0

Обжиг керамического кирпича (продолжение)

(продолжение конспекта книги «Обжиг керамики» О. Тихи)

Тепловые процессы при обжиге керамического кирпича

Получение теплоты

Сжигание топлива

Химическая реакция, при которой вещество взаимодействует с кислородом с выделением света и тепла называется горением.

Химическая реакция горения должна проходить достаточно быстро для того, чтобы тепла, выделившегося в единицу времени, было достаточно для нагрева до температуры самовоспламенения следующего количества вещества. Для реакции горения необходимо, что бы кислород и сгораемое вещество были в определённой пропорции.

Процессы горения я не конспектирую т.к. этому уделено большое внимание в др. специальной литературе.

Для керамика важна «теоретическая температура горения» для печи обжига кирпича

tad = qn/(Vs∙сp)

где:

tad – теоретическая температура горения (адиабатическая температура горения);

qn – низшая теплота сгорания топлива;

Vs – теоретический объём продуктов горения (м3/кг, м3/ м3);

cp – средняя теплоёмкость при постоянном давлении продуктов сжигания, Дж/м3∙К.

Использование электрической и солнечной энергий как источника теплоты

Не конспектирую т.к. обжиг строительной керамики электрической и солнечной энергией не целесообразно. Если вас интересует этот раздел, пишите специально для читателя, сделаю отдельный конспект.

Теплообмен

Между печью и садкой проходит процесс теплообмена, т.е. теплота, полученная при сжигании топлива, передаётся: строительным конструкция печи, газовой среде печи и изделиям в садке печи. Строительные конструкции печи передают тепло изделиям в садке и в окружающую печь среду. Газовая среда передаёт тепло изделиям в садке, строительным конструкциям печи и в окружающую среду.

При охлаждении: изделия передают тепло газовой среде в печи и строительным конструкциям печи.

Все описанные процессы проходят через передачу тепла.

Не стану углубляться в фундаментальные основы преобразования энергии в виде тепла. Рассмотрим некоторые прикладные примеры нагревания и охлаждения материалов в результате теплообменных процессов.

Рассмотрим три вида теплообмена: передача теплоты теплопроводностью, передача теплоты конвекцией, и передача теплоты радиацией.

Теплопроводность

Теплопроводность — это передача тепла контактными массами, от массы с более высокой температурой к массе с меньшей температурой. Движущая сила теплового потока – градиент температур dt/dx или ∆t/∆x.

Стационарная теплопроводность

При неизменном во времени тепловом поле имеет место стационарная теплопроводность. Если тепловое поле неизменно, значит и тепловой поток неизменный, при таких условиях действует закон Фурье:

q = λ∆t/∆x

где:

q – параметр плотности теплового потока, Вт/м2;

λ – коэффициент, измеряющий теплопроводность материала, Вт/(м·Т);

∆t – разница температур, К;

∆x – длина участка на котором имеется перепад температур.

Теплопроводность однослойной стенки:

q = λ(t1 – t2)/δ; Вт/м2

где:

t1 – t2 – перепад температур между более нагретой и менее нагретой поверхностью, К;

δ – толщина стенки, м;

обратной величиной для λ/δ является δ /λ и называется термическим сопротивлением стенки.

Тепловой поток через стенку площадью F за единицу времени:

Q = q·F = F· λ/δ·(t1 – t2), Вт.

Теплопроводность многослойной плоской стенки:

Плотность теплового потока многослойной стенки с m слоями

q = (t1 – tm+1)/( δ1/λ1 + δ2/λ2 +… δm/λm); Вт/м2

где:

t1 – температура на поверхности первого слоя;

tm+1 – температура на поверхности последнего слоя

Тепловой поток через стенку с площадью F:

Q = q·F = F·(t1 – tm+1)/( ∑δi/λi), Вт

При установившемся потоке: q1 = q2 = q3 = q

Тогда температура на границе между слоями:

t2 = t1 – q1 (δ1/λ1);

t3 = t2 – q2 (δ2/λ2);….

ti+1 = ti — q (δi/λi);

Далее я не буду приводить примеры расчета передачи тепла теплопроводностью при стационарных и нестационарных режимах, такие расчеты приводятся в первоисточнике другой специальной литературе. Если Вас интересуют подобные расчеты напишите на мой сайт и я подготовлю полный ответ.

