CC BY
23
УДК 66.041.3-65:691.365
DOI: 10.21285/1814-3520-2016-5-10-18
ТРЕХМОДУЛЬНАЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ПЕЧЬ ДЛЯ ОБЖИГА ВЕРМИКУЛИТА И ДРУГИХ СЫПУЧИХ МАТЕРИАЛОВ С ВИБРАЦИОННОЙ ПОДАЧЕЙ СЫРЬЯ
А
© Т.Б. Брянских1
Иркутский национальный исследовательский технический университет, 664074, Россия, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.
Рассматривается новая трехъярусная конструкция электрической печи для обжига вермикулита с активными электрическими модулями, в которых поступательное движение вермикулитового концентрата в тепловом поле имеет постоянную скорость, а однослойный поток вспучиваемого материала не имеет значительных пустот между его частицами. Такое движение, обеспечиваемое низкочастотным вибрационным механизмом, увеличивает концентрацию материала на поверхностях модулей, минимизирует потери теплоты и существенно снижает энергоемкость процесса обжига.
Ключевые слова: обжиг вермикулита, трехъярусная электрическая печь, низкочастотный механизм, однослойный поток.
A TRIPLE-UNIT ELECTRIC KILN WITH VIBRATORY FEED OF RAW MATERIALS USED FOR VERMICULITE AND OTHER BULK MATERIALS ROASTING T.B. Bryanskikh
Irkutsk National Research Technical University, 83, Lermontov St., Irkutsk, 664074, Russia.
The article deals with a new three-floor construction of the vermiculite electric kiln with active electric units, where ver-miculite concentrate translational motion in the thermal field goes on at a constant speed and a single-layer stream of swelling material does not have any significant voids between its particles. The movement provided by a low frequency vibratory mechanism increases material concentration on the surfaces of modules minimizing heat loss and significantly reduces the energy consumption of roasting.
Keywords: vermiculite roasting, three-floor electric kiln, low frequency mechanism, single-layer stream
Введение
Двенадцатилетний опыт производственной эксплуатации и целый ряд новых технических решений в процессе совершенствования электрических модульно-спусковых печей для обжига вермикулита [1-5] привели к предельному показателю удельной энергоемкости - 155-170 мДж/м3 [6]. Ограничителем дальнейшего повышения энергоэффективности таких агрегатов стала сама их концепция. Спусковые модули - это гравитационные спуски, в которых скорость движения сыпучей среды обусловлена тяготением, а не свойствами какой-либо технической системы, способной управлять этим движением. Частицы материала, двигаясь с ускорением, постоянно удаляются друг от друга, среднее расстояние 6 между ними увеличивается. В зонах пересыпания, где материал поступает из лотка на верхний модуль и из выше расположенных модулей на нижние, среднее
расстояние 6, при правильном подборе дозатора, близко к нулю. Но 6 возрастает, и концентрация материала на выходе из модуля обжига (1,1-1,8 шт./см2) по сравнению с зоной пересыпания (2-19 шт./см2) уменьшается более чем в 10 раз. Остальная поверхность, не занятая частицами потока сыпучей среды, подвергается воздействию теплового излучения, падающего с поверхностей нагревателей.
Переход к новой концепции
Замена наклонных модулей (45°) на модули с вибрационной платформой, имеющей наклон 10-12° к горизонту, когда скорость передвижения частиц уже не определяется их массами, а управляется колебательной системой, позволяет радикально решить проблему повышения производительности и снижения удельной энергоемкости обжига вермикулита и других сыпучих материалов. Это - переход к принципиально новой концепции энерготехнологических
1
Брянских Татьяна Борисовна, аспирант, e-mail: [email protected]
Bryanskikh Tatiana, Postgraduate, е-mail: [email protected]
агрегатов.
На рис. 1 показана трехмодульная электрическая печь с вибрационной подачей вермикулитового концентрата, обеспечивающая поддержание однонаправленного пульсирующего движения частиц за счет несимметричных низкочастотных колебаний и угла наклона модулей в сторону их движения.
