Lecţia 1

ASPECTE PRIVIND PROIECTAREA ŞI CONSTRUCŢIA INSTALAŢIILOR TERMOTEHNOLOGICE

1.1. NOŢIUNI INTRODUCTIVE

1.1.1. LOCUL ŞI ROLUL INSTALAŢIILOR TERMICE ÎN PROCESAREA MATERIALELOR METALICE

Obţinerea şi prelucrarea la cald a materialelor metalice (extragerea utilului din minereu, topirea, retopirea şi alierea, încălzirea pentru deformare plastică sau tratamente termice şi termochimice, sinterizarea etc.) se desfăşoară la temperaturi mai înalte decât cea a mediului ambiant. Fiecărui tip de proces sau etapă a procesului, precum şi fiecărui material metalic prelucrat îi corespunde o anumită temperatură de prelucrare.

In contextul procesării materialelor metalice operaţiile menţionate mai sus, se desfăşoară în incinte denumite cuptoare. Deoarece, de-a lungul timpului, aceste incinte au devenit din ce în ce mai complexe, datorită utilărilor cu echipamente menite să le facă mai performante, au primit şi denumirea de instalaţii termotehnologice.

Instalaţiile termotehnologice sunt utilate cu echipamente de producere a căldurii, din diferite surse, cum ar fi: combustibili, energie electrică, surse neconvenţionale (plasmă, flux de electroni, laser, energie solară). Această căldură este apoi transferată materialului metalic supus prelucrării, prin modurile de transfer de căldură cunoscute (radiaţie, convecţie, conducţie).

Necesitatea studierii teoriei privind construcţia, funcţionarea şi exploatarea instalaţiilor termotehnologice (cuptoare) rezultă clar analizându-se schema sintetică de mai jos (un exemplu de flux tehnologic de obţinere a unui produs metalic finit). Această schema evidenţiază locul şi rolul cuptorului în fluxul tehnologic.

De asemenea, acest studiu este important deoarece instalaţiile termotehnologice îşi pun pregnant amprenta, atât asupra aspectelor economice cât şi a celor ecologice specifice procesului metalurgic.

Eficienţa unui proces tehnologic metalurgic este caracterizată prin indicatori specifici, cum ar fi: durată de desfăşurare, consum specific de căldură şi de materiale, calitate a produsului finit, dar şi gradul de poluare a mediului.

In cazul cuptoarelor, asigurarea unei eficienţei maxime, sau, cu alte cuvinte, realizarea unui produs de calitate superioară în condiţii de productivitate ridicată şi la preţ de fabricaţie scăzut, simultan cu gradul cel mai redus de poluare este posibilă prin realizarea transferului de căldură, de la sursa termică la materialul care se prelucrează, (denumit încărcătură sau şarjă) cu un randament maxim. Aceasta înseamnă, de fapt, că cea mai mare parte din căldura produsă trebuie să ajungă la materialul prelucrat termic, în timpul stabilit prin tehnologia de fabricaţie.

In consecinţă, în fluxul de fabricaţie al unui produs metalic, etapa care se desfăşoară în interiorul instalaţiei termotehnologice (cuptorului), are o foarte mare pondere, atât în preţul de cost al produsului final, ca urmare a consumului de energie (căldură) înmagazinat în acesta, cât şi în gradul total de poluare al intregului proces de fabricaţie.

Fig.1.1 - Evidenţierea locului, rolului şi efectelor economico-ecologice ale unui cuptor folosit în procesarea materialelor metalice.

Extragerea utilului din minereu

CUPTOR DE TOPIRE

Retopire şi aliere

CUPTOR DE TOPIRE

Turnare semifabricateTurnare piese finite

Incălzire pentru deformare plastică

CUPTOR DE ÎNCĂLZIRE

Tratamente termice

CUPTOR DE ÎNCĂLZIREObţinere piese finite

Combustibil - Qcb : - cost comb, (Qcb = BcbPci); - poluare termică (Qp); - noxe (Vga).Qnec.

Energie electric ă - Qel: - cost energie el.; - poluare termică (Qp); - indirect – noxe – dacă se produce energie electrică în termocentrale (se consumă cb).

