CN101755183A - 用于使松疏物料的颗粒热膨胀的井式炉 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种适用于使松疏物料的颗粒热膨胀的井式炉，其中，加热是通过安装在炉的外壳面上的一个或多个加热源来实现的。炉内腔直接暴露给用作热辐射源(3)的热量辐射。在所述炉的一个优选的实施方式中，井式炉的内腔(1)的水平横截面为条形，所述条的长度是其宽度的好几倍。

Description

用于使松疏物料的颗粒热膨胀的井式炉

技术领域

本发明涉及一种适用于使松疏物料的颗粒热膨胀的井式炉。

背景技术

本发明涉及的“松疏物料”是一系列固体的、但彼此不粘连的颗粒，其中单个颗粒相比整个物料很小。一个重要的应用情况是，通过使矿物质材料如珍珠岩或松脂岩矿物质材料的颗粒膨胀来生产出低密度且高隔热性能的松疏物料。其具有高比例的网状结构构成(玻璃结构)成分——例如二氧化硅(SiO₂)——以及值得一提的封闭式结晶水成分。在“常温”下，这些颗粒都是固体的小石粒，当温度超过700摄氏度时，这个网状结构的物质部分将会黏稠软化；封闭的结晶水被蒸发，黏稠的材料被膨胀，并且膨胀后迅速被冷却。

理想状态下，形成的小球具有稳定均匀的低比重，且表面呈现玻化、封闭。为了能使膨胀过程有好的、可复现再生产的结果，颗粒在膨胀过程中，颗粒内热量输入的温度变化控制过程必须要和颗粒的参数如熔融温度范围、粒径和结晶水含量很好地相匹配。这就要求颗粒在膨胀过程中经过的每个膨胀炉炉区都能很好地进行温控。此外还很重要的是，松疏物料只能是由彼此尽量同类的颗粒组成，也就是说，颗粒的组成应是同一种材料，还具有基本尽可能相同的粒径和同样的含水量。

为了实现良好的质量，对于珍珠岩或是松脂岩的膨胀，越来越多地使用井式炉，即炉腔是垂直方向延伸的膨胀炉。最内层的外壳面是一个金属管，典型的材质为不锈钢，横截面为圆形。在金属管的外层陶瓷载体上安装有加热电阻螺旋丝。陶瓷载体和其外层向外构成所需的隔热层。膨胀时，待膨胀颗粒由炉的顶端投入，经过加热的炉腔，落入炉内。下降过程中，它们将被加热和膨胀。通常在炉腔的最低端，它们会接触被冷却且具有倾斜度的表面，此时，物料至少就地被表面固化，并接着滚动或落入冷风中，并通过冷风输送到一个管道中，并继续降温。

US 3,732,071提供了一种生产膨胀陶瓷材料的生产方式：颗粒如同平整的窗帘通过一个井式炉自上而下地落下，在下降的同时被加热和膨胀。膨胀后的颗粒落在了炉身底端开口处的传送带上，互相粘合，并通过传送带被输送出炉，在材料未完全固化之前，利用碾子将其制造成预定的形状。为了配合颗粒流通过炉身时的横截面积，炉身被设置成了矩形截面。炉身的加热是通过很多个燃气燃烧器进行的，燃气燃烧器由外壳面向炉内加热。根据颗粒的不同，由此实现的膨胀后的效果也有很大差别。生产出的陶瓷材料除了其截面之外，还有结构和密度波动。要生产尽可能同样的膨胀松疏物料颗粒，这种加热方式肯定不适合。

