Устройство для высокотемпературной обработки углеродистых материалов (электрокальцинатор)

Устройство для высокотемпературной обработки углеродистых материалов (электрокальцинатор)

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к области металлургии, химической промышленности, нефтепереработки и электротермии, конкретно к электропечам (электрокальцинаторам) для высокотемпературной обработки углеродистых материалов:

кокса, антрацита, нефтяного кокса, пекового кокса и др., для удаления летучих, зольных примесей и серы, с одновременным качественным повышением электропроводности, плотности и механической прочности, а также равномерности прокалки для однородности свойств получаемого продукта и интенсификации процесса.

Указанные материалы подвергаются без доступа воздуха прокалке до 1200÷1300°С и обжигу при более высоких температурах до 2500°С, при которых происходят глубокие структурные преобразования, в том числе укрупнение кристаллитов и графитация углерода, изменения физических и химических свойств. Электрокальцинатор - печь для прокалки - обжига конструктивно представляет собой вертикальную шахту, в которую подвергаемый обработке материал загружается сверху, а выгружается в процессе завершения обработки снизу.

Электрическая мощность подводится в электрокальцинатор от печного многоступенчатого (по напряжению) трансформатора через токонесущие (угольные или графитированные) электроды, расположенные в верхней и нижней частях шахты печи.

Режим прокаливания - обжига зависит от времени пребывания материала в печи и от количества электроэнергии, введенной в печь за время обработки.

Время пребывания материала в печи в процессе всего цикла последовательных операций обработки регулируется скоростью его движения и выгрузки из электрокальцинатора. Для этого разгрузочное устройство и аппаратура управления настраиваются на такую скорость прохождения материала через печь, которая обеспечивает условия его высокотемпературной обработки.

Установленный режим ввода электроэнергии в печь в процессе обработки ведется по показаниям приборов и посредством авторегулятора.

Обе величины: скорость движения материала и количество затрачиваемой на его обработку электроэнергии с определенными параметрами тока и напряжения связаны между собой.

Для достижения наилучшего результата - стабильности производительности и качества получаемого продукта проведение процесса должно быть обеспечено таким образом, чтобы при определенной оптимальной скорости использовалась наиболее полезно электрическая мощность с допустимо возможным полным использованием установленной мощности трансформатора.

Известно устройство - электрокальцинатор для высокотемпературной прокалки углеродистых материалов (1).

Конструктивно устройство состоит из вертикальной цилиндрической прокалочной камеры, верхнего подвесного электрода и нижнего кольцевого электрода, сужающегося внутрь с диаметра прокалочной камеры до диаметра расположенной под ним камеры выдержки материала. Причем диаметр камеры выдержки составляет 0,8÷0,9, а высота - 2,0÷2,5 диаметра прокалочной камеры.

Обе упомянутые камеры снабжены двухслойной футеровкой из электронепроводящего огнеупорно-теплоизоляционного материала и заключены в общий цилиндрический кожух. Книзу камеры выдержки прикрепляются с диаметрально противоположных сторон холодильники и разгрузочные устройства. Электрокальцинатор снабжен однофазным трансформатором с регулятором напряжения.

Устройство работает следующим образом.

Углеродистый материал из бункера попадает в прокалочную камеру, где за счет прохождения между верхним и нижним кольцевым электродами нагревается до температуры 1500÷1800°С.

При этом наибольшую температуру имеют внутренние слои столба материала, а наименьшую - внешние слои.

При дальнейшем перемещении материала в камеру выдержки, имеющую меньший диаметр, через кольцевой электрод внешние и внутренние слои столба материала, нагретые на разную температуру, перемешиваются до равных температур в пределах 1600÷1800°С, что позволяет, по мнению авторов устройства, обеспечить равномерность прокалки за счет теплопроводности.

