Предмет высокотемпературных теплотехнологических установок

Форсунки с распыливаемой средой делятся на форсунки высокого и низкого давления

К форсункам предъявляются следующие основные требования:

- высокое качество распыла и перемешивания топлива с воздухом;

- обеспечение устойчивого горения факела заданной длины и объёма;

- надёжность в эксплуатации.

При выборе форсунок необходимо учитывать интервал времени возможной их работы, поскольку мазут редко используется, как основное топливо, из-за высокой его стоимости. Как правило, мазут используется как резервное топливо, при использовании газообразного топлива. Мазут, обладающий высокой светимостью факела, может использоваться для подсветки газообразного факела, особенно при сжигании в камерных печах низкокалорийного газа.

Форсунки механического распыла:

- Прямоструйные - дробление капель происходит за счёт кинетической энергии струи. Форма сопла разная (суживающаяся, расширяющаяся).

Преимущество - это простота конструкции и малые габариты. Качество распыла улучшается с уменьшением диаметра проходного отверстия и увеличением начального давления Р_м = 10ч12 бар.

Недостатки: - при малом диаметре выходного отверстия низкая надёжность работы форсунок и невозможность регулировать длину факела не изменяя качество распыла.

- Центробежные форсунки представляют собой улитку с центральным отверстием. Выходное отверстие этих форсунок в 2-3 раза больше аналогичных по расходу прямоструйных форсунок, значительно больше угол раскрытия факела и соответственно меньше его длины L_ф=1,5ч3м. Хорошее качество распыла достигается при более низком давлении мазута 3-5 бар. Эти форсунки более надёжны в эксплуатации и менее энергоёмкие. Применяются они там, где требуется объёмный факел небольшой длины.

Форсунки с распыливаемой средой делят на две большие группы: низкого и высокого давления.

В форсунках низкого давления весь воздух необходимый для горения подаётся через форсунку. Этот воздух можно подогреть до 300?С. Широкое распространение получили форсунки Стальпроекта . Давление мазута перед форсункой составляет 49ч98 кН/м², давление воздуха 2,94ч6.86 кН/м². Изменение расхода мазута через форсунку низкого давления возможно до 40%-50% максимальной её производительности без существенного снижения качества распыла. Форсунка даёт узкий факел до 2,5м. Полнота сгорания обеспечивается при коэффициенте избытка воздуха .

В настоящее время многие форсунки типизированы, что позволяет их не рассчитывать, а выбирать в зависимости от производительности.

Основные характеристики форсунок Стальпроекта приведены в таблице

Основные характеристики форсунок Стальпроекта
Внутренний диаметр воздуховода	Производительность при различном давлении воздуха, кг/ч	Диаметр сопел, мм	Ход мазутного сопла, мм	Масса форсунок, кг
дюймы	мм	2,94 кН/м2	6,86 кН/м2	мазутного	воздушного
1,5	38	3,5	8	2,5	21	6	4,9
2,5	65	11	24	3	40	13	6,9
4	100	32	57	4	60	21,6	14,8
5	125	54	82	5	75	25	25,4
6	150	80	120	5	95	32	40,1
8	200	135	205	6	135	42	56

К недостаткам форсунки следует отнести трудности регулирования подачи воздуха.

Форсунки высокого давления с распыливаемой средой.

В данных форсунках высокого давления в качестве распылителя применяют компрессорный воздух или пар. Конструктивно эти форсунки мало зависят от среды распыления. Высокое качество распыла достигается за счёт вторичного дробления капель выходящих из мазутного сопла, высокоскоростным потоком воздуха или пара.

В зависимости от формы сопла скорость выхода распылителя может быть до или сверхкритической.

Типовой форсункой данного типа, является форсунка конструкции В.Г.Шухова .

Скорость истечения распылителя достигает 330м/с. Факел узкий, длинный, для форсунок большой производительности длиной до 7м. Расход пара 0,4-0,6 кг/(кг(мазута)), расход воздуха 0,6-0,8 кг/(кг(мазут)), избыточное давление пара до 1,0 МПа/см², воздуха до 0,5 МПа/см² .

Форсунки В.Г.Шухова изготовляются десяти типоразмеров производительностью от 3 до 400 кг/ч.

Для отопления крупных мартеновских печей могут применяться форсунки с соплом Лаваля в выходной части, что позволяет достигать скорости истечения до 800 м/с и обеспечивает мелкодисперсное распыление мазута в широком диапазоне расхода мазута 250ч2500 кг/ч. В качестве распылителя используется перегретый пар или сжатый воздух. Пар в качестве распылителя применяется там, где есть парогенератор или система испарительного охлаждения

Газомазутные горелки

Как правило, мазут используется как резервное топливо из-за высокой его стоимости, или как добавка к газообразному топливу, дающему слабосветящийся факел. Комбинированное газо-мазутное отопление применяют в плавильных и нагревательных печах. Конструкций этих горелок очень много. Как правило, мазут подаётся по внутренней трубке. В некоторых случаях мазутная трубка изымается, чтобы не происходило коксование мазута в период работы только на газообразном топливе. В горелках допускается подогрев воздуха до 500?С и газа до 200?С. Примерные конструкции газомазутных горелок представлены на рисунке.

Основы теплопереноса в промышленных печах

В промышленных печах одновременно протекает ряд процессов: горение топлива, реакции диссоциации продуктов сгорания и газообразного топлива, тепло- и массообменные процессы, связанные со структурными и химическими преобразованиями в материале, эндотермические реакции восстановления и перекристаллизации сырья и т.д. Все эти процессы бывают взаимосвязаны, протекают одновременно, а совокупность этих процессов составляет суммарный процесс тепловой обработки материала.

Однако важнейшим из них остаётся процесс переноса тепла. Этот процесс зависит от типа печи, формы и размеров рабочего пространства, способа расположения нагреваемых изделий, типа и способа сжигания топлива.

По виду технологического процесса нагрева материала различают:

ѕ Без изменения структуры и физико-химических свойств;

ѕ С изменением структуры и физико-химических свойств;

ѕ С плавлением шихтовых материалов.