Передача тепла при помощи конвекции

Передача тепла при помощи конвекции – это процесс передачи тепла тепловым потоком от тела, более нагретого к менее нагретому телу через границу раздела фаз. В теплотехнике печей и сушилок границей конвективной передачи тепла служит разделительная поверхность между твёрдыми телами и газовым потоком.

При таком теплообмене характерно, что каждая точка границы раздела постоянно омывается новыми микрочастицами. Передача тепла происходит в результате постоянного контакта микрочастиц различных фаз.

Q = q·F = αk·(t – t)·F, Вт;

q = αk·(t2 – t1), Вт/м2;

где:

Q – тепловой поток, Вт;

q – плотность теплового потока, Вт/м2;

F – площадь теплообмена, м2;

αk – коэффициент теплоотдачи конвекцией, Вт/м2·К;

t2 и t1 – соответственно, более высокая и более низкая температура, °С.

Основная сложность при решении вышепоказанных уравнений – определение αk. Коэффициент αk зависит от скорости потока (поток ламинарный, турбулентный, переходной), вязкости теплового потока, коэффициента теплопроводности фазы, теплоёмкости фазы, направления омывания.

Коэффициент теплоотдачи вычисляется по таким критериальным формулам:

Число Нуссельта: Nu = αkd/τ;

Число Рейнольдса: Re = vd/V;

Число Грасгофа: Gr = γd3gΔt/v3

Число Прандля Pr = v/α

где:

d – характерный линейный размер потока, наиболее часто диаметр или гидравлический диаметр, м;

τ – коэффициент теплопроводности потока Вт/м·К;

v – скорость потока при заданных условиях, м/с;

V – кинематическая вязкость, м2/с;

γ – температурный коэффициент объемного расширения потока, К;

g – ускорение силы тяжести, м2/с;

α – коэффициент температуропроводности, α = λ/сρ

При различных условиях движения среды относительно поверхности критериальные числа справедливы только в определенных интервалах.

Выведены экспериментальные уравнения для расчета αk:

— для горизонтальных труб диаметром менее 0,1 м

αk = 1,19(Δt/d) Вт/м2·К;

— для вертикальной трубки или вертикальной стены

αk = 2,56Δt0,25 Вт/м2·К;

— над горизонтальным перекрытием

αk = 2,26Δt0,25 Вт/м2·К;

— под горизонтальным перекрытием

αk = 1,68Δt0,25 Вт/м2·К;

Автор рассматривает варианты определения αk для различных потоков и различных условий.

Передача тепла радиацией (излучением)

Излучением тепло распространяется от поверхностей с более высокой температурой к поверхностям с температурой поменьше и от трехатомных газов атмосферы печи с более высокой температурой к поверхностям или трехатомным газам с меньшей температурой.

Материалы с большей температурой называются тепловым излучателем. Тепловой излучатель в процессе излучения охлаждается, а тело, воспринимающее излучения – нагревается. Энергия в форме электромагнитных волн не полностью поглощается воспринимающим телом.

Часть энергии отражается и определяется коэффициентом отражения R.

Часть энергии поглощается и определяется коэффициентом поглощения А.

Часть энергии проходит через тело и определяется коэффициентом проницаемости D.

Газ – проницаемая или частично проницаемая среда. Двух атомные газы (кислород, азот, водород) проницаемы. Частично проницаемы – газовые смеси и чистые газы содержащие трехатомные и др. многоатомные смеси.

Излучение нагретых поверхностей

Плотность теплового потока из абсолютно черных поверхностей определяется по формуле закона Стефана-Больцмана:

ψ = σ0(Т/100)4, Вт/м2

где:

ψ – плотность лучистого теплового потока всех длин волн, Вт/м2;

σ0 – коэффициент излучения для абсолютно черного тела, σ0= 5,67 Вт/м2К;

Т – абсолютная температура поверхности, К.

