CONSTRUCTIA SI PRINCIPIILE DE DIMENSIONARE ALE CUPTOARELOR DE TRATAMENTE TERMICE

Lucrarea nr. 8

CONSTRUCŢIA sI PRINCIPIILE DE DIMENSIONARE ALE CUPTOARELOR DE TRATAMENTE TERMICE

Cunoasterea cuptoarelor de tratamente termice īn scopul exploatarii lor corecte, dar mai ales al stabilirii tehnologiilor optime.

Desi foarte diferite din punct de vedere constructiv, al dimensiunilor de gabarit si al spatiului de lucru, principiile de proiectare ale cuptoarelor folosite la tratamente termice sunt destul de comune.

Cuptoarele mai mari sunt zidite pe fundatii de beton, din caramizi refractare si termoizolante, care la rāndul lor sunt consolidate prin constructii metalice. Aceasta se explica prin faptul ca la temperaturi ridicate, mortarul de samota folosit la constructie are o rezistenta mecanica foarte redusa: varul sau cimentul din mortar se descompune si īsi pierde caracterul de liant, rolul mortarului rezumāndu-se la umplerea si etansarea rosturilor dintre caramizi. Din acest motiv, grosimea stratului de mortar este foarte mica.

Consolidarea mecanica trebuie sa suporte īn primul rānd fortele rezultat 121j923b e din rezemarea boltii si al altor elemente constructive cum sunt usile, vatra, mecanismele de actionare ale acestora, conductele de combustibil si comburant, etc. Ea se poate realiza prin diverse cai:

- īn cazul cuptoarelor mari, zidite pe fundatii de beton, consolidarea zidariei se rezolva cu profile īncastrate īn fundatie, iar īn partea superioara rigidizate cu bare sau profile de ancorare (fig.8.1.a).

a.   b.

Fig. 8.1. Consolidarea mecanica a zidariei  

O alta solutie o reprezinta cuptoarele zidite pe un schelet metalic autopurtator cu picioare de sustinere (fig.8.1.b).

- īn cazul cuptoarelor mai mici si īn general de tip camera si eventual cu atmosfera controlata, se aplica solutia īnvelirii īn partea exterioara cu o manta din tabla sudata.

Captuseala ceramica a cuptoarelor, de obicei se īmparte īn trei elemente constructiv distincte: pereti laterali si frontali, bolta si vatra.

Pentru reducerea pierderilor de caldura prin peretii cuptoarelor, la cele cu temperatura de lucru de peste 700°C, zidaria se executa din doua feluri de materiale : dintr-un strat termorefractar, care rezista la temperaturi ridicate (de obicei din samota), dar care īn general are o conductivitate termica ridicata si dintr-un strat termoizolant (diatomita, caramida obisnuita, vata de zgura sau de sticla, etc) care nu suporta temperaturi prea ridicate (peste 600-900 °C, dar avānd un coeficient mic de conductivitate termica, izoleaza din punct de vedere termic exteriorul cuptorului fata de stratul termorefractar cald. Caramizile din ambele categorii de material se executa fie compact - ceea ce le confera o rezistenta mecanica buna, fie poroase, usoare, cu proprietati termoizolante ameliorate. Stratul termoizolant poate fi aplicat si sub forma de praf sau granule, introdus īntre zidaria termorefractara si mantaua cuptorului.

Bolta cuptorului este elementul cel mai solicitat al acestuia, din punct de vedere termic si mecanic. La constructia ei se folosesc caramizi din samota fasonate conform tipului boltii. Dupa forma si felul constructiei boltii, se disting :

- bolti semicirculare rezemate pe perete, (fig.8.2.a) ;

- bolti īn arc rezemate pe perete, (fig.8.2.b) ;

- bolti suspendate, care se folosesc la cuptoare cu deschideri mari si se reazama de obicei pe scheletul metalic al cuptorului, (fig.8.2.c) ;

a. b. c.

Fig. 8.2. Bolta cuptorului

Deasupra boltii din samota se zideste de cele mai multe ori un strat de nisip de diatomita (aproape SiO₂ curat) ca strat termoizolant si de etansare.