По способу нагрева различают:

ѕ Прямой нагрев материала (непосредственный контакт материала с продуктами сгорания или факелом). Такой процесс нагрева наблюдается в мартеновских и стекловаренных плавильных печах, методических нагревательных печах, обжиговых камерных печах, барабанных вращающихся печах и в нагревательных колодцах;

ѕ Косвенный нагрев материала (непосредственный контакт материала с факелом отсутствует). При таком режиме нагрева материал может быть изолирован от дымовых газов и тепло передаётся материалу через разделяющую поверхность. Такой режим нагрева реализован в коксовых печах, муфельных печах и печах с радиационными трубами. Учитывая усложнённые конструкции таких печей и значительное влияние на теплоперенос стенки, косвенный нагрев более сложный и дорогой по сравнению с прямым нагревом.

ѕ Нагрев в кипящем слое промежуточного теплоносителя. Этот процесс нагрева идёт очень интенсивно вследствие активного перемещения кускового мелкозернистого материала по объёму печи и его перемешивания. Такие печи применяются для обжига и обогащения руд в металлургии, при обжиге серного колчедана в химической промышленности, термических печах и т.д.

ѕ Нагрев в расплавленных жидких средах (расплавах солей), который применяется, как правило, в технологии термической обработки материала. В качестве солей используется: NaCl, KCl, KNO₃, BaCl₂, NaNO₃ и их смеси. Его преимущества - быстрый безокислительный нагрев.

Перенос тепла в печах от факела (источника тепла) к материалу носит сложный характер и его принято разделять на внешний и внутренний теплообмен.

Процесс внешнего теплообмена представляет собой передачу тепла к наружной поверхности материала (расплава) от факела и обмуровки печи. В общем случае внешний теплообмен может быть лучистым, конвективным и смешанным, и определяется он температурой газового потока, его степенью черноты и скоростью движения газов.

Внутренний теплообмен - это процесс переноса тепла внутри нагреваемого материала или расплава, обусловленный перепадом температур по толщине. В твёрдых телах - это перенос тепла теплопроводностью, в расплавах перенос тепла зависит от газовыделений, перемешивания и теплопроводности расплава.

В зависимости от уровня рабочих температур в печи, технологических процессов протекающих в печах - определяющим может быть либо внешний либо внутренний теплообмен.

В сталеплавильных и стекловаренных печах скорость плавки определяет внешний теплообмен. В нагревательных колодцах, при нагреве массивных тел и тел с малым коэффициентом теплопроводности , определяющим является внутренний теплообмен. Материал в этом случае нагревают строго по своему графику во избежание: коробления, растрескивания, большого угара металла и т.д.

При нагреве тонких тел ( критерий Віо ?0,1) внутренним теплообменом можно пренебречь, так как перепад температур по толщине материала для этих тел небольшой.

При сжигании топлива в рабочем пространстве печи продукты сгорания передают свою энергию на металл и на кладку путём излучения и конвективного теплообмена. При этом кладка излучает на металл (материал), а металл (материал) излучает на кладку. И кладка и металл излучают сами на себя. Часть тепла через кладку и окна отводится в окружающую среду.

Как правило, степень черноты газов невелика, е_г ? 0,25-0,35 и она сильно зависит от концентрации Н₂О и СО₂ в продуктах сгорания. Для ряда нагревательных печей с электрическим обогревом, в качестве газовой среды, используется воздух или инертный газ - азот. Такую газовую среду можно считать лучепрозрачной, то есть излучательной и поглощательной способностью таких газов можно пренебречь.

Равномерно-распределенный теплообмен

Рассмотрим случаи равномерно распределительного теплообмена, когда температура и лучистые потоки газов принимаются постоянными по объёму рабочего пространства печи.

Составим уравнение теплового баланса для поверхности материала и кладки без учёта угловых коэффициентов излучения. Пространство между ними заполнено факелом.

Введём следующие обозначения:

ѕ Q_м - эффективный тепловой поток на поверхность материала;

ѕ Q_кл - эффективный тепловой поток на поверхность кладки;

ѕ Q_м^п - падающий тепловой поток от факела на материал;

ѕ Q_кл^п - падающий тепловой поток от факела на кладку;

ѕ е_м - степень черноты материала;

ѕ е_кл - степень черноты кладки;

ѕ е_ф - степень черноты факела;

ѕ q_м - результирующий тепловой поток на материал;

ѕ q_кл - результирующий тепловой поток на кладку;

Тогда запишем:

ѕ результирующий тепловой поток на материал

q_м= Q_м^п + Q_кл(1- е_ф)- Q_м

ѕ результирующий тепловой поток на кладку

q_кл= Q_кл^п+ Q_м(1- е_ф)- Q_кл

В печах имеет место три характерных режима радиационного теплообмена:

ѕ равномерно-распределительный теплообмен

Q_м^п? Q_кл^п

Падающие лучистые потоки на кладку и материал примерно равны;

ѕ направленный прямой лучистый теплообмен

Q_м^п> Q_кл^п

Падающий лучистый поток на материал больше падающего на кладку;

ѕ направленный косвенный теплообмен

Q_м^п< Q_кл^п

Падающий тепловой поток на кладку больше падающего потока на материал.

Для каждого из этих случаев роль кладки и факела будет различной, а это и определяет особенности лучистого теплообмена в печи. Одним из первых эти особенности исследовал Глинков М.А. - основоположник теории печей.

Наиболее корректно можно записать уравнения лучистого теплопереноса в печи при равномерно распределённом теплообмене. Тогда запишем величину лучистых потоков:

Q_м^п=С₀·10^-8 е_ф·Т_ф⁴[1-(1-е_кл)(1-е_ф)]

Q_кл= С₀·10^-8 е_кл·Т_кл⁴

Q_м= С₀·10^-8 е_м·Т_м⁴[1-(1-е_кл)(1-е_ф)²]

Подставив в уравнение полученные значения тепловых потоков, М.А. Глинков получил:

q_м=С₀·10^-8 {е_ф·Т_ф⁴ [1-(1-е_кл)(1-е_ф)]+ е_кл·Т_кл⁴(1-е_ф)- Т_м⁴[1-(1-е_кл)(1-е_ф)²]}

Поскольку окисленная поверхность материала имеет степень черноты 0,85ч0,95, для упрощения записи принимаем е_м?1.

