горения кокса. Кроме того, кокс холостой колоши обеспечивает равномерный сток расплава в горн.

Теоретически кокс холостой колоши гореть не дол­жен, во всяком случае, он для этого не предназначен. Практически в верхней части холостой колоши кокс сго­рает, и его убыль пополняется рабочими колошами.

При установившемся режиме работы в шахте разли­чают четыре технологические зоны (по направлению дви­жения материала, см. рис. 4.64,б): I — сушки сырья; II — дегидратации и декарбонизации сырья; III— плав­ления сырьевой смеси; IV — гомогенизации расплава. Указанное деление на зоны условно, поскольку между ними нельзя провести четкой границы. Зона плавления находится над фурмами. Наиболее активная ее часть расположена выше холостой колоши. Здесь происходит горение топлива и развиваются наиболее высокие температуры, достигающие 1600—1800°С, при которых проис­ходит плавление сырьевой смеси. Образовавшийся рас­плав по раскаленному коксу стекает в горн, а продукты горения топлива устремляются вверх в зону декарбони­зации (зона II). Здесь они нагревают вышележащие слои материала до 800—900°С. В этой зоне глинистые компо­ненты сырья дегидратируются и распадаются на первич­ные оксиды, а карбонатные компоненты разлагаются с выделением С0₂.

Отработавшие в зоне II газы, продолжая свой путь вверх, проходят зону подсушки, где подсушивают и по­догревают до 100—120 °С свежезагруженную сырьевую смесь.

Горение кокса происходит практически в зоне плав­ления, где развиваются наиболее высокие температуры. Здесь кокс, представляющий собой почти чистый углерод, сгорает почти полностью, и соответственно концентрация С0₂ в этой зоне достигает максимума. Однако в верхней части этой зоны, точнее — в верхней части холостой колоши, развиваются восстано­вительные процессы, в связи с чем иногда эту область выделяют в отдельную, реакционную зону. Она занима­ет пространство между верхом холостой колоши и услов­ной линией минимального содержания 0₂ в дымовых га­зах. В этой зоне С0₂ дымовых газов, реагируя с раскаленным углеродом, восстанавливается до СО, что сопровождается понижением температуры в этой зоне вследствие эндотермичности реакции восстановления С0₂. Интенсивность процесса восстановления С0₂ воз­растает с уменьшением размера кусков кокса (увеличе­нием его удельной поверхности) и с увеличением его реакционной способности, которая характеризуется от­ношением в этой зоне, %

Физический смысл показателя R — способность кокса восстанавливать образовавшуюся при его горении С0₂ в СО.

Восстановление С0₂ в СО является реакцией эндо­термической, и поэтому она снижает теп­ловую экономичность процесса. В возможной мере ее надо блокировать. Прекращается она при снижении тем­пературы дымовых газов до 1100—1000°С. Концентрация 0₂ является максимальной в сечении фурм и резко убы­вает по мере приближения к зоне декарбонизации (рисунок 4.64, в). Так как горение кокса происходит с избытком воздуха, то в отходящих из вагранки газах содержатся три указанных газовых компонента — С0₂, СО и 0₂. Ес­тественно, что в отходящих газах содержатся также азот (вводимый с воздухом) и сернистые газы — продукты го­рения серы, содержащейся в коксе, а также водяные па­ры и другие летучие вещества, выделяющиеся из сырье­вой смеси. (взято перегудов, роговой)

Ванные печи. В производстве минеральной ваты для получения расплава применяют также ванные печи, хотя они получили в этой области меньшее распространение, чем вагранки.

Преимущество ванных печей — высокая степень уп­равляемости процессом плавки в результате того, что подавляющая часть теплоты (до 95%) передается рас­плаву лучеиспусканием, повышенная гомогенность рас­плава и возможность его получения с заданными свойст­вами. Достоинством ванных печей также является воз­можность использования их для плавки мелкокускового, рыхлого и порошкообразного сырья, минуя операцию его брикетирования.

В сочетании с фильерным способом образования во­локон плавка сырьевой смеси в ванных печах обеспечи­вает получение высококачественного волокна без король­ков. К достоинствам ванных печей относят иногда возможность отопления их газом и мазутом. Однако в свя­зи с наметившейся тенденцией ограничения в использо­вании природного газа в промышленных тепловых уста­новках указанную возможность едва ли можно считать достоинством, так как использование генераторного газа взамен природного сильно осложнит эксплуатацию ван­ных печей и существенно удорожит стоимость расплава.

Ванным печам в сравнении с вагранками присущи и определенные недостатки: они требуют больших (в 4 — 5 раз) производственных площадей, более капиталоемки, подготовка сырьевой смеси для плавки в ванной печи от­носительно сложна и энергоемка, удельный расход топ­лива почти в 2 раза выше. Это ограничивает целесообраз­ность их применения двумя основными условиями: необ­ходимостью использования рыхлого сырья и получения ваты высоких кондиций.

