Тепловое ограждение нагревательных и термических печей: Учебное пособие

900lЗSОНIS9Uл

аиgо:>оu аонgаhл

И3h3U ХИ>l~3hИll\ld31 И

,..

XICI нч иЗ1 V83dJVH

зинзt1ЖVdJО3080UU31

80UOU "J "V

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

Ульяновский государственный технический университет

А. г. попов

ТЕПЛОВОЕ ОГРАЖДЕНИЕ

НАГРЕВАТЕЛЬНЫХ

И ТЕРМИЧЕСКИХ ПЕЧЕЙ

Учебное пособие

УЛЬЯНОВСК

2006

УДК

621.783.4.001(075)

ББК 34.651я7 П58

Рецензенты:

заместитель

Металлургия» А. механический

технического

000

директора

"УАЗ­

М. Пудлин; начальник отдела ФГУП "Ульяновский

завод»

доктор

технических

наук,

профессор.

В.

И.

Филимонов. Утверждено

редакционно-издательским

советом

Ульяновского

государственноготехническогоуниверситетав качестве учебного пособия.

Попов А. Г.

П58

Тепловое ограждение нагревательных и термических печей: учебное пособие / А. Г. Попов.

-

Ульяновск: УлГТУ,

2006. - 31 с.

ISBN 5-89146-966-9

ISBN 978-5-89146-966-2

Написано специальности в

в

соответствии

1520]

соответствии

с

с

учебными

планами

ПОДГОТОВКИ

инженеров

по

«Машины и технология обработки металлов давлением", а также рабочей

программой

ДИСЦИПЛИНЫ

«Нагрев

и

нагревательные

устройства».

Предназначено для студентов машиностроительных

специальностей вузов всех

форм обучения. облегчит им изучение и освоение вышеуказаиной дисциплины.

Работа выполнена на кафедре омд.

УДК

621.783.4.001(075)

ББК 34.651я7

ISBN 5-89146-966-9 ISBN 978-5-89146-966-2

© Попов А. Г., 2006 © Оформление. УлГТУ, 2006

Оглавление

Введение

.4

1. КОНСТРУКЦИЯ

и основные материалы теплового ограждения

печей

1.1

0 ••••••••••

Состав и основные функции теплового ограждения печи

'

1.2. Огнеупорные материалы и конструкция футеровки печи 1.3. Теплоизоляция рабочей камеры печи 1.4. Теплозащита загрузочных окон и устройства подвод энергии 2.

Тепловой раечет футеровки и теплоизоляции печи

2.1. Потери теплоты при стационарном режиме работы печи 2.2. Теплопоглощение при разогреве лечи 2.3. Потери теплоты при циклической работе печи 3.

Оценка эффективности теплового ограждения печи

4.

Техника-экономическое обоснование КОНСТРУКЦИИ теплового

5 5

6

11

13

14

14

17

19

22

ограждения печей

23

Заключение

24

Терминологический словарь

25

Библвографическнй Список

28

Приложение

1

29

Првложение

2

Приложсине

3

'"

"

'" '"

3

30

31

Введение

Нагревательные и термические печи являются ОДНИМ ИЗ ОСНОВНЫХ ВИДОВ

технологического оборудования в кузнечном производстве автомобильного завода.

Нагрев

металлических

изделий

осуществляется

в

электрических

и

пламенных печах до высоких температур, что требует эффективного теплового ограждения рабочих камер печей. Нагрев в печах отличается малой скоростью нарастания температуры изделий (обычно до десятков градусов в минуту) и низким коэффициентом полезного действия (к.п.д.) печей. При этом непосредственно на нагрев изделий используется не более ОДНОЙ четверти тепловой энергии, а остальная теплота затрачивается на нагрев самой

печи и продуктов сгорания, а также

на потери

через тепловое ограждение в окружающую среду. Результатом этого является

длительный процесс нагрева и большие удельные затраты тепловой энергии на нагрев

каждого

килограмма

обрабатываемого

материала,

а

также

неблагоприятные условия работы обслуживающего персонала. Целью основными

пособия

является

материалами

нагревательных

теплотехнических

и

и

ознакомление методами

термических

параметров

расчета

печей

печей

студентов

при

для

с

тепловых

конструкцией, ограждений

последующего

разработке

учета

технологических

процессов изготовления поковок и предложений по экономии энергоресурсов в печах кузнечного производства.

