Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Расчет футеровок высокотемпературных электротехнологических установок. Учебное пособие
.pdf
Министерство образования и науки Российской Федерации
Саратовский государственный технический университет
Д.А. Давыдов, К.Н. Огурцов
РАСЧЕТ ФУТЕРОВОК
ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫХ
ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ
УСТАНОВОК
Учебное пособие для студентов направления 140300
Электронное издание сетевого и локального распространения
Саратов 2012
1
УДК 621.365
ББК 31.292
Д 12
Рецензенты:
Кафедра «Автоматизация и управление технологическими процессами»,
кандидат технических наук, доцент Е.М. Самойлова
Старший научный сотрудник Института радиотехники и электроники РАН,
кандидат технических наук, доцент С.Ю. Суздальцев
Одобрено
редакционно-издательским советом
Саратовского государственного технического университета
Давыдов Д.А.
Д 12 Расчет футеровок высокотемпературных электротехнологических установок: учеб.
пособие / Д.А. Давыдов, К.Н. Огурцов – Саратов: Сарат. гос. техн. ун-т, 2012. – 86 с.
ISBN 978-5-7433-2588-7
В учебном пособии проанализированы современные виды теплоизоляционных и огнеупорных
материалов, предложены рекомендации по их применению при разработке и расчетах футеровок электротермических установок. В пособии приведены примеры тепловых расчетов электротермических установок, в том числе и нового класса печей – высокотемпературных СВЧ-установок.
Для студентов специальности 140605 «Электротехнологические установки и системы» и направ
ления 140400.62 «Электроэнергетика и электротехника». Рекомендуется для научных сотрудников и аспирантов соответствующего профиля.
-
Редактор К.А. Кулагина
Компьютерная верстка Т.В. Семёновой
УДК 621.365
ББК 31.292
© Саратовский государственный
технический университет, 2012
ISBN 978-5-7433-2588-7 © Давыдов Д.А., Огурцов К.Н.
2
ОГЛАВЛЕНИЕ
Введение .................................................................................................................................... 4
1. Теплоизоляционные и огнеупорные материалы ........................................................... 5
1.1. Теплоизоляционные материалы для внешней футеровки ..................................... 5
1.2. Огнеупорные материалы для внутренней и внешней теплоизоляции ............... 25
2. Примеры расчета футеровок ЭТУС .............................................................................. 37
2.1. Тепловой расчет барабанной печи сопротивления .............................................. 37
2.2. Исходные данные для расчета футеровки печи сопротивления ......................... 39
2.3. Пример теплового расчета печи и оформление расчетной записки ................... 41
2.4. Расчет футеровки дуговой сталеплавильной печи ............................................... 59
2.5. Расчет футеровки высокотемпературных СВЧ-установок .................................. 67
2.6. Теплообмен при высоких температурах ............................................................... 72
2.7. Футеровка рабочих камер ....................................................................................... 77
2.8. Моделирование процесса нагрева объекта в СВЧ-камерах ................................ 81
Список используемой литературы 87
3
ВВЕДЕНИЕ
Современные электрические печи – сложные технические устройства, в которых электрическая энергия преобразуется в тепловую. Это тепло используется для различных технологических операций: плавки, закалки, отпуска, цементации, спекания и др. Традиционно в электротермии выделяют низкотемпературные, среднетемпературные и высокотемпературные установки. В зависимости от температуры внутри печи преобладают
те
или иные виды теплообмена в рабочем пространстве и определяется метод расчета нагрева материалов. В состав почти всех электротермических
установок входит футеровка. Она позволяет снизить тепловые потери
установки, поднять температуру в рабочей камере, защитить обслуживающий персонал от высоких температур. В последнее время появились новые
современные футеровочные материалы и новые классы
электротермических установок, расчеты футеровок которых пока мало исследованы
(например, высокотемпературные СВЧ-установки).
В данном учебном пособии предпринята попытка собрать некоторые
сведения по новым футеровочным материалам и показать некоторые способы расчета традиционных электротермических устройств и новых СВЧустановок.
4
1. ТЕПЛОИЗОЛЯЦИОННЫЕ
И ОГНЕУПОРНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Создание эффективных и экологически безопасных теплоизоляционных материалов – одна из важнейших задач ученых и практиков в современном мире. Чаще всего речь идет о высокотемпературной изоляции
промышленного оборудования, трубопроводов, агрегатов газовых и паровых котельных, систем отопления и горячего водоснабжения, а также
нефтепроводов и газопроводов.
Высокотемпературная
теплоизоляция – способ защиты различных
объектов, конструкций, оборудования от воздействия высоких температур.
В качестве теплоизоляции обычно используют материалы с низким коэффициентом теплопроводности. На теплопроводность изоляционного материала также сильно влияет процент влажности в его толще. При попадании
влаги в толщину теплоизолирующего слоя значительно снижаются его
функции.
Теплоизоляционные материалы классифицируют по
форме, внешнему виду, структуре, исходному сырью, жесткости (относительной деформации при сжатии), теплопроводности и горючести и ряду других параметров.
Традиционным методом футеровки является внешняя футеровка
объекта. Однако в случае СВЧ электротермических установок, применяя
свойство избирательности нагрева, можно футеровать нагреваемый объект.
В зависимости от условий, когда в рабочих камерах достигается
высокая температура порядка 1000°С, можно использовать и внутреннюю
и внешнюю теплоизоляцию. Внутренняя футеровка должна обладать основными требованиями, такими, как огнеупорность, радиопрозрачность
и очень низкий tgδ.
Материалы, используемые для внешней высокотемпературной изоляции, должны иметь особый химический состав, позволяющий изолировать конструкции от контакта с агрессивными средами. Основное свойство
таких теплоизоляционных материалов – температуростойкость, низкая
теплопроводность.
1.1. Теплоизоляционные материалы для внешней футеровки
Теплоизоляционные материалы по температуре применения условно
можно разделить на три группы: низкотемпературные (до 900°С), среднетемпературные (900-1200°С), высокотемпературные (свыше 1200°С).
Низкотемпературные теплоизоляционные материалы[8].
Минеральная вата и изделия из нее – теплоизоляционный материал,
в основном состоящий из тончайших стекловидных волокон
толщиной до
8 мкм, длиной от 5 до 40 мм, получаемых путем распыления расплавов
5
шихты из металлургических и топливных шлаков, горных пород или иных
силикатных расплавов. В качестве сырья могут быть использованы попутные продукты различных отраслей промышленности, а также отходы промышленности строительных материалов. Таким образом, основное исходное сырье для изготовления минеральной ваты не является дефицитным.
Минеральная вата применяется для изготовления теплозвукоизоля-
ционных
изделий, а также в качестве теплоизоляционного материала
в строительстве и промышленности при температуре изолируемых поверхностей до плюс 600°С.
Качество минеральной ваты определяется главным образом содер-
жанием неволокнистых включений, длиной и диаметром волокна.
Теплоизоляционные материалы на основе минерального волокна
позволяют создать различные варианты легких конструкций.
Свойства изделий можно регулировать, изменяя
технологию обработки, состав материала и характер пористости. Это позволяет выпускать
разнообразные изделия с заранее заданными свойствами применительно
к различным условиям эксплуатации. В зависимости от вида применяемого
сырья минеральную вату иногда называют каменной, шлаковой, базальтовой и др.
Из минеральной ваты изготовляют прошивные маты с небольшим
содержанием связующего (1-2%), необходимым лишь для
обеспыливания
волокна (табл. 1.1).
Таблица 1.1
Свойства прошивных матов
Плотность уплотненного слоя минеральной
ваты в матах (кг/м3), не более
Коэффициент теплопроводности (Вт/(м·К)) 0,046 0,044 0,044
Температура применения (°С) до 700
110 120 150
Стеклянное волокно и изделия из него (стекловолокно) – разновидность минерального волокна. Оно является полуфабрикатом при производстве теплоизоляционных и акустических изделий. Сырьем для изготовления стекловолокна служит шихта, состоящая из кварцевого песка, известняка (доломита) и соды (сульфата натрия), смешанных в определенной
пропорции. Шихта расплавляется в стекловаренной ванной печи и
затем
перерабатывается в стекловолокно.
В зависимости от среднего диаметра различают стекловолокно: ультратонкое (УТВ) диаметром менее 1 мкм, супертонкое (СТВ) – 1-3 мкм,
тонкое – 4-12 мкм, утолщенное – 12-25 мкм и толстое – более 25 мкм.
По длине волокно подразделяется на непрерывное (длиной 3 м и бо-
лее) и штапельное (длиной 30-50 мм). Из непрерывного стекловолокна изготовляют теплоизоляционные маты,
6
полосы. Стекловолокно имеет очень
малую среднюю плотность (до 150 кг/м3) и обладает еще лучшими теплоизоляционными свойствами по сравнению с минеральной ватой.
Маты и полосы из стеклянного волокна – это эластичные пластины
прямоугольной формы, состоящие из нескольких наложенных один на
другой слоев стеклянного волокна, покрытые с двух сторон стеклотканью
или стеклохолстом и прошитые в продольном или поперечном направлении хлопчатобумажными или
стеклянными нитями.
В зависимости от среднего диаметра стекловолокна и материала покрытия маты выпускают марок МТС-12 (диаметр волокна 12 мкм, покрытие стеклотканью марки А), МТХ-20 и МТХ-30 (диаметр волокна соответственно 20 и 30 мкм, покрытие стеклохолстом марки ВВ-Т); полосы имеют
марку ПТХ-30 (диаметр волокна 30 мкм, покрытие стеклохолстом). Размеры матов и
полос, а также показатели их физико-механических свойств
в зависимости от марки приведены в табл. 1.2.
Таблица 1.2
Размеры матов и полос из стекловолокна
и показатели их физико-механических свойств
Показатели МТС-12 МТХ-20, МТХ-30 ПТХ-30
Размеры (мм):
длина
ширина
толщина
Средняя плотность (кг/м
Температуростойкость (°С)
Теплопроводность
при температуре 298К (Вт/(м·К))
Влажность (%), не более 5
3
)
1000
500
5; 9
110 150 – 175 175
500 450
0,047-0,052
1000-3000
300-700
20; 30; 50
500-3000
200-250
20; 30; 50
Маты из стекловолокна применяют для изоляции аппаратов и трубопроводов диаметром 108 мм и более, полосы – для изоляции трубопроводов диаметром менее 108 мм при температуре изолируемой поверхности от минус 180°С до плюс 450°С или плюс 500°С (в зависимости от
марки).
Стеклянная и минеральная ваты и волокно применяются в форме засыпки для заполнения пространства между огнеупорной кладкой и кожухом печи, а также в виде матрацев и матов. Стеклянное волокно лучше выносит вибрацию (вата от вибрации уплотняется, в целях уменьшения этого
явления ее несколько уплотняют при укладке, лучше ее применять в виде
матов), кроме того, оно менее вредно. Мелкие волокна
ваты, попадая на
слизистые оболочки, раздражают их, вызывая воспаление, тогда как длинные нити стеклянного волокна не вызывают этих явлений. Однако стеклянное волокно значительно дороже ваты.
7
Асбест и изделия из него. Термин асбест объединяет различные по
своему составу и свойствам минералы: хризотил, крокидолит, амозит, антофиллит, иногда тремолит, актинолит, режикит (близок магнезиорибекиту
и магнезиоарфведсониту), родусит (разновидность магнезиорибекита)
и др., обладающие способностью разделяться на тонкие волокна. Последние отличаются весьма высокой прочностью, эластичностью и прядильными свойствами, термостойкостью
, низкой электропроводностью, кисло-
то- и щелочестойкостью.
Хризотил («белый асбест») – волокнистая разновидность водного
силиката магния – серпентина. В природном хризотил-асбесте содержатся
примеси
OFe , FeO,
32
OAl ,
32
OCr , NiO, МnО, CaO, ONa
32
и OH2.
2
Хризотил-асбест имеет весьма высокую температуру плавления (1521°С),
приблизительно при 700°С теряет кристаллизационную воду и становится
хрупким. По сравнению с амфибол-асбестами менее устойчив к воздействию кислот (разлагается в соляной кислоте); однако он щелочеустойчив,
отличается высокими сорбционными, тепло- звуко- и электроизоляционными свойствами. Средняя плотность асбеста зависит от степени
распушки асбеста, уплотнения волокна и увеличивается с уменьшением
длины волокна и с увеличением содержания пыли. Плотность асбеста
2,4-2,6
г/см
3
.
Крокидолит («голубой асбест») представляет волокнистую разновидность рибекита. Обладая несколько меньшей температурой плавления
(1193°С), крокидолит превосходит хризотил своей устойчивостью к кислотам и щелочам, а также прочностными свойствами.
Амозит («коричневый асбест»), являющийся волокнистой разновидностью грюнерита. Амозит устойчив к действию кислот и щелочей. Имеет
сравнительно невысокие температуру плавления (1000-1200°С) и
проч-
ностные свойства.
Антофиллит – асбест, характеризующийся переменным содержанием
железа. Обладая высокой температурой плавления (1468°С) и устойчивостью к кислотам и щелочам, он имеет короткое твердое волокно относительно невысокой прочности.
Помимо огнестойкости, устойчивости к воздействию кислот и щелочей и других свойств, промышленная ценность асбеста определяется длиной волокна и
его прочностью. Так, по длине волокна хризотил-асбест
подразделяется в нашей стране на 8 сортов (от 0 до 7). Для нулевого сорта
длина волокна превышает 13
мм, а для седьмого – менее 1 мм.
Для тепловой изоляции применяют обычно хризотиловый асбест,
обладающий высокой температуростойкостью (500°С при длительном
нагреве, 700°С – при кратковременном). Прочность волокон асбеста
на разрыв составляет до 3000 МПа и превышает прочность стальной проволоки.
8
Если асбест распушить, то он принимает вид волокнистой массы со
средней плотностью 250-800 кг/м
3
в зависимости от сорта асбеста и степе-
ни его распушки. В таком виде он может быть использован как теплоизоляционная засыпка (асбестит), способная работать до 600°С. Асбест хорошо адсорбирует воду вследствие развитой удельной поверхности. Эта способность асбеста используется для образования пористости у всех асбестсодержащих теплоизоляционных изделий.
К изделиям из асбеста относятся картон и шнуры. Асбестовый картон – огнестойкий листовой материал, изготовленный из хризотилового
асбеста 4-й и 5-й групп с наполнителем и склеивающим веществом. Средняя плотность 1000-1400кг/м3; теплопроводность при температуре 273К
составляет 0,157 Вт/(м·К), при 373К-0,171 Вт/(м·К). Применяют асбестовый картон в качестве теплоизоляционного (марок КАОН-1 и КАОН-2)
и огнезащитного материала при температуре изолируемой поверхности до
500°С.
Обычно асбест используют в качестве армирующего вещества при
изготовлении теплоизоляционных асбестсодержащих изделий (совелитовых, известково-кремнеземистых, перлитоцементных). Кроме того, асбест
добавляют в порошки для изготовления теплоизоляционных мастик (асбозурит) и штукатурок (асбестоцементной, асбозуритоцементной). Введение
асбеста в теплоизоляционные изделия понижает их среднюю плотность
и теплопроводность, повышает прочность.
Асбозурит – асбестотрепельный материал, состоящий из порошкообразной смеси трепела или диатомита с асбестом не ниже 6-й группы
в количестве не менее 15%. По средней плотности асбозурит разделяют
на марки 700, 800; теплопроводность при температуре 298 К составляет
от 0,170 до 0,190 Вт/(м·К). Асбозуритовую мастику, получаемую из
асбозурита, применяют для изоляции поверхностей с температурой до
900°С. Мастику наносят на поверхности, предварительно нагретые до
150°С.
Теплоизоляционные совелитовые изделия состоят из углекислого
магния MgCО3, углекислого кальция СаСО3 и асбеста. Такие изделия изготовляют путем прессования и сушки массы, полученной смешением доломита (горная порода СаСО3 – MgCО3) с асбестом марок П-5-50 и П-6-40
в количестве 15% от массы доломита.
По средней плотности совелитовые изделия разделяют на марки 350
и 400 (табл. 1.3). Совелитовые изделия применяют для тепловой изоляции
оборудования и трубопроводов при температуре изолируемых поверхностей до 500°С.
Известково-кремнеземистые изделия изготовляют из тонкоизмельченной смеси извести, кремнеземистого материала (трепел, диатомит,
кварцевый песок) с содержанием диоксида кремния SiО2 не менее 75 %
и асбеста 5-й или 6-й группы полужесткой структуры.
9
Таблица 1.3
Показатели физико-механических свойств
совелитовых изделий в зависимости от марки
Средняя плотность (кг/м3) (марка), не более 350 400
Теплопроводность (Вт/(м·К)), не более,
при средней температуре (К):
298 ±5
398 ±5
Предел прочности при изгибе (МПа), не менее 0,20 0,22
0,079
0,091
0,084
0,095
По средней плотности известково-кремнеземистые изделия разделяют на марки 200 (высшая категория качества) и 225 (первая категория качества) (табл. 1.4).
Таблица 1.4
Физико-механические свойства известково-кремнеземистых изделий
Средняя плотность в сухом состоянии
(марка), (кг/м3), не более
Теплопроводность (Вт/(м·К)), не более,
при средней температуре (К)
298±5
398±5
573±5
Предел прочности при изгибе в сухом
состоянии, МПа, не менее
Линейная температурная усадка
при температуре 600°С (%), не более
Влажность (%), не более
Температуроустойчивость (°С)
200 225
0,058
0,070
0,104
0,35 0,35
1,8 2,0
65 70
600 600
0,065
0,077
0,112
Изделия применяют для тепловой изоляции поверхностей трубопроводов и оборудования при температуре изолируемых поверхностей до
600°С. Широкое применение они получили в перестроении, изоляции котельного оборудования. К их достоинствам следует отнести полное отсутствие в них органических веществ.
Вулканитовые изделия – разновидность известково-кремнеземистых
изделий. Их изготавливают т из диатомита, извести и асбеста 6-й. По средней плотности вулканитовые изделия разделяют на марки 300, 350 и 400
(табл. 1.5).
Линейная температурная усадка изделий при 600°С не должна превышать 2%. Влажность изделий по массе составляет около 30%. Размеры
вулканитовых изделий такие же, как у совелитовых. Вулканитовые изделия используют для тепловой изоляции оборудования промышленных
установок при температуре изолируемой поверхности до 600°С.
10
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]