Промышленные печи. Печи для термической обработки

     1. Загальна частина.

1. Загальні відомості про промислові печі

 

     Печі  для термічної обробки мають більш низькі температури у порівнянні з нагрівальними. Температура термічної обробки сталевих виробів: відпустка 400-700 °С, ізотермічна витримка 500-600 °С, відпал 700-800 °С, загартування й нормалізація 800-950 °С, термообробка легованих сталей 900-1180 °С. Режим повної термообробки виробів звичайно складається з періодів нагрівання, витримки, регульованого (уповільненого) і прискореного охолодження. Нагрів, витримка й регульоване охолодження здійснюється у футерованих камерах. У термічних печах застосовується як газовий, так і електричний нагрів. Часто використовують спеціальні атмосфери контрольованого складу, призначені для захисту виробів від окислювання або для їхньої хіміко-термічної обробки. У цьому випадку при газовому нагріванні застосовують муфелювання садки або нагрів радіаційними трубами.

     Термічні  печі діляться на печі безперервної дії (прохідні й протяжні) і періодичної дії, або садочні (ковпакові й камерні).

     Серед прохідних термічних печей найпоширеніші  печі з роликовим подом. Робочий  простір прохідних печей має  звичайно прямокутну в поперечному  перерізі форму, однакову по всій довжині  печі. Поперечний переріз печі з  роликовим подом для нагрівання під загартування (880-890 °С) із прямим опаленням бічними пальниками показане на мал. 1.1, а для відпалу (720 °С) із захисною атмосферою й радіаційними трубами - на мал. 1.2. 
 
 
 
 
 

 

     Мал. 1.2. Поперечний переріз печі з роликовим подом для відпалу із захисним середовищем і радіаційними трубами: 1 - ролик; 2 - радіаційні труби

 

     Мал. 1.1. Поперечний переріз печі з роликовим подом для нагрівання під загартування із прямим опаленням бічними пальниками: 1 - бічний пальник; 2 - гляделка; 3 - ролик; 4 - заготівлі; 5 - димовідвід 
 

     Протяжні  печі можуть бути горизонтальними й  вертикальними (баштовими). Горизонтальні  протяжні печі по конструкції аналогічні печам з роликовим подом. Баштові  печі мають більше складну конструкцію. Їхня висота може досягати 30 м, тому треба  застосовувати спеціальні міри для збереження стійкості кладки й компенсації температурних розширень. На мал. 1.3 показана камера нагріву вертикальної протяжної печі із захисною атмосферою й радіаційними трубами.

       
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

     Мал. 1.3. Камера нагріву вертикальної протяжної печі із захисним середовищем і радіаційними трубами 

     Підвищення  ефективності роботи печей періодичної дії прямо пов'язане зі зменшенням втрат тепла й, як наслідок, скороченням питомої витрати палива.

     Відомо, що 80 - 85% енергоносіїв витрачається в промисловості й енергетиці при експлуатації промислових печей, термічного й енергетичного встаткування.

     Тому  в цей час задача економії енергоресурсів, особливо, в енергоємних галузях промисловості: металургії, машинобудуванні постає надзвичайно гостро й актуально [7].

     Втрати  теплоти з робочого простору мають  місце в будь-яких печах, але вони особливо істотні в нагрівальних і термічних печах циклічної  дії, коли в цикл термообробки входить  охолодження печі до низької температури  або коли таке охолодження обумовлене тривалими проміжками між циклами нагрівання садки [1]. 

     1.2. Встановлення волокнистих вогнетривких  матеріалів  

     Одним з комплексних напрямів рішення задачі енергозбереження, що дозволяє істотно знизити енергоспоживання при експлуатації термічного устаткування, є застосування волокнистих і теплоізоляційних матеріалів.

     Волокнисті  матеріали – це матеріали нового покоління, які поєднують у собі високотемпературні, вогнетривкі та ізоляційні властивості, низьку теплопровідність і малоінерційність, що дозволяє широко застосовувати їх замість традиційних матеріалів для футерівки практично всього термічного устаткування. Основою для виробництва волокнистих матеріалів є муллітокремнеземні й базальтові волокна із застосуванням високотемпературних неорганічних сполучних.

     Всі волокнисті матеріали мають еластичність, малу густину і теплопровідність, спроможність до термозмін, значну міцність на розрив і на вигин (особливо м'які й напівтверді), термостійкість.