EP 35 860 A3中描述了珍珠岩颗粒膨胀井式炉，当颗粒通过垂直方向的金属管落下时，该金属管被分成若干小段，并被陶瓷隔热管套包裹，管套内壁上装有加热电阻螺旋丝。套管和加热电阻螺旋丝在垂直方向上被相叠地分成若干段。EP 35 860 A3中提到，颗粒下降通过的垂直炉腔的横截面不一定要求是圆形的，也可以是椭圆的、正方形的或是长方形的。该设计的问题在于温度控制。加热需要很长时间。此外对正确温度的调节根据与额定值的差距或者非常慢，或者存在超过额定值的风险，因为金属管内的调节发挥作用之前，金属管周围的空间内已经存储大量热量。

在WO 2006092654 A1里(二次申请号为CN 2748851 Y)更进了一步。内部的金属管包含的加热电阻不是安装在金属管内的陶瓷支架的内面，而是在外面。由此，预热和控制时间甚至更慢。然而由于设备的高热容量，使得保持温度恒定较为可能。从启动冷的加热炉到以足够再生产的方式开始实际膨胀出质量令人满意的松疏物料，大约需要5个小时。出于经济型的生产方式考虑，实际上有必要进行夜以继日的轮班式生产，尽管完全不要求如此的产品数量。因为针对变化的待膨胀的松疏物料来相应调节炉子温度十分缓慢，大大影响了生产力。此外，次要的缺点还有：炉子自身具有较高的热容量，在炉子冷却的过程中损失很多能量，并且包含炉腔的金属管由于热膨胀在冷却——加热过程中零件经常受损。

发明内容

本发明的目的是，提供一种适合于使松疏物料膨胀的加热井式炉，使其与已知的构造形式相比，能更快地实现炉腔温度控制，特别是实现加热时间的缩短。

为了实现这一任务，还要再次从井式炉出发，其加热来自外壳面上安装的加热源，待膨胀的颗粒由炉的顶端加入，颗粒在炉腔内下落的过程中被加热并且膨胀，膨胀后的颗粒坠入炉底，冷却后被运走。

依据本发明，炉腔内的加热源产生的热辐射直接放射到炉内。一种具有优势的优选的设计方式是，并式炉的水平横截面不再是圆的或是方的，而是一个条形，它的延伸(不弯曲)长度是宽度的好几倍。炉内腔通过至少一个是更较宽的边界面积进行加热。

附图说明

细节、其他变化和优选的其他实施方式将根据附图予以解释。

图1：依据本发明的井式炉举例，示出垂直向下视向上的水平截面上的简化横截面视图。

图2：示出炉腔内壁的部分垂直剖面。

具体实施方式

图1中，炉内腔内部1由导热、且机械、热学、化学稳定的内壁2.1和2.2构成边界，这种炉壁例如大部分的玻璃类型，热辐射很容易通过。在本发明中，2.1和2.2炉壁的外部安装了热辐射源3，在此，热辐射源的形式是加热电阻。除了热辐射源3以外，还安装有衬膜4，该目的在于将热辐射反射至炉腔内部。在衬膜4的外侧有耐高温、隔热的外罩5，材质例如耐火粘土或是碳化硅，但陶瓷纤维更好，因为它有足够好的耐高温性能，良好的隔热效果，并且蓄热量低。当这个外罩不仅隔热，还能够以高效率的将热量反射回去，就可以替代4。在外罩5的外部有一个机械支承和保护的保护壳6，该保护壳也由隔热材料制成。

炉膛内部顶端(图1中看不到)的覆盖面至少具有一个狭缝式的开口，这个开口如图1示出的下端的狭缝式开口7，几乎延伸了炉体横截面的整个长度。待膨胀的松疏物料的颗粒通过上部的开口进入膨胀炉的内腔，在其上部开口处一般都会安装剂量装置，借助该装置可以调整待膨胀颗粒的进入量。

物料在炉腔内下落的过程中会被加热直到膨胀。膨胀过的颗粒落入炉内腔1底部到达开口7，进入其下端十分水平设置的强空气流，强空气流由尽可能冷的空气构成。通过该冷空气流膨胀物料进入一个管道，并被冷却。最理想的情况是，冷空气流在开口7处足够强大，使得进入的膨胀颗粒才经过些许冷却，就经管道壁得到固化。

