Щелевая роликовая печь для обжига керамических облицовочных плиток
Кафедра Строительных материалов и изделий
(Наименование)
КУРСОВОЙ ПРОЕКТ
РАСЧЕТНО-ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА
По дисциплине Тепловые процессы в технологии тугоплавких неметаллических и силикатных материалов
На тему: Щелевая РОЛИКОВАЯ печь для обжига керамических облицовочных плиток Пр. = 100 тыс. м2/г
Исполнитель:
Руководитель:
(Ф.И.О, должность, уч. степень, уч. звание)
Работа допущена к защите «___» _________20___ г __________
Работа защищена «___» _____ 20 __ г. с оценкой _______________
Магнитогорск, 2012
Содержание
ВВЕДЕНИЕ
В каждой стране, в каждой культуре существовали, согласно их собственной керамической традиции, свои особые гончарные массы, техники глазурования и росписи, устоявшиеся каноны рисунка и орнамента керамических плиток.
В 70-е годы в результате соединения
старых методов с новейшими
Еще одна модная тенденция - это комбинирование керамической плитки с различными материалами (стеклом, металлом, деревом). Используется также сочетание нескольких форматов, благодаря чему можно добиться интересного декоративного эффекта.
Керамическая плитка - это не просто отделочный материал. Мир керамики подобен миру моды и тесно с ней связан. Здесь тоже разнообразие и смешение стилей, море цвета, фактуры, формы.
Знание основных мировых классификаций, основных типов плиток, имеющих свои устоявшиеся названия (котто, грес, клинкер, майолика, керамический гранит, и т.д.), параметров, характеризующих технические особенности плиток, необходимо для того, чтобы правильно выбрать данный вид напольного покрытия для конкретного объекта и продлить безремонтную жизнь пола, правильно за ним ухаживая.
С внедрением поточно-конвейерных автоматических линий в керамической промышленности щелевые печи за последние годы получили большое распространение.
С ростом промышленности строительных материалов намечается дальнейшее превращение керамических производств в высокопроизводительные механизированные предприятия, оснащенные щелевыми печами для обжига керамических плиток разного назначения.
Щелевые печи с роликовым или сетчатым конвейерами, разработанные ПКБ НИИстройкерамики, предназначены для обжига керамических плиток для полов, облицовочных, мозаичных и фасадных. Они являются составной частью поточно-конвейерных автоматизированных производственных линий.
Экономическое преимущество щелевых печей по сравнению с туннельными состоит в значительном сокращении цикла обжига, экономии в 1,5—2 раза топлива, так как отсутствует расход теплоты на нагрев вагонеток. Исключен ряд трудоемких операций по укладке плиток в капсели или на вагонетки. Применение в этих печах систем автоматического регулирования режима позволяет повысить качество продукции обжига и уменьшить до минимума температурные перепады по поперечному сечению печи. Так, например, цикл обжига плиток для полов в роликовой щелевой печи при однорядной садке плотностью 1,05 м2/м3 составляет 42 мин, тогда как в туннельной печи длиной 88 м тс же плитки при плотности садки 22 м2/м3 обжигаются за 36 ч. Удельный расход условного топлива в щелевой печи составляет 2,8, а в туннельной 4,6 кг/м2.
- Обоснование выбранного способа тепловой обработки
(аналитический обзор)
Обжиг изделий – постепенный нагрев до максимальной температуры, выдержка при ней и постепенное охлаждение до температуры окружающей атмосферы – основная технологическая операция при производстве всех видов изделий. В результате физико- химических процессов, протекающих в керамической массе при обжиге, она уплотняется, отдельные зерна сливаются в монолит, и обожженное изделие приобретает прочность и водостойкость. При обжиге изделий строительной керамики спекание в основном происходит за счет образование эвтектической жидкой фазы, растворения в ней некоторых компонентов и цементации ею всех кристаллических образований при охлаждении. В образовавшейся жидкой фазе за счет увеличивающихся сил поверхностного натяжения масса изделия уплотняется, пористость её уменьшается.