Qnec.

Vga Q p.ga

Qp.z

Qu

Numai la cupt.cu combustibil

1.1.2. DEFINIREA ŞI DESCRIEREA INSTALAŢIEI TERMOTEHNOLOGICE

Instalaţia termotehnologică (cuptorul) poate fi definită astfel: un complex de componente constituite într-un sistem, în perimetrul căruia se desfăşoară procese tehnologice, la temperaturi înalte (adică procese termotehnologice).

Componentele sistemului se pot clasifica în două grupe şi anume:A - componente principale, sunt acele componente care conferă sistemului starea de

funcţionare şi care constau din: incinta (spaţiul) de lucru, zidăria, care configurează spaţiul de lucru, echipamentul de producere a căldurii, instalaţia de evacuare a gazelor rezultate din ardere (dacă sursa termică este combustibil), compusă din canale şi instalaţia de tiraj. In figura 1.2 este prezintată o schiţă simplă a unui cuptor cu combustibil care vizualizează aceste componente.

B – componente auxiliare, care sunt: echipamente de încărcare-descărcare şi de susţinere a încărcăturii cuptorului, aparatură de automatizare şi de computerizare (pentru măsurarea şi reglarea parametrilor de funcţionare prestabiliţi), schimbător de căldură (pentru cuptoarele cu combustibil). Acestea au rolul să asigure îmbunătăţirea condiţiilor de deservire a instalaţiei termotehnologice, eficientizarea utilizării sursei termice şi conducerea automată a cuptorului în scopul optimizării funcţionării lui.

Fig. 1.2 - Componente constructive principale ale unei instalaţii termotehnologice: 1 – spaţiul (incinta) de lucru; 2 – zidărie (2.1- vatră, 2.2 – perete, 2.3 – boltă);

3 – echipament de producere a căldurii; 4 - încărcătura (şarja); 5 – canal de evacuare a gazelor arse. 6 – uşă de încarcare - descărcare; 7- stuctura metalică.

În perimetrul unei instalaţii termotehnologice au loc fenomene de schimb de căldură şi de masă, motiv pentru care aceasta poate fi asimilată cu un sistem termodinamic. Acest sistem termodinamic este neizolat termic, deoarece schimbul de căldură se produce, atât între elementele componente proprii (se consideră aici că şi încărcătura de prelucrat face parte din elementele componente), cât şi între aceste elemente şi mediul înconjurător. De asemenea, sistemul schimbă substanţă (masă) cu mediul exterior. Aceasta este constituită, fie din combustibil, aer, alte gaze, încărcătură, care sunt aduse în spaţiul de lucru, fie din gaze de ardere, încărcătură prelucrată, care se evacuează din spaţiul de lucru. Este deci, sistem termodinamic deschis.

5

Sectiunea A-A

B

B

3

12. 2

2. 3

2. 1

6

Sectiunea B-B

A

A

3 1

4

7

În consecinţă, instalaţiile termotehnologice metalurgice (cuptoarele) sunt considerate sisteme termodinamice deschise şi neizolate termic.

Pentru studiul sistemelor termodinamice se operează cu mărimi (parametri) de stare specifice, care se clasifică astfel:

- mărimi de stare fizice: - temperatura, t, în oC sau T, în K; - presiunea, p, în N/m2; - volumul specific, v, în m3/kg; - densitatea, , în kg/m3;

- mărimi de stare calorice: - energia internă, U, în kJ/kg, sau kJ/m3

N (pentru gaze); - entalpia, H, în kJ/kg, sau kJ/m3

N (pentru gaze); - entropia, S, în kJ/grd.

Definirea şi studiul mărimilor de stare fac obiectul unor discipline de cultură tehnică generală (fizică, chimie, termotehnică).

