Roterugn

Roterande ugn (stort rostfärgat horisontellt rör i mitten till höger) vid en cementfabrik i Wyoming

Allmän layout av en direkteldad motströms roterugn som används vid cementtillverkning

Roterande ugnskropp, med drivväxel och 2 däck (åkringar)

En roterande ugn är en pyrobearbetningsanordning som används för att höja material till en hög temperatur ( kalcinering ) i en kontinuerlig process. Material som produceras med roterande ugnar inkluderar:

De används också för att rosta en mängd olika sulfidmalmer före metallextraktion .

Funktionsprincip

Ugnen är ett cylindriskt kärl, något lutande från horisontalplanet, som långsamt roteras kring sin längdaxel. Processråvaran matas in i cylinderns övre ände. När ugnen roterar, rör sig materialet gradvis ner mot den nedre änden och kan genomgå en viss omrörning och blandning. Heta gaser passerar längs ugnen, ibland i samma riktning som processmaterialet (medström), men vanligtvis i motsatt riktning (motström). De heta gaserna kan alstras i en extern ugn eller kan alstras av en låga inuti ugnen. En sådan låga projiceras från ett brännarrör (eller "eldrör") som fungerar som en stor bunsenbrännare . Bränslet , pulveriserad petroleumkoks eller pulveriserat kol.

Konstruktion

Grundkomponenterna i en roterugn är skalet, det eldfasta fodret, stöddäck (åkringar) och rullar, drivredskap och interna värmeväxlare.

Historia

Roterugnen uppfanns 1873 av Frederick Ransome . Han lämnade in flera patent 1885-1887, men hans experiment med idén var ingen kommersiell framgång. Ändå utgjorde hans konstruktioner grunden för framgångsrika ugnar i USA från 1891, som därefter emulerades över hela världen.

Ugnsskal

Denna är gjord av valsad stålplåt , vanligtvis mellan 15 och 30 mm tjock, svetsad till en cylinder som kan vara upp till 230 m lång och upp till 6 m i diameter.

Övre gränser för diameter bestäms av skalets tendens att deformeras under sin egen vikt till ett ovalt tvärsnitt, med åtföljande böjning under rotation. Längden är inte nödvändigtvis begränsad, men det blir svårt att klara av förändringar i längd vid uppvärmning och kylning (typiskt runt 0,1 till 0,5 % av längden) om ugnen är mycket lång.

Eldfast foder

Syftet med det eldfasta fodret är att isolera stålskalet från de höga temperaturerna inuti ugnen, och att skydda det från processmaterialets korrosiva egenskaper. Det kan bestå av eldfast tegel eller gjuten eldfast betong, eller kan saknas i ugnszoner som är under cirka 250 °C. Det eldfasta valet beror på temperaturen inuti ugnen och den kemiska naturen hos materialet som bearbetas. I vissa processer, såsom cement, förlängs den eldfasta livslängden genom att bibehålla en beläggning av det bearbetade materialet på den eldfasta ytan. Tjockleken på fodret ligger i allmänhet i intervallet 80 till 300 mm. Ett typiskt eldfast material kommer att kunna upprätthålla ett temperaturfall på 1000 °C eller mer mellan sina varma och kalla ytor. Skaltemperaturen måste hållas under cirka 350 °C för att skydda stålet från skador, och kontinuerliga infraröda skannrar används för att ge tidig varning om "hot-spots" som tyder på eldfast fel.

Däck och rullar

Närbild av ugnsdäck som visar typiskt stolarrangemang

Däck, ibland kallade ridringar, består vanligtvis av en enda ringformig stålgjutning, bearbetad till en slät cylindrisk yta, som fäster löst på ugnsskalet genom en mängd olika "stol"-arrangemang. Dessa kräver en viss uppfinningsrikedom i design, eftersom däcket måste passa tätt på skalet, men också tillåta termisk rörelse. Däcket går på par av stålrullar, också bearbetade till en slät cylindrisk yta, och placerade ungefär en halv ugnsdiameter från varandra. Rullarna måste stödja ugnen och tillåta rotation som är så nära friktionsfri som möjligt. En välkonstruerad ugn, när strömmen är avstängd, kommer att svänga pendellikt många gånger innan den kommer till vila. Massan av en typisk 6 x 60 m ugn, inklusive eldfasta material och foder, är cirka 1100 ton och skulle bäras på tre däck och uppsättningar rullar, fördelade längs ugnen. De längsta ugnarna kan ha 8 uppsättningar rullar, medan mycket korta och små ugnar kan ha inga. Ugnarna roterar vanligtvis med 0,5 till 2 rpm. Ugnarna i moderna cementfabriker körs med 4 till 5 rpm. Rullarnas lager måste kunna motstå de stora statiska och spänningar som är involverade och måste noggrant skyddas från ugnens hetta och inträngande av damm. Eftersom ugnen är i vinkel behöver den också stöd för att förhindra att den går av stödrullarna. Vanligtvis förhindrar övre och nedre "hållnings- (eller tryck-) rullar" som ligger mot sidan av däcken att ugnen går av stödrullarna.

