Печь с погружной горелкой с самофутерующимися стенками

Настоящее изобретение относится к печи для плавления стеклуемого материала, в частности стекла, с погружной горелкой. Печь содержит стенку, охлаждаемую охлаждающей текучей средой, при этом поверхность стенки, обращенная внутрь печи, имеет перед плавлением стеклуемого материала в печи текстуру крепления для расстеклованного стеклуемого материала с возможностью самофутеровки печи, и текстура крепления содержит сплошные участки и пустоты размером по меньшей мере 5 мм в направлении, перпендикулярном стенке. Раскрыт способ плавления стеклуемого материала в печи. Обеспечивается уменьшение коррозии металлической стенки и продление срока службы ее поверхности за счет стабилизации слоя самофутеровки печи, стабилизации процесса плавления, улучшение энергоэффективности за счет стабилизации и минимизации переносов тепла, отклонение несгоревших газов к ванне стеклуемого материала и минимизация количества несгоревших газов, проходящих между металлической стенкой и самофутеровкой. 2 н. и 11 з.п. ф-лы, 9 ил.

 

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

2420-563378RU/42

ПЕЧЬ С ПОГРУЖНОЙ ГОРЕЛКОЙ С САМОФУТЕРУЮЩИМИСЯ СТЕНКАМИ

Настоящее изобретение относится к области печей с погружной горелкой с металлическими стенками, охлаждаемыми охлаждающей текучей средой, которые известны специалистам в данной области техники как водяная рубашка. Эти печи предназначаются для плавления стеклуемого материала, обычно оксидного типа, обычно содержащего по меньшей мере 30 мас.% кремнезема, такого как стекло или силикат, такой как щелочной и/или щелочноземельный силикат. Стекло может быть в частности известково-натриевым стеклом или камнем, часто называемым специалистами в данной области техники «черным стеклом».

Охлаждающая система водяной рубашки используется для печи с погружной горелкой для того, чтобы содержать температуру, воздействию которой подвергается ее структура. Расплавленный стеклуемый материал, который может в частности быть расплавленным стеклом, в контакте с этими охлаждаемыми (T°C < 100°C) стенками расстекловывается (то есть затвердевает), и формирует твердую корку между массой стеклуемого материала и металлической стенкой. Эта корка из расстеклованного стеклуемого материала обеспечивает естественную защиту стенок. Она отлично совместима с плавящимся стеклуемым материалом, поскольку она имеет тот же самый состав, только является затвердевшей. Следовательно, эта корка формирует «самофутеровку» для стеклуемого материала в печи. Однако было найдено, что эта самофутеровка трескается, фрагментируется и отваливается листами во время работы. Даже если зона отвалившейся самофутеровки восстанавливается при контакте со стеклуемым материалом, соответствующая металлическая поверхность стенки тем не менее в течение некоторого времени подвергается эрозии/коррозии очень горячим расплавленным стеклуемым материалом, и очень интенсивный теплообмен между расплавленным стеклуемым материалом, в частности расплавленным стеклом, и охлаждаемой стенкой происходит локально все время, пока самофутеровка не восстановится. Кроме того, листы твердой самофутеровки, которые отвалились в расплавленный материал, расплавляются, что также бесполезно поглощает энергию и понижает температуру расплавленной массы. Все эти непредсказуемые переносы тепла дестабилизируют процесс плавления.

Считалось, что слабое удержание самофутеровки на стенке связано с химической и физической природой этой стенки, особенно с тем фактом, что она является слишком гладкой, а также с высоким термическим напряжением, которому она подвергается. Кроме того, было установлено, что самофутеровка имеет плохо сформированную структуру на ее границе с металлической стенкой из-за быстрого отверждения стеклуемого материала. Поверхность самофутеровки, контактирующая с металлом, прилипает к нему недостаточно хорошо, является пористой, и содержит реальные каналы. Расплавленный материал непрерывно и мощно выступает к стенкам из-за высоких уровней перемешивания, вызываемого работой погружной горелки. Эти выступы оказывают высокое давление на газообразные продукты горения, и было найдено, что продукты горения проходят между самофутеровкой и металлической стенкой и выходят из самофутеровки рядом со стеклуемым материалом на некоторой высоте от дна резервуара, которая является случайной и возможно даже достигает уровня свода. Здесь выражение «газообразные продукты горения» означает газы, формируемые после сгорания и/или несгоревшее топливо и/или окислитель. Анализ этих продуктов горения показал, что они содержат много воды, которая является особенно коррозионной для металла стенки. Кроме того, несгоревшие газы, покидающие самофутеровку на конкретной высоте, сгорают, как только они покинут самофутеровку, но передают меньше энергии плавящемуся стеклуемому материалу, чем если бы они сгорали у дна резервуара, как это обычно и происходит.