Для других тел, закон Стефана-Больцмана:

ψ = σ(Т/100)4, Вт/м2

где:

σ – коэффициент излучения поверхности, Вт/м2К;

σ = σ0·ϵ; ϵ — коэффициент удельного поглощения или степень черноты поверхности.

Плотность лучистого теплового потока изменяется в зависимости от расстояния от излучателя по равенству:

ψ12 = r22/ r12,Вт/м2

где:

r1 и r2 – расстояние от излучателя, м.

Плотность лучистого теплового потока зависит и от направления излучения

ψφ = ψn ·cosφ Вт/м2

где φ – угол между перпендикуляром к поверхности и направлением излучения; ψn – плотность лучистого теплового потока, перпендикулярного к плоскости излучения.

ψn = ψ/π

Теплообмен тепловой радиацией между двумя поверхностями с различной температурой определяется по формуле

q1, 2 = ϵ1, 2· ψφ1, 2·5,67[(Т/100)4 – (Т/100)4], Вт/м2К.

q1, 2 – плотность лучистого теплового потока от более теплой поверхности к более холодной, Вт/м2;

ϵ1, 2 – общий коэффициент удельного поглощения; ψφ 1, 2 – величина отклонения от перпендикулярности теплового потока;

Т – абсолютная температура поверхности, К.

Излучение газов

Излучателями могут быть слои трех- и многоатомных газов, таких как Н2О, СО2, SО2 и др. Газы излучают теплоту всем объемом.

Плотность лучистого теплового потока из излучающего газового потока определяется по формуле:

qр = ϵр·5.67(Тр/100)4, Вт/м2

где:

ϵр – коэффициент поглощения газа;

Тр – абсолютная температура газа, К.

Относительная поглощаемость газовой среды зависит:

— от температуры в среде;

— парциального давления излучающих газов;

— эффективной толщины излучающего слоя.

Плотность теплового потока от излучающего газа к поверхности определяется по формуле:

qр, w = ((ϵw+1)/1)5,67[ϵp(Тр/100)4 – ϵp,w w/100)4], Вт/м2К

где:

ϵw – коэффициент поглощения плоской поверхностью;

ϵp – удельное поглощение газа;

ϵp,w – удельное поглощение газом при температуре стенки;

Тр и Тw – абсолютные температуры соответственно газа и стенки, К.

Интенсификация тепловых процессов в печи обжига

При обжиге керамических строительных материалов, время нахождения изделий при максимальной температуре обжига, и максимальная температура обжига определяются в процессе лабораторных исследований глинистого сырья. Как правило, классический обжиг керамических изделий в печах не позволяет сокращать время термической обработки и решение по интенсификации надо искать в процессах сжигания топлива и теплообмена между газовой средой и обжигаемым материалом.

В печах для обжига строительных материалов температура обжига редко поднимается более 1050°С (при обжиге клинкерных изделий температура может достигать более 1100°С) и воздух нагретый в зоне охлаждения рациональнее использовать на сушку изделий, а не направлять его на газовые горелки, т.к. не надо достигать высоких температур обжига.

В зоне низких температур, где не происходит самовоспламенения газо-воздушной среды, надо использовать горелки, на которых можно регулировать температуру продуктов горения. Такие горелки не дают избыточного количества тепла в зоне их работы, и не происходит локальных перегревов изделий в садке.

В зоне высоких температур хорошо себя зарекомендовали импульсные горелки с высокими скоростями выхода газо-воздушной смеси из сопла горелок. При работе таких горелок не наблюдается видимого факела, и сгорание газо-воздушной смеси происходит в объеме садки изделий на вагонетке.

Для интенсификации теплообмена надо увеличивать площадь контакта изделий со средой печи. Садка должна быть сложной с каналами и изгибами.

Для интенсификации тепловых процессов важное значение имеет теплопередача конвекцией. При конвективном теплообмене наиболее важным параметром является скорость потока, которую можно увеличить вынужденной циркуляцией среды в печи обжига.