Трехмодульная электрическая печь состоит из барабанного дозатора 1 со специальным лотком 2, имеющим разделители потоков сыпучего материала (на схеме показан условно). В корпусе печи 3 размещены модули обжига 4 с крепежными головками, установленными на термокрышках, и проволочными нихромовыми нагревателями. Основанием модулей являются вибрационные платформы, на выходе которых вспученный материал ссыпается в лотки 5.
Привод вибрационных платформ состоит из подшипниковых узлов 6, эксцентриков 7, посаженных на общий вал 8, толкателей 9, взаимодействующих через пру-
жины с вибрационными платформами, и моторедуктора, вращающего вал с угловой скоростью 50-90 рад/с.
Модуль обжига показан на рис. 2 в горизонтальном положении. На остове 1 в подшипниках 3 установлена платформа 2. Пружина 4, размещенная в полости платформы, сопряжена с толкателем 5, расположенным в направляющей 6. В полостях противоположной стороны платформы установлены конические пружины 7, опирающиеся на упор 8, и дополнительная цилиндрическая пружина (на рисунке не показана). На пустотелых металлических балках 9 закреплен противень 11, выполненный из наборных квадратных пластин, что исключает коробление его поверхности, которое могло бы происходить при нагревании рабочего пространства, образованного противнем и термокрышкой. Между балками заложен термоизоляционный материал 10, такой же, как и термослой 17 на крышке модуля.
Рис. 1. Трехмодульная электрическая печь с вибрационной подачей вермикулитового концентрата Fig. 1. A triple-unit electric kiln with vibratory feed of vermiculite
3 9 2 7
Рис. 2. Модуль обжига с вибрационной платформой Fig. 2. A roasting module with a vibratory platform
В рабочем пространстве расположены проволочные нихромовые электронагреватели 12, с одной стороны закрепленные на головке 18, а с другой - подвешенные на серьгах 13, закрепленных на оси 14 через жаростойкие керамические втулки 15, исключающие электрический контакт между соседними нагревателями. Сами головки закреплены на панели 20 с помощью резьбового соединения через электроизоляционные прокладки 19.
Сырьевой материал поступает на противень по лотку 21 в строго дозированном количестве, таком, что на выходе из модуля полностью вспученные зерна вермикулита не образовывали бы двухслойного потока.
На гранях крепежных головок 18 выполнены прорези для нагревателей, причем на том уровне, который гарантирует зазор между ними и поверхностью противня при работе печи на сырье с размером частиц 5-6 мм. Если частицы меньше, то термокрышка может быть опущена на требуемую величину за счет смены регулировочных прокладок (на рисунке не показаны).
Благодаря зазору исключается контакт частиц материала с нагревателями и устраняется возможность их перегорания из-за образования нагара.
С повышением температуры до 650-700°С нагреватели вытягиваются
(при l = 400 мм - на 6-8 мм), но подвижные серьги не мешают этому удлинению.
Из-за наклонного положения модулей (см. рис. 1) распределенный по длине вес нагревателей вызывает несколько меньший прогиб, чем при горизонтальном положении, показанном на рис. 2, так как нормальная к нагревателю составляющая силы тяжести одного стержня равна G * Cos 12°. При круглом сечении диаметром 4 мм и длине нагревателя l, равной 400 мм, вес одного стержня составит:
G = р l п d2l4 = 8400*0,4*3,14*0,0042 /4 = = 0,0424 кгс,
где р - плотность нихрома марки Х20Н80 - 8400 кг/м3.
Распределенная весовая нагрузка будет равна:
q = G * Cos 45° l l = 0, 0424*0,9781 40 = = 0,00104 кгс/см.
Тогда прогиб в средней части будет равен [7]:
12 1Л -
z = ql4 /185EJ = 4/185*2,22-106* = 0,0052 см = 0,052 мм,
= 0,00104*404/185*2,22 106* 12,56 10-4 =
где Е - модуль упругости нихрома марки Х20Н80 - 2,22 106 кгс/см2; Jх - осевой мо-
мент инерции круглого сечения: = 12,56*10 см4.
Изменение зазора между нагревателями и противнем платформы, вызванное прогибом, незначительно. Учитывая, что металлы при нагревании до 500-600°С теряют в прочности примерно 50%, можно ожидать, что прогиб электрических нагревателей достигнет значения 0,06-0,08 мм, что тоже пренебрежимо мало.