Настоящее изобретение касается печи для плавления стеклуемого материала (в частности стекла) с погружной горелкой, включающей стенку, охлаждаемую охлаждающей текучей средой, причем та поверхность стенки, которая обращена внутрь печи, имеет перед плавлением стеклуемого материала в печи текстуру крепления для так называемой самофутеровки из расстеклованного стеклуемого материала для покрытия внутренней стенки печи, как только она начинает функционировать для плавления стеклуемого материала. Настоящее изобретение обеспечивает в частности следующие преимущества:

- стабилизацию слоя самофутеровки печи;

- стабилизацию процесса плавления;

- стабилизацию и минимизацию переносов тепла, и следовательно улучшение энергоэффективности;

- отклонение несгоревших газов к ванне стеклуемого материала и минимизацию количества несгоревших газов, проходящих между металлической стенкой и самофутеровкой;

- уменьшение коррозии металлической стенки и продление срока службы ее поверхности.

Решение, описанное в настоящей патентной заявке, имеет кроме того относительно низкую цену и является легким в осуществлении.

Стенка обычно является вертикальной, но может также быть наклонной. В целом стенка обеспечивает соединение между подом и сводом печи. Стенка вместе с подом позволяет печи содержать стеклуемый материал, плавящийся в печи.

Текстура крепления содержит твердые частицы и пустоты с размером предпочтительно по меньшей мере 5 мм в перпендикулярном к стенке направлении. Это означает, что, если гладкая поверхность помещается напротив текстурированной поверхности параллельно к стенке, причем упомянутая гладкая поверхность составлена параллельными друг другу образующими (вертикальными, если стенка является вертикальной), то пространство между стенкой и упомянутой гладкой поверхностью содержит углубления размером по меньшей мере 5 мм и предпочтительно по меньшей мере 1 см, и более предпочтительно по меньшей мере 2 см. В этих углублениях может даже быть размещена виртуальная сфера диаметром по меньшей мере 5 мм, предпочтительно по меньшей мере 1 см, и более предпочтительно по меньшей мере 2 см. Текстура крепления является видимой невооруженным глазом. Гладкая и плоская металлическая пластина рассматривается как не имеющая текстуры крепления.

Стенка обычно содержит металлическую пластину, в случае необходимости вертикальную, если стенка является вертикальной, причем текстура крепления создается с помощью системы крепления, содержащей выступающие металлические элементы, прикрепленные к той поверхности упомянутой пластины, которая обращена внутрь печи. Первоначально металлическая пластина обычно является гладкой и не имеет никакого конкретного рельефа, и именно система крепления в соответствии с настоящим изобретением, прикрепляемая к этой пластине, создает текстуру. Другая поверхность металлической пластины (обращенная наружу печи) охлаждается, в частности находится в контакте с охлаждающей текучей средой, которая обычно является холодной водой, то есть водой при температуре обычно в диапазоне от 1 до 20°C включительно (температура на входе охлаждающего трубопровода).

Стеклуемые материалы, плавящиеся в печи, обычно имеют температуру 800°C - 1590°C включительно.

Элементы, текстурирующие стенку, могут в частности содержать металлические секции, такие как сплошной круглый стержень, железный уголок, (трубчатый или сплошной) металлический квадратный стержень и т.д. Металлический профиль предпочтительно крепится к металлической пластине так, чтобы главное направление, в котором он проходит (его главное направление, перпендикулярное к его сечению) было по существу горизонтальным. В частности, в случае железного уголка он предпочтительно крепится посредством его внешнего края. Этот внешний край формирует тупой угол в месте соединения двух плоских металлических крыльев уголка. Железный уголок предпочтительно крепится так, чтобы этот край был по существу горизонтальным. Металлический профиль обычно может крепиться к металлической пластине путем сварки.

Текстурирующие стенку элементы могут также быть локализованными элементами (в частности без большой протяженности в каком-либо конкретном направлении, параллельном стенке), прикрепленными к стенке, такими как штифты, вставленные в пластину или приваренные к ней.

Текстура предпочтительно содержит выступающие элементы, формирующие локально на стенке пространства, которые могут быть заполнены расстеклованным стеклуемым материалом самофутеровки, который захватывается в этих пространствах между по меньшей мере частью выступающего элемента и поверхностью стенки, расположенной дальше к периферии печи (то есть дальше от внутренности печи), чем эта часть выступающего элемента.