Atāt la zidirea peretilor cāt si a boltii, se ia īn considerare dilatarea termica a samotei (aproximativ 3 mm pentru fiecare lungime de 1 m si 700 °C variatie de temperatura. Rosturile de dilatare se plaseaza īn zig-zag, la distante de obicei de 2 m cu o grosime de circa 6 mm, pentru pastrarea integritatii peretului sau a boltii.

Vatra cuptoarelor simple este facuta din caramizi refractare (samota) sau dintr-un strat de mortar de samota batatorita, care la rāndul sau este dispus pe caramizi de diatomita sau din cea rosie obisnuita.

Vetrele pot fi protejate cu profile, sine sau tevi din otel refractar, pe care se deplaseaza īncarcatura cuptorului. Aceste tevi si profile, īn unele cazuri pot fi racite īn interior cu apa. Īn general īnaltimea vetrei se recomanda sa fie la circa   800-900 mm fata de podeaua halei, ceea ce contribuie la o deservire mai comoda a cuptorului.

Īn continuare sunt prezentate cāteva principii generale ale proiectarii si dimensionarii cuptoarelor folosite īn tratamente termice.

Dupa stabilirea celui mai adecvat tip de cuptor pentru productia respectiva, īn functie de forma pieselor si tehnologia īncalzirii adoptate, se va proiecta forma si dimensiunile spatiului de lucru, pornind de la gabaritele pieselor si de la modul lor de asezare pe vatra spatiului de lucru.

Īn jurul īncarcaturii trebuie sa se asigure un spatiu suficient de mare pentru circulatia libera a gazelor calde īn jurul pieselor, astfel :

- īn cazul cuptoarelor cu circulatie nefortata (convectie naturala, cu o viteza de circa 1-2 m/s, pentru cuptoarele mari se va lasa un loc liber de circa 400-600 mm, pentru cele mai mici de 200-300 mm, iar pentru cele de laborator circa 10-50 mm.

- īn cazul cuptoarelor cu recircularea fortata a gazelor cu viteza de 6-10 m/s, realizata cu ajutorul ventilatoarelor, spatiul liber poate fi mic, iar sectiunea acestuia poate fi calculata pe baza rezistentei hidraulice a canalelor.

Forma spatiului de lucru depinde si de tipul cuptorului. De exemplu la cuptoarele cu propulsie, se recomanda ca īn partea de preīncalzire īnaltimea boltii sa fie mai mica, iar īn partea de īncalzire finala sa fie mai ridicata, pentru ca flacara arzatoare sa fie dirijata tangential la piese si sa se īmbunatateasca circulatia naturala a gazelor. Bolta spatiului de lucru, de obicei este de forma unui arc de cerc, si se executa din caramizi mari, fasonate sau din caramizi pana. Pentru cuptoarele mari, cu o īnaltime de peste 3-4 m se recomanda bolta suspendata.

Daca spatiul de ardere este separat de spatiul de lucru, de exemplu prin asezarea acestuia sub vatra - sectiunea canalelor de trecere a gazelor se va dimensiona pe baza debitului de gaz de ardere preconizat, pentru o viteza de circa 8-12 m/s.

Sectiunea canalelor de fum se alege īn functie de volumul gazelor de ardere, astfel ca viteza lor prin aceste canale sa fie 2-3 m/s.

Daca canalele de fum sunt plasate īn interiorul peretilor, atunci latimea lor maxima se alege egala cu dimensiunea de 115 mm (1/2 caramida). Dimensiuni mai mari (180-230 mm) se utilizeaza rar, pentru a nu reduce rezistenta peretilor, iar īnaltimea maxima se recomanda de 180 sau 230 mm. Daca este necesar, se pot prevedea chiar si mai multe canale paralele.

Evacuarea gazelor se recomanda sa se faca la nivelul vetrei, deoarece se asigura astfel o īncalzire mai uniforma.