     Вироби з волокнистих матеріалів дозволяють створити нові, легкі конструкції футерівок стін і зводів, будучи при цьому як вогнетривом так і теплоізоляцією. Низька теплопровідність дозволяє зменшити габарити печі за рахунок товщини футерівки, що в сполученні з низькою щільністю уможливлює в декілька (до 10) разів знижувати масу футерівки печі. Теплота, що акумулюється таким чином, зменшується також у кілька разів. Різко скорочується час розігріву печі, дозволяючи не тільки заощаджувати енергоресурси, але й зменшувати непродуктивний час роботи печі й обслуговуючого персоналу. Особливо ефективно їхнє застосування в термічних печах періодичної дії, з постійними коливаннями температури робочого простору й у печах, що працюють не на повне завантаження, у так званому «рваному режимі».

     Застосування  волокнистих матеріалів нового покоління на неорганічних сполучних забезпечує значне зниження трудомісткості футерівних робіт і високу ремонтопридатність футерівки при її механічному ушкодженні. Ці матеріали легко обробляються й не критичні до циклів нагрів - охолодження. Кількість термозмін становить 1000 - 2000 без видимих змін якості матеріалу.  

     1.2.1 Асортименти й загальні властивості волокнистих матеріалів і виробів. 

     Особливо  виділяють групу волокнистих  матеріалів, що мають високу пористість й низьку теплопровідність. Структура цих матеріалів складається із круглих, тонких і звивистих волокон, зчеплених зв'язуванням в окремих місцях. Внаслідок значного теплового опору таких контактів частка теплового потоку, що передається теплопровідністю по волокнах, мала.

     В наш час із волокнистих матеріалів готують більше 50 різних виробів. По мірі розширення місць застосування номенклатура волокнистих вогнетривів постійно збільшується.

     Волокнисті  вироби підрозділяються на м'які, напівтверді  й тверді. Основна властивість – гнучкість – більшою мірою властива м'яким матеріалам. Майбутнє, як затверджують фахівці, належить килимовим матеріалам. Перехід на тверді матеріали з волокна вважається недоцільним.

     Найбільш  доступні алюмосилікатні скловолокнисті матеріали каолінового состава (50% , 50% ), які застосовують у вигляді каолінової вати вогнетривкістю 1850 °С и гаданою щільністю 1,7 кг/м³, а також у вигляді виробів. Вітчизняне алюмосилікатне волокно має температуру застосування 1100-1260 °С.

     Каолінове волокно й вироби з нього легкі  по масі, еластичні, пружні, мають низьку теплопровідність, низьке акумулювання тепла, винятково термостійкі, мають  гарні звукоізоляційні властивості, прекрасну хімічну стійкість (за винятком плавикової й фосфорної кислот і сильних лугів), не піддані впливу масел, пари, води, добре затримують вібрацію. Коли волокна входять складовою частиною в інші матеріали, вони надають їм високу міцність.

     З вогнетривкої алюмосилікатної вати виготовляють рулонний матеріал, повсть, плити, папір і картон. Габарити виробів наведені в таблиці 1.1 

     Таблиця 1.1 – Габарити вогнетривких виробів

 

     Властивості каолінового волокна й виробів  на його основі регламентуються вимогами ГОСТ 23619-79.

     Залежно від групи й температури застосування вогнетривкі теплоізоляційні скловолокнисті матеріали діляться на марки (табл. 1.2), а деякі їхні властивості наведені в табл. 1. (приложение). 

     Таблиця 1.2 - Вогнетривкі теплоізоляційні матеріали й вироби

 

     На  основі полікристалічних корундових волокон  виготовляють тверді вироби на мінеральних сполучних, які випускають трьох марок: МКПП-300, МКПП-400 і МЛПП-300. Властивості наведені в табл. 1.3.

     Вогнетривкі папір і картон володіють рядом істотних переваг у порівнянні із в високотемпературними азбестовими, базальтовими листовими матеріалами, що використовуються у теперешній час й характеризуються:

      - високими температурами служби;

      - низькою теплопровідністю при  високих температурах;

      - підвищеною пружністю;

      - низькою густиною (особливо в порівнянні з азбестовими матеріалами);

      - високою міцністю (у порівнянні  з базальтовим картоном);

      - високою міцністю до розплавів кольорових металів - алюмінію й цинку (табл. 1.4) 

     Таблиця 1.3 - Властивості виробів з полікристалічних корундових волокон

 

     Таблиця 1.4. – Властивості теплоізоляційних листових матеріалів

 

     Основними технологічними параметрами, якими оцінюється придатність матеріалу для теплоізоляції, є теплоємність, гадана щільність, коефіцієнт теплопровідності й величина тепловипромінювання. За допомогою цих величин визначають тепловий баланс футерівки печі.