4

1. КОНСТРУКЦИЯ

и основные материалы

теплового ограждения печей

1.1. Состав в

кузнечном

и осиовиые ФУИКЦИИ теплового ограждения печи

производстве

применяются

различные

ПО

конструкции.

способу нагрева и размерам нагревательные и термические печи. При работе этих печей решаются две основные задачи: обеспечение заданного теплового режима

обработки

металлических

изделий

(заготовок

или

поковок)

И

минимальное потребление энергоресурсов для этих целей. Тепловое ограждение является одной из основных частей печи и создает не

только

тепловую

размещению

изоляцию

садки

и

рабочей

устройств

камеры,

подвода

но

и

несет

тепловой

нагрузки

энергии,

а

по

также

герметизирует рабочую камеру печи. Температура печи является важным теплотехническим

показателем ее

работы. Под температурой печи понимается условная и усредненная величина, зависящая

от

характера

устройствами,

взаимного

внутренней

теплообмена

поверхностью

между

нагревательными

футеровки

и

поверхностью

нагреваемых изделий. Изменение температуры печи во времени и рабочей камере

называется

термических

температурным

печей

режимом

непрерывного

печи.

действия

Для

нагревательных

температурный

режим

и не

изменяется во времени и является только функцией координаты по длине печи.

Нагревательные печи периодического действия работают с переменной во времени температурой. При этом печи, в которых температура во всей рабочей камере примерно равна, называются камерными. Печи с изменяющейся по длине

рабочей

камеры

полуметодическим

температурой

печам.

относятся

Соответственно

режим

к

методическим

работы

таких

или печей

называется камерным или методическим.

1

На рис.

представлена схема камерной нагревательной печи, которая

состоит из следующих основных частей: рабочая камера

огнеупорной

футероакой

Теплоизоляция

2.

3

1, которая

образует

наружный

теплового ограждения и располагается за огнеупорной футеровкой кожух

4

являются опорой футеровки

2

и теплоизоляции

3.

ограничена

2.

слой

Каркас и

Загрузочное окно

5

используется для размещения и выгрузки нагреваемых изделий в рабочей камере

1 печи

и содержит внутренний огнеупорный футеровочный слой и слой

теплоизоляции.

Нагреватели

6

(газовые горелки для пламенных печей или

электронагреватели для электрических печей сопротивления) устанавливаются в футеровке

пода

2

печи. В свою очередь огнеупорная футеровка

7, стенок 8 В

и свода

процессе

2

печи состоит из

9.

эксплуатации

тепловому

ограждению

нагревательных

и

термических печей уделяется большое внимание не только из-за экономии энергоресурсов и обеспечения заданного уровня температур в рабочей камере, но

и

для

создания

необходимых

санитарно-гигиеничных

обслуживающего персонала.

5

условий

для

/)

L

6 8

3

7

Рис. 1. Схема камерной нагревательной печи:

1- рабочая камера; 2 - огнеупорная футеровка; 3 - теплоизоляция; 4 - каркас и кожух;

5 - загрузочное окно; 6 - нагреватели (газовая горелка); 7 - под; 8 - стенки; 9 - свод

в

нагревательных

камерных

периодическим отключением,

кузнечных

печах,

огнеупорная футеровка

работающих

с

быстрее разрушается,

чем в нагревательных и термических печах с методическими режимами работы,

что приводит к необходимости ее замены через

6-8

месяцев. Особенно частой

замене подлежат футеровки заслонок загрузочных окон дополнении

к

частому

изменению

температур

(см. рис. возникают

1),

т. К. В

ударные

механические нагрузки при размещении и выгрузки садки нагревательной печи.

1.2. Огнеупорные

материалы и конструкция футеровки печи

Футеровкой называют внутренний слой теплового ограждения печей. Она в

значительной

степени

определяет

стоимость,

долговечность

и

энергопотребление печного агрегата. Например, одно из главных требований,

предъявляемых к футеровке печи,

-

это стойкость к воздействию переменных

во времени высоких температур, к агрессивному действию пыли, шлаков, газов

и продуктов сгорания, имеющихся в рабочей камере печи. Внутренний слой футеровки

камеру

в

печи

(см.

рис.