Анализируя полученное уравнение можно сделать вывод, что чем выше Т_кл тем больший результирующий лучистый поток на материал, т.е. при холодной кладке (равномерно-распределённый теплообмен) тепловой поток на материал значительно уменьшается, следовательно, эффективность нагрева падает.

В то же время при повышении степени черноты факела интенсивность теплообмена растёт и достигает максимума при е_ф=1.

В реальных условиях на нагрев материала большое влияние имеет степень развития кладки щ=F_кл/F_м. С увеличением степени развития кладки результирующий тепловой поток на материал также растёт.

Таким образом, для интенсификации теплообмена в печи при равномерно распределённом теплообмене следует увеличивать температуру поверхности кладки, температуру и степень черноты факела.

Направленный прямой радиационный теплообмен характерен для ряда нагревательных и плавильных печей при нагреве массивных заготовок.

В этом случае факел максимально приближен к поверхности нагреваемого материала. Учитывая, что излучение кладки в этом случае вторично, увеличение результирующего теплового потока на материал особенно зависит от температуры и степени черноты факела. Такой вид теплообмена наблюдается в мартеновских, стекловаренных печах, нагревательных колодцах и т.д. при использовании горелок с внешним смесеобразованием.

Направленный косвенный радиационный теплообмен имеет место, когда факел удалён от материала и максимально приближен к кладке. В этом случае у поверхности кладки достигается максимально допустимый для этой кладки уровень температур. При этом могут использоваться плоско-факельные кинетические горелки или электрические нагреватели, расположенные на поверхности кладки печи.

Печи, работающие по такому принципу, называются рефлекторными и широко применяются для нагрева заготовок из цветных металлов (сплавов) и в печах с довольно низкими температурами рабочего пространства, во многих электрических печах косвенного нагрева.

Данный режим не применяется в обжиговых печах, когда требуется равномерный нагрев изделий, имеющих низкий коэффициент теплопроводности. Форма кладки в печах с таким режимом нагрева играет более существенную роль при тепловой обработке материала, чем в печах прямого или равномерно-распределённого теплообмена.

В пламенных печах косвенного нагрева максимальный тепловой поток на материал достигается при степени черноты факела 0,5ч0,6.

Теплообмен в печах со слоевым режимом теплообмена

Слоевым режимом называется такая тепловая обработка материала, при которой кусковой (зернистый) материал занимает часть объёма печи, равномерно распределён по сечению печи, а газы проходят между кусками (зёрнами) этого материала.

Такой тип теплообмена можно разделить на три характерных случая:

1. Кусковой материал неподвижен (малоподвижен) и расположен плотным слоем. Скорость газов значительно выше скорости перемещения материала, поэтому условно считаем материал неподвижным. Газ проходит через зазоры между кусками. Такой тип теплообмена реализован в шахтных печах (доменных печах) и УСТК - установки сухого тушения кокса.

2. Слой кускового материала разуплотнён и интенсивно перемешивается под динамическим воздействием газового потока. Такой слой называется псевдоожиженным или кипящим.

3. Как правило, мелкозернистый материал под динамическим воздействием газового потока находится во взвешенном состоянии и энергично перемешивается, перемещаясь вместе с потоком. Это печи с тепловой обработкой материала во взвешенном состоянии.

Теплообмен в плотном фильтрующем слое

Когда материал находится в слое, имеет место сложный теплообмен, когда одновременно происходит перенос тепла теплопроводностью, конвекцией и тепловым излучением.

В связи с трудностью определения поверхностного коэффициента теплоотдачи, тем более что каждый кусок в слое омывается по-своему, в фильтрующем слое введено понятие объёмного суммарного коэффициента теплообмена, который определяется по формуле Китаева Б.М.

W -скорость газов отнесённая к полному сечению при нормальных условиях, м/с;

Т - абсолютная средняя температура газов в слое, К

- эквивалентный диаметр кусков.

М - коэффициент зависящий от равномерности распределения газов по поперечному сечению канала.

Для калиброванной шихты шарообразной формы (идеальные условия) М=1

Для некалиброванной рядовой шихты М = 0,3-0,4.

Для получения поверхностного КТО можно воспользоваться выражением

;

- объём слоя материала мі;

- суммарная поверхность кусков материала мІ.

Для некалиброванной засыпки с достаточной точностью можно записать:

;

- __порозность слоя в долях единицы.

Эквивалентный диаметр частиц рекомендуется принимать на 25% больше среднего размера куска.

В неподвижном слое, существенное влияние на теплообмен оказывает переток тепла теплопроводностью через точки контакта кусков в слое.

Итоговый коэффициент теплопередачи , учитывающий внутреннее сопротивление куска, в общем случае можно записать в таком виде:

;

- коэффициент теплопроводности материала в слое.

В целом теплообмен в слое кускового материала трудно поддается точным вычислениям и носит больше оценочный характер, особенно для некалиброванной засыпки. Это связано с неравномерностью обтекания газами частиц, наличия большего количества застойных и малорасходных зон в слое, что вызывает перетоки тепла теплопроводностью по материалу и изменение скорости газового потока за счет изменения объёмного расхода.

Теплообмен в печах с кипящим слоем. Кипящим слоем называется специфическое состояние зернистого материала, продуваемого через поддерживающую решетку, когда частицы материала беспорядочно циркулируют в определенном объеме (слое), но не выносятся за пределы этого объёма (слоя). Существование такого слоя возможно в широком диапазоне скоростей - от скорости начала псевдоожижения до скорости витания . Эти скорости можно определить по известным зависимостям:

;

;

где ;

- эквивалентный диаметр частиц;

- плотность материала;

- кинематическая вязкость газа;

- плотность газа;

- ускорение свободного падения.

Расходная составляющая скорости кипящего слоя обычно находится в пределах:

;

Для мелких частиц отношение ;

Для крупных частиц .

