Бельский В.И., Сергеев Б.В. - Промышленные печи и трубы

Бельский В. И., Сергеев Б. В. Промышленные печи и трубы.
Учеб. пособие для техникумов. Изд. 2-е, испр. и доп. М., Стройиздат, 1974. 301 с.
В книге рассмотрены материалы, применяемые при кладке промышленных печей, описаны конструктивные элементы печей и оборудования, приведены основы печной теплотехники, даны классификация печей и основы расчета конструирования промышленных печей и дымовых труб.
Кроме того, в книге даны описания устройства, схем работы и конструктивных элементов нагревательных, термических, сушильных и плавильных печей, а также печей черной и цветной металлургии, промышленности строительных материалов, нефтеперерабатывающей и химическое промышленности и фабрично-заводских труб.
Книга является учебным пособием для учащихся техникумов по специальности «Промышленные печи и трубы», а также может быть использована инженерно-техническими работниками, занятыми на строительстве и ремонте промышленных печей и труб.
Табл. 23, ил. 120, список лит.: 14 назв.
ВВЕДЕНИЕ
Печи находят широкое распространение почти во всех отраслях промышленности. В черной металлургии в доменных печах получают чугун, в конверторах — сталь, в прокатных цехах и печах нагревают металл перед прокаткой и термообработкой после прокатки; в цветной металлургии металл получают и перерабатывают также в печах. Печи применяются в кузнечных Н термических цехах машиностроительных заводов для нагрева металла перед ковкой и штамповкой, для его термообработки, в литейных цехах—для плавки металла и сушки литейных форм и стержней; в керамической промышленности и промышленности строительных материалов — для обжига огнеупоров и керамики, обжига цементного клинкера и извести, получения заполнителей бетона (керамзита и аглопорита); для варки стекла; в нефтеперерабатывающей промышленности — для перегонки нефти; в химической промышленности — для получения соды, аммиака, фосфатных удобрений и т. п.
Строительством и ремонтом промышленных печей занимаются ряд специализированных организаций, а также цехи ремонта печей металлургических и машиностроительных заводов. Объем работ в денежном выражении по строительству и ремонту печей только специализированными организациями составил в 1970 г., по расчетам авторов, свыше 600 млн. руб.
Директивами XXIV съезда партии предусмотрено увеличить производство промышленной продукции за девятое пятилетие на 42—46%. Намечено довести выпуск стали в 1975 г. до 142— 150 млн. г, производство готового проката до 101 — 105 млн. т, увеличить выпуск продукции машиностроительной промышленности в 1,7 раза, промышленности стройматериалов в 1,4 раза, химической и нефтехимической в 1,7 раза1, что потребует строительства новых и реконструкции старых предприятий металлургической, машиностроительной, керамической, нефтеперерабатывающей, химической промышленности, а также промышленности строительных материалов. Это повлечет за собой резкое увеличение объема работ по сооружению новых и реконструкции существующих печей.
На 1975 г. объем работ печестроительных и печеремонтных организаций увеличится не менее чем на 40% по сравнению с 1970 г. и достигнет порядка 840 млн. руб в год. Помимо увеличения объема меняется и характер работ. Существенно увеличивается мощность отдельных установок и агрегатов: повышается объем доменных печей до 5000 м3 против строившихся до настоящего времени печей объемом 2700—3200 ж3, емкость конвертеров до 350 т вместо 130—200 г и т. д.
Директивами XXIV съезда КПСС предусмотрено развитие техники по линии максимальной интенсификации, механизации и автоматизации производственных процессов, что также относится и к строительству печей. В последние годы в печах все шире применяют кислородное дутье, механизированную загрузку, передвижение и выгрузку материалов, автоматическое регулирование работы печей. Это увеличивает сложность строительно-монтажных работ, повышает ответственность строителей, требует более высокой их квалификации, понимания процессов, происходящих в печах, и учета связанных с ними повышенных требований к качеству материалов и кладке печей.
В связи с этим для обеспечения специализированных печестроительных организаций, а также заводских цехов ремонта печей квалифицированными кадрами в ряде монтажных техникумов введена специальность «Промышленные печи и трубы».
Учебное пособие «Промышленные печи и трубы» составлено в соответствии с программой предмета, изучаемого по этой специальности. Исходя из того что пособие предназначено для будущих печестроителей, в нем даются только основные понятия о процессах горения, топливе, механике газов, теплопередаче и расчете печей и дымовых труб, необходимые для понимания работы печей и дымовых труб. Особое внимание обращено на описание конструкции печей, их механизмов, гарнитуры и оборудования, процессов, происходящих в печах и влияющих на долговечность их, и дымовых труб, а также огнеупорных и изоляционных материалов, идущих на строительство печей. При этом дается описание общей принципиальной конструкции кладки и каркаса печей и конструкции дымовых труб.
При подготовке второго издания авторы учли все то новое, что появилось за период, истекший со времени первого издания, в конструкции печей и материалов, применяемых при их строительстве. Помещено описание доменной печи объемом 3200 м3, глуходонного конвертора емкостью 300 т, нагревательных колодцев с верхней горелкой, методической печи с шагающим подом, печей безокислительного и скоростного нагрева, сушил для сушки сыпучих материалов в пневмопотоке и кипящем слое.
Переработана глава I в соответствии с последними ГОСТами на огнеупорные и теплоизоляционные материалы. Дан пример расчета печи, работающей на природном газе, взамен печи, работавшей на неприменяющемся в настоящее время генераторном газе.
В соответствии с ГОСТ 9867—61 в учебном пособии принята международная система единиц (СИ). В качестве дублирующей приведена ранее применявшаяся система.
Главы II—VIII, XIII и XIV написаны В. И. Вельским, а главы I, IX—XII —Б. В. Сергеевым.
ГЛАВА I
МАТЕРИАЛЫ И ИЗДЕЛИЯ, ПРИМЕНЯЕМЫЕ ПРИ КЛАДКЕ ПРОМЫШЛЕННЫХ ПЕЧЕЙ И ДЫМОВЫХ ТРУБ
§ 1. ОГНЕУПОРНЫЕ МАТЕРИАЛЫ И ИЗДЕЛИЯ
Состав и свойства огнеупорных изделий Огнеупорами называются материалы и изделия, способные противостоять высокой температуре (от 1580°С и выше), воздействию шлаков и нагрузке при высоких температурах. Основные свойства и качество огнеупоров оцениваются по огнеупорности, механической прочности при нормальной и высокой температурах, термической стойкости, точности размеров и формы, постоянству объема, газопроницаемости, химической устойчивости при действии шлаков и агрессивных газов, теплопроводности, теплоемкости и термическому расширению и др. Свойства огнеупорных изделий зависят от их химического состава, структуры, пористости, объемной массы, плотности и др.
По ГОСТ 4385—68 огнеупорные изделия подразделяются по следующим основным признакам: химико-минеральному составу, огнеупорности, пористости, способу формования, термической обработке, форме и размерам.
В зависимости от химико-минерального состава огнеупорные изделия делятся на типы и группы в соответствии с данными табл. 1.
Огнеупорные изделия в зависимости от их огнеупорности подразделяются на: огнеупорные, которые выдерживают температуру от 1580 до 1770° С включительно; высокоогнеупорные — выше 1770 до 2000° С включительно и высшей огнеупорности — выше 2000° С.
Огнеупорные изделия подразделяются в зависимости от пористости (табл. 2). По способу формования огнеупорные изделия делятся на:
пластично-формованные, изготовленные из пластичных масс машинным формованием или прессованием на механических или других прессах и различными способами ручного формования;
сухоформованные неармированные или армированные, изготовленные из полусухих или сухих порошкообразных малопластичных или непластичных масс (в том числе из бетонов, плавленых материалов и т. п.) методами механического, гидравлического или гидростатического прессования, вибропрессования, вибрирования, трамбования;
шликернолитые, изготовленные литьем из жидкого шликера (разжиженной огнеупорной глины), пеношликера, газошликера, термопластичного шликера и т. п.;
термопластичнопрессованные, изготовленные методом прессования из масс с применением термопластичных добавок (парафина, воска и др.);
горячепрессованные, изготовленные горячим прессованием из нагретых до термопластичного состояния огнеупорных масс;
плавленолитые, изготовленные путем электроплавки (или плавки другими способами) с последующей отливкой из расплава;
пиленые из естественных горных пород или плавленых блоков, изготовленные способом механической обработки (резанием, шлифованием и т. п.).
В зависимости от термической обработки изделия делятся на: обожженные; безобжиговые (включая армированные), подвергнутые сушке, а в ряде случаев нагреву до 250—400° С; горячепрессованные, подвергнутые отжигу после отливки.
По форме и размерам огнеупорные изделия делятся на прямые и клиновые нормальных размеров: кирпич малого формата—прямой 230ХПЗХ65 мм, клиновой 230ХНЗХ65Х55 и 230X113X65X45 мм; кирпич большого формата — прямой 250X123X65 мм, клиновой 250X123X65X55 и 250Х123Х65Х Х45 мм; фасонные: простые, сложные и особо сложные; фасонные крупноблочные массой свыше 60 кг; простые, сложные, особо сложные; специальные промышленного и лабораторного назначения (тигли, трубки, лодочки, мелкоштучные изделия).
Химический состав огнеупорных изделий. По химическому составу огнеупорные изделия делятся на кислые, основные и нейтральные. Чтобы определить, к какому из указанных выше подразделений относится тот или иной вид огнеупорных изделий, нужно знать состав их огнеупорной основы.
Динас относится к кислым огнеупорам потому, что его огнеупорной основой является кремнезем (Si02). Магнезит относится к основным огнеупорам, так как его огнеупорной основой является окись магния MgO. К нейтральным огнеупорам относятся хромитовые изделия, огнеупорной основой которых является окись хрома Сг203. С некоторой условностью к нейтральным огнеупорам относят шамотные изделия, огнеупорной основой которых являются амфотерные (нейтральные) окислы А1203.
Углеродистые и карбидные изделия находятся вне указанных трех групп. Огнеупорной основой их являются углерод и его соединения, ввиду чего они выделяются в особую группу специальных углеродсодержащих огнеупорных изделий.
Зная химический состав огнеупорных изделий, можно не только решать вопросы о целесообразности их применения в конструктивных элементах промышленных печей, но и иметь представление о их рабочих свойствах. Так, динасовые кислые изделия при прочих равных условиях в среде жидких кислых шлаков служат дольше, чем магнезитовые, причем последние более продолжительное время используются в среде основных шлаков.
В некоторых случаях при одном и том же химическом составе огнеупорные изделия в зависимости от технологии производства могут иметь различные свойства. Огнеупорность — это свойство материалов противостоять действию высоких температур. Она соответствует температуре размягчения материала под действием собственной массы.
Однако определять возможность применения тех или иных Видов огнеупорных изделий только по их огнеупорности нельзя, так как они начинают деформироваться под нагрузкой раньше, чем под действием собственной массы. Поэтому возможность применения их при высоких температурах принято определять температурой начала деформации под нагрузкой 2 кгс/см2, т. е. под нагрузкой, не превышающей фактические нагрузки, имеющие место в промышленных печах. Только поэтому шамотные изделия, имеющие огнеупорность 1770° С и температуру деформации под нагрузкой 2 кгс/см2 1400° С, применяют в тепловых агрегатах, где максимальная температура не превышает 1350— 1400° С; в то же время динасовые изделия, имеющие более низкую огнеупорность (1760°С), че^ шамотные, но значительно более высокую температуру деформации под нагрузкой 2 кгс/см2 (1630—1690°С), применяют в тепловых агрегатах с рабочей температурой 1600—1650° С.
Огнеупорность различных изделий зависит главным образом от химико-минерального состава и определяется в основном огнеупорностью исходного сырья. Механическая прочность огнеупорных изделий характеризуется пределом прочности в кгс/см2, которую выдерживает образец при сжатии в обычных температурных условиях. Предел прочности на сжатие огнеупоров определяется их структурой. Чем плотнее, мелкозернистее и однороднее структура огнеупорных изделий, тем меньше в них трещин и тем выше их механическая прочность.
В связи с тем что механическая прочность огнеупоров связана с их структурой, обусловливающей пористость, шлакоустойчивость, термическую устойчивость и другие качества, предел прочности на сжатие при нормальных условиях является важным показателем. Чем выше предел прочности при сжатии, тем лучше качество огнеупоров. При обычной температуре предел прочности на сжатие находится в пределах от 80 до 1000 кгс/см2. U
Огнеупорные изделия в тепловых агрегатах в большинстве случаев подвергаются сжатию, в некоторых случаях — истиранию и очень редко — изгибу. Усилия сжатия весьма незначительны, так как возникают под действием собственной массы огнеупорной кладки и обычно не превышают 1 кгс/см2 и только в редких случаях достигают 3—4 кгс/см2.
Истирающему действию твердыми и жидкими материалами огнеупорные изделия подвергаются в шахтных (доменных, известеобжигательных вагранках) и вращающихся печах, где твердая шихта, загружаемая в печь, непрерывно перемещается, соприкасаясь при этом с кладкой, и разрушает (истирает) ее. Чем выше газопроницаемость и ниже температура деформации огнеупорных изделий под нагрузкой при высоких температурах, тем быстрее происходит ее истирание.
Сопротивление огнеупорных изделий изгибу примерно в 3— 5 раз меньше сопротивления сжатию. Термическая стойкость — это способность огнеупорных изделий выдерживать резкие колебания температур, не растрескиваясь и не разрушаясь. Растрескивание или разрушение огнеупорных изделий при резких изменениях температуры объясняется возникновением в них напряжений при уменьшении или увеличении объема. При нагревании температура наружных слоев огнеупорных изделий (до наступления теплового равновесия) значительно выше, чем внутренних, причем эта разница тем больше, чем меньше их теплопроводность и чем выше скорость повышения температуры при нагревании.
Под влиянием термического расширения при нагревании, т. е. увеличения объема, наружные слои огнеупорных изделий расширяются значительно больше, чем более холодные внутренние слои, при этом в определенных слоях огнеупорных изделий появляются скалывающие напряжения; если по своей величине они превосходят силы сцепления частиц между собой, то в них появляются трещины и отколы.
При охлаждении наружные слои огнеупорных изделий остывают быстрее, чем внутренние, причем уменьшение объема наружных слоев всегда происходит с опережением изменения объема внутренних, более нагретых слоев. Возникающие при этом растягивающие напряжения, так же как и при нагревании огнеупоров, приводят к их растрескиванию и разрушению. термическая стойкость кирпича определяется количеством теплосмен, т. е. количеством попеременных нагревов до 1300° С и охлаждений в проточной воде до потери 20% массы первоначально взятого образца вследствие его растрескивания. Наибольшей термостойкостью обладают многошамотные, корундовые, углеродистые и карборундовые огнеупорные изделия, а наименьшей термостойкостью — динасовые, обладающие большими изменениями объема при превращении одной кристаллической формы в другую в определенных интервалах температур, и магнезитовые, составляющие которых имеют различные коэффициенты расширения.
Термическая стойкость огнеупорных изделий в основном зависит от их структуры и природы исходного сырья, причем чем меньше температурное изменение объема огнеупорных изделий при резком их нагревании и охлаждении, тем выше термическая стойкость. Постоянство объема. При нагревании огнеупорные изделия, как и все тела, изменяются в объеме вследствие термического расширения и, кроме того, под влиянием дополнительной усадки или роста.
Дополнительной линейной усадкой или ростом огнеупорных изделий называются необратимые изменения их линейных размеров в результате повторного нагревания при высоких температурах. Это является характерной особенностью только огнеупорных изделий. Увеличение объема огнеупорных изделий (термическое расширение) при нагревании принято выражать коэффициентом линейного температурного расширения, т. е. приростом их линейных размеров по отношению к первоначальным размерам при нагревании на Г. Коэффициент линейного температурного расширения большинства огнеупорных изделий в пределах температур до 1000° С не превышает десятых долей процента от их первоначальных линейных размеров при комнатной температуре. Наибольший коэффициент линейного температурного расширения имеют магнезитовые изделия — 0,000013—0,000014 град-1, а наименьший карборундовые — 0,0000047 град. У шамотных изделий коэффициент линейного температурного расширения находится в пределах 0,0000052— 0,0000058 град-1.
Дополнительный рост, или увеличение объема при нагревании, помимо термического расширения, наиболее ярко выражен у динасовых огнеупорных" изделий, у которых он происходит в период перерождения кварца из одной кристаллической формы в другую. Дополнительная усадка шамотных полукислых, доломитовых и магнезитовых изделий объясняется изменением структуры этих изделий при нагревании в тепловых агрегатах выше температуры их первичного обжига. Поэтому во избежание дополнительной усадки огнеупорные изделия рекомендуется обжигать до максимальной рабочей температуры теплового агрегата, для кладки которого они предназначены.
Для определения величины температурных швов в огнеупорной кладке в практике печестроения принимают во внимание только термическое расширение огнеупоров и дополнительный линейный рост динасовых изделий. Шлакоустойчивостью огнеупорных изделий называют способность их противостоять разъедающему действию загружаемой в печи шихты и получаемым из нее расплаву и шлаку. Шлакоустойчивость огнеупоров обусловливается способностью их противостоять шлакоразъедаемости и шлакопроницаемости и зависит от: температуры, при которой происходит воздействие шлаков; химического состава огнеупора и химического состава твердых тел, шлаков и газов, воздействующих на них; вязкости шлаков; величины и характера пор огнеупорных изделий и характера среды в рабочем пространстве тепловых агрегатов, обусловливаемой технологией производственных процессов, в них протекающих.
Чем выше температура, тем более интенсивно происходит шлакоразъедание огнеупорных изделий, так как скорость химических реакций с повышением температуры заметно увеличивается. Чем ближе химический состав шлаков и расплавов шихты к химическому составу огнеупорных изделий, тем меньше их шлакоразъедание. Чем больше вязкость шлаков и чем меньше пор в огнеупорных изделиях, тем выше их шлакоустойчивость. Разрушение огнеупорных изделий шлаками происходит за счет протекания химических реакций между шлаками и огнеупорными изделиями, в результате которых часть изделий переходит в жидкий шлак, а также за счет вымывания движущимися струями шлака или расплава из массы огнеупорных изделий некоторой части твердых ее зерен. Это явление особенно хорошо наблюдается в стекловаренных печах, где движущиеся в одном направлении (от загрузочной части печи к выработочной ее части) жидкие шлаки и стекломасса интенсивно разрушают самые плотные и высокоогнеупорные муллитовые, каолиновые и глиноземистые изделия.
Теплопроводностью называется способность материалов передавать тепло от более теплых частей к более холодным без заметного движения частиц. С физической точки зрения — это передача кинетической энергии одних молекул другим. Теплопроводность измеряется коэффициентом теплопроводности, т. е. количеством тепла, которое проходит за один час через каждый квадратный метр стенки при разности температур в 1° на 1 м толщины и выражается в Вт/м-град [ккал/м-ч-град].
В условиях службы тепловых агрегатов огнеупорные изделия в большинстве случаев должны иметь возможно меньшую теплопроводность, так как они являются изоляцией, препятствующей передаче тепла из рабочего пространства печей в окружающую атмосферу в целях экономии топлива и уменьшения его расхода на единицу выпускаемой продукции. Однако в ряде случаев необходимо иметь огнеупорные изделия с возможно более высокой теплопроводностью. Это относится к огнеупорам, из которых готовят и сооружают муфели, тигли, реторты, элементы рекуператоров, т. е. когда возможно больше тепла должно передаваться через огнеупорные стенки, например при нагревании и расплавлении стекломассы и металлов в тиглях, нагревании воздуха в рекуператорах и т. п.
В большинстве случаев огнеупорные изделия обладают небольшой теплопроводностью, т. е. являются плохими проводниками тепла, за исключением карборундовых и углеродистых изделий, которые поэтому и являются основным материалом для изготовления тигелей, реторт, элементов рекуператоров и т. п. Теплопроводность огнеупорных изделий зависит главным образом от химико-минерального состава и в несколько меньшей степени от пористости и гранулометрического состава.
...