Элементы текстурирования предпочтительно крепятся к пластине металлической стенки так, чтобы они выступали из металлической пластины на глубину по меньшей мере 1 см и предпочтительно по меньшей мере 2 см.

Кроме того, элементы текстурирования эффективно предотвращают поток газа вдоль металлической стенки и под самофутеровкой, поднимающийся на некоторое расстояние от дна печи. С этой целью элемент текстурирования, в частности типа профиля, предпочтительно устанавливается ближе к дну печи, и проходит по существу горизонтально вокруг печи. Он предпочтительно является профилем, направление протяженности которого по существу горизонтально (локализованный элемент на поверхности стенки типа штифта не является предпочтительным для этой барьерной функции). Этот пояс из элемента текстурирования фактически формирует отклоняющий горючий газ барьер, так что намного меньше горючего газа проходит под самофутеровкой выше этого барьера. Эти элементы текстурирования, формирующие в случае необходимости полный пояс на внутреннем периметре металлической стенки, предпочтительно находятся на расстоянии 5-20 см от самой нижней точки пода. Следовательно, установка этого отклоняющего барьера вынуждает газы возвращаться в жидкую ванну, что имеет два последствия: 1) несгоревшие газы сгорают в стеклуемом материале, 2) вода больше не проходит вдоль металлической стенки, коррозия которой тем самым уменьшается. Таким образом текстура в соответствии с настоящим изобретением может включать в себя по существу горизонтальный пояс, выступающий на расстояние от самой низкой точки пода (снаружи самофутеровки на поде) от 5 см до 20 см включительно. Эта самая нижняя точка пода является той точкой, которая находится в контакте со стеклуемыми материалами перед формированием самофутеровки. Следует отметить, что самофутеровка одинаковым образом может быть сформирована на поде.

Для того, чтобы дополнительно уменьшить коррозию металла в стенке расплавленным стеклуемым материалом, в частности расплавленным стеклом, стенка, включая ее элементы текстурирования, может быть покрыта жароупорным бетоном, предпочтительно содержащим глинозем. Этот бетон покрывает стенку, формируя границу с самофутеровкой. Этот бетон обеспечивает химическое присоединение к самофутеровке. Фактически, глинозем мигрирует в стеклуемый материал самофутеровки, который в частности может быть стеклом, что приводит к увеличению температуры расстекловывания этого стеклуемого материала, и следовательно к очень прочному химическому присоединению самофутеровки. В частности, этот бетон содержит больше чем 50% и предпочтительно больше чем 80% глинозема. Подходящие бетоны продаются под марками 6P или F15R компанией Thermbond, T96HT или T95G3 компанией Calderys, Erplast 20 или Ersol 50 компанией Sefpro. Бетон может быть нанесен по существу с однородной толщиной, в т.ч. и на элементах текстурирования, так что поверхность, обращенная к внутренности печи, сохраняет текстуру из-за присутствия элементов текстурирования, нанесенных заранее на металлическую стенку. Присутствие этих элементов текстурирования способствует удержанию бетона на стенке. Поверхность бетона, обращенная к внутренности печи, предпочтительно имеет текстуру из-за присутствия элементов текстурирования, нанесенных заранее на металлическую стенку. Недостаточное количество бетона обычно наносится для выравнивания поверхности бетона, обращенной к внутренности печи. Фактически предпочтительно сохранять текстуру на той поверхности бетона, которая граничит с самофутеровкой. Слой бетона может иметь толщину в диапазоне от 5 до 70 мм включительно.

Возможно произвести стенку печи, соответствующую настоящему изобретению, одна поверхность которой обращена к внутренности печи, а другая поверхность которой охлаждается, в частности находясь в контакте с охлаждающей текучей средой, путем крепления, в частности с помощью сварки, текстурирующих, в частности металлических элементов на гладкую поверхность металлической пластины, а затем обеспечения упомянутой поверхности упомянутыми элементами текстурирования, предназначенными быть обращенными к внутренности печи и покрытыми самофутеровкой, когда печь начнет функционировать. Настоящее изобретение также касается способа производства печи в соответствии с настоящим изобретением, включая установку элементов текстурирования на гладкую поверхность металлической пластины, а затем позиционирование пластины, в случае необходимости вертикально, так, чтобы поверхность, снабженная элементами текстурирования, сформировала внутреннюю поверхность стенки печи.

Настоящее изобретение также касается способа производства стеклуемого материала, в частности стекла, включающего плавление стеклуемого материала в печи в соответствии с настоящим изобретением. Сырье вводится в печь, а затем плавится в печи для того, чтобы произвести расплавленный стеклуемый материал, который затем извлекается из печи путем его выпуска через отверстие.