1),

(рабочий огнеупор), образующий рабочую

подбирают

по

устойчивости

к

главному

разрушающему фактору в данных конкретных условиях работы печи. При воздействии расплавленного технологического материала (наиболее частая причина разрушения футеровки) подбор материала рабочего огнеупора производится по шлакоустойчивости,

6

В нагревательных печах при резкопеременном температурном режиме и отсутствии минерального расплава подбор материала огнеупора производится по термостойкости. однородной

Повышенной термостойкостью

крупнокристаллической

обладают огнеупоры

макроструктурой

на

с

кристаллической

связке (минимум стекловидной фазы) и при оптимальной общей пористост

(10-18

При

%).

противопоказано

Высокой

наличии

значительных

использование

термостойкостью

температурных

крупноблочных

обладают

напряжений

или

фасонных

из

набивных

футеровки

изделий.

масс

и

гарнисажные (е принудительным охлаждением). С появлением жидкой фазы в огнеупоре и достижением пластического состояния термостойкость футеровки печи возрастает.

При

сочетании

расплавленного

переменного

минерального

теплового

материала

режима

выбор

с

воздействием

рабочего

огнеупора

производится с одновременным учетом шлакоустойчивости и термостойкости.

Здесь целесообразно применение набивных масс на основе шлакоустойчивого огнеупорного

порошка.

Эффективно

использование

зашитного

слоя,

наносимого на поверхность рабочего огнеупора. В термических печах при стабильном тепловом режиме

расплава

на

футеровку

воздействуют

только

механические

и отсутствии

нагрузки

при

высоких температурах. При эрозионном и других механических воздействиях требуется

огнеупор

с

повышенной

механической

прочностью

электроплавленный или плотный спеченный. При

небольших

материала

механических

футеровки

деформации

под

про изводят

нагрузкой,

по

нагрузках по

со

стороны

температурам

справочным

данным

садки

огнеупорности в

сопоставлении

температурой в рабочей камере выбирают материал, для которого 1"."

(

".р

подбор и с

> ';~:.-' и

> (" .•.• р

Новые более стойкие в производственных условиях огнеупоры постепенно

вытесняют традиционные дешевые, но менее стойкие. Растет доля выпуска и потребления высокостойких окисных и некислородных огнеупорных изделий

из чистых химических соединений, получаемых электроплавкой или спеканием порошков

при высоких температурах: муллитовых,

циркоиистых,

хромокисных

и

т.

п.

Они

корундовых, шпинельных

используются

в

новых

высокотемпературных процессах, в том числе плазменных, при плавке особо

чистых металлов и сплавов, в новой энергетике

-

на АЭС, в :tvfГД-геиерзторах

и др.

Шире

используются

различные

неформованные

материалы,

особенно

монолитные футеровки из огнеупорных бетонов. Разрабатываются

и

применяются

новые,

более

прочные

и

стойкие

огнеупорные материалы и изделия высокого качества: основные ~ с прямыми

связями, на химической связке и на связке из хромистой шпинели.

7

Все шире используется метод газопламенного (плазменного) напыления

zrO"

ЧИСТЫХ тугоплавких порошков АIO" ThO" MgO, Сг,Оз и др. при выполнении и ремонте футеровок, что существенно увеличивает их стойкость и срок службы. Огнеупорными выдерживают

материалами

длительное

принято

воздействие

считать

температуры

такие,

не

которые

1580

ниже

ос,

не

расплавляясь и не деформируясь. Для керамических изделий при испытаниях на

огнеупорность

принимается

та

температура,

при

которой

полностью

деформируется стандартный образец, изготовленный из данного материала. Строительная материалы

прочность

при

высоких

при

высоких

температурах,

температурах

начинают

Огнеупорные

размягчаться

и

деформироваться. Деформация для каждого материала зависит от температуры, нагрузки и времени действия этих факторов. Огнеупорный материал в кладке находится под действием собственной массы и дополнительных

нагрузок.

Поэтому в каждом случае необходимо знать допустимую нагрузку, при которой деформация материала не будет превышать определенных пределов. Способность колебаниям

огнеупорного

называется

материала

термической

сопротивляться

стойкостью.

При

температурным

резких

изменениях

температуры в результате неравномерного термического расширения отдельных

слоев в материале возникают напряжения, приводящие к образованию трещин, разрывов

и

разрушению

материала.

Огнеупорность

и

прочность

распространенных строительных материалов представлена в табл.

