Общая теория тепловой работы печей

Глинков М.А., Глинков Г.М.

Металлургия, 1990 г.

ТЕПЛОВЫЕ СВОЙСТВА ОГРАЖДЕНИЯ ПЕЧЕЙ

1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Из определения понятия "печь" следует, что печи являются тепловыми устройствами технологического назначения, в которых тепло есть рабочий вид энергии и которые ограждены от окружающего пространства. Таким образом, ограждение есть необходимый и неизбежный элемент конструкции печей.

Ограждение выполняет две основные функции: создает условия для осуществления технологического процесса и обеспечивает уменьшение потерь тепла в окружающую среду. Вследствие указанного в зависимости от особенностей технологии печи нуждаются в ограждениях, обладающих разными свойствами.

Кроме выполнения технологических и теплотехнических функций, ограждение печей в некоторых случаях должно обладать необходимой прочностью при рабочих температурах и воздействии постоянных и переменных тепловых и механических нагрузок. По мере развития техники печестроения все в большей степени стремятся освободить ограждение и, в частности, футеровку печей от воздействия излишних нагрузок, передавая последние на каркас и арматуру печей.

Технологические функции ограждения определяются характером технологического процесса. Технология требует создания в ограниченном пространстве определенного режима температур, и режима давления. Чем выше температура в печи, тем больше вероятность химического воздействия твердых, жидких или газообразных материалов, заполняющих ЗТП и ЗГТ, на ограждение печи или, как говорят, тем выше агрессивность воздействия на ограждение. Наиболее агрессивна жидкая фаза, а чем она агрессивнее, тем больше участие ограждения в технологическом процессе, ибо именно жидкая фаза наиболее тесно контактирует с ограждением.

Газовая фаза также может взаимодействовать с ограждением, ускоряя его разрушение, однако, активность воздействия газовой фазы на ограждение значительно меньше, чем жидкой.

Помимо химического взаимодействия ограждения с материалами, происходит еще механическое воздействие материалов на ограждение, приводящее к разрушению последнего (истирание и т.д.). Проиллюстрируем сказанное несколькими примерами: в печах для сушки материалов ограждение не принимает никакого участия в технологическом процессе; в печах для нагрева металла или неметаллических материалов попутно образующиеся шлаковые образования могут оказывать нежелательное химическое воздействие на ограждение; в высокотемпературных плавильных печах влияние материала ограждения (футеровки)  является решающим с точки зрения состава получающегося шлака и протекания технологического процесса. В вакуумных печах практически отсутствует контакт материалов с ограждением и лишь только при охлаждении продукта в кристаллизаторе такой контакт неизбежен. При особенно высоких температурах агрессивность некоторых материалов процесса столь велика, что приходится применять ограждение (футеровку) из того же материала, что и сам расплав; такая футеровка получила название гарнисажа.

Рассмотрим тепловые свойства ограждения печей. Условимся называть ограждение "холодным", когда температура его внутренней поверхности близка к температуре окружающей среды. Во всех остальных случаях будем применять термин "горячее" ограждение, или футеровка.

2. ХОЛОДНОЕ ОГРАЖДЕНИЕ

Холодное ограждение в печах применяется сравнительно редко, когда специфические условия работы печей исключают возможность интенсивного переноса тепла на внутреннюю поверхность ограждения В качестве примера приведем три характерных случая применения. холодного ограждения.

Рефлекторные печи

На рис. 31 приведена схема рефлекторной печи с водяным охлаждением стенок  (с кессонированным ограждением). Коэффициент теплоотдачи конвекцией от стенки к движущейся воде столь велик, что соответствующее тепловое сопротивление стремится   к нулю. Температура поверхности кессона, обращенной в рабочее пространство печи, при этом близка к температуре охлаждающей воды (или другой охлаждающей среды).

При этих условиях внутренняя поверхность из полированного алюминия может длительное время сохранять высокую отражательную способность, которая сводит к минимуму усвоение тепла, передаваемого излучением. Если при этом существенно уменьшить конвективный перенос тепла к внутренней поверхности стенки, то в сумме тепловое сопротивление может быть весьма значительным, сводящим к минимуму величину тепловых потерь через ограждение. Кессонированное ограждение может быть весьма прочным, легко выдерживающим пониженное и повышенное давление и обладающим абсолютной газоплотностью.

Вакуумные дуговые и электроннолучевые печи

Применение вакуума возможно только при использовании кессонированного ограждения, так как требуется его абсолютная газоплотность. Тепло к внутренней поверхности ограждения поступает за счет облучения ее плазмой (тормозное и рекомбинационное излучения), а также за счет кинетической энергии электронов и ионов, попадающих на эту поверхность вследствие эффекта рассеивания заряженных частиц и вторичной эмиссии электронов с анода. Сюда следует также добавить непосредственное излучение раскаленного анода и поверхности расплава. Все вместе взятое создает тепловой поток на внутреннюю поверхность ограждения, требующий отвода его за счет охлаждения водой. Унос тепла с водой охлаждения может быть существенным и в энергетическом балансе достигает 20—40 %. Таким образом, ограждение вакуумно-дуговых и электронно-лучевых печей энергетически несовершенно, однако этот недостаток перекрывается многими другими достоинствами печей данного типа, оправдывающими с технико-экономической точки зрения применение холодного ограждения.

Шахтные печи для нагрева сыпучих низкотеплопроводных материалов

Как указывалось в гл. VI, перенос тепла в плотном слое в поперечном направлении незначителен. Тепловая роль ограждения в таких печах невелика, а главное его назначение строительные функции. При работе печи под повышенным давлением наилучшие результаты дает кессонированное ограждение. Если не предъявляются особо высокие требования к газоплотности, то возможно кессонированное ограждение делать местным в особо опасных с точки зрения стойкости местах.

Внутренняя поверхность кессонированного ограждения будет находиться при температуре, близкой к температуре охлаждающей воды.

Если стеночный эффект движения газов не имеет чрезмерного развития, то температура элементов слоя, непосредственно примыкающих к охлаждаемой поверхности, будет также низкой, но быстро возрастающей по направлению к центру печи. По мере образования в печи жидкой фазы тепловые свойства кессонированного ограждения существенно изменяются вследствие образования настылей. Толщина настылей возрастает до тех пор, пока температура на ее внутренней границе не будет равна температуре плавления жидкой фазы. В месте образования настылей таким образом возникает гарнисажное ограждение, являющееся ограждением горячего типа.

Существует вид ограждения, который занимает промежуточное положение между холодным и горячим. Такое ограждение применяется в низкотемпературных печах, так, например, в сушильных печах для органических материалов, работающих при температурах менее 150°С. Ограждение таких печей выполняется из листового материала. Для охраны работающих у таких печей в некоторых случаях ограждение снаружи покрывают тонким слоем низкотеплопроводного материала, например асбеста.

3. ГОРЯЧЕЕ ОГРАЖДЕНИЕ - ФУТЕРОВКА

Горячее ограждение (футеровка) является наиболее распространенным. Отличительной особенностью футеровки является то, что температура ее внутренней поверхности приближается к эффективной температуре рабочего пространства печи. Достигается это применением для футеровки материалов с низкой теплопроводностью. Предельным случаем горячего ограждения является так называемая идеальная футеровка печи, которая обладает столь высоким тепловым сопротивлением, что тепловые потери через нее отсутствуют, а температура ее внутренней поверхности равняется эффективной температуре печи.

Внутренняя поверхность футеровки участвует в теплообменных процессах в печи (см. гл. V). Внешняя (или кожух печи) — участвует в теплообмене с окружающей средой. Таким образом футеровка, входит в две взаимосвязанные системы теплообмена: внутреннюю и внешнюю. По толщине футеровки ее тепловые свойства могут существенно различаться, что определяется способом изготовления футеровки и свойствами материалов, из которых она сделана.