Ванные печи классифицируют по трем основным признакам: режиму работы, направлению движения пла­мени и способу подогрева воздуха.

Рис. 4.65. Направление топливного факела в ванных печах с подковообраз­ным движением газов а - регенеративная печь; 1,2 - соответственно правый и левый регенерато­ры; 3 - направление газопотока при работе правого регенератора на подо­греве воздуха; 4 - то же, при работе левого регенератора на подогреве воз­духа; б - рекуперативная печь с осевым расположением горелки; в - то же, с осевым расположением рекуператора; 5 - рекуператоры; 6 - горелки

По режиму работы различают ванные печи периоди­ческого и непрерывного действия. В производстве мине­ральной и стеклянной ваты применяют только непрерывно действующие ванные печи. По направлению движения пламени различают печи с продольным, поперечным и подковообразным движением пламени. Последний тип характерен преимущественно для ванных печей с неболь­шими размерами рабочей камеры, которые в основном и применяют в производстве минеральной и стеклянной ва­ты. Подковообразное направление движения пламени (рис. 4.65) дает возможность в пределах неизменных раз­меров рабочей камеры удлинить почти вдвое путь дви­жения продуктов горения и тем самым обеспечить более полное сжигание топлива, более глубокое использование теплоты продуктов его горения, а также осуществить обогрев всей площади бассейна.

В регенеративных печах воздух нагревается в реге­нераторах— камерах, заполненных насадкой огнеупор­ного кирпича. У каждой печи имеются две камеры с кла­панами для переменного переключения потоков отходя­щих газов печи и воздуха, подлежащего нагреву. Нагрев воздуха за счет теплоты отходящих газов печи происхо­дит циклами: в то время как в первой камере насадка на­гревается за счет теплоты пропускаемых через нее отхо­дящих из печи газов, через вторую камеру пропускают воздух и он при этом нагревается, отбирая теплоту от предварительно нагретой насадки кирпича; затем (при­мерно через 1 ч) переключают клапаны и через первую камеру пропускают воздух, а через вторую — отходящие газы печи. Такие циклы повторяются с определенным, почти часовым, ритмом. Таким образом, камеры регене­ратора работают циклически: нагрев — остывание, осты­вание— нагрев, но при этом из печи непрерывно отбира­ются горячие газы и непрерывно в печь поступает нагре­тый воздух с небольшими температурными колебаниями. Рекуператоры — теплообменники непрерывного дей­ствия, представляющие собой группу труб, вмонтирован­ных в камеру. Внутри труб непрерывно движутся отходя­щие газы печи, а в промежутках между трубами — воз­дух. Теплопередача нагретому воздуху происходит через стенки труб. Газы и воздух движутся по принципу про­тивотока. В рекуперативных печах достигается постоян­ство температуры нагрева воздуха, однако сооружение рекуператоров требует высококачественных фасонных огнеупоров, что ограничивает их применение, хотя в про­изводстве минеральных волокон применяют как те, так и другие печи, но по указанной причине предпочтение от­дают регенеративным печам.

Регенеративная ванная печь с подковообразным дви­жением пламени приведена на рис. 4.66. Рабочей каме­рой печи является бассейн 1, над которым расположено пламенное пространство 2, перекрытое сводом, имеющим суживающуюся конфигурацию в направлении выхода расплава. Дно бассейна выкладывают из многошамотных брусьев, а стены — из специальных электроплавленых бакоровых брусьев насухо, без раствора. Под бассейна вместе с его стенами опирается на металлоконструкцию 3. На обособленную металлоконструкцию, как правило, опирается и свод пламенного пространства вместе с его лодпятными стенами, хотя в печах минераловатного про­изводства свод опирают непосредственно на стены бас­сейна. Сырьевую смесь (шихту) загружают в печь плун­жерными загрузчиками через загрузочные карманы, 4, расположенные в боковых стенах печи. Образовавшийся в бассейне расплав стекает в передней торцовой стене, где его отбирают через отверстие 5, из которого он поступает в фидер — специальный канал для отбора проваренного готового расплава и передачи его на перерабатывающее устройство.