Садка изделий в печи не должна иметь аэродинамической «тени», т.е. зоны, где снижается или отсутствует скорость потока.

Типы печей в производстве керамического кирпича

Основные требований к печам – достижение гомогенного поля температур и равномерного состава среды в печи.

В конспекте не приводятся все типы печей, но если Вам интересен данный вопрос, то можно обратиться к первоисточнику или обратитесь на мой сайт, я предоставлю подробный ответ.

Немного остановлюсь на туннельных печах.

Туннельная печь – это, фактически, теплообменник с противотоком. В первой части печи тепло горячей среды передается садке — зона подогрева.

В третьей части (вторая – зона обжига) разогретая садка отдает тепло системе охлаждения — зона охлаждения.

Вторая часть – зона обжига, это зона с максимальными температурами. Здесь происходит большая часть тепловых процессов в обжигаемом продукте.

Туннельные печи с вагонетками имеют подвижной под в виде состава вагонеток. Подом называются площадки, установленные на металлические тележки с колесами. Под выполнен из огнеупорных материалов и должен выдерживать воздействие высоких температур и вес садки при этих температурах.

Движение состава осуществляется толкателем, привод которого может быть гидравлическим или механическим (сейчас применяется в основном гидравлические толкатели). Давление толкателя производится на первую вагонетку, которая и передает усилие толкателя на весь состав. Вагонетки должны иметь прочную конструкцию, т.к. в период эксплуатации в качестве первой проходят все вагонетки.

Силы давления между вагонетками воспринимают упоры-буфера, которые являются частью стальной конструкции вагонетки.

Футеровка вагонеток должна выполнять теплоизоляционные функции для снижения расхода тепла и защиты колес вагонеток от воздействия высоких температур. Ту же функцию выполняют защитные листы, погруженные в песок и создающие вместе с ним затвор, препятствующий проникновению нагретого воздуха в подвагонеточный канал.

Вагонетки имеют замки, расположенные между стеной печи и вагонеткой и между вагонетками. Замки препятствуют потокам газов проникать в подвагонеточный канал и уменьшают излучение от раскаленных газов и поверхностей.

Для снижения газопроницаемости, между вагонетками устанавливаются уплотняющиеся материалы, которые сжимаются между вагонетками.

Туннельные печи с прямым охлаждением конструктивно выполнены так, что поток холодного воздуха интенсивно охлаждает изделия в садке и нагревается от изделий. На границе зон обжига и охлаждения воздух отбирается из печи и направляется на технологические нужды производства: в сушилку, к горелкам, на отопление помещения.

В современных печах зона охлаждения разделена на участки. На первом участке, за зоной обжига, создается скоростное охлаждение, где садка раскаленная садка охлаждается потоком холодного воздуха до 800-900°С – участок так называемой закалки. На следующем участке охлаждение производится противотоком движения воздуха и садки. Количество подаваемого воздуха регулируется.

Конструктивные элементы печей

Материалы для футеровки и жаростойкие конструкции

Рабочее пространство печи для обжига керамического кирпича конструктивно выполнено в виде специального ограждения – футеровки.

Футеровка может быть выполнена в виде кладки, в виде многослойного бетона, в виде комбинации волокнистых материалов и металла и т.д.

Холодные слои футеровки дополнительно несут механические и конструктивные нагрузки печи. Механические нагрузки: собственная масса конструкции; нагрузка массы обжигаемых изделий; вибрация.

Температурные воздействия на внутреннюю футеровку характеризуются: воздействием высоких температур; температурный градиент (перепад температур); температурное расширение. К нагрузкам внутренней футеровки можно добавить пневматическую эрозию (унос материала кладки газовыми потоками). На внутреннюю футеровку воздействует так же агрессивная химическая среда печи и химические вещества, адсорбирующиеся на поверхности кладки. Напряжения расширения сродни механическим воздействиям на конструкцию футеровки.

Футеровка выполняет несколько функций, поэтому ее выполняют многослойной. Каждый слой выполняет свою определенную функцию: один – несущий; второй – огнеупорный; третий – изоляционный; четвертый – газоуплотняющий.