Теоретические аспекты
Схема к расчету платформы как колебательной системы приведена на рис. 3.
Пружина жесткостью с0 предназначена для установки платформы в нулевое положение - состояние статического равновесия, с помощью регулировочного винта. Конические пружины ^ являются нелинейными элементами системы и обеспечивают при большом размахе (в резонансе) несимметрию колебаний, благодаря которой создается транспортный эффект. Колебания характеризуются тем, что максимальное абсолютное ускорение, направленное вправо, не равно максимальному абсолютному ускорению, направленному влево [8] (рис. 4). Если выполняется условие
где /■ - действительный коэффициент трения вермикулита по поверхности противня; m - масса вермикулитовой частицы (кг) и G - вес вермикулитовой частицы (Н), то частица сыпучего материала и весь поток в целом будут двигаться вправо без отрыва от поверхности.
Транспортный эффект хорошо известен, так как сопутствует многим вибрационным процессам [9, 10], но здесь он используется целенаправленно. Движение будет иметь однонаправленный пульсирующий характер в сторону конических пружин. Пружины жесткостью с обеспечивают компенсацию упругих сил, действующих справа, а пружина с1 возбуждает колебания платформы модуля от толкателя и эксцентрикового вала.
Сила упругости и жесткость конических пружин определяются по формулам:
Fу = Ck Х2,
Ck = k Х2,
где k - коэффициент, имеющий размерность кг/м с2. Чем больше его значение, тем больше прибывает жесткость конической пружины при том же изменении х2.
X
2 max П
>fGlm> х
2 max Л
Рис. 3. Схема к расчету вибрационной платформы Fig. 3. A vibratory platform calculation circuit
Рис. 4. Колебания платформы, обеспечивающие транспортный эффект Fig. 4. Platform vibrations ensuring the transportation effect
Используя схему, показанную на рис. 3, получим дифференциальное уравнение, описывающее движение вибрационной платформы:
d х^ ^^^ _ r\ j 2
m—г2 + а—2 + cnx. + 2сх + 2кх^ = dt2 dt
(1)
= •( xi х2 )
движение:
F = Ci(X1 - Х2).
После преобразования уравнения (1) получим уравнение нелинейной колебательной системы с кинематическим возбуждением:
где а - коэффициент сопротивления, зависящий от скорости колебательного движения, кг/с.
Правая часть уравнения (1) отражает вынуждающую силу, формируемую деформацией (х2 - Х1) пружины С1, приводящую виброплатформу в колебательное
d х9 dx0 2 /о\
m—тт + а—2 + cx + 2cx, + cx + 2kx = cx ■ (2) dt2 dt
Для такой системы характерна «мягкая» амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) 1 [11], показанная на рис. 5.
Рис. 5. Амплитудно-частотные характеристики нелинейной 1 и линейной 3 колебательных систем Fig. 5. Amplitude and frequency characteristics of 1 nonlinear and 3 linear oscillating systems
Даже без решения и детального исследования уравнения (2) можно определить положение резонансного пика по так называемой «скелетной кривой» (кривая 2 на рис. 5), приравняв правую часть нулю и рассматривая собственные колебания [12]. «Скелетная кривая», описывающая зависимость собственной частоты от амплитуды колебаний, будет описываться выражением:
®00 =•
С + 2с + 2с + с kA ^
m
m
где А - амплитуда колебаний платформы, м.
Если обнулить жесткость конических пружин ск, то выражение (3) будет определять собственную частоту колебаний эквивалентной линейной колебательной системы
С + 2с + с
m
с графиком АЧХ 3, при этом ш00 будет равно ш0 (точка А на рис. 5).
Нелинейная система необходима для данной конструкции модулей обжига печи не только из-за транспортного эффекта. Чувствительность амплитуды колеба-
ний к флуктуациям частоты возбуждения и {и = 2П) здесь значительно меньше, чем в эквивалентной линейной системе (см. рис. 5):
ДАн /Ы < ДАл Щ
а значит, колебательный процесс будет более устойчивым к возможным возмущениям.
