Печи / Моргунов Печи литейных цехов

где Vпор - объем пор в слое материала (м3); Vсл – общий объем слоя материала (м3).

Рис. 1.9. Схемы печей со слоевым режимом тепловой работы:

а – с фильтрацией теплоносителя через плотный «толстый» пористый слой кускового материала; б – с фильтрацией теплоносителя через разуплотненный пористый слой сыпучего материала при механическом воздействии (вращение барабана); в – с фильтрацией теплоносителя через псевдоожиженный (кипящий) слой сыпучего материала; г – с движением разуплотненного сыпучего мате-

риала совместно с потоком теплоносителя

Схемы печей со слоевым режимом тепловой работы представлены на рис. 1.9, где представлены все три разновидности.

Слоевой режим с фильтрацией теплоносителя через плотный пористый слой кускового материала. Плотный слой кускового материала образуется под действием сил тяжести. Порозность такого слоя, как правило, меняется в очень узких пределах (порядка 0,45-0,47). В печах с фильтрацией теплоносителя через плотный пористый слой материала (см. рис. 1.9,а) газообразный теплоноситель фильтруется через слой материала, как правило, снизу вверх, при этом передает часть своей тепловой энергии. Материал очень часто также движется, как, например, в шахтных плавильных печах (вагранках). По такой схеме слоевого режима можно производить сушку и подогрев шихтовых материалов.

Слоевой режим с фильтрацией теплоносителя через разуплотненный (псевдоожиженный) пористый слой сыпучих материалов.

Псевдоожиженный слой сыпучего материала в рабочем пространстве печи

32

может осуществляться под действием различных внешних сил (механических, газодинамических и иных). К таким слоям можно отнести:

-слой сыпучих материалов, разуплотненный при вращении барабана, внутри которого расположен тот или иной материал (рис. 1.9,б);

-«кипящий» слой сыпучего материала, созданный под действием кинетической энергии потока газообразного теплоносителя (рис. 1.9,в).

В разуплотненном слое порозность меняется в широких пределах. Это оказывает значительное влияние на интенсивность теплообмена.

Возникновение «кипящего» слоя. При определенном значении скорости газа, фильтрующегося через слой сыпучего материала (с размерами частиц от 0,5 до 4,0 мм), частицы начинают раздвигаться относительно друг друга. Объем слоя увеличивается. Слой начинает перемещаться. Наступает момент псевдоожижения слоя. Причем увеличение объема при переходе в псевдоожиженное состояние, в зависимости от свойств сыпучего материала, может колебаться в пределах:

где Vож - объем слоя в псевдоожиженном состоянии (м3); Vпл – объем слоя в плотной упаковке, до ожижения (м3).

Для аэродинамического состояния "кипящего" слоя характерны две скорости – минимальная (ϖ мин), при которой начинается ожижение, и максимальная (ϖ max), при которой слой начинает переходить во взвешен-

ное состояние. Скорости газа в любом месте «кипящего» слоя ϖ к, очевидно, должны удовлетворять условию:

где ϖ мин, ϖ max и ϖ к – скорости минимальная, максимальная и «кипящего» слоя, отнесенные ко всему сечению слоя (м/с), без учета порозности слоя.

Отношение средней скорости потока по сечению слоя (ϖ к) к минимальной скорости начала псевдоожижения (ϖ мин) называется числом псевдоожижения (W):

33

Устойчивое состояние псевдоожижения, как правило, наблюдаеся при значении числа псевдоожижения:

W = (2 – 6).

Значения ϖ мин и ϖ max можно найти по значениям критериев Рейнольдса (минимального и максимального). Минимальное значение критерия Рейнольдса (Reмин), которое соответствует началу псевдоожижения находится по следующей эмпирической зависимости:

Максимальное значение критерия Рейнольдса (Remax) можно определить по следующей зависимости:

где Аr – критерий Архимеда;

f и fк – порозность плотного и «кипящего» слоев сыпучего материала.

Критерии Рейнольдса со скоростью потока газа связан следующими соотношениями:

где ρГ – плотность газа (кг/м3);

dГ – гидравлический диаметр потока газа (м);

µ – динамичесий коэффициент вязкости газа ( Нм2с );

ν – конематический коэффициент вязкости газа ( м2 );

с

34

Теплопередача между газом и частицами в «кипящем» слое происходит главным образом конвекцией, что объясняется в основном малым диаметром частиц (0,5 - 4 мм) и хорошими условиями их обтекания.

Значения коэффициента теплоотдачи (αкип) в «кипящем» слое на-

Здесь следует отметить, что значение теплоотдачи в «кипящем» слое окружающим поверхностям во много раз превосходит значение теплоотдачи от простого потока газа, разумеется при сопоставимых условиях.

Коэффициент теплоотдачи конвекцией (αк) в «кипящем» слое окружаю-

Слоевой режим тепловой работы со взвешиванием частиц материала в потоке теплоносителя. Во взвешенном состоянии частиц число псевдоожижения достигает величины – W > 50. При этом частицы увлекаются потоком газа (см. рис. 1.9,г).

Частицы в потоке газа могут двигаться ускоренно (а > 0), замедленно (а < 0) или с постоянной скоростью (а = 0). Размеры частиц материала, применяемого для тепловой обработки во взвешенном состоянии, находятся в пределах 0,05-0,5 мм.

В зависимости от организации газовых потоков в рабочем пространстве движение частиц материала и газа может быть: спутным, встречным и перекрестным. В основном применяется спутное движение, которое может быть организовано вертикальным, горизонтальным или спиралевидным (циклонным). Спиралевидное спутное движение наиболее перспективно, так как позволяет создавать компактные агрегаты для тепловой обработки высокой производительности.

При спутном вертикальном взвешивании необходимо создать определенное равновесие сил, действующих на частицу, которое приведено в следующем уравнении:

где mч – масса частицы (кг);

ач – ускорение частиц в потоке газа (м/сек2);

36

mГ – масса газа (кг);

g – ускорение свободного падения (9,8 м/сек2);

Кч – постоянный коэффициент сопротивления формы частицы; ωГ – скорость потока газа (м/сек); ωч – скорость частицы в потоке газа (м/сек); ρч – плотность частицы (кг/м3);

Fм – площадь наибольшего сечения частицы в плоскости, перпендикулярной направлению ее движения (миделево сечение) (м2);

Rтр. – результирующая сил трения при движении частицы в потоке газа

(Н).

1.5.4. Внутренний режим

Внутренний режим тепловой работы характеризуется генерацией теплоты непосредственно в обрабатываемом материале. Например, за счет подведенной к нему электрической энергии. При этом режиме тепловой работы отсутствует теплоноситель как передаточное звено в теплообмене.

Рис. 1.10. Схемы печей (плавильных) с внутренним режимом тепловой работы: а – электрических; б – топливных

Внешний теплообмен, в данном случае, связан не с нагревом материала, а, наоборот, с потерями теплоты. Такой режим тепловой работы характерен для индукционных плавильных печей и конверторов. В индукционных печах за счет электротехнических свойств обрабатываемого материала, при наведении в нем электродвижущей силы (э.д.с.), производится

37

генерация теплоты внутри материала (см. рис. 1.10а). В конверторах генерация теплоты внутри обрабатываемого материала производится за счет химической энергии его элементов (см. рис. 1.10б). Частично этот режим тепловой работы присутствует в плавильных дуговых и мартеновских печах (где присутствует металлургический этап выжигания элементов сплава).

1.6. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ОГНЕУПОРНОЙ ОБОЛОЧКИ ПЕЧНОГО ПРОСТРАНСТВА

Огнеупорная оболочка печного пространства выполняет, как правило, две основные функции: технологическую и теплотехническую. Кроме этих двух основных функций огнеупорная оболочка может выполнять строительную функцию. В связи с этим она должна обладать, как минимум, определенной строительной прочностью.

Главной технологической функцией оболочки является герметизация рабочего пространства печи от окружающего пространства. При этом следует учитывать, что высокие температуры в печи могут значительно изменить прочностные и иные свойства выбранной оболочки для герметизации. Оболочка может вступать в химическое взаимодействие с печными газами, жидкими сплавами и шлаками. Очень часто на оболочку печи оказывается механическое воздействие материалом (происходит ее истирание). То есть для выполнения своей технологической функции оболочка печи должна соответствовать определенным требованиям. Она должна иметь:

-высокую температуру начала размягчения, т.е. высокую огнеупорность;

-устойчивость против резких изменений температуры;

-максимальную химическую сопротивляемость воздействию шлаков, печных газов и жидкого металла;

-минимальное изменение размеров в процессе службы;

-определенную плотность, которая существенно влияет на массу печи, на количество аккумуляции теплоты печью, на прочность несущих строительных частей печи;

-размерную точность изготовления, что влияет на ее долговечность (особенно это касается изделий из которых выполняется оболочка).

Вкачестве примера, в табл. 1.2 проставлены данные по максимально допустимой температуре нагрева распространенных огнеупорных изделий для изготовления огнеупорной оболочки (футеровки).

38

Таблица 1.2

Максимально допустимые температуры футеровки печи из различных материалов и изделий

Оценка устойчивости огнеупорных материалов или их химической сопротивляемости воздействию шлаков, жидких сплавов и печных газов по трехбальной шкале (отличная, удовлетворительная или плохая) представ-

лена в приложении Б.

Например, динасовые огнеупоры имеют отличную химическую сопротивляемость воздействию кислых шлаков и плохую – воздействию основных шлаков, а магниевые огнеупоры, наоборот, плохую сопротивляемость при воздействии кислых шлаков и отличную – при воздействии основных.

Значения плотности огнеупорных и теплоизоляционных материалов и изделий представлены в приложении В.

Теплотехническая функция оболочки выражается в ее способности теплоизолировать рабочее пространство печи от окружающего про-

странства. Эта способность оболочки оценивается ее теплопроводностью и толщиной. В любом случае тепловой поток, проходящий через оболочку печи, прямо пропорционален ее коэффициенту теплопроводности и обрат-

но пропорционален ее толщине (λ/δ). В связи с этим одним из самых главных теплотехнических требований к оболочке является минимально возможное значение ее коэффициента теплопроводности. В высокотемпера-

39

турных печах толщина теплоизоляционной оболочки может достигать значительных размеров и, соответственно, значительной массы. Поэтому оболочка должна обладать по возможности, минимальной плотностью. Данные требования к оболочке не исключают определенные требования к огнеупорности и прочности.

Оболочка печи, в процессе ее работы, участвует в теплообмене, как внутри, так и с окружающей средой. Тепловой поток через огнеупорную оболочку печи в окружающую среду может достигать значений 4,65-7,00 кВт/м2 (в качестве сравнения, тепловой поток внутри печи имеет значение порядка 470-930 кВт/м2). Тепловые потери через огнеупорную оболочку печи складываются из двух составляющих, это:

- потери теплоты, связанные с градиентом температуры (∆Т) в оболочке значениями коэффициента ее теплопроводности (λ) и толщины стенки (δ) (чем выше значение ∆Т, тем больше теплопотерь; чем больше значение δ и меньше λ, тем меньше теплопотерь);

- потери теплоты, связанные с аккумуляцией определенного количества теплоты (Qакк) оболочкой и последующей, при охлаждении печи, передачей ее в окружающую среду; данный вид теплопотерь связан с определенными характеристиками оболочки, как ее масса (Мф), теплоемкость (Сф), температура конечного нагрева (Тф), а также с длительностью цикла термического воздействия на материал (период) (чем выше Тф, ее

Сф и Мф, тем больше Qакк; чем выше значение Qакк, тем больше теплопотерь при охлаждении печи).

Потери аккумулированной теплоты имеют значительную величину в печах периодического действия, в которых через определенный цикл происходит ее охлаждение. Поэтому в печах периодического действия следует применять огнеупорную оболочку с минимально возможной массой и минимальным значением теплоемкости.

Значения удельных теплоемкостей и других теплофизических свойств огнеупорных и теплоизоляционных материалов изделий, в качестве ознакомления, представлены в приложении В.

По своему исполнению огнеупорные оболочки печей (футеровка печей) может быть из одного материала (однослойная оболочка) и из нескольких материалов (многослойная оболочка). Наиболее распространены три основных исполнения:

-однослойная футеровка;

-двухслойная с внешним теплоизолирующим слоем и внутренним слоем высокой огнеупорности;

-трехслойная с дополнительным внешним теплоизолирующим слоем малой огнеупорности.

40