Pierwszenstwo: 19.11.1968 Francja Opublikowano: 1.07.1974 KI. 31ai,9/»6 MK£F27b9/06 i .Wspóltwórcy wynalazku: Paul Morel, Jean-Pierre Givry, Philippe Voisin Wlasciciel patentu: Compagnie Pechiney, Paryz, (Francja) Urzadzenie do wypalania lub spiekania wyrobów zawierajacych wegiel Przedmiotem wynalazku jest urzadzenie do wypalania lub spiekania wyrobów zawierajacych wegiel, przezna¬ czone zwlaszcza do wytwarzania elektrod, jak równiez do wszelkich innych wyrobów zawierajacych wegiel, na przyklad wykladzin ogniotrwalych, tygli i wyrobów przeznaczonych do grafityzacji.Znany jest sposób wytwarzania wyrobów zawieraja¬ cych wegiel, poczynajac od pasty utworzonej z koksu lub antracytu w postaci ziarnistej, scalanej spoiwem takim jak smola, przy czym scalanie dokonywane jest przez prasowanie w formie, wyciskanie lub wszelkim innym sposobem, przy czym pasta ta jest nagrzewana do wysokiej temperatury, która moze osiagnac wartosci od 600 do 1200°C, przy równoczesnej ochronie przed utlenieniem. Ilosc wegla w materiale wzrasta zatem do maksymalnej wartosci przez usuwanie wszelkich lotnych materialów zawartych w spoiwie. Te lotne materialy zapalaja sie niekiedy podczas dzialania; zja¬ wisko to stanowi proces wypalania.Ten proces wypalania przebiega w piecu komoro¬ wym, którego przegrody sa ogrzewane, w wózkach jezdzacych w piecach tunelowych lub nawet w pie¬ cach elektrycznych, w których opornosc grzejna utwo¬ rzona jest przez sam ladunek. W celu zapobiezenia mozliwosci utleniania, wyroby przeznaczone do wy¬ palania osadzane sa na ogól w materiale redukujacym takim jak koks lub antracyt w postaci ziarna.W piecach komorowych gorace gazy kraza w prze¬ grodach komór. Poniewaz niezbedne jest nagrzewanie wszystkich wyrobów znajdujacych sie w piecu zgodnie 10 15 20 25 30 z krzywa czas — temperatura, wyznaczona z góry, wazne jest by po pierwsze rózne punkty przegród grzejnych a po drugie rózne punkty polozone wewnatrz pojedynczej komory doprowadzone byly do tempera¬ tury mozliwie jednakowej.Sposób przekazywania ciepla zmienia sie podczas cyklu wypalania: kiedy gazy maja niska temperature, przekazywanie odbywa sie glównie przez przewodzenie, w miare wzrostu temperatury pojawia sie przekazywa¬ nie przez promieniowanie we wzrastajacej mierze, by nabrac dominujacego znaczenia przy koncu cyklu, kie¬ dy temperatura wypalanych wyrobów osiaga swoja wartosc maksymalna. Z drugiej strony, gazy gorace traca swoje cieplo wzdluz swojej calej drogi; w danej chwili scianki grzejnych przegród sa o wiele chlod¬ niejsze, poniewaz oplukiwane sa przez gazy, które przebyly dluzsza droge od chwili wejscia do pieca.Skutkiem tego niezbednym jest stosowanie w piecu strumienia goracych gazów o duzej predkosci prze¬ plywu i temperatury mozliwie niezbyt wysokiej. Wy¬ nikiem tego zabiegu jest skierowanie do komina znacz¬ nej ilosci gazu, temperatura którego jest zblizona do temperatury gazów wchodzacych do przegród grzej¬ nych.W piecach ciaglych zawierajacych komory, cykl ro¬ boczy przemieszcza sie z jednej komory do drugiej.W kazdej chwili jedna komora zostaje zatrzymana i doprowadzona do stanu rozladowczo-zaladowczego, przy czym wpuszczenie swiezego powietrza odbywa sie na wlocie nastepnej komory, podczas gdy usuniecie 6867968679 