Энергоэффективные системы туннельных печей в промышленности по производству тяжелой глины

В производстве глиняного кирпича разработка систем туннельных печей всегда была основной темой для производителей глиняного кирпича и кровельной черепицы. В этой статье представлены некоторые мнения по этому вопросу от компании Burton-Werke, поставщика систем туннельных печей для большинства заводов по производству кирпича и черепицы в Германии.

С точки зрения общего развития печной технологии, существует тенденция к созданию автоматизированного оборудования для обжига, отвечающего растущим требованиям к глиняным изделиям, с более точной подготовкой сырья и более однородными сырыми массами. Речь идет о роликовых печах, печах Монкера, высокочастотной технологии и т. д.

Однако наряду с этими разработками традиционная туннельная печь, безусловно, сохранит свое место, и она эволюционировала во многих отношениях, не только с точки зрения компонентов обжига.

Прежде чем принять решение о конкретной технологии обжига, обычно проводится анализ затрат и выгод с учетом необходимых продуктов и сырья, которые будут использоваться.

Что касается развития туннельных печных вагонов, то особого внимания заслуживают следующие аспекты.

Это включает в себя не только технико-экономические расчеты, но и ожидания пользователя. Для поставщика системы задача состоит не в том, чтобы выбрать то или иное стандартное решение, а в том, чтобы создать решение для пользователя, отвечающее его требованиям, отвечающее его собственным соображениям и удовлетворяющее его конечным потребностям.

Тем не менее, независимо от вышесказанного, обычно используются следующие общие критерии выбора системы туннельной печи, главным образом по соображениям стоимости.

• Износ (амортизация)

• Потребление энергии

• Усилия по техническому обслуживанию и очистке

• Ремонт

Анализируя факторы потребления, легко увидеть, что энергопотребление туннельной тележки является важным фактором, но далеко не единственным принципом для выбора конкретной системы туннельной печи. Вагон печи является конструктивным элементом всей печной системы и подвергается значительным нагрузкам. Если этот структурный компонент рассматривать как независимую систему, сначала необходимо изучить соответствующие функции.

• Хорошее качество продукции

• Минимальное потребление энергии благодаря уменьшенному весу и теплоизоляции (аккумулированию тепла и передаче тепла)

• Химическая стойкость к атмосфере туннельной печи и энергетическим средам в условиях обжига

• Термическая стабильность (при термическом ударе и резких перепадах температуры)

• Механическая прочность (под влиянием человеческого фактора)

• Стабильность размеров (взаимозаменяемость огнеупорных компонентов, подверженных обратимому расширению)

• Простота обслуживания и ремонта (замена изнашиваемых деталей)

• Низкие инвестиционные затраты и затраты на техническое обслуживание (короткое время обслуживания)

• Длительный срок службы

Из таблицы видно, что совершенства достичь невозможно, но легко максимизировать выполнение целевых функций вагонетки, пренебрегая второстепенными функциями. При резком снижении массы автомобиля неизбежно снижается механическая устойчивость системы, которую, конечно, можно улучшить за счет использования более качественных материалов, но это увеличивает амортизационные затраты и риски при обслуживании.

Хотя вышеизложенное не является принципиально новым, его следует твердо учитывать при принятии соответствующих решений. Ведь при установлении приоритетного фактора «энергосбережение» для вагонетки туннельной печи нельзя упускать из виду и другие не менее важные функции.

Рисунок 1. Двухслойные угловые U-блоки, полые столбы и различные способы изоляции с колоннами и защитными панелями (при боковом обжиге, например, однослойный обжиг черепицы), тонкие защитные панели.

Сегодня в системах туннельных печей используется до 15 различных материалов: от различных специальных материалов с термостойкостью до огнеупорных бетонов и растворов, различных волокнистых материалов и высокоэффективной керамики на основе муллита и карбида кремния. Поскольку ни один производитель не производит все эти материалы самостоятельно, пользователь обычно получает комплексное решение из одного источника, который может предоставить такую ​​же гарантию и обслуживание. На этапе проектирования очень важную роль играет сочетание разных материалов.

При проектировании вагонетки туннельной печи основные цели состоят из трех частей: периметр вагонетки, футеровка вагонетки и опорная конструкция или фурнитура печи для установки кирпичей.

Например, для вагонетки размером 7*6 м площадь периметра составляет 10 %, площадь несущей конструкции — 5 %, площадь футеровки — 85 %. Это обычное явление для современных конструкций печей.

