Повышение эффективности работы печей на примере печей сушки и обжига эмали

Киселёва Т.С., Киселев М.Н., Котлицкая Ю.И.

Тонкостенные стальные эмалированные изделия обжигают в печах периодического и непрерывного действия.
В качестве печей периодического действия используются в основном камерные электропечи, которые представляют собой прямоугольную футерованную камеру, помещённую в металлический кожух. Огнеупорный слой стен, свода и пода выполнен из шамотного легковесного кирпича, теплоизоляционный - из диатомитового кирпича. Камерные электропечи с такой массивной футеровкой, которая аккумулирует много тепла, имеют длительное время разогрева до рабочей температуры 5?10 часов. Так как камерные печи работают большей частью в одну или две смены с частыми остановками, то при частых разогревах из-за массивной футеровки расходуется большое количество электроэнергии. Замена традиционных огнеупоров волокнистыми и более совершенная система отопления позволяют на 40…60% уменьшить расход энергоносителей.
В качестве печей непрерывного действия используются в основном конвейерные печи с подвесным конвейером как с газовым, так и с электрическим обогревом. Эти печи строят различных размеров и конструкций в зависимости от вида обжигаемых изделий, масштаба производства и наличия свободных площадей.
Ранние конструкции конвейерных печей, установленные на множестве металлургических предприятий и предприятий по производству товаров народного потребления, представляют собой проходную или П-образную камеру либо с приподнятой относительно входа и выхода зоной обжига, либо горизонтального типа. Огнеупорный слой стен и пода выполнялся из шамотного легковесного кирпича, теплоизоляция - из диатомитового кирпича. Подвесной свод печей выполнялся из фасонных высокоплотных огнеупоров, которые на части печей нанизаны на тавровые балки из жаропрочной стали, а в районе щели для прохода подвесок конвейера обрамлены чугунными жароупорными плитками, а на более новых конструкциях фасонные высокоплотные плиты подвешены на специальных жаропрочных подвесках. Теплоизоляция свода выполнена из диатомитового или ультралегковесного шамотного кирпича.
Указанная конструкция конвейерных печей имеет ряд недостатков:

1. Вертикальный изгиб трассы конвейера приводит к раскачиванию подвесок и частому падению изделий.
2. Попадание на изделия окалины, которая образуется на чугунных плитах, обрамляющую щель, приводит к образованию на эмали после обжига желтых точек различного размера, т.е. к браку и снижению сортности.
3. Наличие неуплотнённой или плохо уплотнённой сводовой щели приводит к повышенным потерям тепла и высокой неравномерности температур по высоте печи.
4. По длине печи также наблюдается высокая неравномерность температур.
5. Наличие нагревателей на подине электропечей приводит к их низкому сроку службы за счёт коротких замыканий при падении изделий, а также за счёт попадания на них капель эмали или окалины.
6. Массивная футеровка печи обуславливает длительное время её разогрева и охлаждения.
7. При имеющем место на большинстве заводов двухсменном режиме работы на печах в третью смену поддерживается режим холостого хода при номинальной температуре.

В выходные и праздничные дни в печи понижают температуру до 500?700 °С.
Всё вышеуказанное приводит к значительному перерасходу энергии, повышенному браку изделий и уменьшению производительности печей.
Взамен печей устаревшей конструкции на большинстве предприятий Украины и на ряде предприятий России (см. сайт www.niiterm.com, раздел «выполненные работы») нами внедрены энергоэффективные и высокопроизводительные электропечи нового поколения, представляющие собой горизонтальную П-образную камеру или камеру более сложной трассировки, через которую проходит подвесной конвейер. Нагревательная камера разделена на зону обжига и зону рекуперации.
В зоне рекуперации в печах для обжига эмали установлены вентиляторы для интенсификации охлаждения горячей ветви конвейера с изделиями, выходящей из камеры нагрева, и подогрева холодной входящей ветви. Для уменьшения продольной циркуляции воздуха нагревательная камера снабжена поперечными воздушными завесами: одной на входе – выходе из печи, одной на входе – выходе из зоны обжига и от одной до трёх (в зависимости от типоразмера печи), расположенными в зоне рекуперации.
Щель в своде перекрывается пластинчатой «чешуей», закрепленной на подвесках конвейера специальным образом, обеспечивающим минимальный зазор между чешуёй и направляющими трубами, а также снабжена устройством воздушного уплотнения, которое практически полностью исключает потери тепла через щель, в то время, как в некоторых действующих печах тепловые потери через сводовую щель составляют 40% от потребляемой мощности.
Нагреватели в электрических печах установлены только на стенах, они надеты на керамические трубки, установленные на вертикальные столбики из волокнистых плит, причем футеровка остальных частей стен выполнена из мягкого рулонного материала. Большое значение имеет распределение нагревателей по длине и высоте печи.
В большинстве действующих электропечей имеет место большое количество выводов нагревателей, рассредоточенных по всей поверхности кожуха. Соединение нагревателей в схему осуществляется наружной ошинковкой, которая выполняется медными и алюминиевыми шинами, термостойкими проводами с медными жилами. Шины крепятся к поверхности кожуха электропечи на клицах и ограждаются защитными кожухами. При этом, конструкция электропечи усложняется, повышается металлоемкость и расход дорогостоящих материалов, ухудшается её внешний вид. К тому же ошинковка имеет значительное количество разъемных контактов, что снижает надежность работы электропечи и усложняет её обслуживание. Выводы, имеющие большое сечение (диаметром до 24мм), являются источником дополнительных тепловых коротких замыканий и низкого качества футеровки вокруг выводов. Для фиксации и уплотнения выводов требуется специальная арматура с изоляторами.
В электропечах новой конструкции эти проблемы успешно решаются с помощью закладных перемычек. Соединение нагревателей в схему выполняется закладными перемычками, а наружу выводятся только те концы, к которым подводят питание, что позволяет уменьшить тепловые потери через тепловые короткие замыкания выводов. Применение закладных перемычек позволяет упростить конструкцию электропечи, сократить расход цветных металлов (меди, алюминия), снизить металлоемкость, упростить обслуживание, уменьшить потери тепла, повысить надежность работы и улучшить внешний вид электропечи.
Применение в газовых печах для обжига эмали современных импульсных горелок или радиационных труб с современной системой автоматики и контролем соотношения «газ-воздух» также позволяет уменьшить энергозатраты при их эксплуатации и повысить качество обжигаемых изделий.
Печи надежны в работе, имеют длительный межремонтный период, позволяют получить высококачественные эмалевые покрытия и по основным технико-экономическим показателям превосходят лучшие зарубежные образцы аналогичных печей.

Футеровка печей выполнена из волокнистых плитных и рулонных материалов, причём ультра лёгкие волокнистые материала составляют «львиную долю» в общем объёме футеровочных материалов, что позволяет получить максимальный энергосберегающий эффект.
В настоящее время широко известны преимущества, которые имеют футеровки из изделий на основе керамического волокна перед футеровками из традиционных огнеупоров, заключающее в их низкой теплопроводности и малоинерционности, что наиболее актуально при прерывистом режиме работы печи или температурных графиках, предусматривающих постоянную смену температуры в рабочем пространстве печи.
Низкая теплопроводность применяемых волокнистых материалов позволяет снизить температуру поверхности печи, уменьшить её массу и габариты за счёт существенно уменьшенной толщины футеровки и плотности применяемых материалов. За счёт уменьшенной массы футеровки снижается аккумуляция тепла футеровкой, что позволяет существенно снизить затраты тепла на разогрев печи.
Дополнительно следует отметить более высокую степень черноты предлагаемых волокнистых материалов по сравнению с традиционными шамотными материалами, что способствует улучшению теплообмена между футеровкой и садкой.
Крепление футеровки в различных зонах печи осуществляется различными способами, обеспечивающими надёжность и длительную работоспособность волокнистых футеровок при минимальных затратах.

На примере внедрения новых и комплексной реконструкции существующих печей удельный расход энергии значительно ниже, чем в печах других типов, применяемых для эмалирования за счет:

• уменьшения фильтрации горячего воздуха через свод за счет одновременного применения «чешуи» и установки уплотнения щели;
• рационального распределения мощности по длине и высоте печи;
• уменьшения потерь тепла от тепловых коротких замыканий за счет соединения электронагревателей перемычками внутри футеровки электропечи;
• уменьшения потерь с наружной поверхности футеровки, при этом одновременно уменьшается толщина футеровки печи и, следовательно, её габаритные размеры;
• за счет значительного, до 1,5…2ч, сокращения времени выхода печи на рабочий режим, что, с одной стороны, позволяет экономить электроэнергию на разогревах, а с другой стороны, при 1…2 сменной работе с выходными днями, позволяет не держать печь на «холостом ходу», а отключать её и включать по необходимости, что также ведет к экономии энергии. Экономия энергии на разогревах и отсутствие режима «холостого хода» особенно заметна при работе печи в периодическом режиме;
• уменьшения потерь тепла из печи за счет применения внутренних и внешних тепловых завес.

Печи для сушки эмали (при мокром способе её нанесения) также претерпели значительные изменения, направленные на повышение качества сушки и снижение энергозатрат. В основном улучшение показателей работы сушил достигнуты тщательно подобранным сочетанием поперечной и продольной циркуляции сушильного агента, эффективной системой отопления и высокой степени автоматизации контроля и регулирования работы сушил.
Приведенные выше недостатки действующего парка печей и предлагаемые мероприятия по повышению энергоэффективности их работы характерны не только для печей обжига и сушки эмали, а и для большинства типов других печей. В данном случае на примере печей сушки и обжига эмали мы хотели показать основные тенденции при создании нового и реконструкции существующего термического оборудования.
Кроме того, хотелось бы отметить, что если ранее основная масса усовершенствований проводилась на печах сравнительно небольшого объёма, то в последние годы намечается большой интерес к повышению эффективности работы и внедрению современных технологий печестроения на крупных многотоннажных высокопроизводительных печах периодического и непрерывного действия. Это ставит перед нами новые задачи, решение которых требует принципиально новых нетрадиционных подходов.