spalonych gazów nastepuje u wylotu z poprzedniej komory. Dokola pieca, poczawszy od tej zatrzymanej komory, znajduja sie przede wszystkim komory pod¬ legajace chlodzeniu, w których swieze powietrze jest stopniowo ponownie nagrzewane, nastepnie komory konczace spiekanie, wyposazone w dzialajace palniki i w koncu komory, które sa w trakcie nagrzewania przez gazy spalinJowe, opuszczajace komory z chwila za¬ konczenia wypalania. Gazy opuszczajace te ostatnie ko¬ mory, kierowane sa do komina u wylotu komory, któ¬ ra poprzedza zatrzymana komore.Po ukonczeniu jednego cyklu roboczego do komory, która poddana zostala czynnosci zaladowczo-rozladow- czej doprowadzone zostaje cieplo, a komora poddawa¬ na chlodzeniu i poprzedzajaca bezposrednio te komo¬ re, doprowadzana jest podczas swego obrotu do polo¬ zenia czynnosci rozladowczo-zaladowczej.Piece te maja te wade, ze nie wykazuja zupelnie ela¬ stycznosci pracy, gdyz wszelkie dzialanie podejmowane do zmodyfikowania temperatury jednej komory odbija sie na pozostalych komorach. Z tego powodu ognie sa trudne do kontrolowania, co czyni niemozliwym stoso¬ wanie tych pieców do wypalania surowych wyrobów o duzej zawartosci smoly, które przeznaczone sa do gra- fityzaoji. Ponadto cykl roboczy jest dlugi, rzedu okolo 20 dni.Nalezy dodac, ze bardzo wysoka porowatosc, a cze¬ sto pekniecia wystepuja w wyrobach wypalanych za po¬ moca pieców opisanych powyzej.Piece tunelowe z ruchomymi wózkami skladaja sie z tunelu wykonanego z materialu ogniotrwalego, w którym powietrze do spalania i wyroby, poddawane ob¬ róbce, zaladowane na wózki z materialu ogniotrwalego i osadzone w materiale wypelniajacym, utworzonym przez granulowany koks lub antracyt, kraza w prze¬ ciwnych kierunkach. Palniki umieszczone sa w srodko¬ wym obszarze pieca.. Wyroby wchodza do pieca od strony wylotu gazów i nagrzewane sa kosztem tych ostatnich, po czym przechodza przed palnikiem, gdzie ich temperatur* osiaga wartosc maksymalna, i w kon¬ cu przesuwaja sie przez strefe chlodzenia, gdzie odda¬ ja kalorie swiezemu powietrzu wchodzacemu do pieca.Promieniowanie ze scianek pieca przyczynia sie oczy¬ wiscie do wymiany ciepla.Piece te wykasuja wady, wynikajace z obecnosci bez¬ wladnych materialów ogniotrwalych scianek wózków i materialów ogniotrwalych, których nagrzewanie zuzywa niepotrzebnie energie i obecnosc których opóznia prze¬ kazywanie ciepla, ograniczajac w ten sposób szybkosc wzrostu i spadku temperatury. Ponadto, poniewaz czyn¬ nosc ma byc dokonywana w temperaturze rzedu od 1300 do 13509C, to scianki ogniotrwale wózków maja jedynie krótka zywotnosc. W koncu sposób ten obej¬ muje kosztowne czynnosci pomocnicze przy ladowaniu i ioaladowywaniu wózków.Piece elektryczne typu oporowego zawieraja dwie pradowe glowke zasilajace, miedzy którymi ulozone sa wyroby do wypalania lub spiekania, osadzone zawsze w ich materiale wypelniajacym. Ten ostatni, niezalez¬ nie od swego przeznaczenia jako oslony wsadu przed dzialaniem powietrza, sluzy tuta) jako opór podczas czynnosci poczatkowych, gdy* wyrób obrabiany jest izolatorem elektrycznym w stanie surowym i staje sie przewodzacym dopiero w temperaturze okolo 650*C.Ten material wypelniajacy dziala równiez jako izola¬ tor cieplny.Piece te maja