Для обжига керамических плиток применяют однорядные щелевые печи с роликовым и сетчатым конвейерами для передвижения плиток в обжиговом пространстве. Процесс обжига разделяют на три периода: нагрева до максимальной температуры, выдержка, охлаждение. Для построения режимов обжига расчетным путем определяют максимально допустимые скорости нагрева и охлаждения в различных интервалах температур. Затем, зная конструкцию и особенности данной туннельной печи (возможность перепадов температур по сечению обжигового канала, методы садки и т.д.), вводят поправочный коэффициент и путем некоторых корректировок в производственных условиях устанавливают режим обжига.
Один из недостатков скоростного обжига – образование чёрной сердцевины в теле плитки из-за невыгоревшего углерода, который восстанавливает оксид железа в закись. Черную сердцевину можно исключить, если при 850-950˚С сделать выдержку 15-25 минут (в зависимости от химического состава глины и толщины плиток). Выдержка при температуре выше 950˚С приводит не к уменьшению, а к увеличению черной сердцевины.
В остальных интервалах температур режим скоростного однорядного обжига выбирают по максимальным скоростям нагрева и охлаждения, определяемым допустимыми термическими напряжениями изделий. Время выдержки при максимальных температурах для неглазурованных плиток должно составлять 4-8 минут, для глазурованных 5-20 минут.
Перспективными материалами футеровки щелевых печей является: для стен- кордиеритовая пористая керамика с наддувом снаружи холодного воздуха; для свода – плиты из каолинового волокна. Применение указанных материалов позволяет увеличить ширину обжигового канала на 350 миллиметров почти без увеличения длины роликов и, следовательно, увеличить производительность печи, значительно уменьшить удельный расход топлива (на 10-15 % ) и улучшить условия работы обслуживающего персонала путём значительного уменьшения температуры наружных стен печи.
Для обжига мелкоразмерных
плиток, а также для снижения брака
по «слипышу» (приваривание плитки к
глазурованной поверхности
Щелевые печи с сетчатым конвейером имеют и недостатки. Основные из них: удельный расход топлива на 15-20 % больше и расход жаропрочных сплавов (в пересчёте на никель) в 6-8 раз больше, чем в роликовых; срок службы сетки 6-9 месяцев.
В последние годы такие печи политого обжига плиток внутренней облицовки стен модернизируют с установкой только верхних горелок. Это дает возможность снизить расход топлива каждой печью на 450-550 т усл. топлива в год и увеличить срок службы сетчатого конвейера в 1,5-2 раза.
Для отопления
роликовых печей в зонах
- Технологическая часть
2.1 Характеристика вида продукции и технология ее изготовления
Получение определенных типов керамических плиток (в соответствии с техническими характеристиками) в первую очередь зависит от технологии производства. На рис.1 представлены основные этапы различных технологических циклов и перечислены основные типы керамических плиток, которые они позволяют получать.
Рис.1
Технологические циклы производства различных
типов керамической плитки
Секретом получения качественного нового материала является тщательно отработанный технологический процесс производства, который непрерывно совершенствуется. В основе его - обжиг при высокой температуре, варьирующейся в зависимости от типа материала от 900 до 1 200 °C. Для производства используется самый разнообразный природный сырьевой материал. Корпус плитки готовится из смеси глины (для придания пластичности), кварцевого песка (для придания твердости корпусу плитки) и полевого шпата (для придания плавкости). Для приготовления глазури используется песок, каолиновые глины, предварительно заготовленная стеклянная крошка, а также пигменты на основе оксидов (для придания цвета).
Для изготовления корпуса плитки сырьевые материалы тщательно измельчаются и перемешиваются для получения совершенно однородной массы для последующей формовки. Для формовки применяется два метода - прессование и экструзия. Прессованная плитка получается из порошкового раствора, который уплотняется и прессуется под высоким давлением. Экструдированная плитка получается при помощи пропускания через соответствующие отверстия влажной смеси сырьевых материалов, придавая ей конечный вид.
Метод прессования позволяет жестче контролировать размер, и, вдобавок, получать поверхность лучшего качества.
После формовки плитки, прежде всего, высушиваются для удаления небольшого содержания влаги. Затем подвергаются обжигу (неглазурированная плитка). Химические и физические характеристики - плотность, устойчивость к механическим и химическим воздействиям - она приобретает в процессе обжига. При обжиге высокая температура придает материалу устойчивость к агрессивным химическим веществам и физическим воздействиям окружающей среды.