наиболее

1. Таблица

1

Огнеупорность и прочность строительных материалов г-г-г-

Температура, ос

Наименование огнеупорных материалов

Огнеупор-

Начало

ность

размягчения

1710 1610 1730 1750 1800

1660 1250 1350 1450 1550

1850 2000

1870 1550

Динасовый

Шамотный класса ШВ Шамотный класса ША Каолиновый

42 %

Аl20з

Муллитовый спекающийся с

70 % Аl20з Корундовый спе:кающийся с 99 % AlzO} Магнезитовый 90 % MgO Наблюдения

показывают, что

интервале температур от быстрым

прогревом

300

до

разрушения

700

ограждений.

Сжатие,

4 -

1320 1470 1550 1660 1900

% 40 1670 1500 1600 1650 1800 -

1580

имеют место

в основном

в

ос и в большинстве случаев связаны с

Термические

напряжения

же

зависят от

разности температур на горячей и холодной сторонах огнеупорного изделия.

При температурах более

800-1000 ос возникающие в материале температурные

напряжения уменьшаются за счет того, что огнеупорный материал приобретает

способность

к

небольшим

пластическим

деформациям.

Обследования

футеровок топок и отдельных узлов, выполненных из огнеупорных материалов,

показывают,

что

в

большинстве

случаев

8

разрушения

происходят

из-за

недостаточной

термостойкости

применяемых

огнеупоров.

Термостойкость

огнеупорных и жаростойких материалов определяется при испытаниях числом «теплосмен», которые выдерживают изделие из материала до потери

20 %

своей первоначальной массы за счет откалывания кусочков и выкрашивания. Для

легковесных

изделий

термостойкость

указывается

в

воздушных

теплосменах. Значения термостойкости для основных материалов представлены

в табл.

2. Таблица

2

Термостойкость основных огнеупорных материалов Число

Наименование огнеупорных материалов

теплосмен

Динассвый

1-2 5-8 10-12 15-30 2-3 2-3

illамотный мелкозернистого состава Шамотный крупнозернистогосостава Каолиновый Магнезитовый

Хвомомвгнезитовый

Магнезитохромовый(термостойкий)

Более

30

Огнеупорные материалы при нагревании расширяются и после охлаждения

занимают первоначальный объем. Это расширение отличается от увеличения

или уменьшения объема, происходящих в результате фазового изменения состава материала или напряжения,

его

усадки.

возникающие

в

От термического расширения

огнеупоре

при

быстрых

зависят

нагреваниях

и

охлаждениях. т. е. термическая стойкость огнеупора.

Значение термического расширения, средний

коэффициент

термического

%, равно Ы = t!;,p 1·100, где t!;,p

расширения

матернала

при

нагреве

в

интервале температур от О до 1, ОС,

l/oC; t - конечная температура нагрева, ос. Например, для шамотных изделий t!;,p = 5,5·10"" l/OC, тогда термическое расширение при нагревании до

1000 О Ы = 5,5·10""·1000·100 =0,55 %.

Значения

коэффициентов

С составит

линейного

материалов в интервале температур от О до печей, указаны в табл.

расширения

1000 ОС,

а

для

некоторых

применяемых в футеровке

3. Таблица

Коэффициенты линейного расширения огнеупорных материалов Огнеупорные материалы

а·l0',

Шамот

4,6-6,0 11,5-13,0 4,5-5,5 5,5-5,8 8,0-8,5 14-15,0 4.7

Линас Каолин

Мvллит (70

% Al,O,)

Корунд (99 % Аl,оз)

Магиезит (90-92 % мк» Карборунд

9

l/oC

3

Огнеупорные

материалы

классифицируются

по

огнеупорности,

химическому составу. по пористости И другим свойствам. По огнеупорности материалы делятся на три группы:

1. Огнеупорные (от 1580 до 1770 ос включительно); 2. Высокоогнеупорные (от 1770 до 2000 ос включительно); 3. Высшей огнеупорности (более 2000 ОС). Огнеупорные изделия классифицируются в зависимости от содержания в них химических соединений, которыми определяются их свойства. Ниже приводятся только

два

класса

изделий

и

их

группы,

которые

являются

основными в практике футеровки промышленных печей:

1.

Кремнеземистые (содержание

SiO,

~

80 %;

применяются только для

металлургических печей);

2.

Алюмосиликатные

-

разделяются

по

содержанию

А 120з,

на

%,

следуюшие группы:

а) полукислые (АI 2Оз ~

28, 65 ~ SiO, ~ 80);

б) шамотные (28 ~ А1 2Оз ~ 45);

в) муллитокремнеземистые (45 ~ А1 2Оз ~ 62);

г) муллитовые (62 ~ А1 2Оз ~ 90);

д) муллитокорундовые (72 ~ А1 2О з ~ 90);

е) корундовые (АI 2О з ~ 90).