Устройство имеет следующие недостатки:

- высокую неравномерность обжига материалов при относительно невысоких температурах (1500÷1800°С) тепловой обработки, о чем свидетельствуют пределы «равных» температур 1600÷1800°С (с градиентом в 200°С) после камеры выдержки, что весьма существенно влияет на качество получаемого продукта; дело в том, что кусковые углеродистые материалы, которые принято называть «зернистыми», обладают весьма существенными отличиями в физических характеристиках от массивных (сплошных) материалов; так, например, проведенными исследованиями установлено, что передача тепловой энергии в зернистом материале контактной теплопроводностью преобладает только при низких температурах, ограниченных 350÷400°С, при дальнейшем росте температуры резко возрастает в зернистом материале свойственная ему лучистая теплопроводность, превышающая контактную в 20-25 раз, но для эффективного использования этого физического явления и обеспечения равномерности обработки материала, придания ему высокого качества необходимо выполнение двух одновременно действующих условий: медленное достаточно длительное по времени перемешивание зерен садки и протекание по ней электрического тока, только при такой выдержке материала возможно достижение требуемого результата его высокотемпературной обработки, что не учтено в рассматриваемом устройстве;

- отсутствие в устройстве предварительного активного охлаждения материала с усредненной температурой 1600÷1800°С перед поступлением его в водоохлаждаемые холодильники неминуемо приведет к тому, что холодильники будут работать в критическом режиме, что чревато нарушением техники безопасности и взрывом холодильников;

- открытая камера прокалки устройства приводит к значительному угару материала (от 10% до 20% и более), а также невозможности сбора газа и утилизации летучих; кроме того, открытый электрокальцинатор создает значительно худшие, чем у закрытых печей санитарно - гигиенические условия труда персонала и воздействие на экологию окружающей среды.

Известно устройство для высокотемпературной обработки углеродистых материалов (2)*. Примечание. *В качестве прототипа для этого устройства в свое время послужило устройство по патенту США (3), не утратившего ряд достоинств до настоящего времени, т.к. содержит свои методы и устройства для осуществления многорежимной и многоцелевой обработки нефтяного кокса - одного из самых непростых углеродистых материалов. Устройство предназначено для повышения качества обработки углеродистых материалов: кокса, антрацита, нефтяного кокса и др. и обеспечивает снижение электрического сопротивления, повышение механической прочности, равномерности прокалки и интенсификации процесса.

Устройство состоит из рабочей камеры с многослойной теплоизоляционной футеровкой и внутренней поверхностью, выполненной из графита и/или угля.

Камера закрыта сводом, имеющим с ней лабиринтное уплотнение. По оси рабочей камеры, сквозь отверстие в своде, снабженное уплотнением, установлен полый самоспекающийся электрод, оснащенный постоянной токоведущей формой с гибким токоподводом и электрододержателем с телескопическим сопряженным с ним загрузочным бункером, а также газоходом и гидроприводом перемещения.

В нижней части рабочей камеры установлена плита из токопроводящего материала, контактирующая с нижней поверхностью углеграфитовой футеровки и обрабатываемым материалом, соединенная медными шинами, также как токоподвод токоведущей формы, с трансформатором. Рабочая камера установлена на каркасной опоре и имеет прикрепленный к ней снизу холодильник с шибером и рычажным приводом. Регулирование электрической мощности, вводимой в электрокальцинатор через углеродистый материал для его прокалки, осуществляется авторегулятором.

Устройство работает следующим образом

Токоведущая форма с полым самоспекающимся электродом вместе с электрододержателем опускается гидроприводом в крайнее нижнее положение в рабочей камере. На дно рабочей камеры из загрузочного бункера засыпается порция заранее прокаленного углеродистого материала, например кокса.

Включается электропитание и зажигается дуга между нижним концом электрода и прокаленным коксом. Затем аналогично начинается непрерывная загрузка сырого материала. При этом электрод вместе с токоведущей формой и электрододержателем под воздействием авторегулятора поднимается гидроприводом вверх, поддерживая с материалом электрическую дугу определенной длины. Электрический ток, введенный в материал посредством электродуги, последовательно протекает через обрабатываемый материал, который выполняет функцию электрического сопротивления, дополнительно нагревая его за счет джоулева тепла, далее частично через графитовую футеровку и контактную плиту, и медные шины замыкается электрическая цепь на трансформатор.

Периодически порция скопившегося в холодильнике прокаленного материала разгружается через шибер в приемную тележку.

Выделяющийся в процессе прокалки газ удаляется через полость электрода, заполняемую «сырым» углеродистым материалом, отдавая значительную часть своего тепла.