Drivväxel

Ugnen vrids vanligtvis med hjälp av en enda omkretsväxel som omger en svalare del av ugnsröret, men ibland vrids den av drivna rullar. Växeln är ansluten till en elmotor med variabel hastighet via en växel . Denna måste ha högt startmoment för att starta ugnen med en stor excentrisk belastning. En ugn på 6 x 60 m kräver cirka 800 kW för att rotera med 3 rpm. Hastigheten på materialflödet genom ugnen är proportionell mot rotationshastigheten; en variabel hastighet behövs för att kontrollera detta. Vid körning genom rullar kan hydrauliska drivningar användas. Dessa har fördelen att utveckla extremt högt vridmoment. I många processer är det farligt att låta en varm ugn stå stilla om drivkraften brister. Temperaturskillnader mellan toppen och botten av ugnen kan få ugnen att skeva och eldfast material skadas. Därför är normal praxis att tillhandahålla en hjälpdrivning för användning under strömavbrott. Detta kan vara en liten elmotor med oberoende strömförsörjning, eller en dieselmotor . Detta vrider ugnen mycket långsamt, men tillräckligt för att förhindra skador.

Interna värmeväxlare

Värmeväxling i en roterande ugn kan ske genom ledning , konvektion och strålning , i fallande effektivitetsordning. I lågtemperaturprocesser, och i de kallare delarna av långa ugnar som saknar förvärmare, är ugnen ofta försedd med interna värmeväxlare för att uppmuntra värmeväxling mellan gasen och matningen. Dessa kan bestå av skopor eller "lyftare" som kaskaderar matningen genom gasströmmen, eller kan vara metalliska insatser som värms upp i den övre delen av ugnen, och ger värmen till fodret när de sjunker under matningsytan. ugnen roterar. De senare gynnas där lyftare skulle orsaka överdriven dammupptagning. Den vanligaste värmeväxlaren består av kedjor som hänger i gardiner tvärs över gasströmmen.

Annan utrustning

Ugnen ansluter till en materialutloppshuv i den nedre änden och kanaler för avfallsgaser. Detta kräver gastäta tätningar i vardera änden av ugnen. Avgaserna kan gå till spillo, eller kan komma in i en förvärmare, som ytterligare utbyter värme med den ingående matningen. Gaserna ska dras genom ugnen och förvärmaren om sådan finns med en fläkt som är placerad i avgasänden. I förvärmarinstallationer som kan ha högt tryckfall kan stor fläktkraft behövas och fläktdriften är ofta den största drivningen i ugnssystemet. Avgaserna innehåller damm och det kan finnas oönskade beståndsdelar, såsom svaveldioxid eller väteklorid . Utrustning installeras för att skrubba dessa från gasströmmen innan de passerar till atmosfären.

Skillnader beroende på processen

Ugnar som används för DRI-produktion

Direktreduktionsprocesser baserade på en roterugn

Extraktionspunkt	1	2	3		4	5
Konsistens av ugnsutsläpp	fast				halvflytande	sol. ( klinker ) liq. ( tackjärn )
Föredraget järninnehåll i malm (% Fe)	30-60		30-60	55-63	25-45	50-67
Storlek på malmmatning (mm)	< 20	< 20	< 10	5-25	< 5	< 0,2
Inverkan av laddningens basicitet ( CaO/Al ₂ O ₃ )	inget inflytande				0,3	2,8-3,0
Maximal laddningstemperatur (°C)	600-900	900-1100			1200-1300	1400-1500
Syreavlägsnande (% O ₂ extraherad från Fe ₂ O ₃ )	12 %	20-70	>90			100
Exempel på processer	Lurgi	Highveld Udy LARCO Elkem	RN	SL/RN Krupp	Krupp-Renn ^{[ fr ]}	Basset

Se även

Lista över ugnar

Citat

Allmänna och anförda källor och vidare läsning

RH Perry, CH Chilton, CW Green (red.), Perry's Chemical Engineers' Handbook (7:e upplagan), McGraw-Hill (1997), avsnitt 12.56-12.60, 23.60, ISBN 978-0-07-049841-9 .
KE Peray, The Rotary Cement Kiln , CHS Press (1998), ISBN 978-0-8206-0367-4 .
Boateng, Akwasi, Roterugnar: transportfenomen och transportprocesser . Amsterdam; Boston: Elsevier/Butterworth-Heinemann (2008), ISBN 978-0-7506-7877-3 .

externa länkar

Media relaterade till rotaryugnar på Wikimedia Commons