Нелинейная АЧХ позволяет управлять амплитудой колебаний платформы за счет небольшого регулирующего воздействия на привод с помощью, например, частотного регулятора электродвигателя мотор-редуктора. Так, изменяя частоту возбуждения /■ в диапазоне 9-15 Гц, можно изменять амплитуду резонанса в пределах между точками а-б (рис. 5). Это, как и изменение угла наклона модулей, позволит влиять на среднюю скорость перемещения сыпучей среды и, как следствие, ее производительность.
Для упрощения вибропривода предложена конструкция с единым валом и тремя эксцентриками (рис. 6). Эксцентрики посажены на вал с фазовым сдвигом 120°, поэтому колебания платформ не синфаз-ны, а пиковые значения динамических нагрузок, действующих на корпус печного агрегата, не суммируются.
Рис. 6. Схема взаимного расположения эксцентриков Fig. 6. Diagram of cam disc relative position
Расфазировка эксцентриков также нужна для уменьшения влияния переменного момента от силы упругости пружины толкателя 4 (см. рис. 2), вызывающего пульсацию угловой скорости ш и искажение заданной не симметрии колебаний (см. рис. 4). А это может вызывать замедление и даже возникновение возвратных движений зерен сыпучего материала на противне вибрационной платформы [8] .
На вал привода через пружину толкателя действует момент М0 от статической составляющей, вызванной начальной деформацией пружин, и момент сил упругости Му, возникающий при колебаниях платформы относительно положения статического равновесия, обозначенного нулем на рис. 3. Точки 1, 2 и 3 на рис. 7 соответствуют номерам эксцентриков, показанных на рис. 6, и при таком их положении вал привода уравновешен, так как моменты М01 и Му1 равны нулю, а моменты М02 и Му2 равны между собой, но противоположно направлены моментам М03 и Му3. Равновесные состояния при полном обороте вала возникают трижды, а в промежутках
суммарный момент изменяется от положительного максимума в сторону вращения до отрицательного - против вращения. Тем не менее, расфазировка эксцентриков существенно снижает пиковые значения момента и уменьшает пульсацию скорости ш [13].
На преодоление указанных моментов привод не затрачивает энергии, но только при условии ее циклической рекуперации [14]. Циклическая энергия Е от упругой составляющей момента должна рекуперироваться маховиком с моментом инерции Jм, равным:
J,
2Е lä2
где разность квадратов экстремальных значений угловой скорости вала Дш2 рассчитывается как
min
Рис. 7. Изменение моментов статической и динамической составляющих на эксцентриковом валу от перемещения толкателя х1 Fig. 7. Change in static and dynamic moments on a cam disc shaft depending on pusher x1 movement
Конструкция привода трехъярусной печи должна предусматривать маховик, который обеспечит условие достаточной минимизации пульсации:
fmax / fmin < 1,01,
где
J _ ^iiiax
J max ^
2л
J _ ^min J min ~
2л
При использовании вибрационной подачи материала при времени обжига, равном постоянной времени модульно-спусковой печи Тпа [6] (2,8-3,2 с), производительность новой печи должна увеличиться, по крайней мере, в 3 раза, так как здесь все модули работают параллельно. Однако установка нагревателей над обжигаемым материалом потребует увеличения температуры нагрева на 5-6% - от 750 до 790°С, и, следовательно, повышенного потребления электроэнергии. Используя зависимость параметров трехфазной сети от площади излучающей поверхности нагревателей 5 и абсолютной температуры Т, К [15]:
где о - постоянная Стефана-Больцмана, равная 5,6710-8 Вт/м2К; и - линейное напряжение сети, 220 В), при указанном изменении температур получим:
I Т4
- _ Тг _ 1,17.
I Т4
Увеличение силы тока и потребляе-
мой мощности печи составит 17%.
По сравнению с наиболее совершенной электрической модульно-спусковой печью с предельным показателем удельной энергоемкости 155-170 мДж/м3 [6] рассматриваемая новая печь должна показать энергоемкость не более 70 мДж/м3.