Комбинированный нагрев и высокотемпературная обработка материала:

теплом отходящих газов, электрической дугой и электросопротивлением материла и частично графитовой футеровки обеспечивает получение готового материала требуемого качества при экономичной затрате электроэнергии.

Устройство имеет следующие недостатки в современных условиях эксплуатации:

- периодическая выгрузка готового материала из электрокальцинатора за счет открываемого рычажным приводом шибера снижает производительность его работы, но эта периодичность необходима, т.к. рабочая камера устройства по существу является тиглем, в объеме которого происходят последовательно все основные технологические операции высокотемпературной обработки материала, а для обеспечения достаточной равномерности обработки и качества продукции необходима определенная выдержка углеродистого материала внутри тигля - камеры, а также его достаточное охлаждение в холодильнике, чтобы при выгрузке он не окислялся;

- снижение надежности работы устройства из-за значительного ухудшения качества сырья особенно нефтяного кокса - главного сырья для получения такой ответственной продукции, как: графитированные электроды и аноды, плиты и блоки, в т.ч. для атомных реакторов, технические (конструкционные) графиты специального назначения и т.п.; дело в том, что для этой цели ранее всегда применялись лучшие туркменские нефтяные коксы, соответствующие высоким техническим требованиям ГОСТ - 22898-78 (советской редакции), по которому размеры кусков нефтекокса менее 8 мм не допускались (считались отходами), регламентировалось низкое содержание примесей и серы (до 0,4%); российские нефтекоксы прикаспийских месторождений нефти значительно хуже по всем показателям, например, содержание серы в них составляет 1,5%, что выше даже вынужденно заниженной нормы (до 1%); башкирские коксы еще хуже, т.к. обладают замедленным коксованием, очень высокими зольными примесями и содержанием серы свыше 4%.; попытки использовать предлагаемое некондиционное туркменское сырье (с размерами кусков менее 8 мм, т.е. фактически отходы) приводят при прокалке нефтекокса в интервале температур от 800÷1000 до 1300°С к спеканию материала в глыбы в полости самоспекающегося электрода, что закупоривает проход материала и отходящих газов (точно такое же явление происходит в ретортах газовых печей), указанное влечет нарушение процесса спекания электродной массы, что останавливает работу электрокальцинатора;

- при интенсивной эксплуатации устройства на низкокачественном сырье при температурах 2000°С и выше возникает ненадежность работы электроконтакта между плитой и нижней поверхностью углеграфитовой футеровки и обрабатываемым материалом в связи с ограниченностью поверхности контакта.

Известное устройство (2) по своей технической сущности и достигаемым практическим результатам при комбинированной высокотемпературной обработке кондиционных углеродистых материалов показало хорошие результаты, является наиболее близким к изобретению и поэтому принято в качестве прототипа.

О правильности выбора прототипа свидетельствует то, что проведенная совместно с отечественными специалистами-технологами работа по возможности использования нетрадиционного углеродистого сырья, в частности нефтяного кокса, для получения требуемых по качеству продуктов прокалки - обжига показала возможность решения проблемы с необходимостью дополнительной специальной подготовки сырья и существенно измененной конструкции устройства для внедрения нового по последовательности операций и ряду параметров комбинированного технологического режима обработки, значительно расширяющего его технологические возможности.

Предлагаемое устройство по своим конструктивно-технологическим особенностям и возможностям пригодно для обработки антрацитов и каменноугольных коксов различного качества, нефтяного и пекового коксов.

Техническим результатом настоящего изобретения являются: получение однородности обожженного углеродистого материала с обеспечением его высокой электропроводности, механической прочности и степени графитации.

Технический результат достигается тем, что устройство для высокотемпературной обработки углеродистых материалов электрическим током состоит из:

вертикальной полой реторты, выполненной из углеродистого материала, заключенной соосно с многослойной футеровкой в металлический кожух, установленный на теплоизолированной и электрозаземленной опоре; теплоизолированной крышки кожуха с газоотводом, встроенными в нее по центральной вертикальной оси: загрузочной воронкой для обрабатываемого материала и верхним токонесущим электродом; нижнего электрода с элементами токоподвода, трубчатого холодильника, подсоединенного снизу к реторте и закрепленного к опоре, герметично соединенного с расположенным под ним разгрузочным устройством, выполненым, например, в виде ватержакета с турникетом или водоохлаждаемого вращающегося барабана (оба известной конструкции), на противоположном конце барабана установлено устройство, которое герметизирует его и выдает охлажденный материал, как и турникет, в приемную емкость, например, в вагонетку. Особенностью предлагаемого устройства для высокотемпературной (до 1700÷2500°С) обработки материала (электрокальцинатора) является то, что реторта выполнена токонесущей из графита и снабжена по наружной поверхности термоэлектроизоляционным слоем из дисперсного технического углерода (размером частиц 10-350 нм (нм - обозначение миллиардной доли метра (нанометр) по Международной системе СИ.)), размещенным по границе с многослойной футеровкой, а полость реторты имеет уменьшающееся по высоте сечение и содержит три зоны:

зона А - (цилиндрической формы) нагрева и предварительной прокалки, усадки и основной дегазации материала;

зона В - (коническо-цилиндрической формы) высокотемпературного нагрева, перемешивания и высокотемпературной выдержки материала;

зона С - (цилиндрической формы, содержащая снизу холодильник) предварительного и активного охлаждения материала перед выгрузкой,

при этом относительные объемы рабочих зон составляют:

зона зона зона причем диаметр полости реторты зоны А составляет от 2 до 3 диаметров верхнего электрода, а образующая усеченного конуса зоны В составляет с вертикальной осью реторты угол - α от 7° до 18°, и нижняя цилиндрическая часть этой зоны, сопрягаемая с равновеликой по диаметру полостью зоны С, имеет диаметр больше, чем верхний электрод на 10÷20%, при этом высоты зон реторты по отношению к общей высоте реторты с холодильником, принятой за единицу, составляют:

зона А - от 0,3 до 0,2, зона В от 0,4 до 0, 45, зона С от 0,3 до 0,35, кроме того, в зоне В отношение высот конической и цилиндрической частей равно: 0,6 к 0,4 или 0,5 к 0,5, а в зоне С отношение высот части предварительного охлаждения материала и холодильника составляют: ~ 0,5 к 0,5 или ~ 0,3 к 0,7.

Устройство имеет также следующие существенные отличительные особенности:

- нижний токонесущий электрод выполнен из графита в форме кольца, встроен в реторту в нижней части зоны В на границе с зоной С и снабжен одним или двумя электроконтактными токоподводами из графита, подсоединенными к электроду посредством резьбовых соединений соответственно с одной или двух диаметрально противоположных сторон, горизонтально по оси, проходящей через центр электрода, при этом каждый токоподвод снабжен осевым отверстием, через которое, сквозь сопрягаемые отверстия в резьбовом(ых) гнезде(дах) электрода, в рабочее пространство реторты подается инертный или активный газ;

- расстояние от нижнего торца верхнего электрода до центра (пересечения вертикальной и горизонтальной осей) нижнего кольцевого электрода составляет от 8 до 12 диаметров верхнего электрода;

- загрузочная воронка выполнена из графита и/или угля и образует в пространстве между электродом и под крышкой, до верхнего обреза реторты, зону сушки и предварительного нагрева материала до температуры ~130°С и ~ 400°С соответственно перед началом его прокалки и высокотемпературного нагрева теплом, выделяющимся отходящими газами и электродом.

Предлагаемое устройство представлено в двух вариантах (фиг.1 и фиг.2). Эти варианты идентичны по основному назначению - предназначены для высокотемпературной комбинированной обработки углеродистых материалов и принципиальному конструктивному решению основных элементов. Варианты не отличаются в основных соотношениях (в определенных установленных пределах) даже при их разных по абсолютной величине рабочих геометрических размеров. Варианты отличаются для различных обрабатываемых материалов, главным образом, в зависимости от их назначения - изготовления определенной товарной продукции требуемого качества, а это напрямую связано с различными параметрами нагрева - максимальными температурами прокалки и обжига материалов свыше 1700°С до 2000-2500°С (первый вариант) и до 1700°С (второй вариант) и с соответствующими мощностями питающих трансформаторов, режимами электротермического процесса и технологическими результатами обработки.