ПОМИМО

этих

классов

имеются

классы

углеродистые, карбидо-кремниевые, цирконистые

ОСНОВНЫМИ

материалами

для

футеровки

и

-

группы: всего

печей

магнезиальные,

11 классов. являются

шамотные

материалы.

В зависимости ОТ открытой пористости,

%,

изделия классифицируются на:

1. Особо плотные - 3; 2. Высокоплотные - 3-10; 3. Плотные - 10-16; 4. Уплотненные - 16-20; 5. Обычные - 20-24; 6. Легковесные - 45-85; 7. Ультралегковесные - более 85.

Для легковесных и ультралегковесных изделий указана общая пористость.

Огнеупоры также классифицируются по способу прессования изделий нз

них.

Алюмосиликатные

высокоглиноземистые)

изделия

получили

(шамотные,

наиболее

каолиновые

широкое

и

распространение

при

футеровке печей. Шамотные

огнеупоры

изготавливаются из смеси

огнеупорных

глин

и

шамота (шамотом называется обожженная огнеупорная глина). Многошамотными содержат от

огнеупорами обычно называют материалы,

80 до 85 % шамота и 20-15 % огнеупорной

Каолиновые

изделия

(обожженный

глинозем)

которые

глины. относятся

к

шамотных материалов. Из-за повышенного содержания А1 2О з (более каолиновые

огнеупоры

являются

переходными

10

от

группе

39 %)

огнеупорных

к

высокоогнеупорным

материалам;

их огнеупорность колеблется

от

1740

до

1750 ос.

В отличие ОТ шамотных каолиновые огнеупоры обладают повышенной термостойкостью и отличной устойчивостью по отношению к кислым шлакам. Изделия огнеупорные шамотные общего назначения в зависимости ОТ их огнеупорности подразделяются на марки:

а) ША

;;, ;;, ;;, ;;,

б)ШБ в)ШВ г)ШУС

Теплофизические

свойства

плотных

материалов и изделий приведены в прил.

1.3.

1730 ОС; 1670 ОС; 1580 ОС; 1580 ОС. огнеупорных

футеровочных

1 (табл. 1).

Теплоизоляция рабочей камеры печи

Теплоизоляция образует наружные слои в тепловом ограждении печей.

Обычно

огнеупорность

материалов ниже

1580

(или

температура

плавления)

теплоизоляционных

ос, но при ЭТОМ ОНИ имеют малую теплопроводность,

высокую пористость, механическую и химическую стойкость.

По ГОСТ

16381-77

теплоизоляционные материалы классифицируют по

следующимосновным признакам:

По форме и внешнему виду выделяют изделия штучные (плиты, кирпичи, полуцилиндры и блоки), рулонные, рыхлые и сыпучие материалы. По

плотности теплоизоляционные материалы делятся на:

особо низкой

плотности ~o 75 кг/м'), низкой плотности (до 175 кг/м'), средней плотности (до 350 кг/м) и плотные. По структуре различают волокнистые, ячеистые и зернистые материалы. По жесткости материалы делят на: мягкие (относительная деформация более

30 %

при нагрузке

2

кПа), полужесткие

повышенной жесткости (не более

10 %

(от

6

до

при нагрузке

30 %), жесткие (до 6 %), 40 кПа) и твердые (не более

10 % при нагрузке 100 кПа). По теплопроводности при теплопроводность (до

0,06

25

ос различают три класса материалов: низкая

Вт/мК), средняя теплопроводность (до

и повышенная теплопроводность (до В

качестве

применяют

теплоизоляции

легковесные

теплоизоляционные материалы

в

0,175

0,115

Вт/мК)

термических

печах

Вт/мК).

нагревательных

огнеупорные

и

изделия,

волокнистые

и зернистые засыпки.

Легковесные огнеупорные изделия применяются в ограждениях только в

тех местах, где они не подвергаются механическим воздействиям (удару,

истиранию), а также не соприкасаются с жидкими шлаками. В большинстве случаев они используются в качестве высокотемпературной изоляции.

Легковесные огнеупорные изделия с массой менее 1 г/см 3 ОТНОСЯТСЯ К

группе ультралегковесных. Ультралегковесные материалы применяются при

температурах не более 1250 ОС, а при объемной массе примерно 0,4 г/см' не

11

более

ОС.