Заключение
Учитывая прогнозное снижение удельной энергоемкости обжига более чем в 2,4 раза, печь новой концепции потребует решения целого ряда исследовательских и инженерных задач:
- исследования динамики вибрационной платформы печи в резонансном режиме и разработки методики расчета параметров колебательной системы;
- исследования движения частиц по платформе, совершающей несимметричные колебания для нахождения режима без возвратных движений частиц с определением средней скорости потока и производительности печного агрегата;
- моделирования процессов переноса лучистой энергии электрических нагревателей на термообрабатываемую сыпучую среду;
- создания физической модели печи и ее экспериментального исследования.
Такова программа создания семейства новых печных агрегатов, применение которых не ограничивается только обжигом вермикулитовых концентратов и конгломератов, а существенно выходит за эти рамки, что будет рассмотрено в дальнейшем.
Работа поддержана грантом Ученого совета ИРНИТУ, приказ от 19.06.2015 г. № 10.
Статья поступила 30.03.2016 г.
Библиографический список
1. Нижегородов А.И. Развитие концепции модульно -спусковых электрических печей для обжига верми-кулитовых концентратов // Строительные и дорожные машины. 2009. № 10. С. 24-27.
2. Нижегородов А.И. Определение рациональных режимов работы энерготехнологических агрегатов для электрического обжига вермикулита // Строительные и дорожные машины. 2013. № 10. С. 21-23.
3. Нижегородов А.И. Развитие концепции энерготех-
нологических агрегатов для обжига вермикулитовых
концентратов на базе электрических модульно-спусковых печей // Огнеупоры и техническая керамика. 2014. № 1/2. С. 36-44.
4. Нижегородов А.И. Энергосберегающая технология обжига вермикулитовых конгломератов в электрических модульно-спусковых печах с «нулевым» неэлектрифицированным модулем // Строительные материалы. 2014. № 10. С. 20-24.
5. Nizhegorodov A.I. Theory and practical use of modular-pouring electric furnaces for firing vermiculite // Re-
fractories and Industrial Ceramics. 2015. Vol. 56. No. 4. Р. 361-365.
6. Нижегородов А.И. Звездин А.В. Энерготехнологические агрегаты для переработки вермикулитовых концентратов. Иркутск: Изд-во ИРНИТУ, 2015. 250 с.
7. Анурьев В.И. Справочник конструктора-машиностроителя: в 3 т. М.: Машиностроение, 1982. Т. 1. 736 с.
8. Вибрации в технике: справочник: в 6 т. / под. ред. В.Н. Челомей. М.: Машиностроение, 1981. Т. 4. Вибрационные процессы и машины / под. ред. Э.Э. Ла-вендела. 1981. 509 с.
9. Гаврилин А.Н., Ангаткина О.О., Рожков П.С. Динамический гаситель вибраций технологического оборудования // Справочник. Инженерный журнал. 2011. № 2. С. 47-50.
10. Нижегородов А.И. Стенд для динамических испытаний технических средств в режиме амплитудно-частотной модуляции с гидрообъемным вибропри-
водом // Строительные машины. 2014. № 10. С. 30-34.
11. Hydrostatic Vibratory Drive of the Test Stand for Excitation of the Amplitude-Modulated Vibrations / A.I. Nizhegorodov, A.N. Gavrilin, B.B. Moyzes. J. Phys // Conf. Ser. 2016. Vol. 671.
12. Бауман В.А., Быховский И.И. Вибрационные машины и процессы в строительстве. М.: Высш. шк., 1977. 255 с.
13. Nizhegorodov A.I., Gavrilin A.N., Moyzes B.B. Hydraulic Power of Vibration Test Stand with Vibration Generator Based on Switching Device // Key Engineering Materials. 2015. Vol. 685. P. 320-325.
14. Испытательная техника: справочник: в 2 кн. / под ред. В.В. Клюева. М.: Машиностроение. 1982. Кн. 2. 1982. 560 с.
15. Тымчак В.М., Гусовский В.Л. Расчет нагревательных и термических печей: справочное издание. М.: Металлургия, 1983. 480 с.
References
1. Nizhegorodov A.I. Razvitie kontseptsii modul'no-spuskovykh elektricheskikh pechei dlia obzhiga ver-mikulitovykh kontsentratov [Development of the concept of modular trigger electric kilns for vermiculite concentrate roasting]. Stroitel'nye i dorozhnye mashiny - Construction and Road Building Machinery, 2009, no. 10, pp. 24-27.
