AITVD Curs1- Curs 2

7/31/2019 AITVD Curs1- Curs 2

1/9

Note de curs AITVD

ELEMENTE CONSTRUCTIVE ALEAGREGATELOR TERMICE

1. ASPECTE GENERALE PRIVIND AGREGATELE TERMICE

1.1. Introducere

Majoritatea proceselor metalurgice (elaborarea fontelor, a oelurilor, a aliajelorneferoase, retopirea n diferite scopuri, nclzirea n vederea deformrii plasticeulterioare prin laminare, forjare, matriare, etc., nclzirea n vederea realizriitratamentelor termice i termochimice, uscarea argilelor pentru turntorie,sinterizarea, etc.), se desfoar la o temperatur mai mare dect temperaturamediului ambiant.

Pentru a realiza aceste procese este necesar un aport de cldur (energie termic)din exterior, sau conservarea unei cantiti de cldur, n interiorul unui corp, procesecare se realizeaz prin nclzire, respectiv izolare termic. Dup cum se tie din

principiul al doilea al termodinamicii, transferul de cldur se realizeaz n modnatural de la un sistem termodinamic cu o temperatur ridicat la unul avnd otemperatur mai sczut.

Procesele metalurgice menionate mai sus, se desfoar n aa numiteleagregate termice. Ca o definiie succint, agregatul termic metalurgic, reprezint unansamblu de corpuri n care se desfoar un proces termotehnologic metalurgic. De

aceea agregatele termice metalurgice se mai numesc si agregate termotehnologicemetalurgice (A.T.M) .Aceste procese termotehnologice se desfoar pe seama schimbului energetic

ntre elementele componente ale A.T.M i ntre A.T.M i mediul ambiant. n bazaacestei observaii putem spune c A.T.M reprezint un sistem termodinamic.Deoarece ntre un A.T.M i mediul ambiant au loc schimburi de energie mecanic(datorit diferenelor de presiune care se stabilesc) i schimburi de energie termicsub form de cldur, A.T.M poate fi considerat, un sistem termodinamic neizolat.De asemenea ntre A.T.M i mediul ambiant, au loc i schimburi de mas, datorit

diferitelor procese de evacuare a gazelor, de evacuare i introducere a ncrcturiimetalice, etc. n consecin, A.T.M poate fi considerat i un sistem termodinamicdeschis.

n majoritatea cazurilor, mediul ambiant pentru un A.T.M. l reprezint halaindustrial n care funcioneaz, cu atmosfera din interiorul acesteia, precum i cucelelalte agregate i instalaii montate n interiorul halei.

Deoarece condiiile n care se afl mediul ambiant amintit mai sus nu semodific semnificativ n timp, iar regimul de funcionare al A.T.M este oarecumcvasiconstant, putem spune ca ntre A.T.M i mediul ambiant se stabilete un regimstaionar din punct de vedere termodinamic, regim care este caracterizat de mrimilede stare cunoscute din termotehic.

1


2/9

Note de curs AITVD

Fig. 1. Agregatul termotehnologic metalurgic1- S.L.=spaiul

2- de lucru al cuptorului; 2- zidria cuptorului; 3- instalaia de ardere;4- structura metalic de susinere a zidriei; 5- canale de evacuare a gazelor

6- S.C. =schimbtor de cldur; 7- coul de fum.

Pe lng procesele pur metalurgice care au loc n cuptor (CM), n interiorulA.T.M. mai au loc i unele procese auxiliare, cum ar fi: prenclzirea aerului i/sau a combustibilului, n schimbtorul de cldur (SC); obinerea aburului tehnologic, etc.Aceste procese au la baz tot fenomene de transfer de cldur.

Procesul metalurgic propriu-zis se desfoar n spaiul de lucru al cuptorului(SL), spaiu de lucru care are volumul Vsl. Acest spaiu este format dintr-un volumocupat de ncrctura metalic, notat Vm i un spaiu liber, notat Vl:

Vsl=Vm+Vl (1)

1.2. Clasificarea cuptoarelor metalurgice

Varietatea proceselor metalurgice i diversitatea tehnologiilor specifice unuiproces a generat de-a lungul timpului apariia unor numeroase tipuri de cuptoare acror clasificare este foarte greu de realizat. Totui lund n considerare anumiifactori putem face urmtoarea clasificare:

a) n funcie de natura procesului termotehnologic care are loc: cuptoare metalurgice de elaborare (topire);

cuptoare metalurgice de nclzire:o cuptoare de nclzire pentru deformri plastice;o cuptoare de nclzire pentru tratamente termice i termochimice;