powazne wady, które spowodowane sa glównie przez niemozliwosc uzyskania jednorodnego 5 rozkladu wyrobu wypalanego i materialów wypelniaja¬ cych. Wynikiem tego jest zly rozklad pradu elektrycz¬ nego w masie, a skutkiem tego — niejednorodny roz¬ klad ciepla uwolnionego i osiaganej temperatury. Sku¬ tek ten spotegowany jest przez okolicznosc, ze przewod- io nosc elektryczna wyrobu wypalanego przechodzi bar¬ dzo szybko od bardzo niskiej wartosci do wysokiej, kiedy temperatura wzrasta od wartosci 600 do 650°, co nadal zwieksza koncentracje pradu elektrycznego w ob¬ szarach przegrzanych. Czyniono wysilki, by przezwycie- 15 zyc te wade przez ograniczenie gestosci pradu w celu umozEwienia przewodnosci cieplnej wyrównania pozio¬ mu temperatury do pewnego stopnia. Wynikiem tego jest przedluzenie okresu wypalania i zmniejszenie wy¬ dajnosci, jednak bez zapobiezenia powaznej zmiennosci 20 w jakosci wyrobów, które sa uzyskiwane. W koncu masa wyrobu wypelniajacego jest bardzo duza, co po¬ woduje znaczna strate ciepla i bardzo kosztowne czyn¬ nosci przeladunkowo-trainspojrtowe.Celem wynalazku jest opracowanie konstrukcji urza- 25 dzenia, za pomoca którego w krótkim okresie uzyskuje sie wyroby o jednorodnej jakosci, które wolne sa od pekniec, przez nagrzewanie wyrobów przeznaczonych do spiekania, zwlaszcza gazem, który nie reaguje z wyro¬ bami zawierajacymi wegiel. 30 Cel ten uzyskano za pomoca urzadzenia wedlug wy¬ nalazku, które zawiera piec tunelowy posiadajacy dwie strefy, odpowiadajace pierwszym dwu fazom, w którym to piecu wyroby przeznaczone do wypalania i gaz kra¬ za w przeciwnych kierunkach, oraz uklad chlodzenia, 35 przy czym za piecem tunelowym znajduje sie gazo¬ szczelna komora zawierajaca elektryczny zespól grzej* ny wydzielajacy cieplo do wnetrza wyrobów wypala¬ nych, posiadajacy uklad do nagrzewania indukcyjnego, oraz elementy zaciskowe przeznaczone do wyrobu ce- 40 lem uzyskania przeplywu do nich pradu, przy czym rury lacza strefy pieca tunelowego do wylotu dmucha¬ wy, której wlot polaczony jest z otwartym koncem strefy a wylot ten jest polaczony z kominem, natomiast rury do doprowadzania swiezego powietrza zaopatrzo- 45 ne sa w palniki skierowane w kierunku swobodnego konca strefy.Przedmiot wynalazku jest przedstawiony schematycz¬ nie w przykladzie wykonania na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia widok do wypalania lub spiekania, a fig. 2 — piec tunelowy tego urzadzenia z zewnetrz¬ nym obwodem krazenia gazów.Wyroby zawierajace wegiel, uzyskiwane sa przez wy¬ palanie surowego wyrobu, utworzonego z mieszaniny 55 koksu i spoiwa, który jest wyciskany lub prasowany pod wysokim cisnieniem, na przyklad 350 barów, lub przez wibrowanie lub nawet przez polaczenie tych dwóch sposobów.Wyrób poddawany jest wewnetrznym naprezeniom. 00 W rzeczywistosci chociaz ulega rozszerzaniu skutkiem naprezania zawartego powietrza przy opuszczaniu ma* trycy wyciskowej lub przy wyjmowaniu z formy pra* sowniczej, naprezenia mechaniczne, spowodowane przez cisnienie zawartego powietrza i gradient cisnienia, ist- 65 nieja w jego masie. 