По функциональной особенности слоя подбирается соответствующий материал.

Свойства конструкционных материалов должны удовлетворять следующим требованиям: высокая прочность, малое температурное расширение; высокая устойчивость к деформациям.

Свойства изоляционных материалов: наименьший коэффициент теплопроводности, возможность сохранения формы и размеров т.е. минимальная усадка, при наибольших эксплуатационных температурах.

Футеровочные материалы подразделяются на штучные, т.е. поставляемые в виде готовых изделий и сыпучие материалы, которые приобретают пластичность и подвижность при добавлении присадки (например, воды).

Футеровочные материалы подразделяются по способу их изготовления на обожженные и необожженные. Обожженные материалы – те, которые прошли термообработку до применения. Необожженные материалы приобретают свои эксплуатационные конечные свойства после нагрева до максимальных эксплуатационных температур.

Основные компоненты огнеупоров:

— динасовые изделия – оксид кремния SiO2;

— глинисто-кремнеземистые материалы состоят из минералов системы Al2O3 — SiO2;

— магнезитовые материалы – оксид магния MgO;

— доломитовые материалы – система MgO – СаО;

— форстерит является минералом состава 2MgO·SiO2;

— огнеупорная шпинель — MgO·Al2O3 или MgO·Cr2O3;

— хромитовые материалы – система FeO·MgO — Cr2O3 — MgO·Al2O3;

— углеродсодержащие изделия изготавливают из графита, кокса, термоантрацита;

— цирконовые материалы – руды состава ZrО2·SiO2 со стабилизированным диоксидом циркония ZrО2;

— оксидная керамика, при чистоте химических элементов 99%: ZrО2, Al2O3, MgO и СаО;

— карбидные материалы — SiС;

— нитридные материалы – нитрид кремния NSi3 или нитрид бора NВ.

Рекомендации проектирования футеровки печи для термической обработки строительных керамических изделий.

1. Проект должен соответствовать расчету. Расчет производится для равновесного стационарного состояния системы.

2. Всегда применять материалы при температуре не выше, указанной изготовителем материалов.

3. Если кирпичная конструкция подвергается воздействию высоких температур, то срок ее эксплуатации увеличивается при более тонкой футеровке. Если нормы безопасной эксплуатации запрещают повышение температуры поверхности выше 70°С, то в этом случает надо предусмотреть защитные экраны. Установка защитных экранов выгоднее, чем увеличение толщины футеровки. При больших объемах кладки возникают остаточные линейные и объемные деформации из-за различных линейных расширения материалов и растворов кладки. При необходимости перевязки различных слоев кладки, то при температуре эксплуатации, линейное расширение одного слоя должно совпадать с линейным расширением второго слоя. Если этого не учитывать, то кирпич перевязки будет испытывать разрушающую нагрузку на срез.

4. Количество термошвов в кладке должно соответствовать линейным и объемным расширениям материала кладки. Чрезмерное количество термошвов ослабит кладку.

5. Всегда применяйте правило «кладка движется к огню». Для снижения этого процесса надо нагружать вертикальную конструкцию огнеупорной кладки весом свода или распереть конструкцией подвесного свода. Первый слой футеровки всегда должен быть нагружен.

6. Надо предотвратить возможность химических реакций между материалами кладки и раствора, т.к. в противном случае возможно образование эвтектических растворов и разрушение кладки.

7. Химический состав футеровки должен быть нейтральным к обжигаемому материалу.

При футеровки следует обратить внимание на применение минеральных высокотемпературных волокон, т.к. эти материалы совмещают в себе и огнеупорные и теплоизоляционные свойства. Волокнистые высокотемпературные материалы нельзя использовать в печах с агрессивной средой. К агрессивной среде относятся: пепел, летучие составляющие глазурей, газовая атмосфера приготовления ферритов.

Стальные конструкции печи обжига керамического кирпича

Печь для обжига керамического кирпича состоит из таких стальных конструкций: каркас, металлические рубашки, арматура, песочные затворы, рабочие и переходные площадки, лестницы, перила, закрывающие устройства.