炉内腔底面的形状是典型的由上往下变窄的四面锥形外壳面，锥形的底面和顶面至少要呈现延展的长方形形状。理想状态下，底面是被极强冷却，例如可以是双壁构造，并流过尽可能温度低的冷水。如果膨胀后还软的颗粒接触到底面表面，至少颗粒的表面温度会被冷却到玻化温度以下。它们就从表面弹起或者滚走，以便进入开口7。通过底面的冷却，炉内腔最底部的空气也会被些许冷却。与无冷却的底面构造方式相比，在这种情况下，膨胀颗粒在碰撞炉壁之前会有更长的冷却时间。

通过炉内腔长条形的横截面，相对于容积来说，这类炉腔比具有相等截面或表面和具有圆形或正方形的截面的炉腔具有显著更大的表面积，因此，单位炉腔空间中可以拥有与已知构造模式相比更大的带有加热源的表面积。由此，与已知构造模式相比，在相同加热功率和单个加热面积温度相同的情况下，炉内腔温度可以显著更快地升温。

对于2-5部分的的构造设计和组合，可以借鉴已知的炉体建造专业知识。

本发明中用于膨胀珍珠岩或松脂岩的井式炉(符合图1)炉腔的典型规格尺寸为：高度大概4至8米，1至2米长，5至25厘米宽。

有关发明想法中的普遍性，以及优选的细节实施方式，对上述原则的进行如下补充：炉内腔横截面的形状不一定要呈长方形。例如也可以呈环形，或者由多个长的、直的，或弯曲的单个条状结构所组成的组合形状。

炉内腔的加热并非一定要使用安装在螺旋加热器中的电阻丝。原则上所有的加热方法都是允许和有意义的，只要热辐射功率调节可以很快、而且准确实现。比如说燃烧器和建立在多个卤素白炽灯基础上的加热装置，都是可以被应用的。

从加热源到待膨胀物料热量传输的主要效果并非通过热传导，而是通过热辐射实现。由此热量输入能够很快调节，因为热辐射是以光的速度被传输的，并不依赖于加热源和目标物料之间的热容量。

位于热辐射源和炉内腔之间的炉壁2.1，必须使用易于热辐射通过的原材料制成。对此用途玻璃陶瓷尤其适合，该材料目前以“Ceran”这个标识用于炉灶生产。在专利文献中，早期出版的US3600204 A专利中，有过关于这种材料的说明。玻璃陶瓷除了具有优选的热辐射穿透性之外，其构造可以使其不出现任何热膨胀。适合该材料的热辐射源可以是例如电热阻加热，也可以是白炽灯或者特定的燃烧器，都可能成为适合的、有利于热辐射的加热源。

如果温度对于玻璃陶瓷过高，最优选的，高熔融温度玻璃可以作为炉壁2.1的材料。

另一个优选的变化中，炉壁2.1自己就可以作为所谓的辐射燃烧器的一部分。在这个过程中，燃气在多空隙的固体材料(如碳化硅材料)狭窄的空腔内被燃烧，该多孔的固体材料在此过程受热升温，并释放出辐射热。该原理的应用已经在例如DE19505401 C1和WO200048429中得到描述。在上述情况下，炉壁2.1自己就可以由该种多孔的固体材料构成，在其空腔内气体被燃烧。燃气将从外部被引入。炉壁2.1直接在炉内腔1的一层可以为密封构造，以使燃烧的气体不会对待膨胀物料产生直接的作用。

优选的，各炉壁2.1不是由一个大的板材型部分组成，而是由多个小的、彼此拼接的部分2.1.1组合而成，并且其边缘为如热应力留有相对运动空间。此外，单个部件2.1.1可以类似屋顶瓦片那样，彼此叠加排布，固定在从外突出的固定的突出部分8上。也有可能将单个部分彼此对接叠放，在其中间放入可塑形的一层材料，例如陶瓷纤维毡。