В последние годы при постоянном развитии технологии обжига, особенно в подборе материалов, пропорции каждой из вышеперечисленных частей изменяются. Можно наблюдать тенденцию: материалы, которые уже доказали свою эффективность в секторе тонкой керамики, также все чаще применяются в производстве глиняного кирпича (как показано на рисунке 1).

Периметр туннельной печи в основном выполняет следующие функции:

• Лабиринтное уплотнение (в зависимости от стабильности размеров!)

• Механическая защита обшивки автомобиля

• Защита шасси автомобиля от температурного воздействия

Для этого необходимы следующие свойства:

• Стабильность размеров

• Прочность в холодных и жарких условиях

• Устойчивость к тепловому удару или перепадам температуры

С технической точки зрения для выполнения этих функций необходимы легкие огнеупорные бетонные блоки. Экструдированные крупноформатные блоки на основе кордиерита и крупноформатные блоки сухого прессования также на основе кордиерита – каждое из возможных решений имеет свои преимущества и недостатки. Крупные блоки сухого прессования для периметра вагонетки обсуждаются более подробно ниже.

Этот тип блоков имеет ряд важных преимуществ, таких как высокая стабильность размеров, исключающая необходимость вторичной обработки блоков. При современном сырье и технологии производства можно легче получить определенный минеральный состав.

В современных печах цикл перемещения печных вагонеток становится все короче, что делает устойчивость материалов к тепловому удару все более важной. Burcclight 12/25H, недавно разработанный материал, полностью отвечает этим требованиям.

Результаты испытаний этого материала следующие:

Очевидно, что этот материал имеет более высокую объемную плотность, чем традиционные легкие огнеупорные блоки, но, по сравнению с ним, его можно использовать для производства более крупных изделий и более тонких блокирующих блоков с термостойкостью. Хотя вес периметра тележки печи из материала Burcclight существенно отличается от веса периметра из легких огнеупоров, ее термостойкость и простота сборки значительно улучшаются.

Даже на современном, полностью автоматизированном кирпичном заводе периметр туннельной печи подвергается высоким термическим и механическим нагрузкам. Помимо требования высокой долговечности материала, еще более важно, чтобы при повреждении какой-либо детали по периметру ее можно было быстро заменить. По этой причине блоки по периметру не склеиваются и не покрываются раствором, а укладываются сухим способом, при этом соединения соединяются только посредством зубчатой ​​механической блокировки, что, очевидно, является очень хорошим методом.

Естественно, это требует определенной точности размеров блоков. Обычно только сухое прессование позволяет производить блоки стабильных размеров; в противном случае точность размеров может быть достигнута только за счет вторичной обработки.

Функцией современной футеровки вагона туннельной печи является теплоизоляция, при этом нагрузку обычно принимает на себя металлическое шасси вагона. Эта функция определяет выбор материалов: почти исключительно легкие материалы с высокими изоляционными свойствами. В первую очередь здесь следует упомянуть керамические волокна, которые теперь доступны в готовых к использованию сортах. По экономическим соображениям, в зависимости от температуры эксплуатации, эти волокна могут быть заменены легким бетоном или различными заполнителями, такими как кремнезем, легкий грог, пемза и т. д. Следует отметить, что эти изоляционные материалы не могут подвергаться непосредственному воздействию пламени; они должны быть защищены подходящим поверхностным покрытием, например, тонкой панелью, устойчивой к термическому удару. Несмотря на то, что это немного увеличивает вес тележки печи, этот метод предотвращает коррозию изоляционного материала, особенно в печах с боковым обогревом. Кроме того, для эффективной очистки автомобильного покрытия необходим твердый поверхностный слой, который может стать существенным фактором, вызывающим сильный износ, пыль, песок и аварии. Сегодня уже возможно производство таких защитных панелей толщиной 10 см и размерами 500*600 мм.

По мере того, как уровень автоматизации современных кирпичных заводов увеличивается, а количество операторов уменьшается, проблемы, связанные с защитными панелями туннельных печей, уменьшаются. Тем не менее, на практике мы часто видим, что используемые во многих случаях защитные слои позже армируются и размещаются на колоннах вагонеток для облегчения загрузки и разгрузки. Это также типичный пример серьезного расхождения между энергосбережением и обслуживанием в соответствии с производственными требованиями.

Сравнение свойств различных материалов облицовки изоляции вагона печи:

Другим примером является размещение передней и задней защиты на шасси тележки печи. В такой защите нет необходимости, если цикл потуг составляет 10 часов или меньше. Если по технологическим причинам тележка печи должна оставаться в туннельной печи (например, после обрушения или снижения скорости толкания), преимуществом такой защиты является сохранение нижней части тележки прохладной. Использование этого метода в конечном итоге является решением пользователя.