2


3/9

Note de curs AITVD

o cuptoare de nclzire pentru sinterizarea produselor din pulberi;o cuptoare metalurgice de uscare.

b) Dup modul de funcionare tehnologic:

cuptoare cu funcionare discontinu - se caracterizeaz prin faptul coperaiunile de ncrcare-descrcare sunt distincte n raport cu procesulmetalurgic propriu-zis, astfel durata total a unui ciclu de funcionare este datde relaia:

c= nc+ p.m+ desc (2)

Aceste cuptoare cu funcionare discontinu se mai numesc i cuptoare tip camer.Temperatura n interiorul acestora este una variabil n timp, sau uneori constant ntimp, dar ntotdeauna constant n diferitele puncte ale spaiului de lucru.

cuptoare cu funcionare continu - la aceste cuptoare procesele de

ncrcare i descrcare se suprapun peste procesul tehnologic propriu-zis,astfel:

c=p.m (3)

Aceste cuptoare poart denumirea de cuptoare traversate. n acest caz temperaturacuptorului este constant n timp, dar variabila n spaiul de lucru.

c) Dup sursa termic:

cuptoare cu combustie: cuptoare cu flacr; cuptoare de tip convertizor;

cuptoare electrice.

La cuptoarele cu flacr cldura se degaj pe seama arderii unui combustibil.n cazul cuptoarelor de tip convertizor, producerea cldurii are loc pe seama reaciilorde ardere din interiorul topiturii.

d) Dup desfurarea volumului util al cuptorului: cuptoare tip vatr - lungimea i limea spaiului util sunt mult mai

mari dect nlimea. Este cazul cuptoarelor de nclzire. cuptoare tip cuv - cu dezvoltare pe vertical, avnd lungimea i

limea mult mai mici dect nlimea. Este cazul cuptoarelor circulare, la carediametrul vetrei este mult mai mic dect nlimea.

3


4/9

Note de curs AITVD

ELEMENTE CONSTRUCTIVE ALECUPTOARELOR METALURGICE

Indiferent de categoria din care fac parte, exist probleme general valabiletuturor cuptoarelor, probleme legate de partea constructiv a acestora. Exist i

particulariti, ele nefcnd subiectul acestui capitol.Prile constructive eseniale ale unui cuptor metalurgic sunt:

Fundaia; Zidria; Elementele de susinere metalice.

Menionm faptul c unele aspecte nfiate n capitolul de fa trebuie corelatecu informaiile existente n capitolul urmtor, referitor la materialele de construcie.

2.1. Fundaia agregatelor

Fundaia reprezint partea constructiv a cuptoarelor care are rolul de auniformiza presiunile specifice de contact, la nivelul solului.

Fundaiile se execut, n funcie de situaiile particulare existente, din crmidroie, roc brut legat cu mortar, din beton sau din beton armat.

Alegerea acestor tipuri de materiale se face, n funcie de tipul solicitrilor care apar.A dimensiona fundaia unui cuptor, nseamn a determina aria total de contact cusolul i grosimea fundaiei.

Din punct de vedere mecanic, calculul fundaiei presupune un echilibru alforelor care acioneaz asupra acesteia:

Gc + Gf= ps.a. Sc = R (4)

Unde: ps.a reprezint presiunea specific admisibil a solului n suprafaa de contacti difer n funcie de natura solului. Pentru a obine rezultate optime, aceast

presiune trebuie s fie n jurul a 0,25 MN/m2;Gc este greutatea cuptorului;Gf este greutatea fundaiei (figura 2).

Fig. 2 Dimensionarea fundaiei

n cazul n care, pentru anumite situaii concrete, aceast presiune admisibil nu

se atinge se iau msuri speciale de ajungere la aceast valoare. O msur ar fi mrireasuprafeei de contact (figura 3).

4


5/9

Note de curs AITVD

Fig. 3 Evazarea fundaiei pentru mrirea suprafeei de contact Ac cu solul

O alt metod ar fi mrirea rezistenei solului prin compactare, sau prineliminarea acestuia pn se ajunge la roca dur. Cnd nivelul rocii se afl la oadncime mai mare de 4 metri, se recurge la realizarea unor fundaii suspendate pe

piloni (figura 4).Pe lng solicitrile mecanice la care este supus fundaia, mai apar i solicitri

de natur termic, datorit existenei unui gradient de temperatur ntre suprafaa de

contact vatra cuptorului - fundaie i suprafaa de contact fundaie - sol.