Фиг. 1 представляет внутренность печи с погружной горелкой с металлическими стенками типа водяной рубашки в соответствии с предшествующим уровнем техники после ее остановки. Металлические стенки были гладкими до начала функционирования печи, то есть состояли из стального листа без какой-либо текстуры. На фотографии видно, что слой расстеклованного стекла, прилипшего к стенке, случайным образом отвалился листами на под печи.

Фиг. 2 представляет а) стенку печи в соответствии с настоящим изобретением, если смотреть изнутри, и b) ее поперечное сечение. Вертикальная и первоначально гладкая металлическая пластина 1 стенки покрывается металлическими элементами 2, прикрепленными к упомянутой пластине. Эти металлические элементы имеют тип профиля и крепятся к пластине путем сварки. Они устанавливаются так, чтобы главное направление, в котором они проходят, было по существу горизонтальным. Они формируют присоединенную текстуру, содержащую сплошные участки и пустоты с размером p (по меньшей мере 5 мм) перпендикулярно к поверхности металлической пластины 1. Фактически, если гладкая поверхность 5, параллельная к стенке, составляемая вертикальными образующими, параллельными друг другу, помещается напротив текстурированной поверхности, пространство между стенкой и упомянутой гладкой поверхностью содержит углубления 6 размером по меньшей мере 5 мм перпендикулярно к стенке (глубина p рассматривается как перпендикулярная стенке). Другая поверхность 3 металлической пластины 1 находится в контакте с охлаждающей водой 4.

Фиг. 3 представляет стенку печи в соответствии с настоящим изобретением в поперечном сечении. Первоначально гладкая вертикальная металлическая пластина 20 стенки покрывается металлическими элементами 21, прикрепленными к упомянутой пластине. Эти металлические элементы имеют тип углового железного профиля и крепятся к пластине путем сварки их внешнего края в месте соединения двух плоских крыльев железного уголка. Они устанавливаются так, чтобы главное направление, в котором они проходят, было по существу горизонтальным. Другая поверхность металлической пластины 20 находится в контакте с охлаждающей водой 22. Жароупорный бетон 23 был нанесен на металлическую стенку после закрепления на ней железных уголков 21. Этот бетон покрывает железные уголки 21 на внутренней поверхности пластины 20. Перед запуском печи поверхность 27 внутренней стенки печи поэтому показывают углубления и сплошные участки с глубиной p, измеряемой перпендикулярно к стенке. Расстеклованный стеклуемый материал самофутеровки 24 прилипает к бетону и формирует новую контактную поверхность 26 для плавящихся материалов 25. Глубина сплошных участков и углублений поверхности 26 самофутеровки обычно является меньшей, чем у поверхностей 27 стенки (из бетона) перед плавлением стеклуемого материала.

Фиг. 4 представляет внутреннюю стенку печи с погружной горелкой перед плавлением стеклуемого материала в печи. Металлическая сетка, формирующая текстуру крепления для самофутеровки, была приварена к металлической пластине, позади которой циркулирует охлаждающая вода.

Фиг. 5 представляет внутреннюю стенку печи с погружной горелкой, изображенную на Фиг. 4, после плавления стекла в печи и ее опустошения. На этой фотографии под расстеклованным стеклом видна поверхность самофутеровки и металлическая сетка. Было найдено, что расстеклованное стекло заполнило большую часть пространства между металлической сеткой и металлической пластиной.

Фиг. 6 представляет стенку печи в соответствии с настоящим изобретением в поперечном сечении. Угловой железный профиль (51, 52) был прикреплен к гладкой вертикальной металлической пластине 50, формирующей стенку печи. Этот профиль содержит два плоских крыла 51 и 52, соединенных друг с другом ортогонально. Этот угловой профиль был приварен к внутренней поверхности гладкой металлической пластины его внешним угловым краем. Этот угловой профиль был установлен так, чтобы направление, в котором он проходит, было горизонтальным. Плоские крылья углового профиля являются выступающими элементами, формирующими локально на стенке пространства 53, 54, которые могут быть заполнены расстеклованным стеклуемым материалом 55 самофутеровки, который захватывается в этих пространствах 53, 54 между по меньшей мере выступающими плоскими крыльями и поверхностью 56, 57 стенки, расположенной дальше от центра печи, чем выступающие плоские крылья 51, 52. Таким образом, вдоль прямой линии 58, начинающейся от внутренности печи 59 и проходящей через плоское крыло 51, самофутеровка 53 на самом деле затем захватывается между плоским крылом 51 и поверхностной зоной 56 (первоначально гладкой) пластины, расположенной дальше к периферии печи, в направлении от внутренности печи 69.