Функция колонной конструкции – воспринимать все нагрузки от изделий и фурнитуры печи при обжиге и передавать усилия на металлическое шасси вагонетки. Это требует относительно высоких значений прочности в холодном и горячем состоянии, а также прочности на сжатие и изгиб, а также некоторого поведения деформации при температуре эксплуатации. Кроме того, вес огнеупорных компонентов должен быть сведен к минимуму. По этой причине наибольшим нагрузкам подвергаются большинство узлов вагонетки. Естественно, конструкция колонны должна быть спроектирована строго с учетом нагрузки и температуры обжига. Однако анализ недавних проектов печных вагонеток показывает растущий отход от традиционных огнеупорных систем, то есть систем, состоящих из специальных дымоходов, высоких поперечных опор, специальных колонн с перфорированными панелями (называемых «Бенсен») и печной мебели, размещенной на плитах специальной формы, поддерживаемых основными колоннами. Фактически, при производстве обожженного тротуарного кирпича уже применяются более тонкие и совершенные системы с использованием экструдированных колонн, на которых можно размещать крупноформатные несущие кирпичи или плиты или балочные конструкции. На рисунке 2 показан пример такой системы.

Рисунок 2

В таких усовершенствованных системах больше не используются традиционные огнеупорные глиняные материалы. По этой причине глину измельчают до размера зерен 0–0,2 мм, затем отливают, прессуют в гранулы или экструдируют в формы, и такие материалы используются до сих пор. Это касается и технологии производства высококачественных огнеупорных компонентов, к которым предъявляются особые требования. В этой области постоянно внедряются высокоэффективные материалы: материалы на основе карбида кремния с муллито-нитридной связью, рекристаллизованного карбида кремния и карбида кремния с инфильтрацией кремния. Эти материалы имеют очень высокие показатели прочности, что позволяет значительно уменьшить толщину керамических компонентов и, следовательно, заметно уменьшить вес огнеупорных компонентов. С помощью современных печей с боковым нагревом, использующих высокоскоростные горелки, можно плавно снизить высоту установки до одноярусного обжига, а также получить дальнейшее развитие соответствующих несущих конструкций (печной фурнитуры). Благодаря уменьшенному весу огнеупорных компонентов соответствующая механическая устойчивость к смещению и вибрации может быть достигнута за счет соединений «ласточкин хвост», блокировок или продуманных болтовых соединений, таких как стопорные планки, колпачки, стержни, а также строгие ограничения допусков компонентов.

Это также значительно стимулировало спрос на более высокие технологии производства со стороны производителей огнеупорных изделий. Для таких продуктов допустимый допуск на размер составляет 1 мм, что соответствует современному уровню техники. Предпосылками выполнения вышеуказанных требований являются производство точных по размерам изделий из высококачественного сырья; разработка современных пресс-инструментов, таких как программируемые гидравлические прессы с многоступенчатыми формами; и точный контроль сушильных камер и печей.

В некоторых случаях при проектировании вагонеток с комбинациями различных упомянутых выше материалов следует обращать внимание на большое разнообразие физических свойств, что имеет решающее значение для непрерывной работы и безаварийной работы системы вагонеток туннельной печи. Таким образом, если предыдущие конструкции печных вагонеток в основном основывались на числовых значениях, то сегодня расчеты энергетических, механических и тепловых характеристик во время производства каждого компонента играют все более важную роль. На рисунке 3 показан оптимальный расчет нагрузки, полученный посредством структурных и тепловых расчетов.

Рисунок 3

Это показывает важность физических свойств материалов при проектировании печных вагонеток. Например, учитывая обратимое тепловое расширение материалов, анализ коэффициента теплового расширения показывает, что его значения в некоторых случаях сильно различаются. Если этого не учитывать, то это неизбежно приведет к пагубным для системы печных вагонеток последствиям.

Система туннельной печи всегда связана с пользователем и продуктом. Знание будущих технологических параметров установки, таких как температура обжига, цикл обжига и атмосфера в печи, а также учет различных производственных условий на этапе проектирования имеет важное значение для правильного выбора, позволяющего продлить срок службы системы. Только таким образом можно избежать неблагоприятных факторов и ненужного потребления, а также оптимизировать систему.

Доктор Фолькер Гессе — заместитель технического директора Burton-Werke, Мелле/Буер.