Вращающаяся печь — это устройство для пирообработки, используемое для повышения температуры материалов ( кальцинации ) в непрерывном процессе. Материалы, производимые с использованием вращающихся печей, включают:
Их также используют для обжига самых разных сульфидных руд перед извлечением металлов.
Печь представляет собой цилиндрический сосуд, слегка наклоненный от горизонтали, который медленно вращается вокруг своей продольной оси. Технологическое сырье подается в верхний конец цилиндра. По мере вращения печи материал постепенно перемещается вниз к нижнему концу и может подвергаться определенному перемешиванию и смешиванию. Горячие газы проходят вдоль печи, иногда в том же направлении, что и технологический материал (прямоток), но обычно в противоположном направлении (противоток). Горячие газы могут генерироваться во внешней печи или могут генерироваться пламенем внутри печи. Такое пламя выбрасывается из трубы горелки (или «трубы зажигания»), которая действует как большая горелка Бунзена . Топливом для этого может быть газ, нефть, пылевидный нефтяной кокс или пылевидный уголь.
Основными компонентами вращающейся печи являются корпус, огнеупорная футеровка, опорные бандажи (опорные кольца) и ролики, приводной механизм и внутренние теплообменники.
Вращающаяся печь была изобретена в 1873 году Фредериком Рэнсомом . [1] Он подал несколько патентов в 1885-1887 годах, но его эксперименты с этой идеей не имели коммерческого успеха. Тем не менее, его конструкции легли в основу успешных печей в США с 1891 года, впоследствии подражавших всему миру.
Он изготавливается из прокатанной мягкой стальной пластины, обычно толщиной от 15 до 30 мм (от 0,6 до 1,2 дюйма), сваренной в форме цилиндра, длина которого может достигать 230 м (750 футов), а диаметр — до 6 м (20 футов).
Верхние пределы диаметра устанавливаются тенденцией оболочки деформироваться под собственным весом до овального поперечного сечения с последующим изгибом во время вращения. Длина не обязательно ограничена, но становится трудно справляться с изменениями длины при нагревании и охлаждении (обычно около 0,1–0,5% длины), если печь очень длинная.
Цель огнеупорной футеровки — изолировать стальную оболочку от высоких температур внутри печи и защитить ее от коррозионных свойств обрабатываемого материала. Она может состоять из огнеупорного кирпича или литого огнеупорного бетона или может отсутствовать в зонах печи, температура которых ниже примерно 250 °C (482 °F). Выбор огнеупора зависит от температуры внутри печи и химической природы обрабатываемого материала. В некоторых процессах, таких как производство цемента, срок службы огнеупора продлевается за счет сохранения покрытия обрабатываемого материала на огнеупорной поверхности. Толщина футеровки обычно составляет от 80 до 300 мм (от 3 до 12 дюймов). Типичный огнеупор способен выдерживать перепад температур в 1000 °C (1800 °F) или более между его горячей и холодной сторонами. Температура оболочки должна поддерживаться ниже 350 °C (662 °F), чтобы защитить сталь от повреждений, а для раннего оповещения о «горячих точках», указывающих на разрушение огнеупора, используются непрерывные инфракрасные сканеры.
Шины, иногда называемые ездовыми кольцами, обычно состоят из одной кольцевой стальной отливки, обработанной до гладкой цилиндрической поверхности, которая свободно крепится к корпусу печи с помощью различных приспособлений типа «стул». Это требует некоторой изобретательности в конструкции, поскольку шина должна плотно прилегать к корпусу, но также допускать тепловое движение. Шина едет по парам стальных роликов, также обработанных до гладкой цилиндрической поверхности и установленных на расстоянии примерно половины диаметра печи. Ролики должны поддерживать печь и допускать вращение, которое максимально близко к безфрикционному. Хорошо спроектированная печь, когда отключается питание, будет качаться подобно маятнику много раз, прежде чем остановиться. Масса типичной печи размером 6 м × 60 м (20 футов × 197 футов), включая огнеупоры и сырье, составляет около 1100 т (2400000 фунтов) и будет перемещаться на трех шинах и наборах роликов, расположенных по всей длине печи. Самые длинные печи могут иметь 8 наборов роликов, в то время как очень короткие и маленькие печи могут не иметь ни одного. Печи обычно вращаются со скоростью от 0,5 до 2 об/мин. Печи современных цементных заводов работают со скоростью от 4 до 5 об/мин. Подшипники роликов должны выдерживать большие статические и динамические нагрузки и должны быть тщательно защищены от тепла печи и попадания пыли. Поскольку печь расположена под углом, ей также нужна поддержка, чтобы она не сошла с опорных роликов. Обычно верхние и нижние «удерживающие (или упорные) ролики», упирающиеся в боковины бандажей, предотвращают соскальзывание печи с опорных роликов.
Печь обычно вращается с помощью одного зубчатого колеса, окружающего более холодную часть трубы печи, но иногда она вращается приводными роликами. Шестерня соединена через зубчатую передачу с электродвигателем с переменной скоростью . Он должен иметь высокий пусковой крутящий момент , чтобы запустить печь с большой эксцентриковой нагрузкой. Печь размером 6 м × 60 м (20 футов × 197 футов) требует около 800 кВт для вращения со скоростью 3 об./мин. Скорость потока материала через печь пропорциональна скорости вращения; для управления этим необходим привод с переменной скоростью. При движении через ролики можно использовать гидравлические приводы. Они обладают преимуществом, поскольку развивают чрезвычайно высокий крутящий момент. Во многих процессах опасно оставлять горячую печь неподвижной, если отключается питание привода. Разница температур между верхней и нижней частью печи может привести к деформации печи и повреждению огнеупора. Поэтому обычной практикой является обеспечение вспомогательного привода для использования во время отключений электроэнергии. Это может быть небольшой электродвигатель с независимым источником питания или дизельный двигатель . Он вращает печь очень медленно, но достаточно, чтобы предотвратить повреждение.
Теплообмен во вращающейся печи может осуществляться за счет теплопроводности , конвекции и излучения в порядке убывания эффективности. В низкотемпературных процессах и в более холодных частях длинных печей, не имеющих подогревателей, печь часто оснащается внутренними теплообменниками для стимулирования теплообмена между газом и сырьем. Они могут состоять из совков или «подъемников», которые каскадно подают сырье через поток газа, или могут быть металлическими вставками, которые нагреваются в верхней части печи и передают тепло сырью, опускаясь ниже поверхности сырья по мере вращения печи. Последние предпочтительны там, где подъемники могут вызвать чрезмерное улавливание пыли. Наиболее распространенный теплообменник состоит из цепей, висящих в занавесках поперек потока газа.
Печь соединяется с выходным колпаком материала на нижнем конце и каналами для отходящих газов. Для этого требуются газонепроницаемые уплотнения на обоих концах печи. Отходящие газы могут уходить в отходы или поступать в подогреватель, который далее обменивается теплом с поступающим сырьем. Газы должны протягиваться через печь и подогреватель, если он установлен, вентилятором, расположенным на выхлопном конце. В установках подогревателя, которые могут иметь высокий перепад давления, может потребоваться значительная мощность вентилятора, и привод вентилятора часто является самым большим приводом в системе печи. Отходящие газы содержат пыль, и в них могут быть нежелательные компоненты, такие как диоксид серы или хлористый водород . Устанавливается оборудование для их очистки от газового потока перед выходом в атмосферу.
Медиа, связанные с вращающимися печами на Wikimedia Commons