Керамические плитки подразделяются на неглазурованные и глазурованные. Глазурь (нем. Glasur, от Glas - стекло) - стекловидное защитно-декоративное покрытие на керамике, закрепляемое обжигом (прозрачное или непрозрачное, бесцветное или окрашенное).
Неглазурованные плитки практически однородны по всей толщине и обычно не имеют никаких декоративных рисунков.
Глазурованные плитки могут быть одинарного обжига и двойного (на первично обожженное изделие наносится эмаль, и оно подвергается повторному обжигу).
В результате различных
вариантов сочетания
Плитка однократного обжига
Изделие получается
путем прессования смеси сырьев
Спрессованная смесь подвергается глазурованию, а следом однократному обжигу, что обеспечивает хорошее прилипание глазури к смеси.
Керамическая плитка может изготавливаться с плотной как стекло или пористой основой. Это чрезвычайно важная характеристика плитки, т.к. от пористости зависит и водопоглощение, которое в свою очередь определяет ее морозостойкость, механическую прочность и, следовательно, область применения. В зависимости от водопоглощения керамических плиток необходимо подбирать и подходящие материалы для их укладки.
Низкопористая керамическая плитка пригодна для устройства внутренних и наружных полов и характеризуется высокой стойкостью к механическим агентам и морозу. Изделия подвергаются повышенной усадке в процессе обжига, и поэтому продаются разделенными на партии по калибру.
Высокопористая плитка однократного обжига изготавливается из специальной смеси, рассчитанной на предупреждение усадки в процессе обжига: поэтому возможна укладка плитки с узким швом. Изделие имеет повышенную пористость (большее водопоглощение) и низкую механическую прочность, что делает его пригодным только для облицовки стен.
Еще одной разновидностью плиток однократного обжига является плитка глазурованная под давлением. Она изготавливается по современной технологии, в соответствии с которой слой глазури подвергается прессованию вместе со смесью, а дальше обжигу. Готовое изделие имеет низкую пористость и, благодаря высокой толщине слоя глазури, является особо пригодным для устройства полов, подвергающихся высоким нагрузкам при интенсивном движении.
Плитка двукратного обжига.
Изделие этим методом изготовлялось до внедрения способа однократного обжига: по этой традиционной технологии глазурь наносится на обожженную смесь, затем изделие подвергается второму обжигу. Недостаток этой технологии перед способом однократного обжига заключается в более высокой себестоимости продукции (два обжига вместо одного), а также в невозможности изготовления низкопористых изделий (невозможна глазуровка обожженной низкопористой смеси).
В настоящее время керамическая плитка двукратного обжига используется для облицовки стен и пола, в особенности при необходимости придания блеска поверхности плитки. В таком случае двукратный обжиг имеет технологическое преимущество перед однократным: при последней технологии в процессе обжига через глазурь проникает газ от разложения смеси.
- Обоснование типа тепловой установки
Щелевые печи состоят из корпуса, выполненного в форме туннеля, проходящего в нем роликового конвейера с приводными механизмами, систем отопительных и вентиляционных устройств.
Поперечное сечение туннеля имеет вид щели шириной 0,9— 2,2 м и высотой 0,42—0,73 м в свету. Длина туннеля колеблется в зависимости от рода обжигаемых изделий и режима обжига от 23 до 60 м.
Отапливают печи газом или мазутом. Применяют также электронагрев— электрические печи. Газообразное топливо сжигают непосредственно в рабочем туннеле печи — печи открытого пламени или в пространстве между стенками рабочего туннеля и муфеля — муфельные печи. В муфельных печах обжигаемые изделия не соприкасаются с продуктами сгорания топлива и нагреваются излучением от нагретых стенок муфеля.
Печи с электронагревом
оборудуют
Принцип действия щелевых печей сходен с туннельными печами. Материал, поступивший на конвейер с одной стороны туннеля, движется по нему к противоположному концу туннеля, проходя зоны подогрева, обжига и охлаждения. Окончательное охлаждение производится вне печи на обдувочном конвейере. В отличие от туннельных, работающих с пульсирующим передвижением изделий, в щелевых печах осуществляется непрерывно-поточное движение материала, так как печь включена в общий технологический поток.