5068679 Podczas nagrzewania surowego wyrobu spoiwo pod¬ lega cieplnej przemianie, która powoduje, ze przecho¬ dzi przez zwykle fazy opisane ponizej, przy czym przy¬ blizone graniczne wartosci temperatury kazdej fazy od¬ powiadaja smole weglowej.W mieknacej fazie (do 100°C) spoiwo stopniowo mieknie bez dostrzegalnej zmiany wymiarów. W nie- podlegajacej przemianie fazie plastycznej (100— 250°C) zmiekle spoiwo staje sie we wzrastajacym stop¬ niu plynne bez utraty lotnych skladników. Wyrób sta¬ je sie calkowicie plastyczny, a to pozwala na uwolnie¬ nie naprezen szczatkowych, pochodzacych od obróbki (ksztaltowania) plastycznej. W tej strefie mozliwe jest znalezienie pekniecia wzdluz kruchych powierzchni utworzonych podczas wyciskania lub prasowania przez oderwanie uwarstwionych stref skutkiem cisnienia wy¬ wartego przez zawarte gazy w nieprzepuszczalnym wy¬ robie.W fazie peczniejacej (250 do 450°G) wytwarza sie glówna czesc uwolnionych materialów lotnych i stad rozszerzenie plastycznej masy wyrobu. Rozszerzeniu te¬ mu nie towarzysza pekniecia lub rysy ze wzgledu na plastycznosc wyrobu. Podczas tej fazy ustala sie przy¬ szla makroporowatosc spieczonego wyrobu. W fazie plastycznego kurczenia (450 do 480°C) uwalnianie lot¬ nych materialów zmniejsza sie i stwierdzic mozna kur¬ czenie sie, któremu towarzyszy zmniejszenie sredniej srednicy por.W fazie ponownego krzepniecia (480 do 500°C) na¬ stepuje to ponowne krzepniecie spoiwa bardzo nagle; dla danego materialu temperatura krzepniecia ponow¬ nego zalezy od szybkosci wzrostu temperatury. Wska¬ zane granice temperatury odpowiadaja szybkosciom wzrostu temperatury przekraczajacym 10°C na godzine.W koncu faza zakrzepla (od 500°C) odpowiada dal¬ szej obróbce wyrobu, który przechodzi przemiane swo¬ ich wlasnosci mechanicznych. Te ostatnie, niewielkie z poczatku, osiagaja swoje wartosci maksymalne przy temperaturze, która dla smoly branej pod uwage wy¬ nosi okolo 950°C, by nastepnie pozostac zasadniczo stala. Niebezpieczenstwo pekniec w wyrobie zmniejsza sie ze wzrostem temperatury. Nie istnieja one prak¬ tycznie, jezeli masa nagrzewana jest bez ustalenia sie tam znacznego gradientu temperatury.W przypadku przemyslowego spiekania lub wypala¬ nia, wyrób spiekany moze miec znaczna objetosc. Wy¬ rób surowy odznacza sie jednak niska przewodnoscia cieplna tak, ze jezeli nagrzewanie odbywa sie od zew¬ natrz, istnieje gradient temperatury pomiedzy wnetrzem a powierzchnia wyrobu i w jednym wyrobie moze wy¬ stapic wówczas równoczesnie kilka faz spiekania.Dla prawidlowego przeprowadzenia procesu niezbed¬ ne jest zatem zapewnienie bardzo wolnego wzrostu tem¬ peratury do chwili zupelnego uwolnienia sie od napre¬ zen szczatkowych, pochodzacych od ksztaltowania, co jednak mozliwe jest dla przyspieszenia tego wzrostu temperatury, jezeli wyrób umieszczony zostanie w pie¬ cu bezposrednio po jego uksztaltowaniu bez posrednie¬ go chlodzenia. Po odprezeniu (uwolnieniu sie od tych szczatkowych naprezen) wzrost temperatury moze byc bardzo szybki, przy czym przepuszczalnosc (obrzeza) powierzchni zezwala na znaczne uwolnienie lotnych materialów bez obawy zmiany wymiarów wyrobu. W koncu nalezy utrzymywac jednakowy poziom tempera¬ tury przed przejsciem do fazy elektrycznego spiekania w celu ujednolicenia wyrobu.Podczas stalej fazy, wyrób moze wytrzymywac dosc wysokie naprezenia. Strefa krytyczna istnieje jeszcze 5 przy temperaturze odpowiadajacej wspólczynnikowi maksymalnego skurczu, to jest okolo 750°C w przy¬ padku smoly, Wystepuje wówczas niebezpieczenstwo pekania na powierzchni (obrzezu) spowodowane róz¬ nym kurczeniem sie na powierzchni i we wnetrzu. 