Grosimea peretilor refractari se alege īn functie de temperatura maxima preconizata si de īnaltimea lor. Astfel, pāna la o temperatura de 900 °C, este suficienta o grosime de 115 mm (1/2 caramida). Pentru o īnaltime a peretilor de 1 m, se va prevedea o grosime de 115 mm (0,5 caramida) ; de la 1-2,5 m, o grosime de 230 mm (1 caramida) peste 2,5 m, o grosime de 345 mm (1,5 caramida).

Grosimea peretilor izolatori pentru cuptoarele mici se alege egala cu 115 mm (1/2 caramida), iar pentru cuptoarele mari si pentru cele electrice, se prevede o grosime de 230 mm (1 caramida).

Īntre zidul refractar si cel izolant, se va executa īn mod alternativ o legatura la fiecare 3-4 rānduri. La constructia peretilor termoizolanti, se recomanda asezarea pe muchie a caramizilor (mai putine rosturi).

Īn cazul caramizilor usoare sau a umpluturii, se va folosi o captuseala de tabla de otel īn care acestea vor fi montate. Caramizile usoare au dilatare termica mai mare, decāt cele compacte.

Bolta se executa la o grosime egala cu 115 mm (1/2 caramida) pentru o latime a cuptorului de pāna la 1 m, de 230 mm grosime (1 caramida) pentru latimi de 1 pāna la 3,5 m, si 345 mm (1,5 caramida) pentru latimi de peste 3,5 m. Se recomanda izolarea boltii cu caramizi sau umplutura de diatomita avānd o grosime de 70-140 mm, care poate fi eventual "varuita" cu un amestec de praf de samota si azbest.

Bolta din caramizi refractare se reazema prin intermediul unei caramizi fasonate special (piatra boltii) pe armatura metalica (scheletul de consolidare), confectionata din diferite profile (fig.8.1; 8.2.b).

Vetrele, de obicei, se executa din caramizi de samota la o grosime de 115 mm (1/2 caramida) sau din masa de samota batatorita. Sub acest strat se aseaza un strat de diatomita (grosime de 1 caramida) sau de caramida obisnuita rosie. Īnaltimea vetrei se va prevedea sa se gaseasca la o distanta de 800-900 mm, deasupra podelei.

Usile se construiesc dintr-un cadru metalic sudat sau turnat (eventual cu pereti dubli pentru racire cu apa), captusit cu samota īn interior.

Dupa stabilirea preliminara a grosimii si a compozitiei peretilor, vetrei si boltii, se verifica prin calcul īn regim stationar, temperaturile acestora, pornind de la temperatura maxima a gazelor din spatiul de lucru si de la temperatura ambianta din hala sectorului. Daca temperatura maxima a stratului termoizolant este prea mare fata de refractaritatea materialului din care este confectionat, se va alege o grosime mai mare pentru peretele termorefractar. Daca īn mod inutil temperatura ar fi prea mica, se va adopta o grosime mai mica pentru stratul termorefractar. Temperatura la exteriorul peretilor termoizlanti trebuie sa fie suficient de mica (40-70 °C) pentru ca atingerea cuptorului sa nu fie periculoasa; daca din calcul ar rezulta o temperatura prea ridicata, se va mari grosimea stratului termoizolant sau se va folosi un material cu conductivitate termica mai mica.

La proiectarea cuptoarelor metalurgice va trebui tinut cont si de o serie de elemente constructive, care asigura buna lor functionare ca: dispozitive de racire necesare unor subansambluri supuse īncalzirii inadmisibile, dispozitive de protectie contra radiatiilor termice īn cazul deschiderii usilor, dispozitive de prevenire a exploziilor, aparatajul pentru controlul temperaturii, elemente de reglare ale regimului termic, dispozitive de īncarcare si descarcare a pieselor, dispozitive de semnalizare īn caz de avarii neprevazute, etc.

Bilantul termic al cuptoarelor, reprezinta un mijloc de a stabili cantitatea totala de caldura necesara, respectiv consumul orar de combustibil.