Fig. 4 Dispunerea fundaiei pe piloni

Acest gradient de temperatur duce la dilatri neuniforme ale fundaiei,provocnd fisuri n masa acesteia. Pentru a se evita acest lucru, se poate recurge laurmtoarele metode:

realizarea vetrei, astfel nct fluxul de cldur care se pierde spre exterior q I, sfie mai mare dect fluxul de cldur care se transmite ctre fundaie, q II (figura2): qI > qII presupune ca rezistena termic a vetrei pe direcia I, s fie mult maimic dect rezistena termic pe direcia II. Aceast afirmaie conduce la ideeaconform creia grosimea vetrei trebuie s fie mai mare dect semilimeacuptorului. Este evident vorba despre o soluie scump, la care se apeleaznumai n cazuri speciale (furnalele pentru elaborarea fontei).

o alt variant const n realizarea de vetre rcite (figura 4). Prin aceastmetod, ntre vatr i fundaie se realizeaz canale prin care circul (natural sauuneori forat) aer.

prevenirea efectului negativ al dilatrii termice excesive se poate obine i princonstrucia fundaiilor n form de a (figura 5). n acest caz, prile lateraleale fundaiei lucreaz ca nite grinzi dispuse la marginea acesteia.

La construcia fundaiilor mai trebuie respectate i unele condiii legate deumiditatea optim a solului. Cnd acesta este prea uscat se recurge la umectarea

5

SC

SC


6/9

Note de curs AITVD

artificial. Dac nivelul apelor freatice are o adncime mai mic de 2 metri, se adoptsoluii de drenaj ale zonei sau hidroizolarea fundaiei cu ajutorul unor chesoanemetalice sau cu betoane speciale.

n cazul cuptoarelor executate n afara halelor industriale mai trebuie s se incont i de nivelul de nghe al solului, corespunztor zonei geografice respective. Lanoi n ar nivelul maxim de nghe este de 70 cm, aceasta presupunnd o poziionarea fundaiei sub acest nivel deoarece solul ngheat i modific total proprietile fa

de cel nengheat.

Fig.5 Metoda vetrelor rcite Fig.6 Construcia fundaiei n a

2.2. Zidria

Zidria ca noiune general cuprinde: vatra cuptorului, pereii laterali i bolta.Zidria este elementul de construcie care nchide spaiul de lucru al cuptorului avndurmtoarele funcii: s poat asigura o rezisten termic, mecanic i chimic adecvat n

interiorul spaiului de lucru; s asigure etaneitatea spaiului de lucru; s menin n interiorul spaiului de lucru temperatura optim cerut de

procesul tehnologic, cu alte cuvinte, pierderile de cldur spre exterior s fieminime.

Realizarea zidriei se poate face utiliznd 1, 2, 3, sau, n cazuri excepionale,mai multe straturi din materiale ceramice cu proprieti diferite.

n interiorul cuptorului peretele trebuie s reziste la ocurile termice, lacoroziunea chimic i la aciunile mecanice. Pentru aceasta, stratul interior trebuie saib proprieti refractare foarte bune, adic materialul s reziste la temperaturi naltei la ocuri termice. Pe de alt parte materialul zidriei trebuie s prezinte proprietitermoizolante pentru a diminua fluxul de cldur pierdut spre exterior. Acest materialmai trebuie s aib i o rezisten mecanic suficient pentru a se putea realizasusinerea ntregului ansamblu. Zidria are i rolul de susinere a instalaiei de arderei a dispozitivelor auxiliare montate pe cuptor.

n situaia n care regimul termic al cuptorului este unul sczut, dimensiunileacestuia fiind reduse, zidria se poate realiza n varianta cu un strat, strat care

ndeplinete toate condiiile menionate mai sus.

6


7/9

Note de curs AITVD

n majoritatea cazurilor ns, zidria se realizeaz din dou straturi, unul interior,din material ceramic refractar, rezistent la temperaturi nalte, coroziune i oc termici unul exterior, termoizolator.

Fig.7 Realizareazidriei cu unul, dou i respectiv trei straturi

n cazul n care temperatura intermediar tx , nu poate fi cobort sub 11000

C(figura 7), se recurge la varianta cu trei straturi. Primul este un strat refractar, aldoilea unul termoizolator, dintr-un material rezistent la temperaturi nalte i un altreilea start, tot termoizolator, dar care rezist la temperaturi sub 800 0C.

2.3. Vetrele cuptoarelor metalurgice

Vatra este elementul de zidrie care nchide la partea inferioar spaiul de lucrual cuptorului. Ca i o clasificare general putem spune c, n primul rnd, vetrele se

mpart n dou categorii: vetrele cuptoarelor de elaborare; vetrele cuptoarelor de nclzire.

Vetrele cuptoarelor de nclzire se difereniaz pentru : cuptoare tip camer, la care exist:

vetre fixe; vetre mobile;

cuptoare traversate (cu funcionare continu).

Vetrele cuptoarelor de elaborare pot fi: vetre n arc negativ; vetre n pant; vetre n trepte.

Exemple demonstrative pentru modul de construcie a acestor tipuri de vetresunt prezentate n schiele urmtoare.

7


8/9

Note de curs AITVD

a) b) c)

Fig.8 Tipuri de vetre pentru cuptoare de elaborare:a- n arc negativ; b- n pant; c- n trepte

1- strat refractar; 2- strat izolator; 3- strat de uzur stampat

a) b) c)

Fig.9 Tipuri de vetre pentru cuptoare de nclzirea- vatr fix; b-vatr mobil; c-vatr cu grinzi pitoare.

1- vatra; 2- pereii laterali; 3- semifabricatul supus nclzirii;

4- fundaia cuptorului;5- mecanism de antrenare a grinzilor mobile;1a- grinzi mobile;1b- grinzi fixe.

2.3.1. Vetrele cuptoarelor de elaborare

Vetrele cuptoarelor de elaborare n arc negativ (figura 9a) sunt folosite laelaborarea aliajelor neferoase, pe cnd vetrele n pant (figura 9b) i n trepte (figura9c) sunt folosite la elaborarea oelului i a fontei. Dintre acestea dou din urm,

vetrele n pant sunt mai scumpe i mai pretenioase din punct de vedere almanoperei pentru c folosesc crmizi speciale, n schimb au avantajul unui strat deuzur uniform ca i grosime, ceea ce conduce la o micorare a riscului de apariie afisurilor datorate gradienilor de temperatur pe grosime.

2.3.2. Vetrele cuptoarelor de nclzire

Vetrele fixe (figura 9a) se folosesc la cuptoarele tip camer, cu funcionarediscontinu. Vatra este monolitic. Operaiunile de ncrcare-descrcare din cuptor se

realizeaz cu dispozitive speciale. Vatra mobil din figura 9b este utilizat tot lacuptoarele tip camer, cu funcionare discontinu, dar n acest caz, vatra are

8


9/9

Note de curs AITVD

posibilitatea de culisare pe nite ine i poate fi scoas din incinta cuptorului. Aceastafaciliteaz ncrcarea i descrcarea cuptorului.

Acest tip de vetre se folosete la cuptoarele de nclzire a lingourilor dedimensiuni mari, necesitnd un sistem de etanare care poart numele de etanare

jgheab-cuit, reprezentat n detaliul A din figura 9.Mai sunt i alte tipuri de vetre mobile, spre exemplu vetrele cuptoarelor cu

funcionare continu, la care se folosete foarte des sistemul cu grinzi pitoare,

prezentat n figura 9 c.Pe lng aceste tipuri de vetre, mai exist vetre cu glisiere, cu band, cu lanuri,

etc. Acestea sunt specifice cuptoarelor cu funcionare continu.

2.3.3. Dimensionarea vetrelor

Vetrele, n general, sunt supuse unor solicitri mecanice, termice i chimice.Intensitatea acestor solicitri depinde de tipul cuptorului. Spre exemplu vetrelecuptoarelor de elaborare, sunt supuse cu precdere unor solicitri termice i chimice

pentru c vin n contact direct cu topitura metalic. n schimb, vetrele cuptoarelor denclzire sunt supuse unor solicitri mecanice mai intense, apoi termice i chimicentr-o mai mic msur.

Dimensionarea vetrelor presupune un calcul al grosimii acestora ( v ) i allungimii (L), respectiv limii (B).

v se determin din condiii de rezisten mecanic i izolare termic; L, B se determin din urmtoarele considerente:

=

=

KB

L

SvBL

(5)LungimeaLimea = Aria Vetrei (S v).K este un coeficient a crui valori sunt recomandate n literatura de specialitatefuncie de tipul cuptorului.

Calculul ariei vetrei, Av, se face difereniat, astfel:- Pentru cuptoarele cu funcionare continu:

p

PSv = (6)

- Pentru cuptoare cu funcionare discontinu:

cp

CSv

= (7)

unde:o P [t/h]- este productivitatea cuptoarelor cu funcionare continu;o P [t/m2h] - este productivitatea specific.o C [t]- capacitatea cuptorului cu funcionare discontinu n tone;o [ ]hc - durata unui ciclu de funcionare al cuptorului discontinuu.

9

AITVD Curs1- Curs 2

Documents

Transcript of AITVD Curs1- Curs 2