2. Nizhegorodov A.I. Opredelenie ratsional'nykh rezhimov raboty energotekhnologi-cheskikh agregatov dlia elektricheskogo obzhiga vermikulita [Definition of rational operating modes of power technology units for electrical firing vermiculite]. Stroitel'nye i dorozhnye mashiny - Construction and Road Building Machinery, 2013, no. 10, pp. 21-23.
3. Nizhegorodov A.I. Razvitie kontseptsii energotekhno-logicheskikh agregatov dlia obzhiga vermikulitovykh kontsentratov na baze elektricheskikh modul'no-spuskovykh pechei [Development of the concept of power technology units for vermiculite concentrate roasting on the basis of electrical module and trigger furnaces]. Ogneupory i tekhnicheskaia keramika - Refractory materials and engineering ceramics, 2014, no. 1/2, pp. 36-44.
4. Nizhegorodov A.I. Energosberegaiushchaia tekhnologiia obzhiga vermikulitovykh konglomeratov v elektricheskikh modul'no-spuskovykh pechakh s «nulevym» neelektrifitsirovannym modulem [Energy-saving technology of vermiculite conglomerate roasting in electrical module and trigger furnaces with a "zero" nonelectrified module]. Stroitel'nye materialy - Building Materials, 2014, no. 10, pp. 20-24.
5. Nizhegorodov A.I. Theory and practical use of modular-pouring electric furnaces for firing vermiculite. Refractories and Industrial Ceramics, 2015, vol. 56, no. 4, pp. 361-365.
6. Nizhegorodov A.I., Zvezdin A.V. Energotekhnolog-icheskie agregaty dlia pererabotki vermikulitovykh kontsentratov [Power technological units vermiculite
concentrate processing]. Irkutsk, IRNITU Publ., 2015. 250 p.
7. Anur'ev V.I. Spravochnik konstruktora-mashinostroitelia [Mechanic engineer and designer desk book]. Moscow, Mashinostroenie Publ., 1982, 736 p.
8. Vibratsii v tekhnike [Vibrations in engineering]. Moscow, Mashinostroenie Publ., 1981, vol. 4. 509 p.
9. Gavrilin A.N., Angatkina O.O., Rozhkov P.S. Dinamicheskii gasitel' vibratsii tekhnologicheskogo obo-rudovaniia [Dynamic absorber of process equipment vibrations]. Spravochnik. Inzhenernyi zhurnal - Reference book. Engineering journal, 2011, no. 2, pp. 47-50.
10. Nizhegorodov A.I. Stend dlia dinamicheskikh ispytanii tekhnicheskikh sredstv v re-zhime amplitudno-chastotnoi moduliatsii s gidroob"emnym vibroprivodom [Test bench for dynamic testing of technical equipment in the mode of amplitude-frequency modulation with a hydrostatic vibratory drive]. Stroitel'nye mashiny - Construction Machinery, 2014, no. 10, pp. 30-34.
11. Nizhegorodov A.I., Gavrilin A.N., Moyzes B.B., Phys J. Hydrostatic Vibratory Drive of the Test Stand for Excitation of the Amplitude-Modulated Vibrations. Conf. Ser, 2016, vol. 671.
12. Bauman V.A., Bykhovskii I.I. Vibratsionnye mashiny i protsessy v stroitel'stve [Vibration machines and processes in construction]. Moscow, Higher School Publ., 1977. 255 p.
13. Nizhegorodov A.I., Gavrilin A.N., Moyzes B.B. Hydraulic Power of Vibration Test Stand with Vibration Generator Based on Switching Device. Key Engineering Materials, 2015, vol. 685, pp. 320-325.
14. Ispytatel'naia tekhnika [Test equipment]. Moscow, Mashinostroenie Publ., 1982. 560 p.
15. Tymchak V.M., Gusovskii V.L. Raschet nagrevatel'nykh i termicheskikh pechei [Calculation of heating and heat treatment furnaces]. Moscow, Metal-lurgiia Publ., 1983. 480 p.