10 Wedlug wynalazku zostalo to rozwiazane przez do¬ konanie nagrzewania odpowiadajacego stalej fazie w rzeczywistej masie wyrobu* W ten sposób wyelimino¬ wany zostaje wszelki gradient temperatury miedzy wne¬ trzem a powierzchnia wyrobu, co umozliwia, niezalez- 15 nie od wyeliminowania pekniec, spowodowanych przez ten gradient, uzycie w innych fazach tylko gazów, któ¬ re doprowadzone sa do umiarkowanej temperatury. Od¬ tad mozliwe sie staje zapewnienie krazenia gazu w zamknietym obwodzie, przy czym wymieniony gaz 20 otrzymuje kalorie równoczesnie ze spalania lotnych par i pewnej liczby palników wbudowanych do pieca tak, ze gaz ten moze byc chemicznie nieczynny lub nawet dzialac redukujaco, zapewniajac w ten sposób oslone wyrobu przed utlenianiem i eliminujac potrzebe ota- 23 czania wyrobu warstwa ochronna, jak to jest niezbed¬ ne w przypadku znanych pieców. Ponadto goracy gaz ma o wiele nizsza temperature niz w tych ostatnich piecach, przy czym jej wartosc maksymalna jest rzedu 700 do 750°C zamiast 1300°C. Wynikiem tego jest 30 prostsza budowa pieca, o wiele lepsza zywotnosc ma¬ terialów ogniotrwalych i bardzo obnizone koszty kon* serwacji.Urzadzenie przedstawione na fig. 1 posiada piec tu¬ nelowy 10, zawierajacy dwie strefy 1 i 2, które odpo- 35 wiadaja odpowiednio pierwszej strefie, znanej jako stre¬ fa nagrzewania, w której wyroby przechodza od tem¬ peratury ti do temperatury ^ a gazy przechodza od temperatury T2 do temperatury Ti, oraz drugiej fazy, znanej jako faza uwolnienia i spalania materialów lot- 40 nych, w której wyroby przechodza od temperatury tg do temperatury t3, a gazy od T3 do T2, zamknieta ko¬ more 30, zaopatrzona w elektryczne urzadzenie grzej¬ ne, w której wyroby doprowadzane sa od temperatury t3 do temperatury t4, i w koncu uklad chlodzacy 40, 45 znany jako taki, w którym wyroby chlodzone sa od temperatury t± do t^.Piec tunelowy 10 otrzymuje swieze powietrze u wy¬ lotu, przy czym powietrze to nagrzewa sie od razu od wyrobu, podlegajacego spiekaniu i palników 21 do 50 temperatury T3; u wylotu z pieca tunelowego powstaje zatem strefa, w której temperatura t3 wyrobu podlega¬ jacego spiekaniu pozostaje w zasadzie stala i to umo¬ zliwia na ujednorodnienie wyrobu, zanim wejdzie do komory 30. Gazy opuszczajace piec tunelowy przy tem¬ peraturze Ti kierowane sa czesciowo do komina 11, a czesciowo z powrotem do pieca w obszarze znajdu¬ jacym sie po obu stronach zlacza miedzy strefami 1 i 2 za posrednictwem rur 12.Komora 30 wyposazona jest w wewnetrzne elektrycz¬ ne urzadzenie grzejne w postaci elementów 31 przylo¬ zonych do wyrobów przeznaczonych do nagrzewania lub indukcyjnego aparatu grzejnego.Uklad chlodzacy 40 moze dzialac przez skrapianie 65 woda lub przez krazenie obojetnego gazu. Krazenie 55 6068679 spiekanych wyrobów w piecu tunelowym przeprowa¬ dzane jest za pomoca dowolnych znanych urzadzen; ciaglego przenosnika, toru krazkowego i urzadzenia popychajacego (pociagowego), lub dowolnych innych równowaznych urzadzen, mogacych