Рис. 4.66. Регенеративная ванная печь с подковообразным движением пламени

Топливо (газ или мазут) сжигают поочередно в двух горелках 6, расположенных у задней торцовой стены пе­чи. В горелки нагретый воздух поступает из регенерато­ра 7. У влета горелок, в боковых их стенках, имеются отверстия для подачи через газовые горелки или мазутные форсунки соответственно природного газа или ма­зута. Образовавшиеся дымовые газы, совершая подково­образный путь, удаляются через влет бездействующей в данный момент горелки, регенератор, дымовой канал 8 и дымовую трубу — в атмосферу. Воздух в регенераторы нагнетают дутьевым вентилятором. За регенераторами для использования теплоты отходящих газов устанавли­вают водогрейные котлы. В этом случае между водо­грейным котлом и дымовой трубой устанавливают дымо­сос. Примерная схема воздушного и газоходного трактов ванной печи, совмещенная с аэродинамическим и темпе­ратурным режимами, приведена на рис. 4.67. Как видно из этой схемы, за регенераторами на дымоотводящих ка­налах располагают дымовоздушные автоматические кла­паны, периодически переключающие направления воз­душных и газовых потоков.

Рис. 4.67. Схема газовых и воздуш­ных потоков и графики распреде­ления давлений (а) и температур (б) тепловой установки с ванной — регенеративной печью

1 - ванная печь; 2 - регенераторы; 3 - горелки; 4 - дутьевой вентиля­тор; 5 - переводные клапаны; 6 - водогрейная установка; 7 - дымо­сос; 8 - дымовая труба

Загрузочные отверстия, влеты горелок, горелки и стены фидера выкладывают из бакора, а свод бассейна, верхнее строение печи и фидера — из фасонного динаса. Обычно стены печи охлаждали интенсивным обдувом воздуха для увеличения срока службы огнеупора. В на стоящее время с появлением промышленного производ­ства бакора стены бассейна и свод печи, а также горелки изолируют жаростойкими легкими бетонами (преимуще­ственно фосфатными), что сокращает расход топлива на 10— 15 %. Верхнюю часть насадки регенераторов выкла­дывают из высокоглиноземистого кирпича, нижнюю — из шамотного.

Расплавы, используемые для производства минераль­ного волокна, нелучепрозрачны, в связи с чем бассейн (в отличие от стекловаренных печей) делают небольшой глубины (не более 400 мм).

Факел

Факел

Расплав

Сырьевая смесь

Кладка

Факел

Факел

Рис. 4.68. Схема теплообмена в ванной печи Индексы обозначают: ф - факел; к - кладка; р - расплав; см - сырьевая смесь; пг - поглощенное тепло; от - отраженное тепло; л - излучаемое тепло

Скорость истечения топливовоздушной смеси из вле­тов горелок в пламенное пространство для печей с под­ковообразным пламенем должна быть примерно равной расстоянию от влета до ограждения печи, но не менее 5 м/с. Это минимальная скорость, при которой исключа­ется «короткое замыкание» факела на соседний влет го­релки. Суммарная площадь сечения влетов должна со­ставлять 1,5 - 2% площади варочной части бассейна. Ширина влетов 0,7 — 0,9 м, высота 0,4 м. Расстояние от влета до продольной стены 0,3—0,4 м, ширина простенка между влетами 0,45 — 0,55 м.

Ванные печи минераловатного производства имеют площадь зеркала печи 18 — 60 м², производительность 12 — 60 т/сут. Удельный съем расплава с 1 м² зеркала печи составляют 28 — 40 кг/(м²·ч); условное тепловое напряжение зеркала 105 —145 кВт/м², удельный расход теплоты 11 000 — 23 000 кДж/кг.

Теплообмен в рабочей камере ванной печи складыва­ется из теплообмена в пламенном пространстве и тепло­обмена в слое сырьевой смеси и расплава. Факел пламе­ни, кладка, сырьевая смесь и расплав имеют различные температуры и передают друг другу теплоту излучени­ем. На долю конвекции приходится всего 5 — 10 % пере­даваемой теплоты. Теплообмен в пламенном пространст­ве происходит по следующей схеме (рис. 4.68). Горящий факел пламени излучает теплоту на поверхность кладки, сырьевую смесь и образовавшийся расплав. Теплота, по­лученная излучением, частично поглощается, а частично отражается. Отраженный поток теплоты увеличивает по­ток теплоты, излучаемой факелом. Но факел также по­глощает часть отраженного теплового потока, а часть его отражает на кладку ограждений, сырьевую смесь и расплав. Таким образом, часть теплового потока, излу­чаемого факелом, сразу поглощается тепловоспринимающими поверхностями, а часть его (отраженная) как бы циркулирует, постепенно ими воспринимаясь.

Максимальную температуру 1600 —1750 °С имеет факел, причем на выходе из рабочей камеры печи она снижается до 1450—1550 °С. Температура внутренней поверхности стен и свода близка к температуре факела. Интенсивность излучения пламени возрастает с увеличе­нием степени ее черноты φ_ф, которая повышается с увеличением содержания в продуктах горения топлива С0₂, Н₂0 и сажи. Наименьшую черноту (светимость) и, следовательно, наименьшую интенсивность излучения имеют продукты полного горения природного газа (несве­тящийся факел 8_Ф = 0,15 — 0,25; у мазута _8ф=0,5 — 0 8) Интенсивность нагрева сырьевой смеси и расплава зави­сит также от настильности факела —он должен быть на­правлен к ним под определенным углом.

Теплообмен в сырьевой смеси и в расплаве происхо­дит по следующей примерной схеме. Сырьевая смесь — плохой проводник теплоты, и поэтому в течение несколь­ких секунд ее поверхностный слой нагревается до 1200 — 1400°С, образуя расплав, под которым находится спек­шийся слой. Расплав постепенно стекает, обнажая спек­шийся слой, который при этом плавится. Одновременно-с этим снизу слой сырьевой смеси нагревается конвекци­онными потоками расплава и также превращается в рас­плав.

Средний слой сырьевой смеси из-за низкой теплопро­водности длительное время остается нерасплавленным, имея температуру 200 — 300°С. В нелучепрозрачных рас­плавах горных пород теплообмен происходит за счет теп­лопроводности и конвекции. Расплав в ванных печах на­ходится в непрерывном движении, обусловленном загруз­кой сырьевой смеси, разностью плотностей проваренно­го и непроваренного расплавов, непрерывным отбором расплава и наличием в ванне зон с разной температурой расплава. Непрерывное движение расплава обусловли­вает конвективный теплообмен.

Площадь зеркала бассейна рассчитывают по формуле

(4.65)

где F_б - площадь зеркала бассейна, м²; П_ч - заданная часовая производительность печи; R_F — съем расплава, кг/(м²·ч).

Подсчитанная площадь зеркала должна быть доста­точной для восприятия поверхностной плотности тепло­вого потока φ, который зависит от температуры в пла­менном пространстве. Эти соотношения таковы:

температура, °С 1400 1500 1550 1600

Вт/м² 81500 192 000 235 000 325 000

Соотношение длины и ширины бассейна в печах с под­ковообразным направлением движения пламени 1,5:1 — 2:1. При выборе размеров бассейна следует принимать длину факела не менее 4 м, при которой обеспечивается достаточная полнота горения топлива. Расход топлива определяют из уравнения теплового баланса. (взято перегудов, роговой)

Плавильные фриттоварочные печи. Сырьевые смеси для глазурных фритт плавят в ван­ных печах непрерывного действия.

Ванная печь конструкции имеет бассейн, над которым на собственном опорном каркасе устроено верхнее строение печи — сте­ны и свод. Дно бассейна имеет уклон 1,5° для стока рас­плава. Длина бассейна, ширина и глубина (перемен­ная) 0,12—0,4 м. Площадь зеркала варочной части —27 м². В одном торце ванны находится загрузочный кар­ман, через который загрузчиком сырьевую смесь по­дают в бассейн, а в другом — фидер (выработочная часть). С фидером ванна соединена протоком, образу­емым экраном. Проваренный расплав из фидера сливается в гранулятор.

Топливно-природный газ сжигается в трех парах двухпроводных газовых горелок низкого давления, раз­мещенных во влетах с горелочными камнями в продольных стенах печи. Кроме того, одна горелка уста­новлена в торце фидера, включают ее по мере необходи­мости. Отходящие газы удаляются через специальную систему, рекуператор и далее по дымососу в дымовую трубу. Нагретый в рекуператоре воздух используется для горения топлива.)

Температура в варочной части 1450°С. Общая произ­водительность печи около 20 т/сут, а съем 700 кг/сут с 1 м² зеркала варочной части. Удельный расход условно­го топлива 800 кг/т.

Небольшие количества фритт для глазурей Специ­ального назначения варят во вращающихся печах пери­одического действия (рис. 4.69). Барабан 3 печи футеро­ван высокоглиноземистым кирпичом 4. Левый торец ба­рабана имеет влет, а правый — вылет. В торце влета размещена двухпроводная газовая горелка низкого давления 2, к которой поступает нагретый воздух из ка­нала 1. Из вылета дымовые газы поступают в отборную шахту 6, из нее — дымовой боров 7, а затем в щелевой рекуператор для нагрева воздуха, используемого в го­релках. Отработанные дымовые газы из рекуператора направляются в кирпичную дымовую трубу. Печь рабо­тает на естественной тяге. Проваренный расплав сливают через водоорошаемые лотки 5. Гранулят собирается в перфорированный кюбель, устанавливаемый в приям­ке 8 под печью.

Рис. 4.69. Вращающаяся фриттоварочная часть периодического дей­ствия

Производительность печи за один цикл варки — 1 т. Продолжительность варки в зависимости от состава рас­плава 6—8 ч. Температура варки до 1400°С. Удельный расход условного топлива (при сжигании газа с подо­гретым воздухом) 870 кг/т расплава. [5].