1150

Легковесные огнеупоры

изготавливаются

из

шамотных

и

каолиновых порошков, которые смешиваются с выгорающими добавками или

пенообразующими

веществами.

При

изготовлении

обычные

легковесные

огнеупорные изделия леред обжигом формуются в заготовки, а после обжига из них

выпиливаются

и

шлифуются

для

получения

необходимых

размеров

изделия.

Теплофизические

свойства

легковесных

изделий приведены в таблице прил.

Волокнистые

теплоизоляционные

в

условиях

теплотехническими

материалы

обладают

высокой пористости. эксплуатации

свойствами,

материалов

и

2.

теплопроводностью вследствие их стабильными

огнеупорных

не

выделять

малой

Они Должны обладать

физика-механическими

пыли

и

токсичных

и

веществ

в

количествах, превышающих предел допустимой концентрации; иметь кажущуюся

плотность не более 600 кг/м'. Примером нового футеровочного и теплозащитного материала является высокоглиноземистый легковесный

Этот

алюмосиликатный

волокнистый

материал

обладает

характеристиками,

материал

высокими

(муллитокремнеземистый)

нового

поколения

огнеупорными

выдерживает термические

и

«ТИЗОЛИТ».

теплоизоляционными

воздействия

до

1450

ос

без

0,22 до 0,18 Вт/м К (при средней температуре образца 1000 о С), плотность от 250 до 380 кг/м' (в зависимости от разрушений, имеет теплопроводиость от

технологии изготовления и назначения готовых изделий). достаточно высокую механическую

прочность

и

звукопоглощающую

способность.

"ТИЗОЛИТ»

стоек к «тепловому удару», воздействию кислот (за исключением плавиковой и

горячей фосфорной) и слабых щелочей. При нагревании не выделяет вредных для

здоровья

веществ,

теплофизическим традиционные динасовые,

материал

свойствам

огнеупорные

является

диэлектриком.

«ТИЗОЛИТ»

и

значительно

теплоизоляционные

асбестосодержащие

и

др.).

По

превосходит

материалы

Материал

своим

(шамотные,

«ТИЗОЛИТ»

может

выпускаться в виде футеровочных кирпичей размером 230х115х65; плит размером

400х400х45,

картона

размером 400х400, 480х480, толщиной от

-

460х460х45,

сложной геометрической обрабатывается.

формы,

Применение

460х460х65,

бумаги.

400х450х65, 400х450х40;

Материал

«ТИЗОЛИТа»

­

4

до

10

хорошо

обеспечивает

мм; изделий

формуется

и

существенную

экономию эиергоресурсов, высокий уровеиь пожарозащиты, тепло-, звуко и

электроизоляции. «ТИЗОЛИТа»

К

наиболее

относятся:

перспективным

высокоэкономичные,

электрические и газовые пламенные печи кузнечного

областям

применения

высокотемпературные производства.

Теплофизические свойства волокнистых и зернистых теплоизоляционных

материалов приведены в таблице прил.

3.

12

1.4.

Теплозащита загрузочиых окон и устройства подвод эиергии

Загрузочные окна, через которые происходит размещение садки в рабочую камеру печн и выгрузка нагретых изделий (см. рис. защитной

рамой

из

теплоизоляционным

стали

или

слоем,

литого

а

чугуна,

также

1),

снабжают заслонками с

огнеупорной

средствами

футеровкой,

герметизации

и

механизированного перемещения.

Материалы

огнеупорной

футеровки

и

теплоизоляции

используют такие же,

(см. разд.

Из-за частых открываний и ударов в нагревательных печах

футеровка

и

1.3).

заслонок

загрузочных

окон

для рабочей

заслонках

загрузочных окон

1.2

как и

в

разрушается

через

камеры

20-30

печи

дней.

Для повыенияя срока работы используют сварные стальные водоохлаждаемые заслонки, футерованные огнеупорным слоем и теплоизоляцией, но при этом потери теплоты через загрузочные окна увеличиваютсяв несколько раз.

Устройства для подвода энергии в виде газовых горелок для пламенных

печей или электрических ВВОДОВ для электропечей не только отделяют ОТ рабочей

камеры

теплоизоляцией,

НО

и

охлаждают

ПОТОКОМ

воздуха,

поступающимв газовые горелки, или от механической вентиляции.