当然优选的是，将炉体自上而下分成多个相互不依赖，但彼此可以供给热量的可控温区，由此可以影响待膨胀颗粒或颗粒在炉体内自上而下的过程中的温度变化过程。

炉壁2.1和2.2首先作为加热源3的保护层，保护其不接触待膨胀的材料颗粒、以及与待膨胀的材料一同进入炉腔的粉尘。如果经过了适当的预处理和筛分可以确定，物料颗粒不含粉尘，并且不会超过最小粒径，那么在小心投料的情况下，可以确定，即使没有炉壁2.1的存在，物料也不会接触加热源3。尤其在电加热源产生热辐射的情况下，可以完全放弃炉壁2.1。所要求的物料颗粒的最小粒径最好通过实验得到确认，它与颗粒的比重及其形状相关、密实的、球状颗粒比起平整的扁平状颗粒相比，粒径可以更小。如果要膨胀至尺寸特别大的颗粒时，可以并且更应该使用热辐射源和物料流之间没有炉壁2.1的井式炉，因为物料可以肯定垂直经热辐射源落下，而不会触碰到热辐射源，也因为大粒径的颗粒要求的更多的热量摄入。

对于条状的炉内腔横截面来说，并不一定非要两面都安装热辐射源。简化的实施形式中，可以只在一面安装背部受隔热层良好保护的、对热辐射有反射作用的材料层。

热辐射源及透射热辐射的炉壁2.1应该最大可能与待膨胀物料颗粒最佳吸收的热辐射光谱相协调。

借助本发明的构造，膨胀炉可使上述将现有技术下炉体加热到可以生产膨胀珍珠岩所需的四小时缩短到几分钟的时间。本发明中膨胀炉的构造形式可以实现较快的转换以处理不同的材料。因为对于热量进入待膨胀颗粒起决定性作用的并非介质的温度，而是热辐射，所以本发明中膨胀炉的构造形式在膨胀物料时较容易而且耗费更低就可以获得极高的膨胀温度。

Claims (9)

1.一种适用于使松疏物料的颗粒热膨胀的井式炉，其中，加热是通过安装在炉内腔外壳面上的一个或多个加热源来实现的，待膨胀的物料颗粒从顶部进入炉内腔，然后向下落，其特征在于，炉内腔(1)直接暴露给用作膨胀炉热辐射源(3)的热量辐射。

2.根据权利要求1所述的井式炉，其特征在于，炉内腔(1)的水平横截面为条形，其延伸长度是其宽度的好几倍。

3.根据权利要求1或2所述的井式炉，其特征在于，所具有的一个或多个加热源(3)被安装在炉内腔横截面的长边一面。

4.根据上述权利要求之一所述的井式炉，其特征在于，将炉内腔(1)包围起来的、沿着长度方向延伸的炉壁(2.1)是由玻璃陶瓷制成的。

5.根据权利要求1至3之一所述的井式炉，其特征在于，将炉内腔(1)包围起来的、沿着长度方向延伸的炉壁(2.1)是辐射燃烧器多孔的、固定的组成部分，燃气在其中根据辐射燃烧器的工作原理被燃烧。

6.根据上述权利要求之一所述的井式炉，其特征在于，其炉壁(2.1)由多个、彼此叠加排列的部分(2.1.1)组成。

7.根据权利要求1至3之一所述的井式炉，其特征在于，热辐射源(3)直接安装在炉内腔(1)内或炉内腔(1)上(没有隔开的炉壁(2.1))。

8.根据上述权利要求之一所述的井式炉，其特征在于，炉内腔(1)的横截面长度至少是炉内腔宽度的三倍。

9.根据上述权利要求之一所述的井式炉，其特征在于，炉内腔(1)的水平横截面的宽度大约在5至25厘米之间。

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