oprzec temperaturze pieca.Obliczenie parametrów urzadzenia pokazanego na fig. 1 uzyskiwane jest znanymi sposobami; strefa na¬ grzewania wstepnego 1 tworzy przeciwbiezny wymien¬ nik ciepla, podczas gdy strefa spalania materialów lot¬ nych 2 stanowi reaktor, w którym zródlo energii utwo¬ rzone jest czesciowo przez spalanie lotnych materialów uwolnionych przez wyrób i spalonych z doprowadze¬ niem powietrza 12, a czesciowo przez palniki 21; wo¬ dór spalony zostaje zatem na pare wodna, a wegiel — na tlenek wegla, by otrzymac gorace gazy nie reagu¬ jace chemicznie lub redukujace, przy czym obecnosc pewnej ilosci dwutlenku wegla w postaci gazowej nie przedstawia jakiejkolwiek niedogodnosci ze wzgledu na hamujacy wplyw tlenku wegla. Elektryczna komora grzejna musi zapewnic równomierny wzrost temperatu¬ ry do okolo 1200°C w ciagu okolo dwudziestu minut; w tym celu zapewniona jest gestosc pradu równa co najmniej 10 amper na cm2 w przypadku nagrzewania wykorzystujacego efekt Joule'a. Dla wyrobów o zlozo¬ nych ksztaltach lub malych wymiarach nalezy stosowac nagrzewanie indukcyjne.W piecu tunelowym 10 wyroby przesuwaja sie zgod¬ nie ze strzalka 8 od strefy nagrzewania wstepnego 1 w kierunku strefy spalania 2. U wylotu z pieca tunelo¬ wego przechodza one do komory 30, która stanowi elektryczna strefe nagrzewania 3, a nastepnie do ukla¬ du chlodzacego 40, który stanowi strefe chlodzenia 4.Gorace gazy kraza w przeciwnym kierunku w piecu tunelowym, jak wskazuje strzalka 9.Rysunek schematyczny na fig. 2 przedstawia uklad pieca tunelowego. Przedstawiony tunel jest identyczny z tunelem na fig. 1, ale pokazany zostal ponadto ob¬ wód rurowy, którym kraza gazy na zewnatrz pieca 10.Gazy opuszczajace piec przy temperaturze Ti wchodza najpierw do dmuchawy 13, skad masa gazu równa ma¬ sie dodanej przez spalania lotnych skladników w stre¬ fie 2 lacznie z masa swiezego powietrza wpuszczonego do wlotu pieca, kierowana jest do komina 11. Nadmiar gazów kierowany jest do obszaru polozonego po obu stronach polaczenia miedzy strefami 1 a 2, korzystnie po przegrzaniu do temperatury T' w przegrzewaczu 14.W pewnych przypadkach przegrzewanie to moze oka¬ zac sie bezcelowym lub moze byc nawet zastapione przez chlodzenie. Zawory 15 pozwalaja na dowolny roz¬ klad gazów wprowadzonych ponownie.Jako przyklad moze sluzyc urzadzenie zawierajace piec tunelowy 10 o szerokosci 1 m, wysokosci 0,60 m i dlugosci 15 m, z której 7 m sluzy dla strefy nagrze- 25 wania wstepnego 1 a 8 m dla strefy, w której odby¬ wa sie spalanie i ujednorodnienie temperatury, elek¬ tryczna komore grzejna 30 o dlugosci 0,50 m i uklad chlodzacy 40 o dlugosci równej 0,50 m, utworzony przez wodoszczelny zbiornik zaopatrzony w urzadzenie rozpylajace wode.Wyrób surowy stanowi mieszanina koksu naftowego z 17% smoly weglowej sprasowana pod cisnieniem 325 barów. Zarejestrowane temperatury sa nastepujace: 10 ti = 20°C (temperatura otoczenia) Ti = 150°C t2 = 300°C T2 = 400°C t3 = 675°C T3 = 720°C U = 1200°C 15 t5 =<400°C Piec ten przeznaczony jest do wypalania lub spieka¬ nia elektrod o wymiarach 40X83X50 cm, stanowiacych mase 695 kg przy wydajnosci 3-eh sztuk na godzine. 20 Przez zwiekszenie doplywu gazu mozliwe jest zmniej¬ szenie dlugosci pieca tunelowego. PL PL