Коэффициент теплопередачи, в кипящем слое, значительно выше чем в неподвижном слое . Это связано с рядом факторов:

- более высокая скорость движения газов;

- полнота и равномерность омывания частиц;

- выравнивание скорости и температуры в пределах слоя;

- высокая турбулизация потока , отсутствие застойных зон;

- но самое главное, за счет многочисленных столкновений частиц - постоянное разрушение теплового и гидродинамического пограничных слоев на поверхности частиц.

Поскольку, при увеличении скорости газа в слое, толщина слоя растет, а количество столкновений частиц в слое падает, то с увеличением скорости несколько уменьшается и КТО в слое.

Максимальные коэффициенты теплообмена можно рассчитать по эмпирическим соотношениям Забродского С.С.

;

или Варыгина Н.Н. и Матюшина И.Г.

;

где - коэффициент теплопроводности газа.

Эти коэффициенты теплообмена достигаются при оптимальной скорости газа:

;

Величина сильно возрастает с увеличением температуры газа и уменьшением частиц (оптимальный размер частиц 0,5-2 мм). В кипящем слое можно получить коэффициент теплообмена от 500 до 1000 Вт/м²К

В промышленных установках трудно добиться однородности частиц слоя, поэтому возможен унос мелких частиц. Чтобы избежать заметного уноса частиц скорость в псевдоожиженном слое обычно принимают ниже скорости витания, близкой к оптимальной скорости.

Коэффициенты теплообмена во взвешенном слое можно определить также по следующему критериальному уравнению:

;

где ;

;

- относительная скорость определяется как разность скоростей газа и частиц.

;

- скорость газов;

- скорость частиц материала.

Материалы для строительства печей

Печи сооружают из огнеупорных материалов, теплоизоляционных материалов, строительного кирпича, различных бетонов и металла.

Общестроительные материалы

При сооружении печей используют красный обожженный строительный кирпич, бетон, гравий, песок, строительные растворы и металл.

Строительный кирпич применяют для наружной облицовки стен печей, бортов, дымовых труб , при условии, что температура кладки не превышает 800 ⁰С.

Гравий, бутовый камень, песок используется как наполнитель бетонов при производстве фундаментов.

Металлы, применяемые в печестроении

В конструкции печей широко применяются жаростойкие стали и сплавы.

Жаростойкие(окалиностойкие) - стали стойкие против химического воздействия газовой среды при температуре от 400 до 700 ⁰С и работающие в слабонагруженном состоянии.

Жаропрочные - это стали работающие в нагруженном состоянии при высоких (до 1200 ⁰С) температурах длительное время. Повышение стойкости стали добиваются введением в ее состав легирующих добавок, особенно хрома, кремния, алюминия, титана, никеля, вольфрама, ванадия и т.д.

В некоторых случаях применяют сплавы на основе никеля, кобальта, хрома, титана, молибдена и вольфрама.

В элементах печных устройств могут применяться жаропрочные чугуны с добавками кремния 5ч6 %, выдерживающие температуру до 1000 ⁰С .

Огнеупорные материалы

Огнеупорами называют материалы, способные выдерживать температуру выше 1500 ⁰С и противостоять физическому и химическому воздействию расплавов, шлаков и газов в печах.

Классификация огнеупорных материалов

По огнеупорности:

- огнеупорные материалы (огнеупорность 1500-1770 ⁰С) - шамот, динас;

- высокоогнеупорные материалы (огнеупорность 1770-2000 ⁰С) - магнезит, хромомагнезит;

- материалы высшей огнеупорности (огнеупорность более 2000 ⁰С) - углеродистые, циркониевые, карбидные, окисные.

По химико-минералогическому составу_:

- кремнеземистые материалы - огнеупорная основа SiO₂ (динас, кварц);

-алюмосиликатные материалы - огнеупорная основа Al₂O₃ и SiO₂ (шамот, высокоглиноземистые огнеупоры, корунд);

- магнезиальные материалы - огнеупорная основа MgO (магнезит, доломит, тальковые);

-хромистые материалы - огнеупорная основа Cr₂O₃ и MgO (хромомагнезит, магнезитохромит);

- углеродистые материалы- огнеупорная основа С (графит, уголь);

- циркониевые материалы- огнеупорная основа ZrO₂;

- карбидные материалы - огнеупорная основа сплав MeC;

- окисные материалы - огнеупорная основа чистые окислы MgO, Al₂O₃, BeO и др;

По типу окислов:

- кислые огнеупоры - на основе SiO₂ (динас, кварц);

- основные огнеупоры - на основе MgO, Cr₂O₃ (магнезит, хромомагнезит);

- нейтральные огнеупоры - на основе Al₂O₃ (шамоты, корунд, высокоглиноземистые огнеупоры);

По способу изготовления:

- природные огнеупоры, естественные (доломит, тальк, графит, асбест);

- искусственные огнеупоры, которые в свою очередь делятся на:

- прессованные огнеупоры;

- плавленные огнеупоры;

- трамбованные огнеупоры.

При этом они могут быть обожженные и необожженные, простые, фасонные и специального назначения.

Физические свойства огнеупоров.

Теплопроводность огнеупоров зависит от природы материала, его пористости и температуры. С повышением температуры теплопроводность огнеупоров возрастает, кроме форстерита, муллита и графита, с повышением пористости теплопроводность уменьшается

Зависимость коэффициента теплопроводности от температуры представляют в виде:

,

где - коэффициент теплопроводности при нормальных условиях;

b - коэффициент;

Т - фактическая температура в К или ⁰С.

Теплоемкость

Как и теплопроводность имеет существенное значение при выборе материалов для элементов печей, особенно для насадки регенераторов и кладки печей периодического действия.

С повышением температуры теплоемкость огнеупоров возрастает.

№	Название огнеупоров	температура огнеупорности Тм	температура начала размягчения
1	Динас	1750	1620	0,93+0,0007·t	0,837+0,00025·t
2	Шамот	1730	1350	0,835+0,00058·t	0,88+0,00023·t
3	Магнезит	2000	1500	4,65+0,00185·t	1,05+0,00029·t
4	Графит	3000	2000	163-0,04·t	0,837

Пористость огнеупоров - колеблется в широких пределах от 0 в плавленых огнеупорах до 0,8 в изоляционных огнеупорных материалах.