Загрузочные

окна

и

устройства

существенными источниками

потерь

для

теплоты

подвода в

печи

энергии и

их

являются

рекомендуют

оценивать, увеличивая общие потери теплоты через тепловое ограждение на

10 % [4].

13

2. Тепловой

расчет футеровки и теплоизоляции печи

Теплоту, подводимую к футеровке со стороны рабочей камеры печи, мож­ НО разделить на две составляющие:

на аккумуляцию в тепловом ограждении

печи и на покрытие (компенсацию) тепловых потерь теплопроводностью через тепловое ограждение в окружающую среду. Согласно имеющимся литератур­ НЫМ данным эти потери теплоты составляют от

[1].

14

до

41 %

всех потерь в печи

Таким образом, потери теплоты через теплоизоляцию и футеровку и, как

следствие, расход топлива на покрытие этих потерь значительны.

2.1.

Потери теплоты при стацнонарном режиме работы печи

Расчет базируется на основных положениях теория теплопроводности при стационарных и нестационарных условиях.

В стационарном тепловом состоянии плотность теплового потока Qo'c и

температура

tHap

однозначно связаны ч.; =аи(tнар -tо.J, где а-н коэффициенты

теплоотдачи от наружной поверхности стенки в окружающую среду получены

обработкой данных методом наименьших квадратов, Вт/(м'·к) [6]: для вертикальной стенки;

а" = 9,5 + 98,2 10'3 (I"p - 30) - 4,74 10-4 (I.ap - 30)' + 1,74 10·6 (1""" -- 30)3; для верха горизонтальной стенки: _

а,,-9,7+0,l

-4

(1""p-30)-4,43 10

(I""р-З0)

2

-6

З.

+ 1,3510 (l"ap-30),

для низа горизонтальнойстенки:

а,,=9,3+ 91,510'3(1"""-30)-3,8810-4(1"р-30)'+ 1,3710·'(1"""-30)3 Эти формулы справедливы для I""р = 25""210 ос. При конструктивном расчете устанавливаются:

1. Толщина температурных

швов в футеровке, м,

ди , = atcpJ,

где а - истинный коэффициент линейного расширения огнеупора, oc',р! = 0,5(1"" + /)), ОС;

1-

I

;

расстояниемежду температурнымишвами в футеровке, м.

Рекомендуетсясредняя толщина температурныхшвов для кладки из Ш1)'Ч­

ных изделий, мм/м: шамотной, каолиновой, высокоглиноземистой5-6; динасо­

вой

12; хромомагнезитовой 10-12; магнезитовой 12-14; безобжиговой талько­

вой

8-1 О;

из динасового легковеса

1О; диатомовой,

14

из шамотного легковеса

5-6;

2. Толщина слоев тепловой

изоляции. При этом задаются (см. рис.

а) толщина рабочего слоя Ь]

А,= А,

м;

огнеупора и

его

2):

теплопроводность

+ Б,I, BT/(M'K);

б) температура внутренней поверхности теплового ограждения 1,", ОС;

В) плотность теплового потока через тепловое ограждение

q()"C,

,

Вт/м", ИЛИ

наружная температура стенки Iщ" Ос. Определяются (см. рис.

толщина

2) и распределение

и

материал

слоев

тепловой

изоляции

2

и

3

температуры по толщине теплового ограждения.

Порядок расчета:

а) требуемое общее тепловое сопротивление теплового ограждения, м

2,К!Вт, э

IR, = (=l

«: -1"",)1 qo,;

б) тепловое сопротивление слоев тепловой ИЗОЛЯЦИИ, м 2,К!Вт, э

R, + R,

=I

R, - R, ' где R, =Ь, 1Л, ,

(=!

л l = А I +Б1'ГРI при

(epl

=O,5(t8" +1).

Методом последовательногоприближения уточняется предварительно за­ данное значение 11 =

t e"

-

qp.гR 1 •

Выбирается легковес, для которого известны А, бочая температура неупора

и

1;;::'-;.

= А, + Б,I и предельная ра­

Необходимо обеспечить с учетом износа рабочего ог­

эксплуатационных

колебаний

температурного

режима

'1 =t;;; -(50+100), ОС; в) выбирается теплоизоляционныйматериал и задается

1, = 1,";; - (30+ 70),

ОС. Тогда 1", =0,5(1,+1,) и Аз =А,+Б,(", я, =U,-I,)/q", ,Ь2=R2Л2. Уточняется /2 г)

M

требуемое

= 11

-Q,,.г R2 ;

тепловое

сопротивление

слоя

3

теплового

ограждения,

2'КlВT,

к, = IR, -(R, +R,),

При поверочномрасчете устанавливается плотность теплового потока че­

рез тепловое ограждение qo", Вт/м', и распределение температуры по толщине теплового ограждения.