- Обоснование режима тепловой обработки
Штучные формованные изделия (кирпич, плитки, трубы и др.) сушат в камерных, туннельных, щелевых и конвейерных сушилах. Обычно это конвективные или радиационно-конвективные сушила, в которых сушильным агрегатом служит горячий воздух или дымовые газы. К наиболее прогрессивным конструкциям с механизированным непрерывным перемещением изделий относятся туннельные и щелевые сушила.
Так как сформованные керамические и огнеупорные изделия после сушки подвергаются обжигу, то следует считать наиболее эффективной конструкцией совмещение сушила с печью. Для туннельных и щелевых сушил это выполняется при обжиге огнеупорных изделий таким образом, что сушило устраивают в одну линию с печью и садку изделий производят на печные вагонетки, которые последовательно проходят сушило и печь. Работа туннельных сушил в большей степени зависит от способа садки изделий на вгонетки и способа подвода и отвода сушильного агента, обеспечивающих равномерное его движение у поверхности каждого его изделия в процессе сушки. При этом скорость движения газов по каналам садки изделий составляет от 2 до 5 м/сек, а расход сушильного агента – 80 – 100 кг/кгисп. вл. (при сушке керамических изделий). Для увеличения скорости движения сушильного агента, а так же для создания более мягкого режима сушки применяют рециркуляцию отработанных газов.
- Технологические расчеты
158×150×5………………………………100 %
Определим часовую производительность печи, принимая выход годной продукции 94%, а коэффициент использования оборудования 96%.
Принимая продолжительность обжига τ=22 ч, находим ёмкость печи:
Е=Рτ=12.65∙22=278.3 м2 пл.
Определим скорость движения конвейера :
Где L-шаг плиток по длине конвейера, n- количество плиток по ширине конвейера, l и b-длина и ширина плитки соответственно.
Принимаем следующие размеры печи :
Длина = 24 м.
Ширина = 0.9 м.
Высота канала = 0.62 м.
Объем печного канала = 13.39
Транспортный орган—ролики
Число роликов = 320 шт.
В печь автоматически поступает плитка влажностью не больше 0.2 %, поэтому начальная температура в печи 400 .
На роликовый конвейер можно вместить Е1= 21.6 м2 плиток (911 шт.), считая по основному ассортименту (плитки 158×150×5).
Длина рабочей части туннеля определяется по формуле:
Находим объем печного канала
V n=FL=1.63∙14.88=24 м3
Плотность садки на 1 м3 печного канала
Съем с 1 м3 печного канала
Продолжительность нагрева и обжига 10 ч охлаждения 12 ч. Длина зоны охлаждения
Длина зоны обжига, считая интервал температур 850-1150°С
Длина зоны подогрева будет составлять .
3. Теплотехническая часть
3.1 Теплотехнический расчет
Необходимый для работы печи расход топлива определяют из уравнения теплового баланса. Тепловой баланс состоит из двух частей: приходной и расходной. В приходную часть входит теплота, вносимая предварительно подогретым воздухом и топливом, и теплота экзотермической реакции. В расходную часть входит теплота, затраченная на нагрев металла и на все виды потерь теплоты в окружающую среду. Для методической печи необходимо определить часовой расход топлива .
Приходные статьи теплового баланса:
1. Химическая теплота горения топлива:
2. Физическую теплоту, вносимую подогретым воздухом, определяем
по формуле :
ккал/ч,
где Vв.д. - действительный (фактический)
расход воздуха, необходимый для горения
единицы топлива при коэффициенте расхода
воздуха λ>1 .
3. Физическую теплоту, вносимую подогретым газообразным топливом, находим по формуле:
ккал/ч,
4. Теплота экзотермической реакции, выделяемая при окислении нагреваемого металла:
где y - тепловой эффект окисления нагреваемого металла для углеродистых, низко-среднелегированных сталей =1350 ккал/ч;
- величина угара металла, для методических печей равен 2%.