     Питома  теплоємність каолінового волокна 1,07 кДж/(кг·К).

     Якщо  помножити питому теплоємність на гадану щільність, то одержимо теплоємність волокнистого матеріалу. У зв'язку з низьким  значенням гаданої щільності отримане значення становить 5-15 % відповідного показника щільних вогнетривів.

     Еквівалентна  теплопровідність волокнистих матеріалів залежно від об’ємної густини і температури змінюється таким чином.

     Найменшу  теплопровідність в інтервалі температур 100-600 °С мають матеріали й вироби з об'ємною щільністю близько 200 кг/м³ ~0,1163 Вт/(м·К), при 600 °С.

     Вироби  й матеріали з меншою щільністю  від 50 до 200 кг/м³ внаслідок збільшення розміру пор і зменшення ступеня  їхньої замкнутості, а отже, збільшення випромінюючої й конвективної складових, мають більше високу теплопровідність. При об'ємній щільності 50 кг/м³ при 600 °С теплопровідність дорівнює 0,2326 Вт/(м·К). Теплопровідність волокнистих виробів щільністю від 200 до 400 кг/м³ перебуває приблизно на одному рівні. Зі збільшенням об’ємної щільності більше 400 кг/м³ теплопровідність збільшується й стає рівної теплопровідності ультралегковагих шамотних виробів.

     На  мал. 1.4 наведена залежність теплопровідності каолінової вати й рулонного матеріалу на повітрі від температури й об'ємної щільності.

     Теплопровідність  плит з каолінової вати до температури 1200 °С визначають вираженнями для  плит з об'ємною щільністю:

     200 кг/м³, ,

     350 кг/м³,

     Теплопровідність плит, виготовлених гідроспособом з алюмосилікатної вати з різними модифікуючими добавками з ростом температури поступово підвищується (мал. 1.5). 

        

     Мал. 1.4. Теплопровідність каолиновой вати, матів, плит і рулонного           матеріалу залежно від температури й об'ємної щільності.  

               

       

     Мал. 1.5. Залежність від температури теплопровідності теплоізоляційних плит, виготовлених з волокон складу: 1- алюмосилікатного; 2- алюмохромсилікатного (3,3% ); 3- алюмоцирконійсилікатного (8,52% ); 4- алюмоцирконійсилікатного (28,6 % ). 

     При високих температурах (>1000 К) теплопровідність більш пористих матеріалів починає перевищувати теплопровідність менш пористих.

     Ступінь випромінювання джерела залежить в основному від довжини випромінюваних хвиль й якості поверхні. Так, для зернистих вогнетривких матеріалів якість поверхні визначається шорсткістю, величиною зерна, хімічним складом і ступенем чистоти.

     При звичайному для нагрівальних печей  діапазоні температур загальний ступінь випромінювання традиційних вогнетривів перебуває в межах 0,5 - 0,8. Ступінь випромінювання волокнистих матеріалів нижче цих значень, і перебуває в межах 0,3 - 0,6.

     Волокнисті  матеріали мають високу газопроникність. Для деяких виробів Сухоложского вогнетривкого заводу, отриманих по сухому способі, газопроникність (мкм²) наведена в табл. 1.5.

     Таблиця 1.5. – Гадана густина та газопроникність  деяких вогнетривких виробів.

 

     1.2.2 Застосування волокнистих вогнетривів.  

     З оцінки фахівців, можливий річний обсяг застосування волокнистих вогнетривів у конструкціях футеровок промислових печей (30 тис. т) дозволить відмовитися від щорічного випуску 600 тис. т вогнетривів, заощадити щорічно в період експлуатації теплових агрегатів більше 2 млн. т.у.п., зменшити трудомісткість тепломонтажних робіт більш ніж на 0,5 млн люд.-дн.

