Технология кирпича

Энергоэффективные системы туннельных печных вагонеток в тяжёлой керамической промышленности

Д-р Фолькер Хессе, D-Мелле/Бур

В промышленности по производству глиняного кирпича развитие систем туннельных печных вагонеток всегда было главной темой для предприятий, выпускающих глиняный кирпич и кровельную черепицу. Данная статья представляет некоторые соображения по этому вопросу от компании Burton-Werke, которая является поставщиком систем туннельных вагонеток для большинства кирпичных и черепичных заводов Германии.

С точки зрения общего развития технологии обжига, тенденция заключается в использовании автоматизированного обжигового оборудования для удовлетворения растущих потребностей в керамических изделиях, с более точной подготовкой сырья и более однородными сырцами. Сюда входят роликовые печи, печи Монкера, высокочастотные технологии и т.д.

Однако наряду с этими разработками традиционные туннельные печи, безусловно, сохранят своё место, и они развиваются во многих отношениях, не только в части обжиговых компонентов.

Прежде чем принять решение о конкретной технологии обжига, обычно проводят анализ затрат и выгод, учитывая необходимые продукты и используемое сырьё.

Что касается развития туннельных печных вагонеток, можно выделить следующие аспекты, которые заслуживают особого внимания.

Общий взгляд на туннельные печные вагонетки

Это касается не только технических и экономических расчётов, но и ожиданий пользователя. Для поставщика систем задача состоит не в том, чтобы выбрать одно стандартное решение или другое, а в том, чтобы создать для пользователя решение, отвечающее его требованиям, согласующееся с его собственными соображениями и удовлетворяющее его конечные потребности.

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

Факторы затрат при эксплуатации туннельной печной вагонетки

• Износ (амортизация)

• Энергопотребление

• Затраты на обслуживание и очистку

• Ремонт

При анализе факторов потребления легко заметить, что энергопотребление туннельной вагонетки является важным фактором, но далеко не единственным принципом для выбора конкретной системы туннельных вагонеток. Вагонетка является структурным компонентом всей печной системы и подвергается значительным нагрузкам. Если рассматривать этот структурный компонент как независимую систему, то сначала необходимо изучить соответствующие функции.

Целевые функции системы туннельной печной вагонетки

• Хорошее качество продукции

• Минимальное энергопотребление за счёт снижения веса и теплоизоляции (аккумуляция и передача тепла)

• Химическая стойкость к атмосфере туннельной печи и энергоносителям в условиях обжига

• Термическая стабильность (при тепловом ударе и резких падениях температуры)

• Механическая прочность (подвержена влиянию человеческого фактора)

• Стабильность размеров (взаимозаменяемость огнеупорных компонентов, зависит от обратимого расширения)

• Удобство технического обслуживания и ремонта (замена изнашиваемых деталей)

• Низкие инвестиционные и эксплуатационные затраты (короткое время обслуживания)

• Длительный срок службы

Из таблицы ясно, что совершенства достичь невозможно, но можно легко максимизировать выполнение целевых функций вагонетки, пренебрегая второстепенными функциями. Если вес вагонетки резко уменьшить, механическая стабильность системы неизбежно снижается, что, конечно, можно улучшить, используя материалы более высокого качества, но это увеличивает амортизационные расходы и риски обслуживания.

Хотя вышесказанное не является принципиально новым, его следует твёрдо помнить при принятии соответствующих решений. Потому что, когда для туннельной вагонетки устанавливается приоритетный фактор «энергосбережение», не следует упускать из виду другие не менее важные функции.

Рисунок 1 Двухслойные угловые U‑блоки, полые столбики и различные способы изоляции с колоннами и защитными панелями (для бокового обжига, например, однослойного обжига черепицы), тонкие защитные панели

Сегодня в системах туннельных печных вагонеток 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 выпускает все эти материалы самостоятельно, пользователь обычно получает комплексное решение от одного источника, которое может предоставить те же гарантии и обслуживание. На стадии проектирования очень важную роль играет комбинация различных материалов.

При проектировании туннельной печной вагонетки основные цели включают три аспекта: периметр вагонетки, футеровку вагонетки и несущую конструкцию или обжиговую оснастку для укладки кирпича.

Например, для вагонетки размером 7×6 м площадь периметра составляет 10%, площадь несущей конструкции – 5%, площадь футеровки – 85%. Это обычно для современных конструкций вагонеток.

В последние годы с непрерывным развитием технологии обжига, особенно в области выбора материалов, пропорции каждой из вышеперечисленных частей меняются. Наблюдается тенденция: материалы, уже успешно применяемые в тонкой керамике, всё чаще находят применение и в промышленности глиняного кирпича (как показано на рисунке 1).

Развитие конструкции периметра туннельной печной вагонетки

Периметр туннельной вагонетки в основном выполняет следующие функции:

• Лабиринтное уплотнение (зависит от стабильности размеров!)

• Механическая защита футеровки вагонетки

• Защита шасси вагонетки от теплового воздействия

Для этого требуются следующие свойства:

• Стабильность размеров

• Прочность в холодном и горячем состоянии

• Стойкость к тепловому удару или перепадам температуры

С технической точки зрения, для достижения этих функций требуются легковесные огнеупорные бетонные блоки. Экструдированные крупноформатные блоки на основе кордиерита и сухопрессованные крупноформатные блоки также на основе кордиерита – каждое возможное решение имеет свои преимущества и недостатки. Сухопрессованные крупные блоки для периметра вагонетки более подробно рассматриваются ниже.

Такой тип блоков имеет ряд важных преимуществ, таких как высокая стабильность размеров, что исключает необходимость вторичной обработки блоков. При современных сырьевых и производственных технологиях его заданный минеральный состав может быть получен более легко.

В современных печах цикл проталкивания вагонеток становится всё короче, что делает термическую стойкость материалов всё более важной. Burcclight 12/25H, недавно разработанный материал, полностью удовлетворяет этим требованиям.

Результаты испытаний этого материала представлены ниже:

Очевидно, что этот материал имеет более высокую насыпную плотность, чем традиционные легковесные огнеупорные блоки, но по сравнению с ним его можно использовать для изготовления более крупных изделий и более тонких взаимоблокирующихся блоков с термостойкостью. Хотя вес периметра вагонетки, изготовленного из материала Burcclight, значительно отличается от веса с использованием легковесных огнеупоров, его термостойкость и лёгкость сборки значительно улучшены.

Даже на современном полностью автоматизированном кирпичном заводе периметр туннельной вагонетки подвергается высоким тепловым и механическим напряжениям. Помимо требования высокой долговечности материала, ещё более важно, чтобы при повреждении детали периметра её можно было быстро заменить. По этой причине блоки периметра не склеиваются и не укладываются на раствор, а укладываются насухо, с соединением только через зубчатое механическое зацепление – что, очевидно, является очень хорошим методом.

Естественно, это требует определённой точности размеров блоков. Обычно только сухое прессование может обеспечить стабильные размеры блоков; в противном случае точность размеров может быть достигнута только вторичной обработкой.

Прогресс в материалах футеровки туннельных печных вагонеток

Функция современной футеровки туннельной печной вагонетки – теплоизоляция, в то время как нагрузка обычно воспринимается металлическим шасси вагонетки. Эта функция определяет выбор материалов: почти исключительно легковесные, высокоизоляционные материалы. Первыми здесь следует назвать керамические волокна, которые теперь доступны в готовых к использованию марках. По экономическим соображениям, в зависимости от температуры эксплуатации, эти волокна могут быть заменены легковесным бетоном или различными заполнителями, такими как кремнезём, легковесный шамот, пемза и т.д. Следует отметить, что эти изоляционные материалы не могут подвергаться прямому воздействию пламени; они должны быть защищены подходящим поверхностным покрытием, например термостойкой тонкой панелью. Хотя это незначительно увеличивает вес вагонетки, этот метод предотвращает коррозию изоляционного материала, особенно в печах с боковым обжигом. Более того, твёрдый поверхностный слой необходим для эффективной очистки настила вагонетки, что может быть значительным фактором, вызывающим сильный износ, пыль, песок и аварии. Сегодня уже можно производить такие защитные панели толщиной 10 см и размером 500×600 мм.

По мере повышения уровня автоматизации на современных кирпичных заводах и уменьшения количества операторов проблемы, связанные с защитными панелями туннельных печей, уменьшаются. Тем не менее, на практике мы часто видим, что используемые во многих случаях покровные слои позже усиливаются и помещаются на колонны вагонетки для облегчения загрузки и разгрузки. Это также типичный пример серьёзного расхождения между энергосбережением и обслуживанием в соответствии с производственными требованиями.

Сравнение свойств различных материалов изоляционной футеровки вагонеток:

Другой пример – установка передней и задней защитных частей на шасси вагонетки. Такие защиты не нужны, когда цикл проталкивания составляет 10 часов или меньше. Если по технологическим причинам вагонетка должна оставаться в туннельной печи (например, после обвала или снижения скорости проталкивания), преимущество такой защиты – поддержание более низкой температуры днища вагонетки. Использование этого метода в конечном итоге является решением пользователя.

Прогресс в несущих конструкциях вагонеток

Функция колонной конструкции – воспринимать все нагрузки от изделий и обжиговой оснастки во время обжига 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 определённого деформационного поведения при рабочей температуре. Кроме того, вес огнеупорных компонентов должен быть минимизирован. По этой причине большинство компонентов вагонетки подвергаются наибольшим нагрузкам. Естественно, колонная конструкция должна быть спроектирована строго в соответствии с нагрузкой и температурой обжига. Однако анализ недавних проектов систем вагонеток показывает всё больший отход от традиционных огнеупорных систем, то есть систем, состоящих из специальных дымоходов, высоких поперечных опор, специальных колонн с перфорированными панелями (так называемые «Бензен»), и обжиговой оснастки, размещённой на специальных плитах, поддерживаемых центральными колоннами. Фактически, при производстве клинкерного кирпича уже были приняты более тонкие и совершенные системы, использующие экструдированные колонны, на которые можно укладывать крупноформатные несущие кирпичи или плиты, либо балочные конструкции. На рисунке 2 показан пример такой системы.

Рисунок 2

Такие изящные системы больше не используют традиционные огнеупорные глиняные материалы. По этой причине глину измельчают до размера зерна 0–0,2 мм, затем подвергают литьевому формованию, прессованию в гранулы или экструзии в формы, и такие материалы всё ещё используются. Это также касается технологии производства высококачественных огнеупорных компонентов с особыми требованиями. В этой области непрерывно внедряются высокоэффективные материалы: материалы на основе муллит‑нитрид‑связанного карбида кремния, рекристаллизованного карбида кремния и карбида кремния, инфильтрированного кремнием. Эти материалы имеют очень высокие значения прочности, что позволяет значительно уменьшить толщину керамических компонентов и, следовательно, заметно снизить вес огнеупорных изделий. С помощью современных печей с боковым обжигом, использующих высокоскоростные горелки, высота укладки может быть непрерывно снижена до однослойного обжига, и соответствующие несущие конструкции (обжиговая оснастка) будут получать дальнейшее развитие. Благодаря уменьшению веса огнеупорных компонентов, можно достичь подходящей механической стабильности против смещения и вибрации с помощью соединений типа «ласточкин хвост», взаимоблокировки или остроумных болтовых соединений, таких как стопорные планки, колпачки, стержни и жёсткие ограничения допусков компонентов.

Это также значительно стимулировало спрос на более высокий уровень производственных технологий со стороны производителей огнеупорных изделий. Для таких изделий допустимый допуск по размерам составляет 1 мм, что соответствует современному уровню техники. Предпосылками для выполнения вышеуказанных требований являются производство размеростабильных изделий с использованием высококачественного сырья; разработка современных прессовых инструментов, таких как программируемые гидравлические прессы с многоступенчатыми штампами; и точный контроль сушильных камер и печей.

В некоторых случаях при проектировании вагонеток с комбинациями различных вышеупомянутых материалов следует обращать внимание на большое изменение физических свойств, что имеет решающее значение для непрерывной работы и безотказного функционирования системы туннельных печных вагонеток. Поэтому, в то время как предыдущие конструкции вагонеток основывались главным образом на численных значениях, сегодня всё более важную роль играют расчёты энергетических, механических и тепловых характеристик при производстве каждого компонента. На рисунке 3 показана оптимальная конструкция нагрузки, достигнутая с помощью структурных и тепловых расчётов.

Рисунок 3

Сравнение обратимого теплового расширения выбранных конструкционных материалов

Это показывает важность физических свойств материалов при проектировании вагонеток. Например, при рассмотрении обратимого теплового расширения материалов анализ коэффициента теплового расширения показывает, что значения в некоторых случаях сильно варьируются. Если это упустить из виду, это неизбежно приведёт к последствиям, наносящим вред системе вагонеток.

Заключение

Система туннельной печной вагонетки всегда связана с пользователем и продуктом. Знание будущих технологических параметров предприятия, таких как температура обжига, цикл обжига и атмосфера печи, а также учёт различных производственных условий на стадии проектирования имеет важное значение для правильного выбора, позволяющего продлить срок службы системы. Только так можно избежать неблагоприятных факторов и ненужных расходов и оптимизировать систему.

Д-р Фолькер Хессе – заместитель технического директора компании Burton-Werke, Мелле/Бур

Источник статьи

Эта статья написана автором д-ром Фолькером Хессе и впервые опубликована в International Brick and Tile Industry (ZI-China Issue), 1996–1998, китайское комбинированное издание, Bauverlag GmbH. Размещена здесь только для учебных и справочных целей. Авторские права принадлежат автору и оригинальному издателю.

Контактная информация:
Если какой‑либо автор или правообладатель считает способ цитирования на этом веб‑сайте неуместным или желает изменить/удалить контент, пожалуйста, свяжитесь с нами:
Электронная почта: [info@Brictec.com]
Телефон: [029-89183545]
Адрес: [ZTE Industrial Park, No. 10 South Tangyan Road, Xi’an High‑tech Zone, China]
Мы обязуемся ответить в течение 24 часов после получения вашего уведомления и оперативно решить вопрос в соответствии с вашим запросом.

Обязательство об академической честности:
Наша компания строго соблюдает принципы академической честности и уважает интеллектуальную собственность всех учёных. Если имеется какое‑либо некорректное цитирование, мы приносим искренние извинения и немедленно исправим ситуацию.