Чем больше пористость, тем хуже огнеупор противостоит разъедающему воздействию шлаков и сплавов.

Газопроницаемость огнеупоров - связана со сквозной пористостью материала. При наличии перепада давлений между печным пространством и окружающей средой, через огнеупор могут проходить газы. С повышением температуры, газопроницаемость огнеупоров снижается, за счет увеличения вязкости газов и объемного роста кристаллической структуры материала. При этом уменьшается размер пор.

Электропроводность огнеупоров - Большинство огнеупорных материалов при низких температурах являются диэлектриками. С ростом температуры и появлением жидкой фазы на границах зерен огнеупоров, электропроводность их начинает возрастать. Шамотные и динасовые изделия становятся электропроводными при температуре выше 1200 ⁰С.

Значительное влияние на электрическое сопротивление огнеупоров оказывает химический состав.

Повышения содержания окислов железа приводит к уменьшению сопротивления огнеупорных изделий, что необходимо учитывать в электропечах.

Рабочие свойства огнеупоров.

Огнеупорность - свойство материалов сохранять механическую прочность при высоких температурах без нагрузки.

Огнеупоры разрушаются в большинстве случаев при температурах ниже их огнеупорности. На стойкость огнеупоров, в процессе эксплуатации, влияют шлаки, газы, частицы уносимые продуктами сгорания, термостойкость и однородность химического состава огнеупора.

Механическая прочность огнеупорных материалов характеризует способность выдерживать давление без разрушения. Принято считать, что максимальной рабочей температурой эксплуатации огнеупоров, является температура начала деформации при нагрузке 20 н/см². Поскольку температура по толщине огнеупора, как правило, меняется, для оценки механической прочности огнеупора необходимо определить среднюю по толщине температуру огнеупорного материала.

Термостойкость огнеупоров - это способность огнеупорных материалов выдерживать без разрушения и растрескивания резкие колебания температуры. Этот показатель характеризуют числом теплосмен, понимая под одной теплосменой цикл нагрева огнеупорного изделия до определенной температуры с его последующим резким охлаждением водой или воздухом. Динасовые изделия выдерживают 1-3 теплосмены, шамотные 10 - 25, магнезиальные 2 - 5, хромомагнезитовые 5 - 12. Динасовые и магнезиальные огнеупоры рекомендуется использовать в печах непрерывного действия, т.к. они не выдерживают многократного охлаждения до температур окружающей среды. У шамотных и хромомагнезитовых таких ограничений нет. Однако при эксплуатации динасовых и магнезиальных огнеупоров допускается многократное колебание температуры в диапазоне не ниже 1000 ⁰С.

Шлакоустойчивость огнеупоров - способность огнеупоров противостоять разъедающему действию шлаков и расплавов, зависит от химического состава огнеупоров, состава шлаков или расплава, пористости огнеупорных материалов и температуры. Этот показатель важен для плавильных печей всех типов. Химический состав огнеупора должен соответствовать химическому составу шлака и расплава и этот огнеупор должен обладать минимальной пористостью.

Изготовление и состав основных огнеупоров

Кремнеземистые огнеупоры

Наиболее широкоприменяемыми являются динас и кварц.

Динас содержит более 95% SiO₂ с добавлением СаО и FeO и органические добавки для повышения прочности. Изделия прессуют, сушат и подвергают обжигу при температуре до 1470 ⁰С. При обжиге в изделиях происходит перекристаллизация с образованием до 60% кристаллов . После обжига, во избежание растрескивания, динас медленно охлаждают вместе с печью. Динас обладает высокой механической прочностью до температуры 1600-1630 ⁰С. В процессе эксплуатации динас несколько увеличивает удельный объем. Это позволяет успешно применять его в сводах плавильных металлургических и стекловаренных печах, высокотемпературных нагревательных печах, коксовых печах.

Алюмосиликатные огнеупоры - это огнеупоры с содержанием Al₂O₃ 15-30% и добавками кварцевого песка называются полукислыми.

Полукислые изделия менее огнеупорны, чем шамотные, имеют большую плотность и незначительную усадку. Наиболее распространенным видом алюмосиликатных огнеупоров являются шамоты.

В качестве сырья используют огнеупорную глину (Al₂O₃, 2SiO₂ 2H₂O). Смесь увлажненного и обожженного материала пересевают, сушат и обжигают при температуре до 1400 ⁰С. Темпервтура начала деформации 1350 ⁰С.

В процессе обжига происходит образование тугоплавких кристаллов муллита (3Al₂O₃·2SiO₂), которые и определяют основные свойства шамота.

С повышением содержания Al₂O₃ в огнеупоре, огнеупорность и термостойкость его повышается. Шамот используют для футеровки нагревательных и термических печей. Кладки дымовых боровов и насадок регенераторов. Шамотные изделия плохо противостоят окалине, поэтому ограниченно применяются в кладке подовых частей печи и кладке ванн.

Магнезиальные огнеупоры. Природный материал магнезит MgCO₃, который подвергают обжигу, получая при этом MgO, который и является исходным сырьем для получения фасонных огнеупоров. Сырье увлажняют, прессуют, сушат и обжигают при температуре до 1650 ⁰С. Для повышения термостойкости и шлакоустойчивости магнезиальных изделий в шихту добавляют 5 - 12% легкодисперсного Al₂O₃. Магнезиальные изделия стойки к образованию окалины. Темпервтура начала деформации 1500 ⁰С.

Используют данный огнеупор для футеровки высокотемпературных печей (сталеплавильных, стекловаренных). Элементов доменных печей, пода, ряда печей, высокотемпературных частей насадок регенераторов.

Разновидностью магнезиальных огнеупоров являются тальковые огнеупоры, которые производят из породы талька (3MgO·4SiO₂·H₂O). Главным достоинством данного материала является высокая устойчивость к воздействию окалины, возможность использования без обжига или с обжигом до 1300 ⁰С, малый коэффициент объемного расширения. Используются для кладки пода нагревательных печей непрерывного действия, т.к. обладают небольшой термостойкостью 1 - 2 водяные теплосмены.

Хромистые огнеупоры.

Основой этих огнеупоров является минерал хромит FeO·Cr₂O₃ устойчивый против кислых и основных шлаков. Известны несколько видов хромистых огнеупоров:

- хромитовые (30% Cr₂O₃+25% MgO);

- хромомагнезитовые (15-30 % Cr₂O₃+15-60% MgO);

- магнезитохромитовые (8-15% Cr₂O₃+65-70% MgO);

Хромитовые материалы применяют в виде набивных масс в паровых котлах и футеровке охлаждаемых поверхностей печей. Огнеупорность массы 1700 ⁰С, однако низкая температура начала деформации под нагрузкой менее 1200 ⁰С. Хромомагнезитовые огнеупоры устойчивы к воздействию шлаков. При температурах до 1600 ⁰С не реагируют с динасом и имеют огнеупорность до 1950 ⁰С. Применяют в кладке мартеновских печей, подов нагревательных колодцев и методических печей, футеровке обжиговых высокотемпературных печей. Темпервтура начала деформации 1520 ⁰С.

Магнезитохромитовые МХО огнеупоры получают путем высокотемпературного обжига (до 1750 ⁰С) шихты, которая прессуется под высоким давлением. Готовые изделия имеют низкую пористость, высокую стойкость к воздействию основных шлаков огнеупорность до 2000 ⁰С и термостойкость до 15 водяных теплосмен. Применяются МХС огнеупоры в сводах и кладке электроплавильных печей, кислородных конвертерах, высокотемпературной зоне регенераторов.

Углеродистые огнеупоры содержат до 75 % С. Сырьем для их производства служит кокс, термоантрацит и графит. Огнеупорность углеродистых изделий свыше 2500 ⁰С. Однако свойства можно обеспечить лишь в восстановительной и нейтральной среде применяют углеродистые огнеупоры для кладки лещади и горка доменной печи, в печах для выплавки некоторых известных металлов, обжига карбида кальция, получения ферросплавов и др.

Теплоизоляционные материалы

Теплоизоляционные материалы классифицируются по: форме и внешнему виду, структуре, виду исходного сырья, объемной массе, жесткости, теплопроводности, возгораемости.

По форме и внешнему виду материалы подразделяют:

на штучные изделия (плиты, блоки, кирпич, цилиндры, полуцилиндры, сегменты); рулонные и шнуровые (маты, шнуры, жгуты);

рыхлые и сыпучие материалы (минеральная и стеклянная вата, вспученный перлит, вермикулит, молотый диатомит, перлитовый песок).

Сыпучие теплоизоляционные материалы используются в сухом виде для засыпки пустот, утепления сводов и чердачных помещений.

Наиболее технологичными являются штучные изделия, которые изготавливают в заводских условиях.

По структуре материала теплоизоляционные материалы подразделяют: на волокнистые (стекловолокнистые, минераловатные, каолиновое и базальтовое волокно), ячеистые (пенодинас пенобетон) и зернистые (шунгезит, вспученный перлит).

По виду исходного сырья различают материалы органические и неорганические, искусственные и естественные.

По объемной массе принята за основу следующая классификация.

№ п/п	Группа материалов	Марка (кг/м3)
1	Особо низкой плотности	15	25	35	50	75
2	Низкой плотности	100	125	150	175
3	Средней плотности	200	225	250	300	350
4	плотные	400	450	500	600

По жесткости теплоизоляционные изделия подразделяют исходя относительной деформации сжатия

№ п/п	Вид изделия	Относительное сжатие % при удельной нагрузке в МПа
		0,02	0,04	0,1
1	Мягкие	более 30	-	-
2	полумягкие	от 6 до 30	-	-
3	жесткие	до 6	-	-
4	повышенной жесткости	-	до 10	-
5	твердые	-	-	до 10

По теплопроводности материалы и изделия делят на следующие классы.

№ п/п	Класс по теплопроводности	Теплопроводность л при 25 0С Вт/м·К
1	Низкая	до 0,06
2	средняя	0,06 - 0,115
3	повышенная	0,115 - 0,175

С повышением плотности и жесткости, теплопроводность, как правило увеличивается. Функциональные свойства материалов определяются их основным назначением.

Для теплоизоляционных материалов такими свойствами будут теплоизолирующая способность (теплопроводность) и предельная температура применения.

Необходимо учитывать, что теплопроводность материалов зависит от многих факторов и может меняться в течении срока эксплуатации:

- от физического состояния и строения, степени кристаллизации и размера кристаллов, степенью пористости материала и характеристикам пористой структуры;

- от химического состава и наличия примесей, которые особенно влияют на теплопроводность кристаллических тел.

- от условий эксплуатации (температуры, давления, влажности, вибрации и т.д.)

Предельная температура применения теплоизоляционных огнеупоров всегда несколько ниже температуростойкости исходного огнеупора. С уменьшением плотности изоляционного материала температуростойкость его уменьшается. Предельные температуры применения наиболее распространенных теплоизоляционных огнеупоров приведены в следующей таблице.

№ п/п	Наименование материала	Плотность кг/м3	Предел температур 0С
1	Минеральный войлок	600	600
2	Вермикулитовые плиты	410	700
3	Диатомитовые	700	950
4	Пенодиатомит	400	900
5	Пенодинас	1200	1500
6	Пеношамот	1000 - 1300	1300
7	Пеношамот	300	1100

В последние годы для тепловой изоляции высокотемпературных поверхностей часто применяют керамические волокнистые материалы, как правило в виде матов, получаемые из расплава различного огнеупорного сырья.

Наиболее целесообразно применять эти материалы в установках с повышенной вибрацией.

Органические теплоизоляционные материалы, такие как торфяная крошка и торфоплиты, в высокотемпературных установках не применяются.

Естественные теплоизоляционные материалы не требуют значительных затрат на переработку. Это асбест в виде ваты, картона, шнура или корка, а также диатомит (трепел) применяется в виде засыпки или готовых изделий, в сыром и обожженном виде.

Искусственные легковесные огнеупоры получают с помощью выгорающих добавок, пенообразующих или химических добавок. При использовании выгорающих добавок, количество которых может достигать 50%, изделия прессуют, сушат и обжигают. Добавки выгорают, создавая пористую структуру огнеупора.

Добавляя пенообразующие материалы (канифольное мыло) или химические добавки, в процессе обжига происходит обильное газообразование внутри изделия с приданием ему пористой структуры. При этом нарушается форма обжигаемого изделия, поэтому требуется последующая механическая обработка изделия, что значительно удорожает их стоимость.

Обжиговые печи

Принцип действия

Обжиговые печи имеют очень широкий спектр применения, разнообразную конструкцию и различный температурный уровень обработки материала.

Обжиговые печи предназначены для обжига строительного красного кирпича, огнеупорных фасонных изделий, известняка, магнезита, клинкера, керамической плитки и др.

По форме рабочего пространства обжиговые печи подразделяют на:

- камерные;

- туннельные;

- шахтные;

- барабанные вращающиеся;

- кольцевые и др.

По режимно-организационным признакам эти печи делятся на:

- печи периодического действия;

- печи непрерывного действия.

Рассмотрим характерные типы печей промышленности строительных материалов.

Кольцевые печи

При производстве строительного красного кирпича применяются печи непрерывного действия: печи в которых обжигаемый материал неподвижен, перемещаются зоны обжига - кольцевые печи, и печи в которых зона обжига неподвижна, а материал перемещается по печи - туннельные печи.

Кольцевая печь представляет собой замкнутый кольцевой канал, перекрытый сводом. Кольцевой канал делится на отдельные камеры, каждая из которых имеет проемы для загрузки сырца и выгрузки готовых изделий. Число камер обычно составляет от 14 до 36. Размер камер: высота до трех метров; ширина 2,5-4,5 метра; длина 2-2,5 метра. Общий объем обжигательного канала может достигать 2000 мі, а общая длина более 100 м.

В зависимости от температуры печной канал делится на ряд зон:

1) Зона подсушки и прогрева загруженного сырца. Прогрев сырца осуществляется уходящими газами, на начальном этапе возможна сушка подогретым воздухом.

2) Зона обжига. Обжиг кирпича происходит при температуре 950-980?С. Время нахождения материала в печи 44-52 часа. Скорость перемещения зоны обжига достигает 40 метров за сутки. В качестве топлива может использоваться природный газ, низкосортный уголь, антрацитовый штыб и т.д. Топливо сжигается непосредственно среди обжигаемых изделий.

Измельченное твердое топливо подается сверху автоматическими погрузчиками, небольшими порциями. Время обжига длится 12-16ч.

3) Зона закалки - зона медленного остывания материала до 800-850?С. Резкое охлаждение материала снижает его прочность. Поэтому первый этап охлаждения идет медленно и продолжается 6-10 часов.

4) Зона остывания - зона регенеративного подогрева воздуха необходимого для горения топлива. Время остывания 12-20 часов. Воздух засасывается в зоне камеры выгрузки. Проходя через садку обожженного кирпича воздух охлаждает материал, а сам при этом нагревается. Количество подогретого воздуха значительно больше необходимого для горения топлива, поэтому часть воздуха отбирается для сушки и прогрева сырца.

Повышение эффективности кольцевых печей.

Повышение эффективности печей данного типа возможно за счет:

- уменьшения влажности сырца, допустимая влажность не более 7%;

- уменьшения потерь в окружающую среду (наложение эффективной тепловой изоляцией);

- снижение потерь с уходящими газами;

- организация эффективного сжигания топлива в распределенном объеме садки кирпича, уменьшение потерь от химического и механического недожега.

Полнота сжигания топлива и воздуха затруднена самой садкой. Форма укладки материала в камере сильно влияет на качество обжига и полноту сгорания топлива. Наиболее часто применяют укладку материала- елочкой.

Основной недостаток кольцевых печей - тяжелые условия труда персонала, много ручной работы трудно поддающейся механизации. В настоящее время кольцевые печи не строятся.

Туннельные печи

Принцип действия.

Принципиальное отличие туннельных печей от кольцевых заключается в том, что печной канал имеет постоянные зоны, а изделия, погруженные на вагонетки, перемещаются вдоль печи по схеме противотока - навстречу потоку продуктов сгорания в зоне прогрева и навстречу воздуху в зоне остывания. Экономические показатели туннельной печи мало отличаются от экономических показателей кольцевой. Основные преимущества - в улучшении условий труда и высокой степени механизации.

Туннельная печь представляет собой сквозной канал длиной до 110м, в котором по рельсам движутся вагонетки с садкой. Высокотемпературная зона футеруется шамотным огнеупором. Температура обжига: 950ч980єC при обжиге строительного кирпича, 1220ч1250єC при обжиге керамической плитки, 1400ч1750єC при обжиге огнеупоров; время обжига строительного кирпича 32-36 часов, из них 10-15 часов изделие находится в зоне охлаждения. Время обжига пустотелых изделий меньше. Время обжига огнеупоров значительно больше.

В качестве топлива может использоваться газообразное топливо и твёрдое топливо мелкого помола.

Садка кирпича на вагонетку при обжиге твёрдым и газообразным

В туннельных печах, работающих на газообразном топливе, в зоне обжига располагается до 40 горелочных устройств, при боковом их расположении (по 20 с каждой стороны) и 20 - 24 - при размещении их на своде. Длина зоны обжига обычно составляет 10 - 12м, при обжиге огнеупоров до 20.

В ряде печей предусматривается рециркуляция отходящих газов (отбор перед уходом из печи и подача его в среднюю часть зоны подогрева садки), а также перепуск горячего воздуха. Рециркуляцией достигается большая турбулизация потока и выравнивание температуры по сечению канала.

Температура уходящих газов обычно составляет 100ч120єC, при обжиге огнеупоров 300ч450єC.

Из зоны охлаждения материала происходит отбор подогретого воздуха для сушильных камер первой и второй ступени сушки. Первая ступень - прогрев материала, при относительной влажности в камере сушки ц =100% и температуре до 55ч60єC, вторая ступень - сушка при температуре 75ч80єC и ц = 0,95-0,97.

Принудительный обдув атмосферным воздухом готовых изделий перед выходом из печи позволяет снизить их температуру до 50ч70єC.

Тепловой баланс

Примерный тепловой баланс туннельной печи по обжигу строительного кирпича приведён в таблице

Приход	%	Расход	%
Химическое тепло топлива, Qх.т.	100	Потери тепла с материалом, Q ''м	1-2
		Потери тепла с ух. газами, Qух.г.	27-31
		Расход тепла на эндотермические реакции обжига и испарение влаги материала, Qэнд	17-19
		Тепло воздуха отобранного в сушилку из зоны охлаждения, Qотб	30-32
		Потери от химического и механического недожога, Qх.н. + Qм.н.	3-4
		Потери тепла в окружающую среду, Qос	15-17

3. Повышение эффективности работы туннельной печи возможно:

- при уменьшении влажности исходного сырья (улучшении качества сушки);

- при улучшении качества тепловой изоляции, особенно высокотемпературной зоны печи;

- при оптимизации работы горелочных устройств с целью уменьшения химического и механического недожога.

Вращающиеся барабанные печи

1. Технологические особенности работы

Вращающиеся печи - это промышленные печи цилиндрической формы, которые вращаются вокруг продольной оси со скоростью 1-2 об/мин. Длина таких печей может достигать 230м, диаметр - 3-7м. Корпус печи металлический, внутри печь футеруется огнеупорным материалом. Печь устанавливается под углом 1ч3° к горизонту. Вращающиеся печи применяют для спекания шихты в производстве глинозёма, получения цементного клинкера, окислительного или восстановительного обжига, обезвоживания и обезвреживания отложений очистных сооружений, обжига огнеупорного сырья и др.

В печи реализуется противоточная или прямоточная схемы движения материала и газовой среды.

В качестве примера рассмотрим барабанную вращающуюся печь для обжига известняка (СаСО₃) и получения извести (СаО).

Процесс обжига состоит из 2х стадий:

І - прогрев до 900°С

ІІ - выдержка при 900-1000°С, что приводит к разложению известняка:

СаСО₃= СаО+СО₂ - 178,2кДж/моль

Известняк подаётся в печь из специального бункера в верхней части печи и постепенно продвигается в зону обжига. Выдача готовой извести производится в нижней части печи, при этом теряется до 15% теплоты, используемой в печи. С целью утилизации тепла извести под печью установлен вращающийся контактный теплообменник для подогрева воздуха, подаваемого на горение.

Примерный тепловой баланс барабанной вращающейся печи приведён в таблице.

Приход тепла	%	Расход тепла	%
С химическим теплом топлива, Qх.т. С физическим теплом воздуха, Qф.в.	92-94 6-8	Эндотермический эффект реакций, Qэнд. Потери тепла с уходящими газами, Qух.г. Потери в окружающую среду, Qокр.ср. На испарение влаги сырья, Qисп. С материалом,	56-58 17-20 12ч15 4-5 2-3

Повышение эффективности работы барабанной печи возможно за счёт утилизации тепла уходящих газов. В первую очередь возможен подогрев газами известняка перед загрузкой в печь.

Возможно уменьшение потерь в окружающую среду за счёт изоляции высокотемпературной зоны печи огнеупорной войлочной изоляцией.

Печи по обжигу клинкера

Вращающиеся барабанные печи длиной до 150м применяются также для обжига цементного клинкера и глинозёма. Сварной стальной корпус внутри футеруется огнеупорным материалом. Корпус в нескольких местах охвачен бандажами, которые опираются на опорные рамки.

Печь вращается, при помощи венцовой шестерни, электродвигателем через редуктор. Тепло от продуктов сгорания передаётся материалу и футеровке печи. Благодаря вращению печи материал непрерывно перемешивается и перемещается в нижнюю часть, при этом тепло от футеровки также передаётся материалу.

При подаче в печь мокрого сырья (шлама) в зоне подсушки материала обжига навешивают цепные завесы. Шлам в начале цепной зоны налипает на цепи, что значительно увеличивает поверхность сушки и нагрева сырья. Цепи быстро нагреваются, а погружаясь в материал отдают тепло, т.е. шлам греется снаружи газами, а изнутри цепями.

Первый участок - участок удаления капельной влаги составляет до 30% длины печи. Конечная температура на участке до 400°С.

Второй участок - участок удаления связанной влаги, который также составляет да 30% длины печи. Конечная температура на участке до 800°С.

Третий участок - участок разложения карбонатов с выделением СО₂, который составляет до 20% длины печи. Конечная температура на участке до 1100°С.

Четвёртый участок - участок окончательного обжига клинкера, который составляет до 15% длины печи. Конечная температура на участке до 1750°С.

Пятый участок - участок остывания, который составляет до 5% длины печи.

Однако после выгрузки клинкер обладает значительным запасом тепла (до 16% тепла печи). Поэтому он направляется во вращающийся теплообменник, где клинкер, остывая до 180ч200°С, нагревает воздух, подаваемый в печь.

Тепловой баланс печи по обжигу клинкера несколько отличается от теплового баланса печи по обжигу известняка, в первую очередь за счёт большей разности во влажности исходного сырья.

Повышение эффективности работы этой печи возможно за счёт уменьшения влажности исходного сырья, утилизации тепла уходящих газов, особенно водяных паров, уменьшения потерь в окружающую среду за счёт изоляции высокотемпературных зон печи.

Коксовые печи. Коксование - процесс высокотемпературного нагрева углеводородов без доступа воздуха.

В Украине - стране с мощной металлургической базой, ежегодно производится более 18 млн.т. кокса. Этот кокс в основном используется в доменном производстве, при выплавке чугуна. Отходы кокса (коксик) используется в кузнечном производстве, в машинах по обогащению руд и т.д.

Для получения высококачественного кокса, используется смесь нескольких сортов углей с малой зольностью: газовые, жирные, спекающиеся и т.д.

Кокс получают путем нагрева этих углей до 1000?С, в течении 14-16 часов в специальных камерах коксования, щелевидного типа.

При нагреве из углей выделяются летучие вещества (эфиры, бензолы, водород, углеводороды, смолы, ароматические углеводороды, аммиак и т.д.). Смесь этих газов называются - прямой коксовый газ, который удаляется из печи с максимальной температурой до 800?С.

...