_{Cantitatea de caldura necesara tehnologic pentru īncalzirea pieselor la} temperatura dorita, este legata de marimea sarjei si se numeste caldura utila Q_u. Pentru a compensa pierderile si a se asigura acest Q_u, īn cuptor va trebui introdusa o cantitate totala de caldura Q_tot, mult mai mare si anume:

Q_tot = Q_u + Q_p + Q_z + Q_r + Q_af + Q_sc + Q_g + Q_{d (8.1)}

īn care Q_p este caldura pierduta prin captuseala refractara a cuptorului;

Q_{z -} caldura acumulata īn zidaria refractara;

Q_r - caldura pierduta prin radiatie, prin usa cuptorului, diverse fante si orificii;

Q_af - caldura consumata pentru īncalzirea aerului fals care patrunde

prin neetanseitati, usa, etc.;

Q_sc - caldura pierduta prin scurtcircuitari termice (elementele metalice care

traverseaza izolatia cuptorului);

Q_g - caldura pierduta prin evacuarea gazelor la cos;

Q_d - diverse alte pierderi de caldura.

Randamentul termic al cuptorului este:

h _(8.2)

Din analiza relatiei de mai sus, rezulta ca pentru micsorarea consumului de combustibil este necesar, pe de o parte, sa se recupereze o cantitate cāt mai mare de caldura din gazele arse, iar pe de alta reducerea la maximum a pierderilor de caldura.

Consumul orar de combustibil C₀, se determina cu relatia:

C kg h sau m³N h _(8.3)

īn care Q_tot este cantitatea totala de caldura, kJ h

Q_i - puterea calorifica a combustibilului, kJ kg sau kJ m³N

.3. Utilaje si materiale folosite

Studentii vor studia constructia cuptoarelor cu functionare discontinua din laboratorul de tratamente termice.

8.4. Modul de lucru

Se vor schita cuptoarele studiate, indicānd partile componente, materialele utilizate si cotele de gabarit.

Se trece apoi la calculul bilantului termic pentru un caz concret din laborator. Īn acest scop, utilizānd relatia 8.1 se determina cantitatea de caldura pierduta (kJ/h) si cea utila (kJ/h) necesara īncalzirii pieselor.

Se va calcula utilizānd relatia 8.2, randamentul termic al cuptorului pentru īncarcatura maxima, respectiv pentru valoarea īncarcaturii care a stat la baza dimensionarii spatiului de lucru. Daca rezulta o valoare prea scazuta a randamentului termic, se vor cauta solutii pentru reducerea pierderilor de caldura (se va prevedea o izolatie termica mai buna, recuperarea caldurii gazelor de ardere prin preīncalzirea aerului necesar arderii sau chiar a gazelor de combustie, se vor micsora timpii de deschidere a usilor, etc).

Dupa verificarea acestor caracteristici, se vor dimensiona arzatoarele sau elementele de īncalzire electrice (rezistoare).

8.5. Prelucrarea si interpretarea rezultatelor. Concluzii

Se vor analiza cerintele generale pe care trebuie sa le īndeplineasca orice cuptor de tratament termic construit corespunzator:

- posibilitatea de reglare precisa si cāt se poate de rapida a temperaturii īn spatiul de lucru, eventual chiar automatizata;

- posibilitatea de mentinere constanta a temperaturii īn timp si īn spatiu;

- posibilitatea masurarii corecte a temperaturii īn diferite locuri ale spatiului de lucru;

- mentinerea cāt mai constanta a temperaturii cuptorului īn timpul īncarcarii si descarcarii acestuia ;

- suprafata pieselor sa nu fie atacata de atmosfera din spatiul de lucru si sa nu fie deteriorata mecanic;

- deservirea cuptorului sa fie usoara si comoda, nepericuloasa, igienica;

Īn continuare, pentru cuptoarele studiate:

- se calculeaza randamentul termic si consumul orar de combustibil;

- se determina productivitatea pe unitate de suprafata a vetrei.

Īn functie de rezultatele obtinute se vor trage concluzii privind cuptoarele din dotarea atelierului de tratament termic.