     Деякі області застосування волокнистих матеріалів наведені в табл. 1.6 

     Таблиця 1.6. - Області застосування волокнистих матеріалів 

 

     Теплоізоляційні вироби з керамічних волокон дозволяють заощаджувати паливо в печах різного типу, що сприяє їхньому широкому поширенню. Найчастіше волокнисті матеріали застосовують як покриття раніше встановленого вогнетриву з метою поліпшення теплоізоляційних властивостей футерівки або як повністю волокнисту футеровку печей. Остання виконується за схемою:

     Гаряча  сторона → Керамічне волокно → Мінеральна вата → Кожух печі

     Товщина шарів футеровки розраховується по теплопровідності матеріалів і припустимих  температур на границі шарів. При  цьому приймається, що максимальна температура мінеральної шлакової вати не повинна перевищувати 780 °С, а каолінової звичайної – 1260 °С, а з добавкою оксиду хрому – 1450 °С.

     Волокнисті  матеріали кріпляться до кожуха печі за допомогою шпильок з легованої  сталі й керамічних стрижнів. Болт проходить через шар волокнистої футерівки. Шайба й гайка, що загвинчує на болт, кріплять футерівку. Гайка захищається від впливу високої температури шаром волокнистої плити, що приклеюється до футерівки.

     Часто футерівку стін і зводів печей виконують із використанням аркушів картону з керамічних волокон. Аркуші надягають на штирі й закріплюють шайбами. Аркуші дозволяють застосовувати їх у вигляді блоків, складаючи в пачки.

     Керамічне волокно може витримувати швидкості газів біля поверхні до 15 м/с. Волокно, захищене кремнеземистим цементом з утворенням твердої кірки товщиною 0,25 - 0,5 мм, може працювати при швидкості газу до 35 м/с.

     Волокниста  футерівка повинна бути захищена від механічних ударів встановлення опорних поясів, колон, додаткових опор з вогнетривкого бетону або кладкою з вогнетривких цегл.

     Основна проблема при експлуатації волокнистих футерівок – це зменшення об’єму через усадку, що обумовлена процесами рекристалізації й спікання, а також ростом кристалів при високих температурах. Приймаються різні заходи щодо підвищення стійкості футерівок, серед яких можна виділити:

     1) широке застосування волокон з більш високим змістом (муллітових, глиноземистих);

     2) застосування передової технології  при виконанні футерівки, що дозволяє конструктивними заходами звести усадку до мінімуму шляхом створення модулів, торкретування поверхні й ін.

     Однією  із складних проблем експлуатації продовжує залишатися кріплення волокнистих матеріалів – ізоляції до кожуха печі. Перспективними є штабелювання волокнистих матеріалів або виготовлення модулів. У цьому випадку монтаж ведуть модулями, що склеюють між собою. Такий метод забезпечує монтаж футерівки, стійкою до потоку газу зі швидкістю до 150 м/с.

     Економічність застосування волокнистих матеріалів для футерівок печей визначається не тільки рівнем зниження витрати теплової енергії, цінами на енергоносії й капітальними витратами на спорудження футерівок, але й стійкістю.

     

     

     У перший період нагріву кількість тепла, що проходить через стінку з футерівкой з волокон, набагато менше кількості тепла, акумульованого стінкою звичайною.

     Окупність додаткових витрат за рахунок економії палива відбувається особливо швидко, коли піч працює в циклічному режимі, оскільки тривалість кожного циклу скорочується, а продуктивність печі зростає. При тому самому тепловому потоці маса футерівки, що доводиться на 1 м² робочої поверхні печі, становить у випадку сполучення звичайної вогнетривкої цегли з теплоізоляцією - 624, у випадку сполучення вогнетривкої цегли з мінеральною ватою - 150 і для системи каолінове волокно - мінеральна вата - 14 кг. Матеріалоємність конструкції різко знижується.

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     Ефективність  застосування волокнистих матеріалів проявляється в зниженні маси футеровки  в 9 - 12 разів і кількості тепла, що акумулюється кладкою, в 10 - 11 разів.

     Заміна  вогнетривкої цегли волокнистою  ізоляцією дає щорічну економію палива в печах безперервної й  періодичної дії на 12 - 14 й 33 - 40 % відповідно. При цьому підвищується продуктивність печей за рахунок збільшення обсягу садки й скорочення загального циклу обробки.

     Досвід  виготовлення, монтажу й експлуатації печей показав, що застосування нових  конструкцій дозволяє: