CC BY
164
Ш/лггтт^ г: гсшг ^ттпте
/ 2 (65), 2012-
7he matters of optimization of thermal insulation of high-temperature units of metallurgy and machine-building are considered. Comparison of expenses for power efficient brickwork and fuel economy is given.
Д. в. МЕНДЕЛЕВ, И. А. ТРУСОВА, П. Э. РАТНИКОВ, БНТУ
УДК 669.04
применение энергоэффективных конструкций футеровок с целью снижения топливопотребления в промышленных печах
В соответствии с основными направлениями повышения эффективности тепловой работы печей важное значение имеет уменьшение тепловых потерь через ограждающие конструкции [1, 2].
Еще в конце 80-х годов XX ст. Г. Г. Немзером в работе [3], систематизирующей методы интенсификации и повышения энерготехнологической эффективности печей кузнечно-прессового производства, отмечено, что ближайшей перспективой должно было стать использование волокнистых огнеупоров в нагревательных и термических печах. При этом автором было отмечено, что расход топлива в печах периодического действия снижается до 25%, уменьшается продолжительность цикла нагрева и термообработки, повышается производительность на 10-15%, масса футеровки снижается в 5-10 раз, облегчая, тем самым, конструкцию каркаса печи, фундаментов и т. д., затраты на выполнение ремонтных и строительных работ сокращаются в 3-5 раз. Автор также акцентировал внимание на том, что резко сокращаются тепловые потери в окружающую среду за счет герметизации рабочего пространства печей, которое удается тер-мостатировать в большей степени, т. е. применение легковесных волокнистых огнеупоров и теплоизоляционных материалов является комплексным фактором топливосбережения в печах и повышения их энерготехнологической эффективности.
В странах СНГ внедрение волокнистых изделий применительно к термическим печам (топливным и электрическим) началось с 1977 г. в условиях ПО «Ижорский завод», завод «Энергомашспец-сталь» и других институтом «Союзтеплострой» (Ленинградское отделение) и ВНИПИ «Теплопро-ект» [4]. В отмеченной работе приведены результаты замены традиционной футеровки на волокнистую для термической печи с выкатным подом
для ПО «Ижорский завод», которые показали сокращение удельного расхода условного топлива на 15 кг у. т./т металла, снижение времени подъема температуры на 20%, а также повышение качества нагрева металла за счет равномерности. Аналогичные результаты были получены и для термической рециркуляционной печи: снижение топливо-потребления составило 10-12 кг у. т./т термообра-батываемого металла.
На металлургических и машиностроительных предприятиях дальнего зарубежья применение волокнистых материалов для нагревательных и термических печей началось в 60-х годах прошлого века [5]. В бывшем СССР в тот период времени не было соответствующих материалов и технологий их применения и только в 1982 г. институтом «Те-плопроект» (г. Москва, Россия) была разработана инструкция по проектированию футеровки промышленных печей из огнеупорных волокнистых материалов, которой пользуются проектанты и в настоящее время. Авторами работы выполнен анализ опыта применения волокнистых огнеупоров, на основании которого были сделаны следующие выводы. Применение волокнистых материалов для футеровки печей позволяет по сравнению с кирпичной футеровкой снизить тепловые потери через футеровку на 20-30%, сократить в несколько раз время разогрева печи и длительность монтажа футеровки, получить экономию энергозатрат до 45% при периодических остановках печей (что актуально в настоящее время, особенно при неритмичной работе печного оборудования). Более того, отмечено, что волокнистые материалы следует более широко использовать в термических газовых и особенно в электрических печах, а также для теплоизоляции водоохлаждаемых элементов печей всех конструкций. Для рабочего слоя футеровки
высокотемпературных газовых нагревательных и термических печей необходимо разрабатывать новые волокнистые материалы и способы крепления их в печах. В работе В. И. Губинского [6] приведены данные по снижению удельного расхода условного топлива для термической (закалочной) печи с выкатным подом фасонно-сталелитейного цеха при замене шамотной футеровки волокнистыми плитами. Для конкретного случая расход топлива сократился с 220 до 73 кг у. т./т.
В работе [7] авторы отмечают, что использование современных теплоизоляционных материалов, а также газогорелочного оборудования и системы управления с высокоточными контроллерами применительно к термическим печам машиностроения и металлургии позволяет снизить удельный расход природного газа с 230 до 38-75 кг у. т./т.
Авторы работы [8] приводят основные показатели нагревательной печи (проект ООО «Совпром-печь») для нагрева заготовок под ковку в условиях ОАО «Тяжпрессмаш» с футеровкой из модульных волокнистых блоков, выполненных на опытной базе НПП «Теплоограждение». Масса футеровки снизилась в 20 раз, трудозатраты на монтаж футеровки - на 60%, расход условного топлива - на 30%.
В работе [9] установлено, что при работе кузнечных печей периодического типа действия при высоких температурах и при снижении массы футеровки примерно на 11% потери теплоты через футеровку снижаются примерно на 62%, а время разогрева печи до 1500 °С снижается с 6 до 2,5 ч.
Опыт применения волокнистых огнеупорных материалов, изготавливаемых ЗАО «Кераммаш» для условий машиностроительных предприятий [10], показал, что благодаря малой величине коэффициента теплопроводности имеется возможность использовать более тонкие слои огнеупоров, что уменьшает теплоотдающую поверхность в 2,4 раза, а в печах с выкатным подом или в проходных печах с вагонетками применение легковесного мул-литового огнеупора в сочетании с волокнистым огнеупорным материалом достигается уменьшением массы печной вагонетки в 2 раза.
В работе [11] приведены достижения ООО «Морган Термал Керамикс Сухой Лог» (г. Екатеринбург, Россия) в области разработки и использования теплоизоляционных материалов. В частности, отмечается, что при толщине кладки из теплоизоляционных шамотных изделий, обеспечивающей температуру на кожухе около 55 °С, масса используемых огнеупоров увеличивается в 2,8-6,0 раз, а количество теплоты, затраченное на нагрев футеровки - в 6,5-43,7 раза в зависимости от материала футеровки, в свою очередь, расход энерго-
/тггтг ^ г: г^штгггг /що
-2 (65), 2012/ IUV
носителя вследствие уменьшения количества теплоты, требуемой на нагрев волокнистой футеровки, снижается в 2,3-8,4 раза, что в совокупности с низкой аккумуляцией теплоты волокнистыми материалами дает экономию энергоносителя 3050%.
Преимущества и достоинства волокнистых фу-теровок, а также опыт зарубежного печестроения использованы при разработке конструкции и создании под руководством В. И. Тимошпольского современной полупромышленной печи для нагрева и термообработки сплавов и металлов на базе ГНУ «Институт тепло- и массообмена им. А. В. Лыкова НАН Беларуси» [1, 2, 12]. Позднее в данной печи специалистами этой организации были проведены сравнительные экспериментальные исследования нагрева металла до температур термообработки 710-730 °С с использованием волокнистой и шамотной футеровок, а также с учетом количества подсосов холодного воздуха [13]. Результаты показали, что удельный расход условного топлива при использовании волокнистой футеровки снизился с 78 до 30 кг у. т./т по сравнению с использованием традиционной футеровки из шамотного кирпича, а теплота, аккумулированная кладкой в процессе нагрева печи, на порядок ниже (с 280 до 28 МДж).
Помимо снижения потерь теплоты теплопроводностью и на аккумуляцию кладкой, использование волокнистых футеровок в нагревательных и термических печах позволяет увеличить межремонтные периоды за счет повышения строительной прочности и стойкости футеровочных материалов, особенно при периодических и резких нагревах и охлаждениях. В работе [14] отмечено, что стойкость футеровок нагревательных и термических печей достигает в среднем двух лет, включая промежуточные ремонты отдельных элементов и узлов. Применение волокнистых материалов в сочетании со штучной кирпичной футеровкой стен оказалось малоэффективным. Современный зарубежный опыт печестроения показывает возможность повышения стойкости футеровок нагревательных печей в среднем до 5 лет.
В соответствии с этим применение новых огнеупорных материалов требует комплексного учета принципиальных особенностей проектирования и строительства нагревательных и термических печей. Вместе с тем, вопросы разработки методик расчета конструкций многослойных футеро-вок, обеспечивающих минимальные тепловые потери и требуемую температуру наружной поверхности печи, к настоящему времени не получили должного развития и освещения в технической
110 /
г^г: г: гшшгггта
2 (65), 2012-
литературе. При проектировании печей (включая печи кузнечно-штамповочных цехов) конструкцию футеровки зачастую либо выбирают исходя из опыта эксплуатации аналогичных печей, либо рассчитывают только лишь с учетом требуемой температуры наружной поверхности печи. Однако существуют немногочисленные публикации, в которых предприняты попытки к определению рациональной конструкции футеровки.
В работе [15] отмечено, что при проектировании промышленных печей требуется определять эффективную степень тепловой изоляции ограждений рабочей камеры, теплоиспользующих элементов и газоходов, а для действующих печей также может рассматриваться вопрос о целесообразности дополнительной тепловой изоляции. В обоих случаях возникает оптимизационная задача, требующая сопоставления расходов на тепловую изоляцию с получаемой экономией топливоэнер-гетических ресурсов.
Вопросам оптимизации изоляции тепловых агрегатов с учетом сопоставления расходов и экономии топлива посвящены также работы [16-19]. Авторами этих работ предложена расчетная методика оптимизации конструкций изоляции камерных нагревательных печей с использованием многослойных футеровок. В работе [17] также отмечено, что применимость теплоизоляционных материалов в тепловых агрегатах определяется как теплоизоляционными свойствами материалов, так и размерами применяемых изоляционных конструкций, при этом авторы приводят зависимость, которая позволяет выделить область допустимых конструктивных решений по указанным параметрам, а для повышения теплоизоляционных свойств материалов предложены высокопористые матричные структуры. В свою очередь, автор работы [18] учитывает влияние температуры газа в зонах печи на эффективность тепловой изоляции.
По данным работы автора [9], в процессе длительной службы в условиях примерно постоянных температур теплопроводность огнеупоров повышается на 10-15%, а в условиях переменных температур понижается вследствие образования дополнительных микротрещин в структуре огнеупо-ра. Автор также отмечает, что для практического использования любого огнеупорного материала в качестве теплоизоляции важны две основные характеристики: температура длительного применения и аккумулирующая способность, при этом предлагается использовать единую характеристику (коэффициент аккумуляции теплоты Ь = ^1рс ) для указанных выше характеристик, этот коэффициент для большинства традиционных огнеупо-
ров в интервале температур от 500-600 до 10001200 °С колеблется в пределах ±10. В соответствии с этим автор отмечает, что современное тепловое ограждение печей из традиционных кирпичей и блоков уступает сложным волокнистым теплоизоляционным материалам, так называемым функционально-градиентным, каждый слой из которых выполняет свою функцию: один обеспечивает прочность, другой служит тепловым экраном.
Авторы работы [20] отмечают, что при разработке конструкций многослойных футеровок необходимо учитывать такие параметры, как стоимость, температуру применения, коэффициент теплопроводности с учетом изменения его от перепада температуры на границе слоя и теплоемкости материалов, стойкость огнеупоров, экологические требования, термическое расширение и срок службы. Из всех этих параметров авторами выделен срок службы по критерию, который включает потерю основных эксплуатационных базовых свойств (теплопроводность, теплоемкость, механическая прочность). Интегральным универсальным параметром, определяющим экономическую целесообразность и термотехнологическую работоспособность модульных высокотемпературных теплоизолирующих облегченных материалов (МВТОМ), может служить, по мнению авторов, критерий
/->В J
№
-йх,
бнР (Ф1+Ф2)
где - теплотворная способность топлива; В -стоимость единицы топлива; | f (т^т - сверхнормативные потери теплоты за расчетный период т; Ф1, Ф2 - соответственно затраты на демонтаж старой и монтаж новой футеровки.
Если критерий К>Х то необходимы капитальный ремонт и модернизация футеровки теплового агрегата. При этом авторами отмечается, что проблемы оптимизации указанных ранее критериев выбора МВТОМ должны решаться за счет использования многослойных футеровок, что нашло отражение в разработанной методике подбора материалов и конструкций футеровок, в частности, выбор слоев производится из расчета минимизации скачка теплопроводности в месте стыка слоев, исключающих возможность возникновения локальных термонапряжений. Учитывая, что используемые анкеры из жаропрочной стали приводят к приросту температуры на 6-15 °С на кожухе, в работе предложено использование дополнительного (поверх кожуха) теплоизолирующего слоя.
Авторами работы [8] наряду с основными те-плофизическими параметрами футеровки и ее
конструкцией предложено учитывать скорость движения печных газов. Для послойной футеровки рекомендуемая скорость движения печных газов не должна превышать 10 м/с. В свою очередь, автором работы [11] отмечено, что для футеровки из современных материалов ООО «Морган Термал Керамикс Сухой Лог» рекомендуемая скорость газового потока должна быть не более 20-30 м/с.
В работе [21] отмечено, что традиционный путь снижения тепловых потерь за счет прямой и непосредственной теплоизоляции поверхностей промышленной печи снаружи и изнутри может привести к отклонению температурного режима печи от заданного в соответствии с технологией. Поэтому при выборе футеровки печи необходимо
г г: гшгтм vtпгг / щ
-2 (65), 2012 I III
сопоставлять градиенты температур по сечению теплоизоляции до и после модернизации печи.
Выполненный анализ использования современных футеровочных материалов для нагревательных и термических печей машиностроительного и металлургического производств показал возможность снижения удельного расхода топлива на 5-25% (в зависимости от режима работы печей, производительности, организации технологического процесса и т. д.).
Несмотря на внедрение футеровочных материалов для промышленных печей, вопросы разработки методик выбора конструкции футеровки требуют дальнейшего развития и совершенствования.
Литература
1. Т и м о ш п о л ь с к и й, В. И. Г е р м а н М. Л. Концепция реконструкции и модернизации парка нагревательных печей металлургических и машиностроительных предприятий Республики Беларусь: от теории к практике (проблемы вопросы) / В. И. Тимошпольский, М. Л. Герман // Литье и металлургия. 2007. № 2. С. 21-28.
2. Т и м о ш п о л ь с к и й В. И. Энергоэффективные печи для промышленного комплекса Беларуси // Наука и инновации. 2007. № 2. С. 12-14.
3. Н е м з е р, Г. Г. Теплотехнология кузнечно-прессового производства / Г. Г. Немзер. 2-е изд., перераб. и доп. Л.: Машиностроение, 1988.
4. Г р и ш и н, И. Е. О повышении эффективности работы энергетических тепловых агрегатов за счет перспективы применения современных огнеупорных и теплоизоляционных материалов / И. Е. Гришин, А. С. Горшков, Б. П. Губин // Пече-трубо-строение: тепловые режимы, конструкции, автоматизация и экология: материалы II междунар. конгресса. 2006. С. 90-94.
5. Г у б и н с к и й, В. И. Опыт применения волокнистых материалов для футеровки печей трубного производства /
B. И. Губинский, А. А. Згура, А. В. Красин // Металлургическая теплотехника: сб. науч. тр. НМетАУ: в 9-ти т. Днепропетровск, 2003. Т. 9. С. 64-69.
6. Г у б и н с к и й, В. И. Актуальные задачи реконструкции нагревательных печей / В. И. Губинский // Металлургическая теплотехника: сб. науч. тр. НМетАУ: в 2-х кн. Днепропетровск, 2005. Кн. 1. С. 149-156.
7. М у н т я н у, Я. Д. Современные энергосберегающие промышленные печи производства ЗАО «Кераммаш» для машиностроения и металлургии / Я. Д. Мунтяну, П. Н. Бегунов // Теплотехника и энергетика в металлургии: сб. тр. XV междунар. конф. Днепропетровск, 7-9 октября 2008 г. Днепропетровск, 2008. С. 151-152.
8. Ш а х о в, И. И. Конструкции футеровок термических и нагревательных печей на основе волокнистых огнеупорных материалов / И. И. Шахов, Н. Н. Калинина, В. В. Курносов // Металлургическая теплотехника: История, современное состояние, будущее. К столетию со дня рождения М. А. Глинкова: сб. тр. III междунар. науч.-практ. конф. М., 1-3 февраля 2006 г М., 2006.
C. 637-641.
9. К а щ е е в, И. Д. Огнеупорные материалы для футеровок тепловых агрегатов / И. Д. Кащеев // Пече-трубостроение: тепловые режимы, конструкции, автоматизация и экология: материалы I междунар. конгресса. М., 2004. С. 27-36.
10. Л а к т и о н о в, В. В. Возможности энергосбережения в термическом оборудовании ЗАО «Кераммаш» / В. В. Лактионов // Теория и практика энергосберегающих термических процессов в машиностроении: сб. тр. III междунар. науч.-практ. конф. Минск, 19-21 ноября 2008 г. Минск, 2008. С. 232-234.
11. М и х а л е в, К. М. Анализ эффективности замены традиционной футеровки колпаковых и камерных печей металлургического производства на футеровку из огнеупорного керамического волокна / К. М. Михалев // Новые огнеупоры. 2010. № 10. С. 16-20.
12. Печь с выкатным подом: пат. 4210 Респ. Беларусь: МПК F 27 В 3/00, F 27 В 9/00, F 27 В 13/00 / В. И. Тимошпольский, М. Л. Герман, П. С. Гринчук и др.; заявитель Институт тепло- и массообмена им. А. В. Лыкова НАН Беларуси, Бел. нац. техн. ун-т. № и 20070199: заявл. 22.03.2007; опубл. 15.11.2007 // Афщыйны бюл. / Нац. цэнтр штэлектуал. уласнасщ. 2007. № 6. С. 101.
13. Г р и н ч у к, П. С. Нагрев металла в газопламенных печах. Математическое моделирование и экспериментальное исследование / П. С. Гринчук [и др.] // Тез. докл. и сообщ.: VI Минский междунар. форум по тепло- и массообмену. Минск, 19-23 мая 2008 г. Минск, 2008. Т. 2. С. 310-314.
14. З а м я т и н, В. Л. Современные огнеупорные материалы и изделия для футеровок нагревательных и термических печей / В. Л. Замятин, И. В. Егоров, О. Н. Липин // Сталь. 2006. № 7. С. 81-82.
15. М а с л о в, В. А. Высокотемпературный теплоизоляционный материал из железографитовых отходов металлургии / В. А. Маслов // Металлургическая теплотехника: сб. науч. тр. ГМетАУ (Энергетика. Металлургия): в 2-х т. Днепропетровск, 1999. Т. 1. С. 59-62.
16. С л о в и к о в с к и й, П. А. Оптимизация футеровки камерных нагревательных печей / П. А. Словиковский, Г. С. Хан-дрига // Металлургическая теплотехника: сб. науч. тр. НМетАУ: в 7-ми т. Днепропетровск, 2002. Т. 7. С. 87-90.
17. Т о р о п о в, Е. Е. Оптимизация изоляции тепловых агрегатов / Е. Е. Торопов, В. И. Панферов // Металлургическая теплотехника: История, современное состояние, будущее. К столетию со дня рождения М. А. Глинкова: сб. тр. III междунар. науч.-практ. конф. М., 1-3 февраля 2006 г. М., 2006. С. 593-596.
Ш1 Г^ЩШНШЖ_
I 2 (65), 2012-
18. С о к о л о в, А. К. К выбору экономичной тепловой изоляции зон топливной секционной печи / А. К. Соколов // Изв. вузов. Черная металлургия. 2008. № 5. С. 35-38.
19. П а р а м о н о в, А. М. Оптимизация параметров футеровки высокотемпературных установок / А. М. Парамонов, В. В. Крайнов // Изв. вузов. Черная металлургия. 2005. № 4. С. 60-64.
20. З у б а щ е н к о, В. М. Принцип оптимизации многослойных теплоизолирующих облегченных футеровок промышленных печей и установок / В. М. Зубащенко, И. Н. Кузин // Пече-трубостроение: тепловые режимы, конструкции, автоматизация и экология: материалы II междунар. конгресса. 2006. С. 181-183.
21. Б а й р а ш е в с к и й, Б. А. Основы рациональной утилизации теплоты с поверхности промышленных печей / Б. А. Байрашевский // Изв. вузов и энергет. объед. СНГ. Энергетика. 2011. № 1. С. 52-63.