Фиг. 7 показывает в перспективе нижний угол внутренности печи с погружной горелкой. Погружные горелки 60 и 61 располагаются на поде печи. Пояс 62 из металлического профиля проходит вокруг резервуара печи. Этот пояс находится на расстоянии d (обычно от 5 до 20 см) от самой глубокой точки пода. Этот пояс формирует барьер для газов, проходящих под самофутеровкой между подом и поясом. Сам этот пояс имеет высоту h, обычно в диапазоне от 5 до 50 мм включительно.

Фиг. 8 показывает изменение потоков энергии со временем в печи с погружной горелкой в соответствии с настоящим изобретением, внутренняя стенка которой текстурирована как показано на Фиг. 2. Следующие потоки потерь энергии могут быть измерены на основе измерений температуры различных контуров охладителя, охлаждающих различные места в печи:

- a): суммарный поток

- b): свод и дымоход

- c): правая стенка

- d): левая стенка

Эти потоки являются весьма регулярными и постоянными во времени.

Фиг. 9 показывает изменение потоков энергии со временем в печи с погружной горелкой, идентичной показанной на Фиг. 3, за исключением того, что внутренняя стенка была гладкой металлической пластиной без текстуры. Видно, что эти потоки являются намного менее регулярными, чем в случае печи на Фиг. 8. В частности, когда лист самофутеровки отделяется, это видно очень ясно, поскольку кривая потока той стенки, которую затрагивает это отделение, показывает внезапное увеличение, как например в области 90.

1. Печь для плавления стеклуемого материала с погружной горелкой, содержащая стенку, охлаждаемую охлаждающей текучей средой, отличающаяся тем, что поверхность стенки, обращенная внутрь печи, имеет перед плавлением стеклуемого материала в печи текстуру крепления для расстеклованного стеклуемого материала с возможностью самофутеровки печи, при этом текстура крепления содержит сплошные участки и пустоты размером по меньшей мере 5 мм в направлении, перпендикулярном стенке.

2. Печь по п. 1, отличающаяся тем, что стенка включает в себя металлическую пластину, причем текстура крепления создается с помощью системы крепления, содержащей выступающие металлические элементы, прикрепленные к упомянутой поверхности пластины, обращенной внутрь печи.

3. Печь по п. 2, отличающаяся тем, что металлические элементы содержат металлический профиль.

4. Печь по п. 3, отличающаяся тем, что металлический профиль прикреплен к упомянутой пластине так, чтобы главное направление, в котором он проходит, было по существу горизонтальным.

5. Печь по п. 3 или 4, отличающаяся тем, что металлический профиль представляет собой железный уголок.

6. Печь по п. 5, отличающаяся тем, что железный уголок прикреплен к металлической пластине своим внешним краем в месте соединения его двух плоских крыльев.

7. Печь по любому из предшествующих пунктов, отличающаяся тем, что текстура содержит выступающие элементы, формирующие локально на стенке пространства, выполненные с возможностью их заполнения расстеклованным стеклуемым материалом самофутеровки, который захватывается в этих пространствах между по меньшей мере частью выступающего элемента и поверхностью стенки, расположенной дальше к периферии печи, чем эта часть выступающего элемента.

8. Печь по любому из предшествующих пунктов, отличающаяся тем, что текстура содержит по существу горизонтальный пояс, выступающий на расстояние от 5 до 20 см включительно от самой низкой точки пода снаружи самофутеровки на поде.

9. Печь по любому из предшествующих пунктов, отличающаяся тем, что стенка покрыта бетоном для формирования границы с самофутеровкой.

10. Печь по п. 9, отличающаяся тем, что бетон содержит более 50 мас.% и предпочтительно более 80 мас.% глинозема.

11. Печь по любому из предшествующих пунктов, отличающаяся тем, что стенка является вертикальной.

12. Способ производства расплавленного стеклуемого материала, в частности расплавленного стекла, отличающийся тем, что осуществляют плавление стеклуемого материала, в частности стекла, в печи по любому из предшествующих пунктов.

13. Способ производства печи по любому из пп. 1-11, отличающийся тем, что осуществляют крепление элементов текстурирования на гладкую поверхность металлической пластины, а затем позиционирование этой пластины так, чтобы поверхность, снабженная элементами текстурирования, формировала внутреннюю поверхность стенки печи.