8. Захист від теплових дій: теплоізоляція, екранування й інші способи

Тепловій ізоляції піддають всі джерела виділень тепла в довколишній простір. За правилами які діють, температура зовнішньої поверхні агрегатів поблизу робочих місць не повинна перевищувати 45°С.

Теплова ізоляція дає можливість не лише поліпшити умови праці і зменшити втрати тепла, але й підвищити продуктивність печей, економити паливо, збільшити термін служби агрегатів, інтенсифікувати технологічний процес тощо.

Для теплової ізоляції застосовують всілякі матеріали: теплоізоляційні вогнетривкі матеріали, спеціальні вогнетривкі маси, вогнетривкі розчини та обмазки, вогнетривкі бетони й інші неорганічні теплоізоляційні матеріали (діатоміт, трепел, пінодиатомові вироби, азбест, азбоцемент, совеліт, слюду; вермикуліт, мінеральну вату й повсть, скляну вату, скляну тканину, піноскло, комірчасті бетони, пінобетон, газобетон, керамзит, пемзу, альфоль й ін.), органічні теплоізоляційні матеріали (пробкові, торфоізоляційні, деревоволокнисті плити, повсть, фіброліт, деревну тирсу, золу, термоізоляційний картон, полістирол, поропласт, пінопласт і т.д.).

Теплоізоляційні матеріали розрізняються за теплопровідністю λ і температуропровідністю а; найбільшими λ і а володіють метали, найменшими — легкі органічні матеріали.

Чим вище коефіцієнт теплопровідності матеріа­лу кладки, тим більша кількість тепла буде віддана в зовнішнє середовище і тим вище буде температура зовнішньої поверхні печі.

Теплова ізоляція печей зменшує фільтрацію хо­лодного повітря з довколишньої атмосфери у внутрішню порожнину печі і гарячих газів з печі в атмосферу, знижує температурний градієнт в кладці, внаслідок чого зменшується теплова напруга і підвищується її стійкість.

Джерелами значних втрат тепла є арматура вікон і кришки печей. Поліпшення їх теплової ізо­ляції збільшує продуктивність печі, прискорює нагрів і зменшує чад металу.

Особливо ефективне здійснення теплової ізоляції кладки в кінці кампанії печі. Якщо на початку кампанії товщина стінки печі 300 мм і втрати тепла складають 23 МД/ч через 1 м² поверх­ні, то в кінці кампанії товщина стінки 75 мм і втрати тепла 84 МДж/ч через 1 м² поверхні. Раціональною теплоізоляцією ці втрати можна зменшити відповідно до 12 і 18 МДж/ч через 1 м² поверхні.

Теплову ізоляцію печей виконують по внутрішній або зовнішній поверхні вогнетривкої кладки або між шарами кладки.

Ізоляція по внутрішній поверхні кладки різко знижує температуру і скорочує втрати тепла. Така ізоляція цілеспрямована і ефективна в печах періодичної дії, оскільки знижується витрата палива на розігрівання кладки. Для ізоляції використовують теплоізоляційні вогнетривкі легковаги.

Ізоляція по зовнішній поверхні кладки знижує температуру на її поверхні, зменшує втрати тепла в довколишній простір (але збільшує витрату палива на розігрівання), підвищує темпе­ратуру вогнетривкої кладки і вирівнює її по всій товщині.

Таку ізоляцію застосовують в печах безперервної дії; для цього використовують теплоізоляційні вогнетривкі легковаги, діатомітову цеглу, мінеральну вату, вермикуліт й інші матеріали.

Конструкції пристроїв теплової ізоляції всілякі. Ефек­тивність теплової ізоляції залежить від способу монтажу, застосовуваних матеріалів, температурних умов ізольованої поверхні, призначення ізольованих об'єктів та їх розташування.

Для захисту від зовнішніх дій, зволоження, руйнування, корозії і для підтримки чистоти застосовують облицювання, обштукатурювання та фарбування поверхонь. Вживання матеріалів з малою теплопровідністю (наприклад, легковагих вогнетривів) є досить ефективним, але воно не завжди можливе, оскільки зменшення акумулюючої здатності кладки позначається на стійкості теплового режиму печі. Наприклад в мартенівських печах висока акумулююча здатність кладки є корисною.

При екрануванні кладки з внутрішньої сторони пічного простору безпосередньо нагріву піддається лише екран, коливання температури в робочому просторі печі згладжується. Таким чином, екран є тепловим дзеркалом; він акумулює тепло при зростанні теплової напруги в робочому просторі печі.

При такому екрануванні зменшення втрат тепла через кладку залежить лише від коефіцієнтів випромінювання (та не залежить від температури).

Простим способом екранування є установ­ка уздовж стін печі екрану-щита завтовшки до 80 мм. Інший спосіб екранування — установка екрана-му­феля.

Температура зовнішньої поверхні кладки печі невисока, якщо її кладка не бере участі в тепловій роботі. Це досягається в безінерційних печах, в яких внутрішньо пічна температура може швидко мінятися, а оболонка робочого простору практично не бере участь в тепловій роботі. У цих печах функції кладки — забезпечення в печі потрібної інтенсивності робочого нагріву і зменшення втрат тепла назовні — розділені.

Для обгороджування робочого простору в безінерційних полум'яних печах використовують вогнетривкі екрани, обтічні газами, які відходять з обох боків; у електричних печах екрани обтікає повітря.

Працююча за принципом віддзеркалення тепла піч з футеруванням з пористої шамотної цегли, яка володіє високою здібністю випромінювання (близько 0,7 в інтервалі температур 870—1100°С) і низькою теплопровідністю, має високий термічний коефіцієнт корисної дії; в порівнянні із звичайною піччю економія пали­ва досягає 60%. При товщині кладки 150 мм і температурі усередині печі біля 1150°С зовнішня поверхня стінок печі має темпера­туру 66°С.

Теплове обгороджування печі може бути створене ди­мовими газами, які відходять, циркулюючими в просторі між внутрішні­ми і зовнішніми стінками робочої камери. Зовнішні стінки печі захищені коробкою з подвійними стінками, що виконує роль повітропідігрівача.

Для поліпшення герметичності печей їх зовні об­кладають листами алюмінію або оцинкованого залі­за. Проте повної герметизації досягти не можна із-за наявності вікон і інших робочих отворів.

Вікна печей повинні відкриватися на мінімально не­обхідний час і закриватися, по можливості, авто­матично.

Втрата тепла через відкриті вікна печей рівна

де Q_изл — втрата тепла випромінюванням, вт/ч;

С₀—коефіцієнт випромінювання абсолютно чорного тіла, рівний 5,76 Вт/(м² ·°К⁴);

Т₂ — середня температура робочого простору печі °К;

Т₁ — температура довкілля (293°К);

F — площа випромінюючої поверхні, м²;

ψ — коефіцієнт діафрагмування, який залежить від форми отвору й товщини стінки (визначають за спеціаль­ним графіком; може бути прийнятий 0,65).

Для зменшення теплових витрат площу робочих вікон роблять мінімально необхідною для проведення робочих операцій, а в деяких випадках — і для на­гляду робочого простору печі. Більша, ніж мінімально необхідна, площа робочого вікна викликає збільшення теплового випромінювання. Вибір конфігурації і розмірів вікон має бути заснований на аналізі робочих операцій.

Необхідно забезпечити щільне прилягання кришок, які закривають вікна. Смотрове вікно прикривають заслонками.

Використання водяного охолоджування печей дає можливість підтримувати температуру конструктивних елементів в необхідних межах і сприяє зни­женню температури зовнішньої поверхні печей.

Середня температура води, яка відходить, має бути не вище 40—50°С, аби на стінках охолоджуваної деталі не випадали солі тимчасової жорсткості (бікарбонати).

Проте із-за нерівномірності розподілу температур в охолоджуваній деталі температура води може виявитися вище вказаної і станеться місцеве випадання солей; в результаті на теплообмінній поверхні утворюється накип, температура стінки підвищується за допустиму межу, що наводить до прогару охолоджуваної деталі.

Конструкція охолоджуваних елементів повинна забезпечувати хорошу циркуляцію води і виключати утворення парових мішків, які погіршують теплообмін і викликають корозію стінок.

При випарному охолоджуванні металургійних печей для відведення тепла використовують киплячу воду, коефіцієнт теплопередачі якої значно більше, ніж холодної води.

При випарі кожного кілограма води від охолоджуваної дета­лі віднімається більше 2,5 Мдж тепла (2,25 Мдж — на паротворення і близько 0,25 Мдж — на нагрів води від 30°С до температури кипіння). При водяному охолоджуванні для відбору такої ж кількості тепла потрібно 51 кг води.

Оскільки при випарному охолоджуванні витрата води приблизно в 50 разів менша, можливо застосовувати зм'якшену катіоновану воду, яка усуває відкладення накипу і суспензій.

Вживання випарного охолоджування покращує умови праці, оскільки зменшуються витрати тепла в навколишнє середовище, знижується температура зовнішніх поверхонь печей і підвищується надійність їх роботи.