Плавильная печь

Интенсивность барботирования заметно влияет на производительность печи. Так, при расходе сжатого воздуха 3,5 нм³/(м²сут) съем расплава составляет 1900-2000 кг/(м²сут), а при 17 нм³/(м²сут) - 2500-2600 кг/(м²сут).

При использовании в качестве энергоносителя при барботаже горючей газовоздушной смеси заметно увеличивалась температура расплава, что позволило снизить температуру пламенного пространства от 1450 до 1400 °С и тем самым увеличить срок службы печи.

При разработке ванных печей должны быть учтены особенности базальтового расплава, и в первую очередь низкая теплопрозрачность и агрессивность его по отношению к огнеупорам бассейна. Учитывается также и тот фактор, что при службе плавильных печей через кладку теряется значительное количество тепла, т.е. необходима эффективная теплоизоляция печи.

Стены бассейна печи будут изготовлены из бакора-33 (бакор-33 – огнеупорный кирпич, состоящий из сростков мелких кристаллов минерала ZrO₂, полученных в результате совместной эвтектической кристаллизации, отдельные кристаллы в небольшом количестве приурочены к стекловидной фазе), дно выложено бакоровой плиткой по шамотной кирпичной кладке. Стены пламенного пространства будут выполнены из магнезитового кирпича, и должны примыкать непосредственно к стенам бассейна. Внутренний свод складывается из бакоровых брусьев. Выше внутреннего свода стены должны быть изготовлены из динаса, верхний свод также динасовый.

Для уменьшения потерь тепла через  кладку вся наружная поверхность  печи покрывается двухслойной теплоизоляцией: легковесным шамотным кирпичом толщиной 115 мм и базальтовым супертонким волокном толщиной слоя 35—45 мм. Изоляция общивается снаружи листовым алюминием, что дает высокую эффективность (температура внешней обшивки составляет 90-110°С).

При температуре в печи 1450°С применение тепловой изоляции обеспечивает уменьшение тепловых потерь до 1740-1850 Вт/м² (1500-1600 ккал/(м²ч)) и увеличение удельного съема расплава с 1 м² площади плавильной части на 25 % по сравнению с неизолированными печами такого типа.[1]

Для использования тепла отходящих газов печь будет оснащена металлическим рекуператором, состоящим из двух секций: радиационной и конвективной. Вначале отходящие газы проходят через радиационную секцию, где отдают лучистое тепло и охлаждаются до 500-550°С, затем — через конвективную трубчатую часть, охлаждаясь до 150-180 °С. Температура нагрева воздуха, подаваемого вентилятором высокого давления, составляет 700-750 °С. Применение трубчатого рекуператора целесообразно при отсутствии во время плавления базальта уносов шихтовой пыли, являющихся серьезным препятствием для использования подобных теплообменников в стекловаренных печах. Положительным фактором является также и то, что в отходящих газах практически будут отсутствовать сернистые составляющие, оказывающие коррозионное действие на металл.

Температурный режим плавильного  агрегата будет контролироваться стационарно установленными термопарами: в печи — платинородиевой, после рекуператора и в вытяжной трубе — хромель-алюмелевыми. Уровень расплава в печи поддерживается автоматически игольчатым уровнемером, установленным в одном из фидеров.

Для загрузки дробленого базальта печь будет иметь два наклонных загрузочных окна в одной из боковых стен. Выходные отверстия этих окон распологаются непосредственно под нижним сводом и находятся на высоте около 200 мм над уровнем расплава. Печь будет отапливаться газовоздушной смесью через систему горелок, расположенных в боковых стенах на высоте 50-70 мм от уровня расплава, что обеспечивает хорошую настильность выходящих из них факелов. Подогрев идущего на горение воздуха будет осуществляться в металлическом рекуператоре.

После 18-месячной эксплуатации печи следует ожидать значительное разрушение кладки пламенного пространства в районе загрузочных окон. Из-за налипания базальтовой крошки на стенки и нижний свод вокруг загрузочных окон и стекания расплава по этим элементам тонким слоем разрушение огнеупоров будет происходить очень интенсивно, так как не будет условий для образования гарнисажного слоя. Наибольшему разрушению подвергнутся стены выработочных каналов, выполненные из магнезитового кирпича. В области уровня расплава разъедание кладки по швам между кирпичами возможно будет сквозным, поэтому возростут местные тепловые потери и образуется слой закристаллизованного базальта, предотвративший дальнейшее разрушение. Дно выработочных каналов, выложенных также магнезитовым кирпичом будет покрыто тонким слоем закристаллизованного базальта, что приведет к наименьшим разрушениям. Проникновение расплава в теплоизоляционный слой через швы между кирпичами будет незначительным, так как они заполнены закристаллизованным базальтом.

Своеобразна картина разрушения базальтовым  расплавом корвишитовых стен печи. Так как корвишитовый брус под  плотным поверхностным слоем (3-5 мм) имеет очень пористую структуру, то расплав проникнет на глубину 50-70 мм. Из-за большой поверхности соприкосновения с расплавом следует ожидать сильного разрушения этой зоны корвишитового бруса.

Наибольшее разрушение должен иметь свод и стены в районе загрузочных окон, местами до сквозного. С удалением от загрузочных окон степень разрушения уменьшается. В районе фидера разрушение может отсутствовать. Поверхность разрушаемого огнеупора свода будет ноздревата, покрыта слоем стекловидной темно-коричневой массы, являющейся продуктом взаимодействия динаса с базальтом. Внутри брусья будут иметь темно-серую окраску характерную при диффузии базальтового расплава в глубь динаса.

Попадание базальта на свод и стены  является следствием интенсивного растрескивания кусков базальта в первые 5-10 мин после загрузки печи. Холодные куски, поступающие в расплав с температурой около 1400 °С, от быстрого нагрева трескаются с образованием разлетающихся частиц базальта размером до 5 мм, бомбардирующих обращенные к ним поверхности огнеупорной кладки. Налипая на поверхность, куски плавятся и вступают во взаимодействие с динасом. Будет образовываться пленка, стекающая вниз и вымывающая кварцевые зерна.

Следовательно, кроме  улучшения режима сжигания топлива  рациональная загрузка ванных печей будет способствовать повышению срока их службы.

Таким образом, для кладки дна печи без применения барботажа  расплава возможно использование не только бакора, но и основных и нейтральных огнеупоров (магнезита, шамота, форстерита и т.п.). При использовании барботажа, когда следует ожидать более интенсивное движение расплава в ванне, дно должно быть защищено электроплавленым огнеупором. Кладку стен и сводов пламенного пространства печей следует выполнять из огнеупоров, допускающих работу при температурах плавки. Однако необходимо учитывать, что в случае вероятности попадания базальтового расплава на какой-либо элемент (при загрузке, барботаже и т.п.) целесообразно изготовление этого элемента из электроплавленых огнеупоров. При выполнении перечисленных условий продолжительность работы печи может составлять до 4 лет без холодного ремонта. Благодаря применению многосопловой горелки, барботажа расплава, эффективной теплоизоляции кладки, а также высокой степени использования тепла отходящих газов можно значительно повысить производительность печи до удельного съема более 2560 кг/м² в сутки при низких расходах топлива. Удельный расход тепла на 1 кг расплава составит 1040 ккал/кг, а КПД печи — 52 %.

Разработанный способ барботирования расплавов может быть использован более эффективно при проектировании и эксплуатации крупных камнеплавильных печей.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3. Расчет параметров и технической характеристики печи

В качестве сырья  для производства базальтовых  волокон, используются базальтовые горные породы, средний химический состав которых следующий (% по массе)[1]:

SiO₂ - 47,5-55,0; TiO₂ - 1,36-2,0; Al₂O₃ - l4,0-20,0; Fe₂O₃ + FeO - 5,38-13,5; MnO - 0,25-0,5; MgO - 3,0-8,5; CaO - 7-11,0; Na₂О – 2,7-7,5; К₂О - 2,5-7,5; P₂O₅ - не более 0,5; SO₃- не более 0,5; п.п.п.- не более 5.

Имеем следующие разработанные  данные[1]:

Температура плавильной части, °С  1450±10

Температура подогрева  воздуха, °С  250-270

Используемое топливо – природный газ

 

Определение основных размеров рабочей камеры.

По данным ранее  разработанных печей [1], установим, что удельный съем расплава в варочной части 1250 кг/м² в сутки.

Площадь варочной части печи, м²:

, (3.1)

где G - производительность печи, G=500 кг/сут;

Тогда:

Длина варочной части для печи с подковообразным  направлением пламени рассчитывается из соотношения:

, где В – ширина, L – длина.

Ширина пламенного пространства на 120 мм больше ширины бассейна, т.е.

Высота подъема  свода:

Длина пламенного пространства:

 

Определение расхода топлива

Составим тепловой баланс варочной части печи.

Приходная часть

Данные взяты  из справочника [2].

1.Тепловой поток, поступающий при сгорании топлива, кВт:

, (3.2)

где - теплота сгорания топлива, =1040 кДж/м³;

 Х - секундный  расход топлива, м³/с:

2. Поток физической  теплоты, поступающий с воздухом, кВт:

, (3.3)

где - расход воздуха для горения 1 м² топлива, м³;

t_в - температура нагрева воздуха ˚,С;

с_в - удельная теплоемкость воздуха при температуре нагрева , кДж/(м³˚С).

Принимаем температуру  подогрева воздуха 1100˚С и повышение  температуры в горелке на 50˚С.

Тогда:

Потоками физической теплоты топлива, шихты и боя  пренебрегаем ввиду их незначительности.

Общий тепловой поток будет равен:

  (3.4)

Расходная часть

1.На процессы  плавления базальта, кВт:

,   (3.5)

где n - теоретический расход теплоты на плавление 1 кг базальта, кДж/кг;

g - съем расплава, кг/с.

Так как состав базальта в расчете не учитывается, то по табличным данным, можно принять расход теплоты на получение 1 кг расплава и равным 2930 кДж/кг [1]:

2.Тепловой поток,  теряемый с отходящими из печи  дымовыми газами, кВт: 

, (3.6)

где - объем дымовых газов на 1м³ топлива, м³;

- температура уходящих из  рабочей камеры дымовых газов,  ˚С; принимается равной температуре  варки    =1500 ˚С;

- удельная  теплоемкость дымовых  газов при их температуре, данные  из таблицы [2] =1,6 кДж/(м³·˚С)

Определяем  тепловой поток:

3. Тепловой поток,  теряемый излучением, кВт:   

,  (3.7)

где С_о- коэффициент излучения, равный 5,7 Вт/(м²·К⁴);

     φ  - коэффициент диафрагмирования;

      F - площадь поверхности излучения, м²;

     Т₁ и Т₂- абсолютная температура соответственно излучающей среды и среды, воспринимающей излучение, К.

а ) Излучение  через загрузочный карман.

Для расчета  коэффициента диафрагмирования φ принимаем  отверстие за прямоугольную щель высотой Н = 0,04м, шириной равной ширине загрузочного кармана – 0,13 м, толщиной арки δ = 0,06 м.

Тогда:

Рассчитаем  площадь излучения:

.

Принимаем температуру  в зоне засыпки шихты t₁=1400˚C,а температуру окружающего воздуха t₂=20˚С.

Тогда:

Находим тепловой поток:

б) Излучение  во влеты горелок.

Принимаем суммарную  площадь влетов равной 3% площади  варочной части:

Высоту влетов предварительно принимаем равной 0,04м; форма отверстия – вытянутый  прямоугольник, размеры которого:

Н=0,04; δ=0,13:

Н/δ=0,3(φ).

Принимаем среднюю температуру в пламенном пространстве варочной части t₁=1450˚С, а температуру внутренних стенок горелок t₂=1350˚С. Тогда:

Определяем  тепловой поток:

Общий тепловой поток излучением:

 

4. Расчет тепловой  мощности, приходящейся на одну  фурму.

По данным ранее  разработанных печей [1], примем количество фурм равное 18 шт. По расчету из формулы (3.5) тепловой поток Q должен составлять 2373 кВт.

Тогда мощность одной фурмы составит:

(3.8)

 

 

 

 

 

4. Разработка конструкции питателя

4.1 Описание  питателя