В конспектируемой книге достаточно подробно описаны все вышеперечисленные элементы, но к технологии они конкретно не имеют отношения. Исключение могут составить песочные затворы и двери печи.

Песочный затвор – это желоб, заполненный зернистым материалом соответствующей зернистости, и, погруженный в него стальной нож. Важными характеристиками песочного затвора является степень погружения ножа и зернистость заполнителя.

Для равномерного заполнения желобов в стенах печи устанавливаются бункера с течками. Например, в туннельной печи, которая имеет длину 120 м устанавливается три пары бункеров с течками.

Для поддержания стабильного аэродинамического режим в период проталкивания состава вагонеток и во время входа и выхода вагонеток, в печи устанавливаются двери. В современных печах устанавливается две пары дверей, на входе две двери и на выходе две двери. Такое количество дверей обеспечивает постоянство теплового и аэродинамического режимов печи. В пространстве между дверьми можно создавать избыточное давление или, наоборот, разряжение.

Горелочные и топочные устройства

Газотехническое оборудование

Не буду подробно останавливаться на этих разделах. Эти темы подробно опишу, когда предоставлю Вашему вниманию конспекты специальной литературы.

Остановлюсь на описании некоторых систем туннельной печи обжига:

Газо-воздушные завесы

Газо-воздушные завесы разделяют печной канал на несколько частей за счет использования кинетической энергии вытекающей струи. Такие завесы заменяют механические закрывающие устройство внутри печного канала. Завесы препятствую смешению газовых сред различных зон печи. Кинетическая энергия завесы и, соответственно, отсекающая способность, повышается за счет правильного подбора притока и отсоса рабочей среды завесы. В плоскости действия завесы создается или избыточное давление, или разряжение. Избыточное давление, в виде подпора создается в том случае, когда рабочая среда завесы не является вредной для газовой среды печи или для обжигаемых в печи изделиях. В иных случаях применяется разряжение.

Применение пневматических завес:
— вход вагонеток в печной канал;
— разделение участков с различными газовыми средами (например, участки печи с восстановительной, окислительной или нейтральной средами). На стыке участков с различными средами применяют завесы с разряжением. В завесах с разряжением давление в плоскости завесы ниже, чем перед завесой, что предотвращает смешивание среды атмосферы печи.;
— отделение зоны обжига от зоны охлаждения для предотвращения попадания продуктов сжигания топлива в зону охлаждения. Завеса между зоной обжига печи и зоной охлаждения является одновременно и первой ступенью охлаждения.;
— на выходе из печи для предотвращения попадания продуктов обжига в производственный корпус. Эти завесы выгодно проектировать как место подачи всего объема холодного воздуха, необходимого для охлаждения всего обожженной продукции.

Вытяжные системы

Через вытяжные системы печи транспортируются и удаляются продукты сжигания топлива и «паразитные» воздушные потоки, поступающие печной канал.
Состав дымовых газов:
— наличие продуктов горения углеродного топлива (СО2 и СО);
— наличие значительного количества паров воды, которые являются продуктом сжигания топлива и удаления из изделий остаточной влаги;
— наличие сернистых соединений, которые также являются продуктом горения топлива и разложения серосодержащих соединений при нагревании и обжиге изделий;
— наличие несгоревших частиц топлива в виде пепла и сажи.
Проблемы, которые возникают при удалении дымовых газов.
При температуре контактных поверхностей ниже 100°С, водяные пары конденсируются в виде жидкости и конденсат необходимо удалять для предотвращения его накапливания в нижней части дымовой трубы.
Пары воды взаимодействуют с серосодержащими газами с образование серной или сернистой кислоты, которая вызывает значительную коррозию поверхности печи и металлических элементов воздуховодов.
Пепел и сажа откладываются на поверхности конструкций печи в виде пористого теплоизоляционного слоя, который так же способствует разрушению этих конструкций.

(продолжение статьи следует)

Эдуард Цыбулько

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *