Să se analizeze eficiența economică a operației de modernizare a unui cuptor încălzit cu rezistoare pentru elaborarea aliajelor din Aluminiu [303544]
Să se analizeze eficiența economică a operației de modernizare a unui cuptor încălzit cu rezistoare pentru elaborarea aliajelor din Aluminiu
Cap I – [anonimizat]- [anonimizat] V- [anonimizat] I- – Studiul agregatelor pentru elaborarea aliajelor care utilizează energia electrică
Cuptoare electrice cu rezistoare
1.1 Clasificarea și domeniile de utilizare a cuptoarelor electrice cu rezistoare
Cuptoare cu rezistoare sunt cele mai diversificate si cele mai raspândite cuptoare electrice. [anonimizat].
Cuptoarele electrice cu rezistoare se clasifică după mai multe criterii:
1)[anonimizat], [anonimizat], la care piesele ce se încălzesc se deplasează continuu sau periodic de la capătul de încărcare la cel de descărcare.
2)[anonimizat](până la 600°C) și cuptoare de înaltă temperatură (până la 1600°C) [anonimizat];
3)[anonimizat]-[anonimizat],[anonimizat], cuptoare tip baie pentru topire; [anonimizat], [anonimizat] , [anonimizat], [anonimizat]:călirea, revenirea, recoacerea, recoacerea, normalizarea,cementarea, nitrurarea, [anonimizat],[anonimizat], matrițare, [anonimizat], [anonimizat].
1.2 Cuptoare electrice cu rezistoare pentru temperaturi joase
La cuptoarele de joasă temperatură (până la 600°C ) cea mai mare parte a [anonimizat]-un curent de aer forțat sau natural. [anonimizat]. Între căptușeala și mantaua metalică exterioară se introduce un material izolant.
În figura 1.1 [anonimizat] 300°C. [anonimizat].
[anonimizat] , [anonimizat]. În figura 1.2 aerul are o [anonimizat]-un calorifer alcătuit dintr-o [anonimizat] a unui capac demontabil.
[anonimizat], etc.
Fig 1.1-Cuptor cu rezistoare pentru temperaturi joase.
1-elemente încălzitoare, 2-mantaua interioară, 3-căptușeala metalica, 4-izolație termică, 5-suport pentru piese, 6-clapetă pentru reglarea aerului;
Fig 1.2-Cuptor de ușoare cu ventilator(200°C)
1.3 Cuptoare electrice cu rezistoare pentru temperaturi înalte
1.3.1 Cuptoarele cu cameră(fig. 1.3.)sunt cele mai răspândite cuptoare electrice cu rezistoare de înaltă temperatură, utilizate mai ales in tratamente termice. Puterea acestor cuptoare este cuprinsă aproximativ intre 5 și 125 kW.
Fig1.3-Cuptor electric cu cameră
1-mantaua exterioară(tablă de oțel profilat), 2-zidărie refractară din șamotă și izolație termică din diatomită, 3- rezistoare din sârmă de crom-nichel spiralată, 4-disozitiv de acționare a ușii, 5-ușa cuptorului, 6-placă de vatră
Cuptoarele cu cameră cu rezistoare metalice pot fi contruite pentru temperaturi maxime de lucru de 1300°C. Pentru temperaturi mai mari se utilizează rezistoare din silite (catbură de siliciu)(1300-1400°) sau dintr-o combinație a siliciului și molibdenului , obținută prin procesele metalurgiei pulberilor (1500-1600°C)
Cuptoarele cu cameră sunt simple, universale și permit reglarea regimului termic în limite largi. Dezavantajele acestor cuptoare sunt dificultatea mecanizării și descărcarii și dificultatea asigurării încălzirii uniforme a pieselor în întregul volum de lucru al cuptorului.
În figura 1.4 este reprezentat un cuptor cu cameră de putere mare (125kW) cu temperatură de lucru de 1250°C.
Fig.1.4-Cuptor electric cu cameră cu rezistoare metalice(crom-aluminiu). Temperatură de lucru 1250°C; puterea 125 kW.
1-ușa, 2-mecanism de acționare a ușii, 3-orificii pentru termocupluri,
4-mantaua exterioară, 5-căptușeală, 6-elemente încălzitoare laterale, 7-rezistoare fixate pe boltă, 8-plăci de vatră, 9-rezistoare fixate pe vatră.
1.3.2 Cuptoare verticale , amplasate de regulă sub pardoseala atelierului, servesc la încălzirea unor piese lungi și grele până la temperaturi de 950°C.Avantajele acestor cuptoare sunt posibilitatea mecanizării încărcării și descărcării pieselor, prin folosirea mașinilor de ridicat din atelier ocupă suprafețe mici și poate fi atașat mai ușor, fiind mai potrivit pentru funcționarea cu atmosferă de protecție. Puterea cuptoarelor verticale variază între 30 și 500 kW.Î
1.3.3 Cuptoarele cu creuzet se utilizează la topirea aluminiului și aliajelor sale, precum și a altor metale și aliaje cu punct de topire scăzut , plumb, zinc, aliaje de lipit, etc. Metalul de topit se așează într-un creuzet de fontă sau oțel rezistent la temperaturi ridicate. Rezistoarele sunt amplasate în jurul creuzetului. Temperatura maximă de lucru a acestor cuptoare este de 850°C.
1.3.4 Cuptoarele electrice cu baie de săruri sunt destinate încălzirii uniforme și rapide a pieselor până la temperaturi de 1300 °C, în mediu neoxidant a pieselor. Se utilizează mai ales pentru tratamentul termic al sculelor din oțel rapid. Piesele de încălzit sunt introduse într-o baie de sare topită menținută in această stare prin curentul de trece prn ea între doi electrozi. Piesele se încălzesc rapid și uniform grație mișcării continue a stării ca urmare a forțelor electrodinamice și forțelor ce apar ca urmare a diferenței de densitate a sării in diferite puncte.Baia este conținută de o oală de fontă sau oțel-pentru temperaturi joase – sau din material refractar-pentru temperaturi ridicate. Tensiunea de alimentare a electrozilor este redusă, 8-25V. Topirea sării se realizează cu ajutorul unui rezistor sau a unor electrozi auxiliari.Cuptoarele pot fi monfazate sau trifazate, cu trei electrozi. Unele cuptoare cu băi de săruri sunt încălzite cu rezistoare amplasate în jurul creuzetului. (fig.1.5.)
Cuptoarele cu băi de săruri au urmatoarele avantaje:încălzirea rapidă și uniformă(±3%) a pieselor; productivitate ridicată; protecția piselor impotriva oxidării, chiar după scoaterea acestora din cuptor, ca urmare a persistenței unui strat subțire de sare la suprafața pieselor; contrucție si exploatare mai simplă decât la cuptoarele cu rezistoare.
Dezavantajele cuptoarelor cu baie de sare sunt: consum ridicat de energie electrică drept urmare a pierderilor termice mari; consum mare de săaruri, care în prealabil trebuie uscate;necesitatea funcționării neîntrerupte (în trei schimburi)din cauza complicației și duratei mari de încălzire până la starea de funcționare.
Sărurile cele mai utilizate în cuptoarele pentru tratamente sunt: azotatul de sodiu (NaNOɜ; temperatura de topire 308-330°C); cianură de sodiu (NaCN; 560°C); clorură de potasiu (K CI;740-804°C); clorură de sodiu (Na Cl;776°C);sau amestecuri ale acestora. În unele cuptoare cu baie se utilizează ca mediu de lucru uleiul sau diferite alcalii.
Fig 1.5-Cuptor cu baie de sare
1-carcasa exterioară, 2-zidărie rezistentă la căldură, 3-izolație termică,
4-creuzet, 5-electrozi, 6-rezistor, 7-conducte electrice, 8-transformator;
1.3.5 Cuptoarele electrice cu rezistoare cu acțiune continuă, folosite în cazul producței în flux, au în comparație cu cuptoarele cu funcționare periodică, o productivitate mult mai mare. De regulă, aceste cuptoare au câteva zone de temperatură cu reglare proprie , încât este relativ ușor să se realizeze o anumită diagramă de încălzire a pieselor.
Pentru deplasarea pieselor în cuptor se utilizează diferite mecanisme:convoiere de diferite tipuri (cu bandă împletită din sârmă rezistentă la temperaturi ridicate sau transportoare cu lanțuri) ; glisiere sau căi cu role, pe care piesele sunt împinse periodic cu ajutorul unor împingătoare hidraulice sau electromecanisme, etc Cuptoarele cu temperaturi până la 300-350°C lucrează în atmosferă obisnuită, cele cu temperaturi mai ridicate sunt ermetice fiind prevăzute la gurile de încărcare și descărcare cu ecluze, pentru a putea lucra în atmosferă protectoare. Cuptoarele cu temperaturi până la 700°C sunt prevăzute cu ventilatoare. Puterea cuptoarelor cu funcționare continuă poate depăși 1000kW. În figura 1.6 este reprezentat un cuptor cu împingător de 700°C ,cu funcționare în atmosferă obișnuită, prevăzut cu cameră de răcire.
Fig.1.6-Cuptor elecric cu funcționare continuă, cu împingător
cu atmosferă obișnuită(700°C)
1-împingător, 2-ușă cu mecanism de acționare,3-ventilator, 4-manta exterioară
5-căptușeală, 6-extractor, 7-cameră de răcire, 8-rezistoare, 9-glisiere;
Clasificarea cuptoarelor electrice
Cuptoarele electrice se clasifică în funcție de:
-principiul de transforormare a energiei electrice în caldură
-modul de transmitere al căldurii(conducție, convecție, radiație)
1. Cuptoarele cu rezistoare
Funcționarea lor se bazează pe încălzirea conductoarelor parcurse de curent electric(efectul Joule-Lenz)
La cuptorul cu rezistoare cu încălzire directă(fig.1.2.a)rezistorul este însuși materialul ce urmează a fi încălzit. Transmiterea căldurii pe masa încărcăturii solide(metal, cărbune), sau fluide(apă,sticlă topită, băi de săruri), se realizeazăprin conducție termică.
La cuptorul cu reizistoare cu încălzire indirectă(fig 1.2.b)căldura degajată de rezistoarele parcurse de curent electric se transmite încărcăturii prin convecție și radiație termică. În interiorul încărcăturii intervine conducția termică.
Un caz particular al cuptoarelor cu încălzire indirectă îl constituie cuptorul cu radiații infraroșii. Elementele încălzitoare ale acestuia sunt surse de radiații infraroșii, permițând încălzirea materialelor care prezintă un grad ridicat de absorbție al acestor radiații.
2.Cuptoare cu arc electric
Transformarea energiei electrice în căldură are loc în arcul electric. Fluxul termic produs se transmite încărcăturii prin radiație și conducție.
În cuptorul cu arc electric cu încălzire indirectă(fig.1.3.a) arcul electric se stabilește între doi electrozi fixați deasupra încărcăturii. Acest tip de cuptor nu se mai construiește în prezent.
La cuptorul cu arc electric cu încălzire directă(fig 1.3.b), arcul electric se stabilește între electrozi și încărcătură. Acest tip de cuptor este utilizat pentru elaborarea oțelurilor și fontelor.
Cuptorul cu arc și rezistență(fig 1.3.c) este utilizat în special în procese de reducere a minereurilor. Energia termică necesară se obține atât în arc cât și prin trecerea curentului electric direct prin încărcătură.
Cuptorul de topire sub strat de flux(fig 1.3.d) se deosebește de cel cu arc, prin aceea că încălzirea electrodului, care reprezintă încărcătura, este produsă de un strat de flux oxidant încălzit.
fig 1.2 -Cuptoare cu rezistoare
a-cu încălzire directă
b-cu încălzire indirectă
Fig 1.3-Cuptoare cu arc electric
a-cu încălzire indirectă
b-cu încălzire directă
c-cu arc și rezistență
1-arc electrci; 2-electrozi; 3-cuvă; 4-încărcătură(șarjă); 5-strat de flux;
3.Cuptoarele cu plasmă
Reprezintă o variantă a cuptorului cu arc electric, în care căldura arcului electric se utilizează pentru ionizarea completă(în plasmatron-fig 1.4) a unui gaz-plasma, a cărei temperatură o depășește pe cea a arcului.
4.Cuptoarele cu inducție
Aceste cuptoare se bazează pe efectul Joule-Lenz al curenților turbionari ,,i,, induși în încărcătură (fig 1.5.a)de un câmp magnetic alternativ , produs de o bobină. Transmiterea căldurii în încărcătură are loc prin conducție.
Variantele constructive ale cuptoarelor cu inducție sunt:
-cuptorul pentru topire cu creuzet (fig1.5 b)sau canal (fig 1.5.c)
-cuptorul pentru încălzire în profunzime(fig 1.5.d)
-cuptorul pentru încălzire superficială(fig 1.5.e)
-instalații pentru aplicații speciale (agitatorul inductiv-fig 1.5.f, transportul electromagnetic al metalelor topite- fig 1.5.g, topirea fără creuzet- 1.5.h lipirea și sudarea)
Fig 1.4- Cuptoare cu plasmă
1-plasmatron; 2-plasmă; 3-creuzet; 4-încărcătură;
Fig 1.5- Cuptoare cu inducție
a-schemă de principiu
b-cuptorul de creuzet
c-cuptorul cu canal
d-încălzirea ăn profunzime
e-călirea superficială
f-agitatorul inductiv
g-transportul electromagnetic al metalelor topite
h-topirea fără creuzet
1-inductor; 2-încărcătură; 3-creuzet; 4-miez feromagnetic;
5.Cuptoarele capacitive și cu microunde
Încalzirea încărcăturii dielectrice introduse între plăcile unui condensator (fig 1.6) se bazează pe efectul termic al pierderilor prin conducție electrică și histerezis electric, produse de un câmp electric de înaltă tensiune.
Fig 1.6- Cuptorul capacitiv (a); Cuptorul cu microunde (b);
6.Cuptoare cu fascicul de electroni
Încălzirea este bazată pe transformarea în căldură a energiei cinetice a unui flux de electroni ce bombardează suprafața încărcăturii.
1.4 Construcția cuptoarelor electrice cu rezistoare
1.4.1. Construcția cuptorului. Căptușeala cuptoarelor cu rezistoare influențează pierderile termice, consumul de energie electrică, gabaritul si costul cuptorului, timpul de încălzire din stare rece , durata de servici si calitatea procesului electrotermic.
Alegerea variantei căptușelii (grosimi, material), trebuie făcută în așa fel încât suma dintre pierderile termice prin zidărie în mediul înconjurător în regim staționar și cantitatea de energie acumulată de zidărie până la stabilirea regimului staționar , raportată la timpul de funcționare neîntreruptă a cuptorului să fie minimă.
În cuptoarele cu temperaturi până la 350°C , căptușeala este de regulă dintr-un singur strat termoizolant (obișnuit vată de zgură) intercalat între două carcase metalice. La cuptoarele cu temperaturi de 400-1000°C, căptuseala constă din straturi de material refractar si straturi de izolație termică. Cuptoarele cu temperaturi între 1000-1200°C au căptușeala din trei straturi: un strat din material refractar ușor si un strat termoizolant.
Grosimea stratului refractar este bine să fie cât mai mică(60-80 mm la cuptoare mici și 110-120 mmla cuptoare mari).Zidăria refractară se execută astfel încât resturile între cărămizi să nu depășească 2-2,5 mm. La cuptoare mari zidăria trebuie să aibă rosturi de dilatație de 5-10 mm la distanțe de 0,5-1 m. Cuptoarele cu atmosferă protectoare se tencuiesc cu un strat refractar pentru a se împiedica pătrunderea gazelor în stratul termoizolant, fapt ce ar atrage mărirea conductibilității termice a acestuia. Stratul de izolație termică trebuie astfel dimensionat încât temperatura suprafeței exterioare a carcasei metalice a cuptorului să nu depășească 60°C. În tabelul 1.1 se arată dependența pierderilor de căldură prin pereții cuptorului de temperatura mantalei la temperatura de 10°C a mediului ambiant.
Tabelul 1.1
Pierderile de căldură prin pereții cuptorului pot fi reduse prin utilizarea unor materiale refractare ușoare și cu conductibilitate mică (șamote ușoare) și a unor materiale termoizolante poroase (diatomita spongioasă, șamota ultraușoară, plăcile din vată minerală, sticla spongioasă si zonolitul). Vopsirea carcasei exterioare cu bronz de aluminiu reduce pierderile termice cu 2-3%.
Bolțurile cuptoarelor cu rezistoare (Fig.1.7) se execută fie sub forma unor plăci speciale din șamotă(pentru deschideri mici de 1-1,5mm), fie sub formă de arcade, cu săgeata de 12-15% din deschidere.
Fig 1.7-Construcția bolților cuptoarelor cu rezistoare
La deschideri mai mari de 2 metri, cărămizile de boltă sunt suspendate de niște piese de oțel susținute de grinzile superioare ale carcaselor (Fig. 1.7.d,c).La aceste construcții,pierderile de căldură sunt mai mari.
Ușile cuptoarelor de joasă temperatură se fac dintr-un perete metalic dublu, umplut cu izolație termică. La celelalte cuptoare, ușile sunt construite din două straturi, unul refractar și unul termoizolant. Cadrul ușilor se fac din oțel turnat sau fontă. Pentru micșorarea piederilor de căldură, ușile cuptoarelor marise deplasează într-un plan înclinat, aproape vertical.
1.4.2.Construcția elementelor încălzitoare
Materialele din care se confecționează rezistoarele trebuie să indeplinească urmatoarele condiții:
a) să aibă rezistivitate ridicată, pentru a se micșora consumul de material;
b) să aibă un coeficient redus de variație a rezistenței cu temperatura, pentru a nu se produce șocuri de curent la conectare;
c) să aibă un punct de topire ridicat;
d) să nu-și schimbe proprietățile mecanice prin încălzire sau răcire;
e) să fie maleabile și să se poată suda.
Materialele pentru rezistoare pot fi metalice sau nemetalice. Cele mai răspândite elemente încălzitoare în cuptoarele electrice industriale sunt cele metalice, din aliaje de crom-nichel sau crom-aluminiu.
Aliajele crom-nichel sunt cu atât mai rezistente la topire, cu cât este mai bogat conținutul în crom. Mărirea conținutului de crom peste 20 % înrăutățește prelucrabilitatea aliajului. Aliajele turnate crom-nichel-fier sunt mai ieftine și nu pot fi prelucrate mai ușor, dar crește coeficientul de variție a rezistenței cu temperatura. Aliajele crom-nichel pot suporta temperaturi de 1200°C.
Aliajele fier-crom-aluminiu sunt mai ieftine decât aliajele crom-nichel, dar au calități inferioare. Aliajele Fe-Cr-Al se pot suda atât cu arcul electric cât și cu gaz. Temperaturile de lucru ale acestor aliaje sunt de maxim 800°C.
Platina (temperatura de lucru 1400°C), molibdenul (2000°C) și wolframul (3000°C) se utilizează numai în cuptoarele de laborator din cauza costului lor ridicat, molibdenul și wolframul putând fi folosite numai în atmosferă protectoare, din cauză că se oxidează ușor în prezența oxigenului din aer.
Materialele nemetalice se folosesc pentru confecționarea rezistoarelor care funcționează la temperaturi de peste 1200°C.
Carborundul (carbura de siliciu) este utilizat pentru confecționarea rezistoarelor sub formă de bare prefabricate, cu diametre cuprinse între 6 și 45 mm. Aceste rezistoare cunoscute și sub numele de silite sau globare,pot lucra temperaturi de 1400°C. Barele de silite au rezistivitate mai mare, dar variabilă cu temperatura, fiind supuse și fenomenului de îmbătrânire. Alimentarea lor se face de regulă prin transformatoare cu tensiuni reglabile.
Cărbunele și grafitul pot funcționa numai in atmosfere protectoare și se utilizează la confecționarea încălzitoarelor sub formă de bare, tuburi, creuzete si plăci până la temperaturi de 2000°C.
Rezistoare din siliciu si molibden obținute prin procedeele metalurgiei pulberilor, sub forme de bare drepte sau in formă de U, pot suporta în medii oxidante temperaturi de 2000°C.
Proprietătile celor mai utilizate materiale pentru confecționarea rezistoarelor sunt date în tabelul 1.2.
Elementele încălzitoare metalice se contruiesc din sârmă spirală sau în formă de zig-zag, mai rar din bare sau din țeavă. Rezistoarele din sârmă spiralate și din bandă în zig-zag au avantajul că pot fi construite din laminate din secțiuni mici și pot fi alimentate din această cauză direct de la rețeaua de 380 V, fără utilizarea transformatorelor coborîtoare. În același timp rezistoarele din sârmă în zig-zag de secțiuni mai mari, cu aceeași putere raportată la unitatea de suprafață a căptușelii , au o durată de servici mai lungă și prin urmare cheltuieli de exploatare cu materiale mult mai mici . În figura 1.8 se arată câteva moduri de fixare a rezistoarelor spirale(a-pe suporții pereților laterali ; b-pe țevi ceramice fixate pe console , la cuptoare cu circulație de aer până la temperatura de 700°C),
Fig 1.8-Fixarea rezistoarelor spirale pe suporțiilaterali ai pereților pe tuburi ceramice
(1-cârlig, 2-rezistor, 3-suport ceramic, 4-cărămizi fasonate, 5-tub ceramic, 6-console ceramice;)
În figura 1.9 se arată modul de fixare a spiralelor in cuptoarele de înaltă temperatura(până la temperatura de 1200°C).
Fig 1.9. Fixarea rezistoarelor spirale în cuptoare cu temperaturi până la 1200°C.
a-vedere generală a amplasării plăcii ceramice l în cuptor
b-rapoartele dintre dimensiunile crestăturii și spiralei 2
Iar în figura 1.10 se arată modul de fixare a rezistoarelor pe pereții cuptorului.
Fig.1.10-Exemplu de fixare a rezistoarelor sub
formă de bandă în zig-zag pe pereți cu ajutorul cârligelor ceramice
1-rezistor, 2-cârlig ceramic
Elementele încălzitoare tubulare constau din tuburi de oțel inoxidabil, in axa cărora se fixează o spirală din crom-nichel (figura1.11). Spațiul dintre spirală și pereții tubului este umplut cu oxid de magneziu cristalizat, care prezintă bune proprietăți electroizolante și în același timp o bună conductibiliate termică. Tuburile se pot îndoi sub diferite forme și se utilizează până la temperaturi de 600°C pentru încălzirea apei, uleiului, aerului sau pentru topirea metalelor ușor fuzibile.
Fig 1.11-Element încălzitor tubular
1-aspirală din crom-nichel, 2-oxid de magneziu,3-tub din oțel inoxidabil
Elementele încălzitoare nemetalice se utilizează în construcția cuptoarelor cu rezistoare cu temperaturi mai mari de 1200°C. La temperaturi de 1300-1500°C se utilizează rezistoare din carborund (silite) sub formă de bare cu capetele îngroșate sau nemetale sub formă de sub formă de tuburi secționate sub formă de spirale în partea de lucru(fig.1.12).
Fig1.12-Tipuri constructive de elemente încălzitoare din carbură de siliciu(silite)
În figura 1.13 se arată modul de fixare a rezistoarelor din bare de silite.
Fig 1.13-Fixarea pe orizontală a rezistoarelor din carborund
1-carcasă din oțel, 2-interstițiu de aer, 3-placă izolatoare, 4,7-dispozitiv de strângere, 5-conductor flexibil, 6-cutie de distribuție, 8-papuc de cablu, 9-cablu electric, 10-element de încălzire
Rezistoarele cu silite își maresc rezistența cu timpul (îmbătrânesc) fiind necesară o rezervă de tensiune reglabilă de 60-100% peste tensiunea normală. În primele 60-80 de ore de funcționare , rezistența crește cu 15-20%, după care fenomenul de îmbătrânire decurge mai încet.
Amplasarea elementelor încălzitoare din silite trebuie făcută în așa fel incât partea activă să nu depașescă camera cuptorului, înspre zidăria refractară. Capetele inactive se înfășoară înspre exterior cu sfoară de asbest, pe o distanță de 10-12 mm pentru a micșora pierderile termice. La elementele fixate pe verticală această măsură împiedică formarea curenților de convecție. Elementele încălzitoare trebuie fixate astfel încât sa fie posibilă dilatarea sau contracția lor (fig.1.13). Conexiunile electrice trebuie ventilate în mod corespunzător pentru a se împiedica supraîncalzirea lor.Distanța dintre două elemente vecine trebuie să fie egale cu cel puțin 2,5 D, iar distanța de la rezistor la perete cel puțin D, D fiind diametrul elementului rezistor.
Fig 1.14-Cuptor pentru forjă cu rezistoarele alimentate
direct de la rețeaua de forță a atelierului
Fig 1.15-Plasarea pe verticală a rezisotarelor din silite
Calculul termic al cuptoarelor cu rezistoare
Pentru determinarea puterii, randamentul și consumul de energie electrică este necesar să se stabilească bilanțul termic al cuptorului.
Căldura degajată în elementele încălzitoare se consumă pentru :
-încălzirea încărcăturii(căldura utilă);
-încălzirea dispozitivelor introduse în cuptor odată cu piesele (coșuri, etajere)sau a gazului de protecție (căldura auxiliară);
-încălzirea pereților cuptorului (zidărie, izolații, carcasa metalică (căldura acumulată));
-acoperirea pierderilor termice prin pereți , prin ușa deschisă sau prin orificiile cuptorului;
Căldura utilă se calculează cunoscând căldura specifică medie a încărcăturii [J/kg*grd], masa acesteia [kg] și temperaturile și
inițială și finală [grd].
În tabelul 1.3 este dată energia necesară pentru încălzirea și topirea unor metale mai frecvent folosite.
Pierderile de căldură în unitatea de timp , prin pereții cuptorului se ca calculează cu relația (1.1.). Pierderile prin radiație prin ușa deschisă , în timpul încărcării și descărcării cuptorului se calculează cu relația:
=Ψ*α*[(-(] (1.2)
în care:
Ψ este coeficientul care ține seama de ecranarea dată de pereții orificiului, fiind dat în diagrame în funcție de raportul dintre înălțimea orificiului și adâncimea acestuia;
α- coeficientul de absorbție al zidăriei;
-coeficientul de radiație al corpului absolut negru;
și – temperaturile absolute ale cuptorului și mediului ambiant;
– suprafața gurii;
– timpul de încărcare- descărcare;
Relația 1.1 constă în: = (1.3)
în care:
-energia necesară pentru realizarea procesului tehnologic ;
– pierderile de căldură datorite temperaturilor ridicate din instalația de încălzire;
– randamentul termic;
Relațiile de calcul pentru întocmirea bilanțului termic se pot aplica la toate tipurile de cuptoare. La cuptoarele cu acțiune intermitentă, bilanțul termic se întocmește pentru un ciclu de funcționare:
Q=+++ q (1.4)
în care:
-căldura utilă pentru încălzirea încărcăturii [J];
-căldura auxiliară [J];
– căldura acumulată de zidărie, într-un ciclu [J/h];
– durata întregului ciclu, de la începutul descărcării șarjei precedente până la începerea descărcării șarjei următoare [h];
Randamentul termic al cuptorului cu acțiune intermitentă este:
= (1.5)
La cuptoarele cu acțiue continuă, bilanțul termic se obține însumând puterea utilă pentru încălzirea încărcăturii, puterea auxiliară pentru încălzirea dispozitivelor auxiliare și puterea corespunzătoare pierderilor prin cuptor :
P=++ (1.6)
Iar randamentul termic:
=
Pentru determinarea puterii necesare cuptoarelor cu acțiune intermitentă, este necesar ca pe lângă bilanțul termic să se cunoască timpul în care trebuie dezvoltată puterea maximă. De obicei, acest timp este [h] timpul de încălzire a încărcăturii; concomitent cu încărcătura trebuie încălzite dispozitivele auxiliare, trebuie compensate pierderii termice și trebuie încălziți pereții răciți.
Puterea necesară este dată de relația:
(1.7)
pentru cuptoarele cu funcționare continuă:
(1.8)
pentru cuptoarele cu funcționare continuă.
La intervale mari între descărcarea încărcăturii precedente și încărcarea urmatoarei, se poate omite în relația (1.7) , pentru a nu avea o putere prea mare,considerându-se că încălzirea pereților răciți se face în intervalul de încărcare-descărcare.
Coeficientul de siguranță din relațiile (1.7 și 1.8 ) se ia între 1,3 și 1,8 pentru cuptoare până la 100 kW, între 1,3 și 1,6 pentru cuptoare cu puteri de peste 300 kW, pentru a ține seama de :
-variațiile tensiunii rețelei;
-îmbătrânirea rezistoarelor prin micșorarea secțiunii ca urmare a oxidării superficiale sau din schimbarea structurii interne a materialului rezistoarelor;
-forțarea regimului de funcționare a cuptorului, pentru mărirea productivității cuptorului, prin mărirea masei încărcăturii sau prin micșorarea duratei încălzirii;
Calculul electric al cuptoarelor cu rezistoare
Scopul calculului electric este de a determina secțiunea și lungimea elementelor încălzitoare plecând de la tensiunea de alimentare ( care din considerente de securitate nu poate depăși 500 V), puterea, schema de conexiuni și materialul rezistorului. Rezistența elementului încălzitor , determinată de puterea cuptorului și tensiunea de alimentare, poate fi realizată cu diferite lungimi și secțiuni. Pentru a se evita arderea rezistorului, se impune un calcul al încălzirii acestuia , care în esență se reduce la stabilirea unei încărcări specifice (puterea rezistorului raportată la suprafața laterală a acestuia).
La cuptoarele de înaltă temperatură (peste 700°C) transmiterea căldurii de la elementele încălzitoare la piese la pereții cuptorului se face în cea mai mare parte din radiație.
Se consideră un caz ideal al unui cuptor fără pierderi prin pereți, cu un rezistor de forma unei table subțiri care înconjoară încărcătura (figura 1.16), cu suprafața egală cu suprafața piesei. Schimbul de căldură prin radiație între elementul încălzitor și piesă este dat de ecuația:
Fig 1.16- Schimbul de căldură prin radiație în cazul unui cuptor ideal
1-rezistor;
2-piesă;
3-căptușeală;
(1.9)
în care:
-puterea degajată de încăzitor [J];
-suprafața încălzitorului [];
și – temperaturile încălzitorului și piesei [°K];
Suprafața afectivă a încălzitorului se poate scrie:
(1.10) , se poate lua din tabelul 1.4
Odată determinată încărcarea specifică a încălzitorului [W/] se poate determina ușor secțiunea S [] și lungimea l [m] a acestuia, dacă se cunoaște puterea încălzitorului pe o fază [W, tensiunea aplicată încălzitorului U [V] și rezistivitatea materialului încălzitorului la temperatura de lucru Ω [].
Pentru încălzitoare de secțiune rotundă avem:
(1.11)
ϼ (1.12)
Prin egalitatea relațiilor (1.11) și (1.12) rezultă:
d= (1.13)
în care:
d-diametrul sârmei [mm];
l-lungimea încălzitorului [m];
Pentru încălzitoarele confecționate din bandă sau bare cu secțiune dreptunghiulară , cu m=a/b raportul dintre lățimea și grosimea benzii, se obține în mod asemănător:
b=; a=bm (1.17)
În practică, m=5-10; cel mai des se utilizează benzi cu m=10. Lungimea încălzitorului rezultă direct :
l== (1.18)
În cazul încălzitoarelor spiralate, diametrul D de înfășurare a spiralei se alege ținând seamă de rezistența mecanică a materialului sârmei, astefel:
-pentru aliaje crom-nichel D= (6-10) d
-pentru aliaje crom-aluminiu D= (4-7) d
Pasul spiralei trebuie să fie mai mare decât două diametre ale sârmei, pentru a nu micșora coeficientul de eficiență al încălzitorului.
Materialele din care se confecționează rezistorii trebuie să îndeplinească urmatoarele condiții:
-să aibă rezistivitate ridicată, pentru a se micșora consumul de material;
-să aibă un coeficient redus de variație a rezistenței cu temperatura pentru a nu se produce șocuri de curent la conectare;
-să aibă un punct de topire ridicat;
-să nu-și schimbe proprietățile mecanice pentru încălzire sau răcire;
-să fie maleabilă și să se poată suda.
Materialele pentru rezistoare pot fi metalice sau nemetalice, cele mai utilizate fiind cele din:
-aliaje crom-nichel care sunt atât mai rezistente la topire cu cât este mai bogat conținutul de crom.Mărirea conținutului de crom peste 20% înrăutățește prelucrabilitatea aliajului. Din punct de vedere al prelucrabilității, aliajele ternare crom-nichel-fier sunt cele mai bune, dar au dezavantajul unui coeficient de variație a rezistenței cu temperatura, mare. Aliajele crom-nichel pot suporta temperaturi de maxim 1200°C.
-aliaje fier-crom-aluminiu care se pot utiliza la temperaturi superioare aliajelor crom-nichel, temperatura maximă de utilizare fiind 1350°C.Ele au o rezistivitate mai ridicată și o prelucrabiliate slabă.
-platina(temperatura de lucru 1400°C), molibdenul (2000°C) și wolframul (3000°C), se utilizează numai la cuptoarele de laborator din cauza costului ridicat. În plus, molibdenul și wolframul se folosesc numai în atmosferă protectoare deoarece se oxidează ușor în aer.
Materialele nemetalice se folosesc pentru confecționarea rezistorilor care funcționează la temperaturi de peste 1200°C.
-carborundul este utilizat pentru confecționarea rezistoarelor sub formă de bare prefabricate, cu diametre cuprinse între 5 și 45mm. Se mai cunosc sub numele de silite sau globare și pot lucra la temperaturi de 1400°C. Au rezistivitate foarte mare, dar variabilă cu temperatura și sunt supuse fenomenului de îmbătrânire;
-cărbunele și grafitul: pot funcționa numai în atmosfere protectoare și se utilizează la confecționarea încălzitoarelor sub formă de bare, tuburi, creuzete și plăci, până la temperaturi de 2000°C;
-siliciura de molibden (Mo) obținută prin procedeele metalurgiei pulberilor, sub formă de bare sau în formă de U pot suporta în medii oxidante temperaturi de 1700° C.
Elementele încălzitoare metalice se construiesc din sârmă sau sub formă de zig-zag , din benzi în zig-zag, mai rar din bare sau din țevi. Predominarea rezistorilor din sârmă se explică prin avantajul de a fi construite din laminate de secțiuni mici și alimentate direct de la rețeaua de 380V, fără utilizarea tranformatoarelor coborâtoare. În figura 4.21, se prezintă câteva moduri de fixare a rezistorilor spirali, în figura 4.22 se arată modul de fixare a spiralelor în cuptoarele de înaltă temperatură(până la 1200°C), iar în figura 4.23 se arată modul de fixare a rezitorilor în zig-zag pe pereții cuptorului.
Fig 4.21- Fixarea rezistorilor spirali
a-pe pelicioare; b-pe tuburi ceramice;
Fig.4.22-Fixarea rezistorilor în peretele cuptorului(în crestături)
Fig.4.23-Fixarea rezistorilor în zig-zag
1.5 Legile transmiterii căldurii
Studiul indicatorilor energetici și utilajelor electrotermice(puterea, randamentul, consumul specific de energie) se poate face numai plin aplicarea legilor de bază ale transmiterii căldurii.
Transmiterea căldurii de la un corp la altul se poate face prin conducție, convecție sau radiație.
Conducția termică se realizează prin contactul nemijlocit dintre două corpuri sau dintre două părți ale aceluiași corp. La o anumită temperatură , moleculele corpurilor posedă o anumită energie cinetică. Dacă între două puncte ale mediului există o diferență de temperatură,între acestea are loc o transmitere de energie care tinde să niveleze diferențele de energie corespunzătoare celor două temperaturi.
Convecția are loc numai în medii fluide aflate în mișcare, transferul de căldură facându-se prin intermediul particulelor acestor medii. Radiația termică reprezintă propagarea energiei termice în spațiu sub formă de unde electromagnetice.
1.5.1 Transmiterea căldurii prin conducție
Pentru simplificare se iau în considerare numai medii continue, omogene și izotrope. Starea termică a unor astfel de medii este pe deplin determinată de câmpul termic, care reprezintă totalitatea valorilor momentane ale temperaturilor tuturor punctelor spațiului considerat Câmpul termic se consideră continuu , adică la variații infinite ale spațului, corespund variații infinite ale temperaturii.
În cazul general , temperatura unui punct din spațiu este o funcție de coordonatele punctului și de timp
ϑ=f(x,y,z,t)
Procesul termic în care temperaturile diferitelor puncte variază în timp se numește proces nestaționar și este caracteristic încălzirii și răcirii corpurilor. Procesul termic în care temperaturile diferitelor puncte din spațiu sunt constante în timp se numește staționar. Astfel de procese staționare au loc in pereții cuptoarelor după o funcționare îndelungată neîntreruptă.
Toate punctele câmpului termic care au aceeasi temperatură, formează așa numitele suprafețe izoterme. Intersecția acestor suprafețe cu un plan formează curbele izoterme. Deoarece într-un anumit punct nu pot exista două temperaturi, curbele izoterme nu se pot intersecta; ele se închid sau se termină pe suprafața corpului.
Dacă un punct P (fig 1.3) se deplasează de-a lungul unei izoterme, nu apare o variație de temperatură ; deplasarea pe orice altă direcție s duce la variații de temperatură. Valoarea maximă a vitezei de variație a temperaturii se obține prin deplasarea de-a lungul normalei n la suprafață.
Legea lui Fourier arată că: cantitatea de căldură trasnmisă prin conducție printr-o suprafață dS în timpul t este proporțională cu gradientul de temperatură, propagarea căldurii făcându-se după direcția gradientului, în sens contrar al acestuia:
dQ=-λ tdS
Raportul q= se numește flux termic și i se poate asocia un sens de propagare.
Factorul de proporționalitate λ, determinat de proprietățile fizice ale corpurilor, se numește conductibilitate termică. Conductibilitatea termică are valori mari pentru metale (argint λ= 0,418kW/m grd; cupru λ=0,384kW/m grd ) și valori foarte mici pentru materialele refractare (λ=0,58-4,65 W/m grd) și termoizolante (λ=0,04-0,38 W/m grd). Faptul că materialele sunt bune conducătoare atât de căldură cât și de electricitate, nu este întâmplător. Teoria electronică atribuie acest fapt existenței electronilor liberi în metale. Spre deosebire de materialele neconductoare, în metale transmiterea căldurii de la porțiunile încălzite ale corpurilor spre cele vecine se realizează numai prin ciocnirea atomilor, ci mai ales prin intermediul electronilor liberi. Acumulând în porțiunea încălzită o energie cinetică suplimentară, electronii mobili transportă relativ repede această cantitate suplimentară de energie în porțiunile învecinate ale corpului și prin aceasta accelerează mult procesul de conducție termică.
Cu ajutorul legii lui Fourier se poate scrie ecuația generală a transmiterii căldurii prin conducție în regim nestaționar, care leagă temperaturile diferitelor puncte din spațiu, timpul și coordonatele acestor puncte. Considerând două plane paralele și aflate la distanța dx (figura 1.4)
Cantitatea de căldură ce pătrunde prin suprafața elementară dy dz a planului în unitatea de timp este conform legii lui Fourier:
=-dy ds λ
iar prin suprafața elementară a planului :
λ
Căldura care rămâne în elementul de volum dx dy dz în unitatea de timp este:
λ
și servește la ridicarea temperaturii volumului considerat:
dQ=dx dy dz ɤ a d
în care ɤ este greutatea specifică; c-căldura specifică.
Se obține:
sau dacă, în cazul general, există transmitere de căldură și după direcțiile y și z
Δϑ
în care
Δ=
este operatorul lui Laplace.
În regim staționar =0 și ecuația generală devine ecuația lui Laplace:
Δϑ=0
Prin rezlvarea ecuației lui Laplace , se poate stabili relația care dă căldura transmisă, de exemplu prin 2 pereți plani de grosime (fig 1.5)
Considerând că temperatura variază numai după axa x, prin integrarea ecuației lui Laplace rezultă:
; ϑ=
Constantele de integrare se determină prin condițiile de limită :
x=c; =
x=; ϑ=;
Variația temperaturii în primul perete este dată de expresia:
x+
Punând în loc de x, x-, în loc de se obține variația temperaturii în peretele al doilea:
ϑ=
Cantitatea de căldură care se propagă în unitatea de timp prin ambii pereți, cu aria A este
Considerând o conductibilitate medie pentru ambii pereți:
rezultă prin egalarea acestei expresii cu :
Generalități pentru n pereți cu suprafața A, căldura trasmisă în unitatea de timp se poate calcula cu relația:
în care este temperatura la care suprafața exterioară a primului perete
– temperatura ultimuui perete
și – conductibilitatea șu grosimea peretelui i.
În majoritatea cazurilor se cunosc temperaturile suprafețelor exterioare ale primului și ultimului perete, dar nu se cunosc temperaturile pereților intermediari. Cunoașterea acestor temperaturi este necesară pentru a putea calcula conductibilitatea peretelui respectiv, care pentru materiale refractare și termoizolante depinde de temperatură. În primă aproximație se poate considera această dependență liniară:
în care a și b sunt constante, iar este temperatura medie a peretelui. În această situație , calculul căldurii transmise prin pereți necesită un număr oarecare de aproximări succesive( iterații). Se adoptă de la început temperaturi medii arbitrare, dar rezonabile, pentru fiecare perete se calculează fluxul termic și se recalculează temperaturile medii, până când diferențele obținute sunt inferioare unei anumite erori admisibile. Calculul iterativ se poate face ușor pe un calculator electronic numeric.
În cazul unui perete cilindric, cu înălțimea h mult mai mare decât grosimea s ( fig 1.6) se poate scrie:
.Q=
și prin integrare
ϑ=
Punând condițiile la limită:
r= ; ϑ=
r= ; ϑ=
rezultă:
Q=
iar fluxul termic specific:
q=.
Pentru cazurile practice de pereți cilindrici , cu pereți subțiri față de diametre, pentru se poate păstra numai primul termen din dezvoltarea în serie a logaritmului natural.
ln x =2[
adică:
ln ; s= ;
Q=
adică se poate aplica formula de la pereții plani.
1.5.2.Transmiterea căldurii prin convecție
Convecția are loc țn medii lichide sau gazoase și practic concomitent cu conducția termică. Există convecție naturală și convecție forțată, determinată de diferențele de densitate ale părților din fluid aflate la temperaturi diferite. Convecția forțată se realizează cu ajutorul pompelor și ventilatoarelor.
Transmiterea căldurii prin convecție este descrisă de sistemul de ecuații al conducției termice, micșorării, continuității și condițiilor de univocitate. Rezolvarea analitică a acestor ecuații este foarte dificilă și adesea integrarea lor nu este posibilă, așa incât calculul schimbului de căldură prin convecție se bazează pe generalizarea unui număr mare de rzultate experimentale, apelându-se la criteriile de similitudine, ținându-se seamă de caracterul mișcării (lamilar, turbulent ),de temperatură și proprietățile fizice ale substanțelor respective.
Schimbul de căldură prin convecție este dat de formula lui Newton:
în care: – puterea corespunzătoare căldurii transmise prin convecție [W];
– suprafața prin care se face schimbul de căldură [];
– temperaturile fluidului și peretelui [°K];
-coeficientul de cedare a căldurii prin convecție [W/grd].
Relația de mai sus este folosită atât pentru convecție naturală . cât si pentru cea forțată. Dificultatea constă în determinarea lui , care depinde de foarte mulți factori : de temperatura mediilor care primesc sau cedează căldură, de dimensiunile geometrice și forma pereților, de proprietățile fizice ale fluidului care spală peretele ( căldură specifică, conductibilitate termică, densitate, vâscozitate ) precum de viteza și de caracterul mișcării fluidului.
În calculele preliminarii se pot utiliza formule empirice precum determinarea coeficientului de cedare a căldurii prin convecție. La calculul pierderilor de căldură prin pereți, se utilizează coeficienți globali de cedare a căldurii, care țin seama atât de convecție, cât și de radiație
. 1.5.3. Transmiterea căldurii prin radiație
Radiațiile ttermice suntunde electromagnetice cu lungimi de undă cuprinse în gama 0,4 -4 µ. Radiația termică este determinată de temperatura corpului și apare la toate corpurile cu temperaturi diferite de zero absolut.
Cantitatea de căldură radiată pe unitatea de suprafață în unitatea de timp, de un corp absolut negru este dată de legea lui Ștefan- Boltzman:
q=(
în care: =5,7 [W/]- coeficientul de radiație al corpului absolut negru
T- temperatura absolută.
Relația de mai sus este valabilă și pentru corpurile reale, cenușii, dacă în loc de coeficientul de radiație al corpului absolut negru se pune
C=α
în care α este coeficientul de absorbție al corpului cenușiu.
Legătura (relația de mai sus) dintre coeficientul de radiație al corpului absolut negru și cel
al corpului cenușiu a fost dată de Kirohhoff și poate fi demonstrată ușor pentru un caz particular al unor corpuri plane, paralele, situate foarte aproape unul de altul, încât întreaga radiație a unui corp să cadă pe celalalt corp. Unitatea de suprafață a corpului cenușiu radiază pe corpul negru pe unitatea de timp, căldura [W/] care este absorbită în întregime de corpul absolut negru. Unitatea de suprafață a corpului absolut negru radiază într-o secundă căldura , din care corpul cenușiu absoarbe α , iar restul (1-α) este reflectată și apoi absorbită de corpul absolut negru. În momentul stabilirii echilibrului termic (T=), căldura primită de corpul negru va fi egal cu căldura cedată:
q+(1-α)=
sau
q=α
valabilă pentru orice corp cenușiu ,deci
==…=
1.5.4.Transmiterea complexă a căldurii
În condițiile reale de funcționare electrotermice, căldura se transmite simultan prin conducție, convecție și radiație. Considerăm un perete plan, de grosime s, confecționat dintr-un material omogen cu conductibilitate termică λ (fig 1.10)
Un metru pătrat din suprafața interioară a peretelui primește în unitatea de timp prin convecție și radiație căldura :
=(-)
Coeficientul ține seama de convecție și radiație și are pentru dieferite materiale și diferite temperaturi valorile din diagrama dată în figura 1.11.
Căldura transmisă prin conducție prin perete, în unitatea de timp și prin unitatea de suprafață:
=
Căldura transmisă la suprafața exterioară a peretelui , prin convecție și radiație:
= (
Valorile coeficientului , pentru pereți din cărămizi sau metal vopsit, în aer liniștit, la 20°C sunt date în tabelul 1.1.
În regim staționar, în peretele cuptorului nu se înmagazinează și nu se pierde căldura, deci:
Valorile coeficientului global de cedare a căldurii pentru pereți de cărămidă sau din metal vopsit, în aer la 20 °C.
Tabelu 1.1
Căderile de temperatură se scriu:
; ; ;
Eliminând temperaturile , care de obicei nu se cunosc, fluxul termic specific poate fi scris în funcție de temperatura din interiorul cuptorului și temperatura mediului ambiant.
[W/]
Pentru pereți de dimensiuni finite, în relația de calcul intră și aria suprafeței interioare a peretelui , aria suprafeței exterioare a peretelui și aria teoretică medie a peretelui :
q=
Aria teoretică medie a peretelui se calculează cu formula:
pentru ;
pentru >2
în care sunt ariile suprafețelor cu temperaturile .
Pentru pereți plani formați din n straturi, fluxul termic specific se calculează cu formula:
q=
Pentru calculul pierderilor prin pereții cuptoarelor cu temperaturi ridicate (>700°C) primul termen de la numitor se poate neglija, deoarece valoarea mare a coeficientului global de temperatura a căldurii face ca rezistența termică la interiorul peretelui să fie foarte mică, încât căderea de temperatură la frontiera peretelui interior al cuptorului este neglijabilă.
1.6 Materiale utilizate în construcția cuptoarelor electrice
În construcția cuptoarelor electrice se utilizează, pe lângă materiale uzuale din construcția de mașini, materiale cu proprietăți diferite, care să corespundă condițiilor de funcționare la temperaturi ridicate și să asigure o izolare termică cât mai bună a mediului de lucru din interiorul cuptoarelor. Materialele care trebuie să reziste la temperaturi ridicate și în același timp să aibe proprietăti mecanice bune, se numesc materiale refractare, iar materialele cărora nu li se cere să reziste la solicitări mecanice,dar în schimb trebuie să aibă conductibilități termice cât mai scăzute, se numesc materiale termoizolante.
1.6.1 Materiale refractare
Materialele refractare servesc la confecționarea căptușelilor interioare ale pereților cuptoarelor și trebuie să posede următoarele proprietăți mai importante:
-să aibe o temperatură de înmuiere suficient de ridicată. Se consideră refractare , materialele cu temperaturi cuprinse între 1580-1770 °C. Materialele ce suportă temperaturi mai ridicate fără să se deformeze se numesc suprarefractare;
-să prezinte rezistență mecanică suficientă la temperaturi înalte. Rezistența mecanică determină temperatura maximă la care pot fi utilizate materialele refractare. Temperatura maximă de lucru se consideră temperatura la care materialul suferă deformații de 10-40% la o solicitare de compresiune de 20N/.
-să nu se fisureze la variații de temperatură ce apar frecvent la cuptoarele cu funcționare intermitentă;
1.7 Materiale refractare
La construirea unui cuptor sunt folosite o serie de materiale ale căror propietăți sunt hotărâtoare în ceea ce privește durata de funcționare. Ele trebuie sș îndeplinească anumite condiții ținând seama de locul și modul în care sunt întrebuințate și anume: mărimea și caracterul solicitărilor mecanice, temperatura de lucru, natura mediului, deformațiile admise de caracterul constrcuțieiși durata de serviciu a piesei respective.
Pe lângă materialele metalice utilizate în construcția carcasei cuptorului, a diverselor mecanisme necesare funcționării, a pieselor de rezistență (stâlpi, montanți, etc) , un loc foarte important îl ocupă materialele refractare.
1.7.1 Materialele refractare nemetalice Clasificare
Pentru a economisi căldura, la construcția cuptoarelor se folosesc materiale nemetalice care prin structura lor realizează o izolație termică a acestor instalații mari consumatoare de energie electrică.
Clasificarea materialelor nemetalice utilizate la construcția cuptoarelor se poate face după mai multe cazuri și anume:
a)după refractaritate
-termoizolatoare( IP 123…IP158);
-refractare (IP158…IP177);
-cu refractaritate înaltă (IP 177…IP200);
-superrefractare (peste IP 200);
b)după compoziția chimico-mineralogică
-diatomite;
-silicioase (cuarțo-silicioase, silica,semisilica);
-silico-aluminoase( silicoargiloase,argiloase, aluminoase, superaluminoase);
-magnezitice (periclasice,magnezitice,forsteritice, cromitice,dolomitice);
-calcice (calcitice, alumino-calcitice);
-carbonice (cărbunoase,grafito-carbonice, grafito-argiloase);
-carborundice (carborundice recristalizate, carborundice cu liant ceramic);
-zirconice ( silico-zirconice, zircono-corindonice);
c) după porozitate
-ușoare, cu porozitate 30…75%;
-dense, cu porozitate 16…30%;
-superdense, cu porozitate 0…16% ;
d)după modul de prezentare
-produse fasonate (fasonate plastic, prefabricate, turnate, presate, casetate și armate, topite și turnate. fibre și produse din fibre refractare);
-produse pulverulente și/sau granulate (mortare, cimenturi, betoane, mase refractare plastice de ștampare, de torcretare) ;
e) după modul de logare
-arse;
-arse și impregnate;
-arse și glazurate;
-cu lianți hidraulici;
-chimic;
-cu lianți organici;
Proprietățile materialelor refractare nemetalice
Calitatea produselor refractare folosite ca material de construcție se apreciază în funcție de proprietățile lor fizice și tehnologice. Principalele proprietăți fizice sunt: porozitatea, permeabilitatea față de gaze. căldura specifică, conductivitate termică,, conductivitatea electrică și dilatarea termică. Proprietățile tehnologice caracterizează calitatea unui produs refractar din punct de vedere al condițiilor în care urmează a fi utilizate: refractaritate, rezistență la deformare sub sarcină la temperaturi înalte, rezistență la atacul chimic, rezistență la șoc termic, etc.
Porozitatea materialelor refractare ceramice exprimă gradul de compactitate al acestor materiale, influențând stabilitatea termică și chimică, rezistența la compresiune și conductibilitatea termică. Se deosebește de porozitate aparentă, , sau deschisă, la care porii comunică cu atmosfera, o porozitate închisă, , la care porii sunt izolați în interiorul produsului și o porozitate totală sau reală , astefel încât:
Produsele refractare, care se folosesc pentru vatra, bolta și pereții cuptoarelor, trebuie să se caracterizeze printr-o compacticitate cât mai mare, adică o porozitate cât mai mică, iar materialele termoizolatoare, dimpotrivă, printr-o porozitate cât mai mare.
Permeabilitatea la gaze depinde de valoarea porozității aparente; cu cât această valoare este mai mare , cu atât trec prin cărămidă mai mulți pori de pe o față pe cea opusă.
Coeficientul de permeabilitate la gaze K se determină cu relația:
K=
în care: V-volumul de aer care trece prin probă;
– grosimea probei [m];
A- secțiunea probei ];
τ- durata experienței [h];
p-presiunea de lucru [mm ].
Căldura specifică este o mărime importantă, utilizată în special în calculul cuptoarelor cu fincționare intermitentă. Cu ajutorul ei se calculează căldura acumulată în zidărie.
Conductibilitatea termică -λ- a produselor refractare ceramice are influență foarte mare asupra parametrilor de funcționare a cuptoarelor, zidăria fiind astfel dimensionată încât pierderile de căldură să fie minime. Ea depinde de natura materialului, de porozitate (densitatea aparentă) și de temperatură. Variația lui λ, în funcție de temperatură, se exprimă cu relația:
λ=
în care:-conductivitatea termică la 0°C
b-un coeficient empiric
t-temperatura [°C]
Conductivitatea electrică la temperatura mediului ambiant a produselor refractare, este foarte mică dar crește cu creșterea temperaturii. Este totuși necesar să se acorde atenție conductivității electrice mai ales la cuptoarele electrice și în special pentru suporții de rezistori și pentru masele în care se îngroapă rezistențele electrice. La temperatura de 1500°C ele nu mai pot fi considerate ca materiale electroiolante. În tabelul 1.7.1 se prezintă rezistența electrică pentru câteva materiale ceramice.
Dilatarea termică depinde numai de natura materialului și de temperaturăși influențează în mare măsură stabilitatea termică a produselor. Coeficientul de dilatare liniară α poate varia nu numai de la un material la altul, ci și în același material funcție de temperatură. De exemplu la cărămizile de silică, α=5,14 * în intervalul 200…250°C, iar peste 600°C variază între 1,6*…0,49*m/m°C , ceea ce se explică prin transformările de fază care produc în material.
Refractaritatea este proprietatea unui material de a se opune trecerii lui în stare păstoasă sau fluidă la temperaturi înalte. Pentru determinarea refractarității se utilizează o probă care se compară cu eșantioanele etalon. În acest scop se confecționează un mic con din materialul de cercetat, având dimensiuni anumite, care se încălzește într-un cuptor, înpreună cu conuri etalon. La atingerea unei anumite temperaturi, vârful conului se încovoaie până atinge vatra pe care e așezat. În același moment unul din conurile etalon se încovoaie și el; cunoscându-se numărul Seger al acestuia sub indicatorul piroscopic IP, se poate stabili după tabelul 7.2 temperatura de înmuiere.
Cărămizile care au un număr Seger mai mare de 26 se numesc refractare.
Rezistența la deformare sub sarcină la temperaturi înalte este un criteriu mai bun pentru evaluarea posibilității de utilizare ale unei cărămizi. Pentru determinarea acestei caracteristici se introduce în cuptor un mic cilindru între două persoane și se încarcă cu o sarcină de 2 daN/. Se înregistrează la intervale regulate temperatura și deformarea. trecându-se apoi aceste date pe un grafic din care se constată astfel când începe înmuierea și la ce temperatură se termină.
Rezistența la influența factorilor chimici este determinată, în principal, la cuptoarele din industria metalurgică, de compoziția chimică a atmosferei din cuptor. Aceasta poate fi oxidantă, reducătoare sau neutră.
Toate materialele refractare, cu excepția celor carbonice, rezistă bine în atmosferă oxidantă, iar atmosfera reducătoare are o influență dăunătoare asupra materialelor refractare care conțin cantități însemnate de oxid de fier( materiale cromitice și unele șamote). În acest caz, oxizii de fier sunt reduși de gaze, iar la temperaturi de 450…600°C fierul proaspăt este catalizatorul reacției lui Bell:
2CO=+C
Rezistența la șoc termic a materialelor refractare este capacitatea materialului de a rezista la variații bruște de temeratură care pot apărea la introducerea șarjei reci în cuptorul cald, aprinderea și stingerea succesivă a arzătoarelor datorită reglajului de temperatură. Rezistența la șoc termic este influențată în mod exclusiv de natura materialului. Dacă el are o rezistență mecanică ridicată și o rezistență mare la uzură, nu va avea o rezistență ridicată la variațiile de temperatură.
Această rezistență la șoc termic prezintă o valoare maximă atunci când porozitatea este de 20…25%, dar ea scade considerabil pentru o porozitate de 30% deoarece atunci scade conductivitatea. Conform STAS 129-77, se încălzește capătul unei cărămizi și se răcește apoi în apă. Numărul de răciri posibile este o caracteristică a rezistenței la șoc termic.
1.7.1.2 Cărămizi refractare utilizate la construcția cuptoarelor
Diatomita este o rocă silicioasă numită și pământ de infuzoare formată dintr-o masă de alge microscopice-diatomee. Ea încorporează mase mari de aer(este foarte poroasă) fapt ce determină calitatea de izolator.Se folosește sub formă de material de umplutură și ca masă ștampată, dar cel mai frecvent sub formă de cărămizi. Cărămizile de diatomită se fac prin presarea masei umede de pământ de diatomee urmată de uscarea și arderea lor. Ca produs finit densitatea variază între 0,4 și 1,0 kg/.
Șamotele sunt produse silico-aluminoase cu un conținut de 30…45% . Cărămizile de șamotă sunt utilizate larg în construcția de cuptoare, fiind cele mai ieftine. Ca materie primă pentru fabricarea cărămizilor de șamotă se folosesc argile și caoline refractare, conținând în special caolinit hidratat. Prin ardere , apa este eliminată, iar silicea și alumina folosind argila ca liant se vor transforma într-o masă compactă și rezistentă la solicitări mecanice.
Folosirea cărămizilor se șamotă prezintă marele avantaj de a se putea utiliza mortar din aceeași compoziție ca și cărămizile, astfel că, prin uscare, cărămida utilizată la zidărie și mortarul ce se folosește la rosturi vor alcătui un monolit
Silica este un material refractar acid care are o refractaritate ridicată (1700°C).
Cărămizile se silică se utilizează ca material de bază în majoritatea cazurilor (92%) și un liant de var. Cuarțul se transformă prin ardere la temperaturi ridicate în cristobalit, are loc o creștere de volum cu 16,7%.
Silimanitul este un produs refractar silico-aluminos cu conținut ridicat de alumină(45…65%). El se caracterizează printr-o stabilitate termică mare și printr-o conductibilitate termică mai mare decât a cărămizilor de silică și șamotă. Din silimanit se construiesc tuburi și piese fasonate(pietre de arzător, pietre în tub Venturi, etc). De asemenea se folosește pentru țevi de protecție la termocuple. Deși este scump, totuși se folosește în cazuri speciale la cuptoare de temperatură înaltă.
Pentru fabricarea produselor magnezitice se întrebuințează pulbere de magnezie sinterizată cu liant. Pulberea se obține fie din zăcăminte de magnezit, fie din hidroxid de magneziu. Cărămizile de magnezită se caracterizează printr-o refractaritate ridicată și conductibilitate termică mare. De aceea se utilizează la vetrele cuptoarelor de forjă și de încălzire la temperaturi ridicate.
Cărămizile de corund se produc din bauxită și alumină prin topire în cuptorul cu arc. Au refractaritate foarte mare (până la IP 192) și o temperatură de înmuiere foarte ridicată. Ele pot fi utilizate la solicitări mari la compresiune și la temperaturi înalte.
Materialele refractare cu minereu de crom se utilizează în formă de cărămizi sau ca masă de ștampare. Componentul refractar este . Aceste materiale sunt înalt refractare și sunt utilizate la căptușirea vetrei cuptoarelor de forjă, fie sub formă de cărămizi, fie ca masă de ștampat.
1.7.1.3 Mase refractare și betoanele refractare
Masele refractare plastice și de ștampare sunt constituite din agregate refractare și unul sau mai mulți lianți.Ca metrial de bază se folosesc mase de șamotă, magnezită, minereu de crom, carbură de siliciu, etc. După modul de întărire se cunosc mase cu liant ceramic, hidraulic, chimic și organic. În cazul liantului ceramic și chimic, rezistența crește cu creșterea temperaturii, mai pronunțat însă la temperaturi înalte, liantul chimic conferind masei o rezistență mai mare. Liantulhidraulic oferind în schimb o altă variție a rezistenței funcție de temperatură. La rece rezistența este foarte mare, ea scăzând cu creșterea temperaturii, pentru ca la temperaturi peste 1000°C, ea să crească din nou până aproape de valoarea inițială. Ele se pot folosi la temperaturi scăzute și la temperaturi înalte acolo unde apar solicitări dinamice sau statice mari.
Masele refractare se folosesc foarte des deoarece se pot realiza înzidiri fără rosturi, pentru vetre, bolți, pereți de cuptoare și alte elemente.
Betoanele refractare sunt mase refractare cu liant hidraulic care se întărește în aer și care se prelucrează ca betonul din construcții.
Betoanele refractare termoizolante se utilizează în genral ca material de izolație în spatele unei căptușeli refractare dense. Se pot folosi și la fața caldă în funcție de solicitările cuptorului în special în uscătoare, în majoritate cuptoarelor de tratament, la instalațiile din industria petrochimică și rafinării,etc.
Betoanele se livrează sub formă de:
-componenți separați(ciment refractar+agregatul refractar) care se dozează și se amestecă la locul de utilizare;
-amestec uscat, gata pregătit pentru folosire;
-prefabricate din beton refractar gata montate.
Rezistența mecanică a betonului se obține în urma reacțiilor chimice exoterme care au loc între cimentul refractar cu priză hidraulică și apă.Cantitatea de apă este bine determinată pentru fiecare tip de beton.În acest sens trebuie evitată pierderea apei prin neetanșeitățile formelor și cofrajelor, prin căldura degajată în exterior în urma reacțiilor. Betoanele refractare au o întărire mai rapidă decât betoanele obișnuite de construcție, deci este necesar să se aprecieze cantitatea de beton ce se pregătește în funcție de capacitatea betonierei, de posibilitățile de manoperă li de punere în operă (turnare).
1.7.1.4 Fibre ceramice
În general fibrele ceramice se obțin prin topirea unor materiale refractare în cuptoarele cu încălzire indirectă. Pentru a scădea temperatura de topire sau a obține compoziția dorită în încărcătură se adaugă fondanți. Încărcătura topită trece printr-o filieră, unde un jet perpendicular de aer rece sau vapori de apă provoacă transformarea topiturii în fibre și solidificarea rapidă a acestora. Fibrele au diametrul între 2 și 10 microni și lungimi până la 250 mm. Densitatea în vrac variază de la 50 la 100 kg/ iar coeficienții de conductibilitate termică de la 0,046 la 0,18 W/m°C, în funcție de compoziția chimică și de temperatura de lucru.
Materiile prime de bază din care se obțin fibrele sunt în ordinea crescândă a temperaturii de utilizare următoarele: sticla, zgurele, bazaltul, argila, caolinul, carbonul și alumina..
Datorită densității reduse și a conductibilității termice mici, în prezent fibrele ceramice cunosc o răspândire foarte largă în special pentru cuptoarele de dimensiuni mari, unde încălzirea se face după o diagramă prescrisă de tehnolog pornind de la rece Ele contribuie la realizarea unei economii de enrgie datorită în special cantității mici de căldură înmagazinată.
1.7.1.5.Grafitul
Produsele din grafit capătă o întrebuințare tot mai mare în ultima vreme.Astfel el se folosește sub formă de cărămizi pentru vetrele cuptoarelor, pâslă, șnur, fibră pentru izolație, precum și ca încălzitor sub formă de laminat. Cu creșterea temperaturii, rezistența electrică a grafitului trece printr-un minim, conductibilitatea termică scade, iar rezistența mecanică crește. (tab 7.7)
Temperatura de topire este de aproximativ 2000°C, iar oxidarea apare peste 400…450grafitul compact se oxidează mai greu.
tabelul 7.7
1.7.2 Materiale refractare metalice
Oțelurile refractare se utilizează la temperaturi de regulă peste 600°C, la care oțelurile slab și mediu aliate nu sunt corespunzătoare. Ceea ce condiționează utilizarea acestor oțeluri este în primul rând rezistența lor la oxidare, asociată cu o bună rezistență mecanică la temperaturile de lucru (fluaj).
Un oțel se consideră rezistent la oxidare la o anumită temperatură, când cantitatea de metal oxidant la acea temperatură este de cel mult 1g/, iar la o temperatură t+50°C este 2g/, după menținere de 120 h, cu patru răciri intermediare. Rezistența la oxidare a oțelurilor din ascastă clasă se asigură prin alierea cu crom, siliciu, aluminiu, nichel.
Rezistența la fluaj la o anumită temperatură este determinată de limita de curgere la acea temperatură, adică sarcina care produce o alungire proporțională de 1% după o perioadă de 10000ore(R 1/10000).
Oțelurile utilizate la construcția cuptoarelor trebuie să aibă urmatoarele proprietăți:
-să aibă modificări neînsemnate ale volumului la încălziri și răciri repetate;
-să fie sudabile;
-să se prelucreze fără dificultăți la temperatura normală și la temperaturi ridicate (tab 7.8)
-să posede o rezistență ridicată caracterizată printr-o limită de fluaj ridicată și prin limita de rezistență la durată.
În tabelul 7.9 se prezintă proprietăți fizice ale unor oțeluri utilizate curent la construcția cuptoarelor.
1.7.3 Oțeluri rezistente la oxidare
Rezistența la oxidare a metalelor refractare se datorează formării unui strat de oxid aderent și ppuțin permeabil. Dacă volumul pecific al oxidului este mai mic decît cel al metalului, stratul de oxid format este poros, permițând pătrunderea oxigenului în metal. În caz invers stratul este compact și oxigenul nu ajunge la metal.
Cromul cu proporții de 5% din compoziția oțelului conferă acestuia o bună rezistență de oxidare la temperaturi de 600…650°C, în proporție de 10…12% la 800°C , în proporție de 22% la 1000°C, în proporție de 27…30% la 1100°C. Oxigenul și vaporii de apă sunt mai agresivi față de oțelul aliat cu cromul decât aerul uscat.
Adaosul de siliciu (2%) și de aluminiu (cca 2%) ridică limita temperaturii de utilizare a oțelului cu 6% Cr la 800°C(pentru durata verificată de 100h). Aceste elemente au influențe similare și asupra oțelurilor cu conținuturi mai ridicate de crom. Trebuie menționat că oțelurile feritice cu mai mult de 18% Cr, tind să se fragilizeze în timpul menținerii la temperaturi înalte (datorită creșterii grăuntelui).
Adaosul de nichel la oțelurile cu crom, conduce la obținerea structurilor austenitice,care nu au inconveniente menționate mai sus ale oțelurilor cu crom și sunt mai rezistente la oxidare. Pentru fiecare conținut de nichel în oțel există un cnținut optim de crom, pentru care rezistența la oxidare crește (de exemplu în oțeluri cu 20% Ni se recomandă conținutul optim de 26%Cr)
Alte oțeluri introduse în compoziția oțelurilor refractare pentru a mări rezistența lor mecanică, fie că nu au nfluență asupra rezistenței la oxidare(titanul, niobiul sau cobaltul), fie că micșorează sensibil această rezistență(vanadiul și molibdenul). Carbonul, azotul și oxigenul din oțel au efecte defavorabile asupra rezistenței la oxidare.
1.7.4 Aliaje pentru rezistori
Materialele metalice utilizate la executarea rezistorilor, trebuie să aibă o refractaritate ridicată, o rezistivitate ridicată și o variație a acesteia cu temperatura cât mai mică, o bună rezistență mecanică și chimică și o prelucrabilitate cât mai bună.
Aliajele crom-aluminiu-fier sunt cele mai utilizate materiale la realizarea rezistoarelor pentru temperaturi de lucru peste 1200°C(max.1350°C), iar cele crom-nichel-fier sau crom-nichel pentru temperaturi sub 1200°C.
Principalele caracteristici ale aliajelor destinate executării rezistorilor, produse de firma suedeză KANTHAL, (KANTHAL A-1 și A )se folosesc pentru cuptoare de recoacere la temperaturi ridicate, în industria ceramică, la calcinare, etc.
Aliajele Ni-crom se folosesc pentru cuptoare de tratament termic, uscătoare, baterii de încălzire.
Variații a rezistivității cu temperatura pentru aliaje prezentate mai sus este redată în tabelul 7.12. Se observă o modificare relativ mică a rezistivității cu temperatura(2…8%) ceea ce permite o reglare ușoară a temperaturii în spațiul de lucru.
tabelul 7.12
1.7.5 Metale cu punct de fuziune ridicat
Cele mai răspândite metale cu punct de fuziune ridicat sunt: wolframul t.topire-3880°C; molibdenul t.topire-2160°C; tantalul t.topire-2996°C; niobiul t .topire-2468°C.
Metalele cu punct de fuziune ridicat se folosesc pentru confecționarea încălzitoarelor, ecranelor, suporților, containerelor, etc.
Titanul și niobiul sunt foarte plastice la temperatura ambiantă, astfel că prelucrarea lor nu prezintă dificulltăți.
Plasticitate molibdenului, la temperatura ambiantă depinde de puritatea acestuia, cea mai mare influență avâând-o oxigenul. La un conținut de oxigen mai mare de 0,003% molibdenul devine fragil. Totuși la temperaturi de 500…600°C el se pretează la deformare. Deformarea wolframului are loc numai prin încălzirea la 500…600°C.
1.8 Elemente constructive comune ale cuptoarelor
1.8.1 Fundația cuptoarelor industriale
Rolul fundației unui cuptor este de a transmite în mod sigur la terenul de fundație toate sarcinile din construcție care apar în cazul cel mai nefavorabil de încărcare, astefel încât să nu mai apară deplasări periculoase pentru stabilirea construcției.
Mărimea și dimensiunile unei fundații sunt determinate de terenul de fundație și de proprietățile acestuia, ca și de sarcina transmisă. Proprietățile terenului de fundație intervin în calcul sub forma presiunii admisibile pe teren. Mărimea acestor valori pentru diverse terenuri este indicată în tabelul 8.1.
Fig.8.1- Fundație
1-șuruburi de ancorare pentru fixarea construcției metalice a cuptorului;
2- trunchi; 3-consolă; 4-talpă;
În figura 8.1 se dau părțile caracteristice ale unei fundații de cuptor.
Dacă terenul de fundare are o structură care permite chiar la o adâncime redusă ca instalația să fie fundată în mod stabil, se execută o fundație de suprafață. Talpa fundației este, în acest caz situată la o adâncime care depășește cu puțin adâncimea de îngheț. Pentru majoritatea cuptoarelor din industria metalurgică, adâncimea de îngheț are numai un caracter formal, deoarece ele sunt construite în interiorul halelor industriale încălzite.
Pentru cuptoarele grele și atunci când terenul de fundație rezistent este situat la o adâncime mai mare, fundațiile de suprafață nu mai sunt indicate recurgându-se la măsuri speciale de fundare (piloți, puțuri,etc)
În cazul cuptoarelor de lungime mare, structura terenului de fundație poate prezenta neomogenități pe lungime, fapt care poate provoca tasări inegale. Pentru eliminarea acestui neajuns și a influenței lui asupra construcției se prevăd rosturi pe talpa fundației sau se îmbunătățește terenul de fundație. Același lucru este valabil și în cazul unor sarcini de construcție distribuite n mod neuniform.
tabelul 8.1
În ipoteza unui teren de fundație pentru care este valabilă legea lui Hooke la fel ca și pentru fundație, presiunea de talpă , se calculează cu relația: =N/F, unde N=sarcina exterioară verticală, inclusiv greutatea proprie a fundației, F=suprafața tălpii de fundație.
Dacă rezultanta tuturor forțelor exterioare este situată excentric (fig.8.2)atunci presiunea pe talpă se determină cu relația:
=
unde este componenta verticală a rezultantei
Fig.8.2-Solicitarea fundației cu forță excentrică
La un teren de fundație solicitat dinamic, presiunile admisibile la margini se iau de 2-3 ori mai mici decât presiunile admisibile corespunzătoare unei încărcări statice(tab 8.2)
Indicațiile de mai sus sunt valabile pentru cuptoarele industriale de tipul celor cu vatră pășitoare sau cu vatră pulsantă. Pentru cuptoarele de forjă solicitate static de greutatea lor proprie, dar cu terenul supus vibrațiilor din cauza utilajelor de forjare din jur, este obligatorie executarea fundației ciocanulu, maxipresei, etc. mai adânc decât fundația cuptorului. Distanța dintre cele două fundații trebuie să fie cât mai mare posibil, iar înclinarea liniei de legătură între cele două muchii interioare ale tălpilor față de orizontală nu poate să fie mai mare decât jumătate din unghiul taluzului natural.
Fundațiile cuptoarelor se excută din beton, beton armat sau din zidărie de cărămidă roșie. În afara condițiilor expuse mai sus, la construirea fundațiilor pentru cuptoare trebuie avută în vedere posibilitatea încălzirii lor.
Betonul obișnuit este cel mai bun material pentru fundațiile a căror temperatură nu depășește 673 K. La temperatură mai ridicată rezistența betonului scade mult, și în aceste cazuri se vor folosi fundații din zidărie sau din betoane refractare. Uneori pentru a evita încălzirea fundațiilor peste temperatura admisibilă, între vatra suspendată pe profile metalice și fundație se introduce un curent de aer. În cazul fundațiilor neprotejate, partea din mijloc a fundației din beton se încălzește mai puternic și se dilată mai mult decît marginile. Se produc în acest caz crăpături în fundație (fig 8.4). Acest pericol se atenuează dacă fundația din beton se execută mai subțire la mijloc decât la marginea ei.
Fig.8.4-Acțiunea căldurii asupra fundației unui cuptor
În solurile umede, fundațiile se protejează contra apelor subterane, fie prin acoperirea fundației cu materiale hidrofuge fie că se construiește în jurul fundației o îngrăditură din palplanșe, fie că se usucă terenul în jurul fundației prin drenarea apelor subterane.
În cazul când unele elemente ale cuptoarelor (camere regeneratoare, canale de fum ,etc) se coboară sub nivelul apelor subterane, pentru acest elemente se execută chesoane impermeabile din oțel moale sau din beton armat special.
1.8.2.Vatra cuptorului
Peste fundația de beton se execută un schelet metalic din profile laminate, consolidat în partea superioară cu plăci groase de tablă (fig 8.5). Peste plăcile de tablă se execută zidăria vetrei propriu-zise din cărămidă. de obicei din mai multe straturi. Primul strat inferior, numit căptușeală, se execută din cărămidă termoizolatoare sau din cărămidă roșie, iar straturile următoare din cărămidă refractară.
Fig.8.5-Construcția metalică a vetrei
La cuptoarele de încălzire și cele pentru tratamente termice, grosimea vetrei se execută în funcție de temperatură și de dimensiunile cuptorului, de 230 până la 460 mm, iar la cuptoarele de topit, mult mai mare : de exemplu la cuptoarele Martin ea este de 1200 mm, iar la furnale, fundul creuzetului atinge grosimi până la 5m.
Materialul refractar pentru vatra cuptoarelor de topit se alege în conformitate cu compoziția presupusă a zgurelor. Pentru cuptoarele de încălzire, stratul superior al zidăriei vetrei se execută din șamotă, pentru temperaturi cuprinse între 900-1000°C, iar pentru temperaturi mai mari, din materiale rezistente la acțiunea chimică a țunderului, cel mai des utilizate fiind produsele magnezitice și de talc.
La unele construcții de cuptoare industriale, în scopul executării mai repede a vetrei și pentru a micșora numărul rosturilor de dilatație,acesta se execută din blocuri refractare mari sau monolit, din beton refractar.
1.8.3 Pereții cuptoarelor
Scopul pricipal al pereților este reținerea căldurii în camera de lucru, prezentând în acelasși timp o suficientă stabilitate pentru a rezista la condițiilr grele de exploatare. Suprafața interioară a pereților îndreptată spre spațiul de lucru al cuptorului este supusă acțiunii unor temperaturi înalte, iar cea exterioară este în contact direct cu mediul ambiant. Gradientul de temperatură în peretele cuptorului dă naștere la tensiuni interioare, care pot produce deformații ale peretelui urmate de apariția unor fisuri și crăpături.
Pereții cuptorului trebuie să fie cât se poate de etanși pentru a împiedica ieșirea gazelordin cuptor și pătrunderea de aer rece în interior, deoarece schimbul de gaze prin neetanșeitățile pereților poate influența nefavorabil asupra regimului termic cerut.
Zidăria cuptoarelor lucrează în condiții care exclud posibilitatea determinării analitice a eforturilor la care sunt supuse. Din această cauză este necesar a se folosi date obținute prin experiență la dimensionarea zidăriei.
În vederea asigurării stabilității pereților, grosimea lor minimă trebuie să fie în concordanță cu înălțimea lor. NORTON indică raportul 8…10, între grosimea și înălțimea pereților. Pereții cuptorului trebuie să fie, pe cât posibil eliberați de orice încărcare din exterior. La executarea zidăriei refractare, este necesar să se acorde rosturilor o atenție deosebit, deoarece ea reprezintă partea cea mai slabă a zidăriei. Grosimea rosturilor zidăriei se recomandă în raport cu gradul de îngrijire necesar execuției. Zidăria refractară poate fi de trei categorii:
-zidărie deosebit de îngrijită, cu rostul gros de cel puțin 1 mm. Se întrebuințează în locurile de contact al zidăriei cu topituri, în locurile unde gazele se găsesc sub presiune depășind 4000N/, zidirea bolților expuse temperaturii de peste 1400°C, precum și la bolțile având o deschidere mai mare de 4 m, expuse teperaturilor de peste 1300°C.
-zidărie îngrijită, cu rostul gros de cel mult 2mm. Se întrebuințează în acele locuri ale cuptorului unde zidăria suportă acțiunea de frecare a șarjei ce alunecă în lungul pereților(cuptoare verticale) unde gazele au presiunea de 10000-40000N/ și unde materialele aflate în contact cu zidăria se încălzesc până la 1573K.
-zidăria obișnuită, cu rostul gros de cel mult 3mm. Se execută în toate celelalte cazuri, când ea nu este în contact cu topiturile, când nu suportă acțiunea de frecare a materialului și nu este supusă la acțiunea temperaturilor depășind 1200-1300°C.
Pereții cuptoarelor de topit se execută, de obicei, din același material din care este construită și vatra cuptorului.
Grosimea pereților cuptoarelor de topit este foarte mare. De exemplu,grosimea pereților creuzetului furnalelor ajunge până la 1,6 m, iar a pereților cuvei, până la 1,1 m; grosimea pereților cuptorelor Martin la nivelul pragurilor de lucru ajunge la 1,1m , iar partea superioară până la 0,9m.
Pereții cuptoarelor de încălzire se executăde obicei cu grosimea până la două cărămizi(o grosime echivalează cu lungimea de 230mm a unei cărămizi normale) dar pot fi și de 1;1,5;2;2,5 cărămizi.
Pereții se execută aproape totdeauna din două straturi:un strat interior, din cărămidă refractară și un strat exterior, din cărămidă sau umplutură izolatoare.
La cuptoarele intermitente se caută să se execute o căptușeală care să necesite mai puțină căldură pentru încălzirea ei. De aceea pereții se execută mai subțiri sau se subțiază stratul termoizolator.
Pereții cuptoarelor de încălzire se execută vertical. iar cei ai cuptoarelor de topit oțel se execută spre exterior ceea ce permite îndepărtarea lor de zona temperaturilor celor mai înalte și ușurarea condițiilor de lucru.
Sub influența temperaturii, zidăria cuptorului încălzit se dilată. Ls cuptoarele care au o lungime mică, dilatarea este compensată de rosturile zidăriei care comprimă mortarul ce completează golurile. La cuptoarele lungi, prezența rosturilor nu este suficinetă pentru a compensa dilatarea zidăriei. Din acest motiv trebuie luate măsuri speciale pentru a preîntâmpina distrugerea zidăriei. În acest scop, la executarea zidăriei, se lasă rosturi groase speciale denumite rosturi de dilatație, destinate să permită dilatarea zidăriei la încălzire. Numărul și dimensiunea rosturilor de dilatație se stabilesc prin proiect în funcție de materialul zidăriei și de temperatura de lucru. În medie, la fiecare metru liniar de zidărie se dau următoarele valori rosturilor de dilatație:
-pentru zidăria de șamotă 5-6 mm;
-pentru zidăria de silică 12-15mm;
-pentru zidăria de magnezită 18-20mm.
Rosturile de dilatație se umplu cu masă refractară ușor umezită. Pentru a se face masa mai elastică, se adaugă adeseori 20-30% (în volum)azbest. Uneori, în faza de executare a zidăriei pentru a asigura stabilitatea ei, rosturile se astupă cu un material care arde(lemn, carton) sau care se topește la punerea în funcțiune a cuptorului așa cum se vede în figura 8.6.
Fig.8.6-Rost de dilatație de 12 mm umplut cu carton
În unele contrucții se prevăd tiranți metalici care au posibilitatea să strângă niște legături care micșorează rosturile în timpul cât cuptorul nu funcționează. Pe măsura ridicării temperaturii în spațiul de lucru al cuptorului și a dilatării termice a construcției legăturile sunt slăbite. La oprirea cuptorului, în timpul răcirii,, legăturile se strâng treptat, astfel încât construcția nu lasă rosturile deschise.
1.8.3.1 Calculul pereților cuptoarelor
Incinta cuptoarelor electrice are pereții formați în general dintr-un strat refractar și unul până la trei straturi termoizolante. Numărul și grosimea straturilor precum și materialele utilizate se determină pe baza a două considerente:
-pirderile termice prin transmiterea complexă a căldurii (fig 2.18), trebuie să fie cât mai reduse pentru a obține un randament termic cât mai ridicat;
-costul materialelor utilizate să fie cât mai redus;
Din figura 2.18 se observă existența unui optim al valorii costurilor totale (suma costurilor pierderilor de energie termică și a costurilor materialelor ce compun straturile în funcție de grosimea peretelui).
Fig.2.18- Costurile peretelui cuptorului în funcție de grosimea lui S.
Obținerea acestui optim este posibilă pentru utilizarea schemei logice din figura 2.19, programată pe un cuptor numeric.
Fig.2.19-Schema logică pentru calculul pereților cuptoarelor
Datele inițiale pentru un cuptor având peretele compus din patru straturi sunt:dimensiunile interioare : temperatura interioară , temperaturile dintre straturi ,(egale cu temperaturile de utilizare ale stratului următor); temperatura exterioară ,(pentru ≤1300° se alege , pentru temperatura aerului (20°C); transmisivitatea costul energiei termice pierdute în lei/kWh; costurile materilelor straturilor în lei/; valoarea minimă a dimensiunii cărămizii (sau inițială pentru praf compact) din fiecare strat Δ, ΔΔΔ, în m; valori medii ale conductivității termice , căldurilor masice și a desităților ;
Dându-se o valoare inițială Δ grosimii primului strat, pe baza temperaturilor (egală cu temperatura de utilizare a celui de al doilea strat), a conductivității se obține fluxul termic ϕ.
Cu ajutorul lui ϕ ,a valorilor lui și a temperaturilor de utilizare, se obțin rezistențele termice și grosimile straturilor . Adunând costurile energiei termice pierdute (pierderi termice și căldură acumulată în pereți ) la valoarea costurilor materialelor ce compun peretele, se obține valoarea costurilor totale
După mărirea lui cu pasul Δ se reiau toate calculele pentru a se obține curba costurilor totale. La fiecare pas se compară costul total nou și se decide dacă se mărește sau se micșorează cu Δ, pentru a se ajunge în apropierea valorii optime. Dacă valoarea optimă se depășește, atunci se ia Δ, și se reiau calculele care conduc la o precizie suficientă a valorii optime a costurilor.
Introducând un parametru inițial se pot determina grosimile optime ale tuturor straturilor, precum și termperaturile intermediare.
1.8.4. Bolta cuptoarelor
În majoritatea cazurilor acoperirea camerei de lucru și a canalelor de fum ale cuptoarelor se face cu bolți, părțile cele mai importante ale zidăriei prin sensibilitatea lor mecanică.
De obicei prin boltă se înțelege un element de construcție al cuptorului care poate fi realizat în două variante:
-sprijinit, curbat;
-suspendat plan.
Bolta sprijinită este suportată numai de reazeme pe când bolta suspendată are unele cărămizi(sau toate) suspendate de o armătură.
După forma profilului, bolțile curbate pot fi:
-bolta în arc de cerc, cu săgeata mai mică decât raza;
-bolta pleoștită a carei săgeată este foarte mică în raport cu deschiderea bolții;
-boltă în plin centru, cu profilul în semicerc;
-boltă inelară sau cilindrică(la cuptoarele rotative);
-boltă în cupolă, care are intradosul format dintr-o suprafață de revoluție generată de un arc de cerc, de elipsă, de parabolă,etc.
Cel mai des se utilizează bolțile în arc de cerc, ale căror principale elemente de calcul sunt: f-săgeata; b- distanța între reazeme; f/b= S grosimea; α-unghiul la centru .
8.15,8.16
Fig 8.15-Boltă plană pe suprafața interioară
Fig 8.16-Boltă plană pe ambele suprafețe
Construcția aceasta se întâlnește la cuptoarele tunel ea permițând să se folosească mai bine spațiul de lucru al cuptorului și asigurând o repartiție mai uniformă a curentului de gaze pe secșiunea camerei. Tot la cuptoarele tunel se întrebuințează în unele cazuri bolta dublă în scopul realizării unui canal de preîncălzire a aerului. Construcția nu se recoamandă pentru temperaturi ridicate din cauza dificultăților care apar la repararea bolții inferioare.
Se mai utilizează de asemenea bolți în arc zidite cu cărămizi speciale. Un exemplu se referă la (fig 8.18) cărămizi cu laturile profilate prin care se preîntâmpină căderea unor cărămizi izolate. Celelalte două exemple (fig 8.19),(fig 8.20)se referă la bolțile construite din cărămizi profilate care asigură o mărire importantă a suprafeței de răcire a bolții.
Fig.8.18-Boltă zidită din cărămizi speciale
Fig 8.19-Boltă cu nervuri (gotică)
Fig 8.20-Boltă cu nervuri (casetată)
Atunci când este zidită din cărămizi normale, bolta poate fi executată din inele separate sau cu legături(fig 8.22). Bolta din inele separate permite dilatarea termică independentă a inelelor și execuția mai ușoară a reparațiilor. Ea este însă mai puțin rezistentă decât bolta zidită cu legături deoarece ieșirea unei singure cărămizi din ansamblu produce distrugerea întregului inel. Metoda de zidire a bolții din inele separate se aplică mai des cuptoarelor cu temperatură ridicată.
Fig.8.22-Moduri de zidire a bolților:
a-cu inele separate; b-cu legătură;
La multe tipuri de cuptoare se utilizează bolți suspendate la care din cărămizile sau totalitatea lor este suspendată de o armatură. Această construcție permite acoperirea unor deschideri cu mult mai mari decât cele ce se pot utiliza prin bolțile zidite și sprijinite. (fig 8.23).
Fig 8.23-Boltă suspendată
1-rost de dilatație; 2-element de construcție pentru bolta suspendată prevăzută cu nervuri de etanșare
Reparațiile la bolta suspendată se pot realiza mai ușor decât la bolțiel sprijinite, deoarece se pot înlocui fiecare cărămidă separat. O atenșie deosebită se acordă barelor suspendate pentru a preîntâmpina supraîncălzirea lor. De asemenea, în vederea asigurării etanșeității, cărămizile sunt prevăzute cu nervuri. Pentru a reduce numărul tijelor de suspensie, cărămizile se fac cât se poate de largi, atât cât permit condițiile în care ele pot fi reduse fără tensiuni interne. Se poate folosi de asemenea construcția indicată în (fig 8.24), unde numărul tijelor de susținere este de asemenea redus.
Fig 8.24-Boltă suspendată cu număr redus de tije
O boltă specială, la care suspendarea cărămizilor, este făcută prin intermediul unor piese ceramice, este indicată în (fig 8.25). Astfel este posibil a se izola termic bolta, fără pericol de a se supraîncălzi piesele metalice de suspensie.Sunt uzuale cazurile când, la dilatări mari și neuniforme ale bolții se prevăd sisteme mecanice de preluare a dilatării, cu rolul paralel de a asigura presiunea necesară pe rosturi (fig 8.26).
Fig 8.25-Elemente de construcție ale bolții suspendate
1-profil de oțel I; 2- piesă metalică de suspendare; 3-cărămidă suport; 4-cărămidă izolatoare; 5-strat de material izolator; 6-cărămidă suspendată;
Fig.8.26-Boltă suspendată cu sistem de preluare a dilatării
1.8.5 Scheletul metalic al cuptoarelor
Scheletul (armătura) metalic al cuptorului servește la preluarea eforturilor datorate împingerii orizontale a bolții și dilatării termice a pereților. Împingerea orizontală a bolții este preluată de grinzi metalice, de cele mai multe ori cu profile U sau L, prinse în zidăria pereților la nivelul reazemelor bolții și paralel cu axa ei. Drept suporți servesc montanții verticali, așezați simetrice pe ambele părți ale cuptorului și legați perechi, prin tiranți transversali, deasupra bolții și sub vatra cuptorului dacă este posibil. Capătul de jos al montanților se fixează în fundația cuptorului. Eforturile care se produc din cauza dilatației pereților la încălzire transmit unor montanți așezați în colțurile pereților frontali și legați prin tiranți longitudonali. În fig 8.27 și figura 8.28 sunt prezentate unele metode de așezare a ancorelor.
Fgi 8.27-Ancorarea pereților cuptoarelor
Fig.8.28-Fixarea elastică a ancorelor:
1-lemn; 2-profil; 3-ancoraj; 4-arc;
În calculul montanților se pornește de la valoarea obținută pentru împingerea orizontală H-la bolta rece și la cea caldă.
Se poate considera montantul ca o grindă rezemată liber pe două reazeme, având ca solicitare sarcina concentrată H. Momentul încovoietor maxim este dat de relația(fig 8.29).
= *b[N*m].
Fig.8.29-Schemă de calcul a montanților liberi
Efortul admisibil la încovoiere va fi atunci = de unde rezultă dimensiunile principale ale montantului ca fiind W=/ , cu =100* [N/].
Dacă montanții sunt încastrați în fundație (fig 8.30) de exemplu la cuptoarele tunel, momentul va fi considerat ca o grindă încastrată și rezemată liber la un capăt solicitată de o sarcină concentrată H. În acesct caz calculul de dimensionare urmărește să se determine valoarea forțelor de rezemare A și B, momentul de rezemare și momentul de încovoiere la locul de aplicare a forței H.
Fig.8.30-Schemă de calcul a montanților încastrați
Forțele de rezemare sunt:
A= [N]
B= [N] în care n=
Momentul de rezemare va fi: [N*m]
Momentul de încovoiere la locul de aplicare a forței H: [N*m]
Tiranții sunt solicitați la întindere de forțele(fig 8.31) ;
unde , reprezintă diametrul secțiunilor filetate a tiranților;
efortul unitar admisibil la tracțiune;
(N/)- ținându-se seama de încălzirea posibilă a tiranților;
Fig 8.31-Schemă de calcul a tiranților
Copyright Notice
© Licențiada.org respectă drepturile de proprietate intelectuală și așteaptă ca toți utilizatorii să facă același lucru. Dacă consideri că un conținut de pe site încalcă drepturile tale de autor, te rugăm să trimiți o notificare DMCA.
Acest articol: Să se analizeze eficiența economică a operației de modernizare a unui cuptor încălzit cu rezistoare pentru elaborarea aliajelor din Aluminiu [303544] (ID: 303544)
Dacă considerați că acest conținut vă încalcă drepturile de autor, vă rugăm să depuneți o cerere pe pagina noastră Copyright Takedown.