Так, например, для производства угольных прессованных электродов до ⌀1200 мм, антрацит должен быть обработан в электрокальцинаторе до температуры не менее 2000°С, а нефтяной кокс, предназначенный в качестве науглероживателя (с содержанием серы не более 0,05%) для кислородно-конверторной стали или производства синтетического чугуна с использованием листовой обрези кузовов для авто-тракторного моторостроения, должен быть подвергнут высокотемпературной обработке до 2500°С; в интервале температур от 1800° до 2000°С требуется обработка металлургического кокса или антрацита с получением содержания графита 23÷25% для наполнителей высококачественных электродных масс самообжигающихся электродов диаметрами: 1400, 1700 и 2000 мм для электропечей мощностью 48, 72 и 100 МВА для производства желтого фосфора или сверхбольших овальных электродов для электропечей мощностью 63 МВА для ферромарганцевых сплавов и мощностью 80 МВА для карбида кальция. В то время, как для получения из нефтяного кокса игольчатого графита с целью изготовления высококачественных графитированных электродов, работающих с плотностью тока 35 А/см² и выше для электроплавки высококачественных сталей в сверхмощных электропечах или обработки пекового кокса для изготовления изделий из конструкционного графита, требуются температуры обработки в электрокальцинаторе не более 1700°С. Даже из ограниченного числа приведенных примеров становится ясным, что предлагаемое устройство (электрокальцинатор) в совокупности двух вариантов способен выполнить любую задачу по высокотемпературной обработке всего ассортимента углеродистых материалов, используемых в настоящее время для производства углеграфитовых материалов и изделий из них. Кроме того, учитывая возрастающие требования к качеству продукции с одновременным применением энергосберегающей технологии, внутри зоны В без существенного изменения ее объемных соотношений (предел допуска менее ±1%) с другими зонами графитовой реторты, отношение высот конической и цилиндрической частей зоны В принимается равным: 0,6 к 0,4 для первого варианта устройства и 0,5 к 0,5 для второго варианта.

Это означает, что при более высоких температурах (св. 1700°С) равномерность обработки материалов больше зависит от их перемешивания в конической части, чем от их выдержки в цилиндрической части зоны, а при температурах до 1700°С обе операции по результатам равноценны при одинаковых высотах частей зоны.

В каждом конкретном случае требуются не только особые оптимальные режимы электротермического процесса (нагрева), но и режимы охлаждения обрабатываемых углеродистых материалов.

Последнее касается зоны С, в которой, также на основе опытных данных, как и в зоне В, не изменяя ее объема и соотношений с другими зонами реторты, отношение высот частей предварительного охлаждения материала и холодильников составляют: ~ 0,5 к 0,5 для первого варианта устройства и ~ 0,3 к 0,7 для второго, это объясняется качественно разными условиями работы зоны С при охлаждении материалов с первоначальной температурой выше 1700°С до 2500°С и с температурой до 1700°С, что и определяет требования к конструктивным особенностям зоны С и особенно к трубчатым холодильникам, их физическим параметрам и подсоединениям к автономным устройствам известного типа, (к водоохлаждаемому барабану или ватержакету с турникетом) для окончательного интенсивного охлаждения и герметизированной выгрузки обрабатываемых материалов с заданной производительностью при требуемых температурах - до 200÷400°С в первом варианте устройства и 50÷70°С во втором (подробнее см. ниже).

Вариант (первый) предлагаемого устройства для обработки углеродистых материалов при температурах свыше 1700°С до 2000-2500°С представлен на фиг.1.

Устройство состоит из вертикальной полой токонесущей реторты 1, выполненной из графита и снабженной по наружной поверхности теплоэлектроизоляционным слоем 2 (из дисперсного технического углерода, размером частиц 10÷350 нм), размещенным по границе с многослойной футеровкой 3, заключенной соосно в металлическом кожухе 4, смонтированном на теплоизолированной и заземленной опоре 5. Кожух 4 снабжен сверху шлемовидной теплоизолированной крышкой 6, опирающейся на кольцевое уплотнение 7 лабиринтного типа, расположенное ниже верхнего обреза кожуха 4.

На крышке 6 по центральной вертикальной оси реторты 1 установлена загрузочная воронка 8 из углеграфитового материала, опирающаяся на углеграфитовое кольцевое основание 9, в котором сверху в шахматном порядке выполнены щелевые газоходы 10.