Расходные статьи теплового баланса:
1. Расход теплоты на нагрев материала (полезные затраты) :
где с1 и с2 - средние удельные теплоемкости материала соответственно в интервале температур 0 - tн и 0 - tk, ккал/(кг* оС).
Все остальные статьи расходной части баланса представляют собой тепловые потери.
2. Потери тепла с уходящими продуктами горения топлива:
3. Потери тепла через кладку печи определяют как сумму потерь через кладку стен, свода и пода.
где tп и tн - температура печи и наружной поверхности кладки, оС;
Si - толщина слоя кладки печи, м;
- коэффициент теплопроводности слоев кладки печи, ккал/(м*ч* оС);
Fн - площадь наружной поверхности стены, м2;
q – удельный тепловой поток, передаваемый через кладку, ккал/(м2×ч).
4. Потери тепла через открытые окна печи:
где F – площадь проема окна, м2 ;
Ф – коэффициент диафрагмирования, который зависит от размеров формы окна и толщины стены, обычно составляет 0,6..0,8;
=0,2…1,0 – доля времени, в течение которого окно открыто.
5. Неучтенные потери принимают равными 10% от количества тепла Qхим:
Складывая приходные и расходные статьи, получим уравнение теплового баланса, из которого определим часовой расход топлива:
Подставляя эти данные в уравнение теплового баланса, получим:
Из этого уравнения следует, что Вт = 57,16 м3/ч.
4.4 Определение КПД печи и напряженности пода
КПД печи определим по следующей зависимости:
|
Наименование статьи |
Количество тепла | |
Ккал/ч |
% | |
Приход тепла:
Всего: Расход тепла:
Всего: |
486534,48 73319,132 424,241 47790 608067,853 325255,2 195279,13 15544,4 6549,6 48653,4 591281,73 |
80 12 0,07 7,93 100 55 33 2,63 1,107 8,263 100 |
3.2 Аэродинамический расчет
При движении газов в печах и трубопроводах возникают сопротивления, которые рассчитываются как различные виды потерь давления:
где hтр - потери на трение о стенки, н/м2;
hм - потери на местные сопротивления, н/м2.
Потери давления на трение о стенки. Во всех случаях движения газов потери давления будут тем больше, чем больше их удельная кинетическая энергия, поэтому сопротивления пропорциональны скоростному напору газов:
н/м2,
где ξ – коэффициент пропорциональности, определяемый по формуле:
где λ – коэффициент трения газов о стенки, зависящий от критерия Re. Re = 10,5, то λ = 0,05 [3].
н/м2,
где hск – величина скоростного напора, н/м2;
ρt - плотность газа при заданной температуре, кг/м3.
Местные сопротивления:
н/м2. [1]
4. Охрана труда
Общие требования
пожарной безопасности должны
соответствовать требованиям
На участке тепловой обработки керамических изделий должны предусматриваться мероприятия, исключающие паровыделения и сброс продуктов сгорания природного газа в воздух рабочий зоны, в частности, герметизацию камер сгорания, поддержание в них разрежения, устройство вытяжной вентиляции с удалением вредных веществ в атмосферу. В цехах, где находятся тепловлажностные установки, обязательно устанавливают приточно–вытяжную вентиляцию.
Установки, имеющие передаточные тележки, толкатели, снижатели, подъёмники, для безопасности работы оборудуются блокировкой движения, синхронизированной с открытием проёмов, механических штор.
Температура нагретых поверхностей оборудования и ограждений камер тепловой обработки на рабочих местах не должна превышать 35 °С. Управление формовочным оборудованием должно быть дистанционным с размещением пультов управления в непосредственной близости к постам формования в звукопоглощающих кабинах.
Заключение
В ходе проделанной курсовой работы мною была проанализирована щелевая печь, пользующаяся большой популярностью в производстве облицовочных плиток (Пр.=100 тыс. м2/год.) По полученным данным расчетов стало известно, что приход тепла составляет 608067,853 ккал/ч, а расход тепла 591281,73 ккал/ч. Значительную разницу в получанных результатах можно объяснить неучтенными потерями тепла в окружающую среду, через стены, низ и двери сушилки, а также потери на нагрев транспортирующего средства. Длина рабочей части туннеля составила 16 м.