Заданы (см. рис.

2) (вн • to·c •

толщина слоев Ь]. Ь 2 • Ь з • положение теплового

ограждения в пространстве, материал слоев и А, допустимые рабочие температуры материалов

15

= А, +Б,t, (i=I, 2. 3). предельно

1;;::'-: .

• Iг

'" 5 5 7

1

..

' Рис.

2. Распределение температуры

при стационарном тепловом состоянии

по толщине теплового ограждения:

3-

1-

рабочий огнеупор;

2-

легковес;

тепловая изоляция

Порядок расчета:

а) задается ряд значений !"ар от 50 до 400 ос и вычисляется

"~ -q,,·с

б) 1:1'1

1 (1

~ap

j

} ) -- а<J-C (1НЩ> - 1О'с' ) .

задаются

приближенные значения

': ,t~ '('Р

=0,5(18" +1;), [;Р2 =О,5и: +t~), t;рз =O,5(t~ +t~ap) И л;

=/«0,.):

ь

грубо

ь

И

определяются

ь

~R: = л; + ~ + ~ ; В) ДЛЯ разных значений 1на[) ОТ

"'"=(1ОН q".c

-1 "ор

50

ДО

400

ос рассчитываются

)/"R L.. i" ' ;=1

г) строятся трафики

q;.; = /,(1"'0/)

И

«: =1,(1,,",),

в точке пересечения кото­

рых находится истинное значение ч-, И I// ао ;

Д)

1",

уточняются

=0,5(1,,, +1,),

температуры

1,,2 =0,5(1, +(2)' I"з

=0,5(1, + 1..",),

Если относительное расхождение тимого, например Е

= 0,02,

1,=I... -qмR;.

А,

1,=I...

= [(1,.,,)

И

-q",(R:+R;)

Rj=b;lAj.

IR, -R:I , IR, -R;I , "IR, -R;I R,

я,

и

больше допус­

я,

то расчет повторяют, задаваясь уточненными значе­

НИЯМИ (), 12 И lнао' пока относительное расхождение станет меньше допустимого;

е) проверяется обеспечение условий н« и t l

< (;:;~ и

(2

< l;;~.

Если они не

выполняются, то тепловое ограждение неработоспособно в данных условиях и его параметры надо изменить.

Расчет тепловых потерь через цилиндрические или искривленные стенки

печи можно вести по формулам для ПЛОСКОЙ стенки, но с поправочным коэф­ фициентом кривизны

rp:

ч::;·

; q:~ /ер, причем тепловой ПОТОК относится к сред­

нему по толщине теплового ограждения радиусу Тс р = 0,5 (г •.\ар+f в и). Значение ПОП авочного КОЗ эфициента приведено ниже:

гнй,/ГШ1 rp

1 1

1,4 1,01

1,6 1,02

Если кривизна неболъшая

2 1,04

3 1,1

4 1,16

5 1,18

6 1,26

(rIl Gp / Г6 1i :$ 2), ТО МОЖНО считать rp ~ 1. 16

Теплопоглощение при разогреве печи

2.2.

Теплопоглощение при разогреве обмуровки из холодного состояния

Заданы толщины слоев огнеупора Ь/ и тепловой изоляции Ь 2, их теплофи­

зические свойства, коэффициент теплоотдачи от наружной стенки а нар , график

разогрева (рис.

3).

Рис.

Температурный график и динамика теплопоглощения

3.

при разогреве футеровки из холодного состояния двухслойной стенки

Требуется рассчитать значение теплопоглощения и длительность разогрева

обмуровки до стационарного состояния. Теплопоглощение, кдж/м 2 , за рассмат­ риваемое время разогрева до наступления стационарного состояния [1]: однослойной стенки

а1: 2 (a't о а. норЬ ( - 2) Х 0,7

1,204 + 1,01Ро + (0,34 + Fo)(Bi -1)

qJ = 1+ В! '

при г,

а.г

а для двухслойной стенки устанавливается по графикам ер( ь1 2 О 1

а

, _2),

представ­

а1

ленным на рис. При