Воронка 8 совместно с основанием 9 заключена в металлический короб 11, закрепленный к крышке 6 и снабженный совместно с ней сопряженными газоходами 12 и 13, с встроенными в них соответственно нормально открытой заслонкой 14 и нормально закрытой заслонкой 15, каждая из заслонок (стандартного типа, предназначенная для работы в среде реакционных газов при высоких температурах) снабжена приводом с дистанционным управлением.

По оси загрузочной воронки 8 встроен верхний токонесущий электрод 16, закрепленный в электроконтактном электрододержателе 17, который оснащен реверсивным электромеханическим (реечным) или гидромеханическим (гидроцилиндровым) приводом перемещения известных конструкций, эти приводы, не имеющие принципиального значения для существа изобретения, не показаны, чтобы не перегружать чертеж излишними подробностями.

Графитовая реторта 1 имеет уменьшающуюся по высоте полость, разделенную сверху вниз по своему назначению на три зоны А, В и С.

В реторту 1 снизу зоны В на границе с зоной С встроен нижний токонесущий кольцевой электрод 18, выполненный из графита, который оснащен одним или двумя (как показано на фиг.1) электроконтактными токоподводами 19, выполненными, например, из графитированных электродов, присоединенных к кольцевому электроду 18 посредством резьбовых соединений в гнездах 20 или подобным же образом с применением ниппелей.

Токоподводы 19 имеют уплотнения 21 в корпусе 4 и оснащены электроконтактными зажимами 22, к которым также, как и электроконтактному электрододержателю 17 подводится электроэнергия гибкими кабелями и медными шинами от соответствующих выводов - вводов печного трансформатора (эти общеизвестные элементы на фиг.1 не показаны).

В токоподводах 19, резьбовых гнездах 20 и кольцевом электроде 18 предусмотрены сопрягаемые осевые отверстия 23, которые применяются в случае необходимости для подачи в обрабатываемый материал инертного или активного газа.

С наружной стороны эти отверстия снабжены резьбовыми штеккерами с газовыми вентилями 24, выполняющими в соответствующих случаях роль соединений - для цеховой трубной системы газа и аппаратуры, управляющей и регулирующей подачу газа либо заглушек, когда необходимость подачи газа отсутствует.

К верхней части 25 зоны С реторты 1 присоединяется снизу посредством приспособления 26 и закрепляется к опоре 5 холодильник 27, предназначенный для активного охлаждения обработанного материала и выгрузки его из электрокальцинатора в специальное устройство, например барабан, для окончательного интенсивного охлаждения до требуемой температуры.

Наиболее целесообразным, простым и надежным в эксплуатации устройством для окончательного интенсивного охлаждения углеродистого материала, подвергнутого прокалке - обжигу свыше 1700°С до 2500°С в отечественной практике считается вращающийся водоохлаждаемый барабан (известной конструкции, на фиг.1 не показан). Этот барабан устанавливается своим приемным устройством - «горячей головкой» под холодильником 27 электрокальцинатора на роликовых опорах на полу цеха и оснащается регулируемым моторно-редукторным приводом.

Барабан имеет, как правило, наклон к горизонту 3-5° и скорость вращения от 1 до 8 об/мин. Скоростью вращения барабана определяется - скорость перемещения материала внутри реторты электрокальцинатора взаимосвязана со скоростью термообработки и, следовательно, требуемой производительностью.

«Горячая головка» барабана сочленяется с холодильником 27 с применением специального уплотнения с аспирационным устройством, экранирующим наружную поверхность холодильника от контакта с окружающим воздухом и предотвращающего одновременно любую незначительную утечку отходящих (восстановительных в своей основе) газов в атмосферу цеха.

На противоположном конце барабана устанавливается разгрузочное устройство, которое герметизирует его и выдает охлажденный материал в вагонетку.

Такая конструкция барабана предотвращает натекание атмосферного воздуха в рабочее пространство и предохраняет от окисления и охлаждаемый материал, и элементы оборудования. Достигнутые производственные результаты показывают, что угар материала в исключительных случаях может составлять около 1%, не более.

Вопросу охлаждения материала после высокотемпературной обработки до 2500°С уделяется повышенное внимание потому, что необходимо не только надежно обеспечить качество получаемого материала, но и снизить до минимума расходы на его производство.

На фиг.1 также показаны элементы, назначение которых не требует дополнительных комментариев: поз.28 - огнеупорная масса, которой торкретируется с внутренней «огневой» стороны крышка 6; поз.29 - жаропрочный бетон, которым выполняется теплоизоляция металлоконструкций опоры 5; поз.30 - углеродистый материал, подвергаемый термообработке.

Предлагаемое устройство (вариант первый) работает следующим образом.

Подготовленный для термообработки углеродистый материал из цехового бункера труботечками или вибротранспортерами подается в загрузочную воронку 8, заполняет ее, полость реторты 1 и одновременно приемную часть «горячей головки» упомянутого водоохлаждаемого барабана. Если имеется возможность, то для первоначальной загрузки целесообразно использовать предварительно прокаленный материал, тогда с самого начала работы электрокальцинатор выдаст качественную товарную продукцию.

Затем включается электрическое напряжение сначала на обработку материала (а за тем, через определенное время, на вращение барабана). Электрический ток начинает подаваться через электроконтактный электрододержатель 17, верхний токонесущий электрод 16 и одновременно электроконтактные зажимы 22 и токоподводы 19, нижний токонесущий кольцевой электрод 18 и токонесущую реторту 1.

Электрическая цепь между тремя токонесущими элементами (поз.16, 18 и 1) замыкается так: между верхним электродом 16 и нижним кольцевым электродом 18 с ретортой 1 - через углеродистый материал 30, а между кольцевым электродом 18 и ретортой 1- за счет непосредственного электрического контакта (т.к. нижний кольцевой электрод 16 встроен в реторту 1 и работает с ней, как единое целое) и затем через обрабатываемый углеродистый материал 30.

Начинается процесс термообработки углеродистого материала 30.

Вначале материал сушится при температуре до 130°С и подогревается до ~ 400°С в кольцевом зазоре между воронкой 8 и электродом 16, а также под крышкой 6 в пространстве, ограниченном верхним обрезом кожуха 4.

Сушка и подогрев материала 30 до указанных температур обеспечивается тепловыделениями от поверхностей электрода 16 и воронки 8 за счет теплопроводности, т.к. электрод 16 нагревается в этой зоне электротоком до температуры около 500°С, а воронка 8 - отходящими газами примерно до такой же температуры потому, что газы отдают ей значительную часть своего тепла, будучи нагретыми (в установившемся режиме работы) до температуры 600÷800°С. Для повышения эффективности теплового воздействия на материал 30 воронка 8 предпочтительно выполняется из графита, а основание 9 - из угля, т.к. при температуре до 1000°С графит имеет теплопроводность на порядок (в 10 раз) выше, чем уголь практически при одинаковой для обоих материалов теплоемкости (≈ 0,356 кал/г·град).

Отработавший газ благодаря коробу 11 направляется по газоходу 12, минуя нормально открытую заслонку 14, в систему и на дальнейшую утилизацию.

Сопряженный с газоходом 12 газоход 13 с нормально закрытой заслонкой 15 отбирает реакционный газ непосредственно из-под крышки и работает, как дополнительный, только при возникновении нештатных ситуаций при повышении газовыделений, например, при освоении прокалки углеродистых материалов с различными свойствами или при продувке обрабатываемого материала инертными газами, например азотом. В этом случае возникает, кроме обычного (~ 2 мм вод. ст.) давления, предусмотренного для создания защитной атмосферы в рабочем пространстве электрокальцинатора, дополнительное избыточное давление (например, от 2 до 8 мм. вод. ст.), и необходимо обезопасить условия эксплуатации оборудования предотвращением выбивания избыточного газа в атмосферу цеха, например через слой углеродистого материала, загруженного в воронку 8.

Заслонка 15 автоматически открывается и сбрасывает избыток газа в газоход 12 по команде стандартного электроконтактного манометра, который монтируется на крышке 6 совместно с охлаждающим устройством (на фиг.1 не показаны).

Подогрев материала 30 перед прокалкой и последующей высокотемпературной обработкой имеет важное значение для стабильной работы системы электропитания электрокальцинатора, исключая самопроизвольное колебание величины тока и падение нагрузки.

Высушенный и подогретый (до 400°С) материал 30 поступает в зону А реторты 1, где начавшееся(еще при подогреве его с ~ 200°С после выхода из воронки в пространство под крышкой) газовыделение непрерывно возрастает с повышением температуры, а достигнув максимума, резко снижается. У различных углеродистых материалов скорости нарастания газовыделений неодинаковы, но при температуре 1200÷1400°С газовыделения в основном завершаются. Одновременно с дегазацией происходит усадка материала, стабилизация которой происходит при ~1300°С. Оба процесса связаны между собой (Более подробное описание процессов термической обработки различных материалов и их технологических особенностей и параметров при обосновании соотношений параметров устройства и его вариантов см. ниже).

После завершения, в основном, процессов дегазации и усадки материала, его предварительной прокалки при указанных температурах, под одновременным воздействием непосредственно на него электрического тока и реторты, нагретой также от протекания по ней тока, с температурой ~1300°С материал поступает в зону В реторты 1.

В зоне В материал также электрическим током, раскаленной им ретортой 1 и кольцевым электродом 18 подвергается высокотемпературному нагреву (обжигу); в ходе процесса для достижения равномерности свойств он перемешивается за счет постепенного медленного перемещения вниз по конусной части реторты 1 (технологическая скорость движения материала может быть обеспечена в интервале от 10 мм/ мин до 40÷50 мм/ мин, а при необходимости и более), а затем материал, перемещаясь поршневым образом (без перемешивания его слоев) в цилиндрической части реторты 1 зоны В, выдерживается при высокой температуре (величина которой определяется назначением готовой продукции) с целью окончательной стабилизации всех свойств, обеспеченных равномерным обжигом.

Установлено, чем выше температура обработки материала, тем для равномерности обжига его перемешивание приобретает все большее значение. Поэтому конусная часть зоны В выполняется при высоких температурах обжига (св.1700°С) более развитой и составляет 0,6 в то время, как цилиндрическая часть равной 0,4 от общей высоты зоны В.

После высокотемпературного обжига с перемешиванием и выдержки материала 30 в зоне В электрокальцинатора он поступает на охлаждение в зону С реторты 1, где вначале подвергается предварительному «мягкому» режиму охлаждения (в самой верхней части зоны С, начинающейся непосредственно под кольцевым электродом 18); исследованиями установлено, что в этой области температура охлаждения мала (до 2 -3°С) и только по мере приближения к низу реторты 1 (к выходу из ее наиболее хорошо футерованной части) становится от 3 до 5°С/мин, тем не менее учитывая высоту перемещения и небольшую скорость движения обрабатываемого материала температура его при поступлении в трубчатый холодильник 27 снижается на несколько сот градусов, а в самом холодильнике, в зависимости от того из какого материала он выполнен, например из графита, как реторта 1, или карборунда, температура охлаждения становится равной от 8-10°С/ мин до 12-15°С/ мин, и охлаждение материала происходит активно перед передачей его для интенсивного охлаждения (до 25÷30°С/мин) в упомянутый ранее барабан. В любом случае трубчатые холодильники 27, из какого бы материала они не выполнялись, защищаются от окружающей среды трубчатыми переходниками - экранами с уплотнениями и аспирационными устройствами, входящими в конструкцию приемной «горячей головки» охлаждающего барабана (о чем упоминалось выше, и поэтому на фиг 1 не показаны).

Вариант (второй) предлагаемого устройства для обработки углеродистых материалов при температурах до 1700°С представлен на фиг.2.

В этом варианте требуются не только различные параметры нагрева с соответствующими мощностями печных трансформаторов, но и особые режимы охлаждения обрабатываемого материала перед выгрузкой готовой продукции из электрокальцинатора с требуемой температурой(не выше 50÷70°С). Для этого необходим конструктивно отличный от холодильников первого варианта предлагаемого устройства трубчатый холодильник с другими физическими параметрами, с герметичным соединением с графитовой ретортой в конструктивно адаптированной под него верхней частью зоны С и подсоединением к нему снизу автономного устройства известного типа для окончательного интенсивного охлаждения и герметизированной выгрузкой обрабатываемых материалов с заданной произв