Lucrarea de faţă va conţine aspectele teoretice privind proiectarea, realizarea şi utilizarea eficientă a instalaţiilor termotehnologice (cuptoarelor), teorie care conţine: principii generale de proiectare şi realizare a unor instalaţii performante, surse şi echipamente de producere a căldurii, evaluarea consumului energetic, gazodinamica spaţiului de lucru, fenomene complexe de schimb de căldură, procese termotehnologice specifice etc. Cunoaşterea tuturor acestor aspecte va conduce spre realizarea unei instalaţii cu producţie specifică ridicată, obţinându-se produse metalurgice de calitate superioară la un preţ de cost cât mai scăzut.

Se oferă astfel, specialiştilor din domeniu, posibilitatea alegerii adecvate a unei instalaţii termotehnologice (cuptor) pentru un proces metalurgic dat, avându-se în vedere, pe de o parte, interdependenţa dintre tehnologie şi instalaţia în care aceasta se poate desfăşura în condiţii optime şi, pe de altă parte, ofertele pieţei privind materialele de construcţie a cuptoarelor, sursele energetice, echipamentele de conducere automată, pentru realizarea unei instalaţii performante.

De asemenea, se consideră că modul de prezentare a tematicii acestei lucrări deschide noi direcţii de cercetare, ca de exemplu: descoperirea de noi posibilităţi de reducere a gradului de poluare, de micşorare a consumurilor energetice, de creştere a producţiei specifice şi a calităţii produselor, precum şi de producere a unor noi materiale pentru construcţia cuptoarelor, sau proiectarea şi realizarea de echipamente pentru conducerea computerizată a proceselor termo-gazo-dinamice din spaţiul de lucru al cuptoarelor.

Deoarece, denumirea de “cuptor” este mult mai uzitată, atât în literatura de specialitate cât şi în vorbirea curentă, în continuare se va folosi cu precădere acest termen, în loc de instalaţie termotehnologică (a nu se considera că se elimină din terminologia de specialitate).

1.2. CLASIFICAREA CUPTOARELOR ŞI PRINCIPII GENERALE PRIVIND PROIECTAREA ACESTORA

Avându-se în vedere gama foarte variată de cuptoare utilizate în procesarea materialelor metalice, rezultă necesitatea unei clasificări a acestora, în raport cu câteva criterii

representative (destinaţie, sursă termică, funcţionare tehnologică, plasarea focarului –pentru cuptoarele cu combustibil). Rezultă următoarea clasificare:

în funcţie de destinaţie (scopul utilizării), se deosebesc următoarele grupe: a - cuptoare de topire (fie în vederea extragerii utilului din minereu, fie a obţinerii de aliaje pentru turnare); b - cuptoare de încălzire (în vederea deformării plastice, a tratamentelor termice, termochimice, ori termomecanice, sau în vederea sinterizării); c - cuptoare de uscare (a minereurilor metalifere, a nisipurilor, a formelor şi miezurilor din turnătorii etc.);În cuptoarele din grupele (b) şi (c), încărcătura nu-şi schimbă starea de agregare în

perioada de prelucrare, în timp ce, în cele din grupa (a) încărcătura trece în stare lichidă.

în funcţie de sursa termică, cuptoarele pot să fie: a - cu combustibil; b - cu energie electrică (cu inducţie, cu arc electric, cu rezistenţă); c - cu surse neconvenţionale (plasmă, flux de electroni, laseri, energie solară).

în funcţie de modul de funcţionare tehnologică, cuptoare se împart în: a - cuptoare cu funcţionare periodică (discontinuă), atunci când şarja este staţionară

în spaţiul de lucru în timpul prelucrării, iar încărcarea şi descărcarea ocupă un timp de sine-stătător în durata totala a procesului. Acestea se mai numesc şi “cuptoare cameră”;

b - cuptoare cu funcţionare continuă , atunci când şarja se deplasează în spaţiul de lucru în timpul prelucrării, iar încărcarea şi descărcarea sunt operaţii simultane între ele dar şi cu procesul în sine. Se mai numesc şi “cuptoare traversate”.

în funcţie de locul unde se produce arderea combustibilului (criteriul este propriu doar cuptoarelor cu combustibil):

a - cu ardere chiar în spaţiul de lucru, când gazele rezultate din ardere vin în contact direct cu încărcătura - cuptoarele de acest tip se numesc “cu flacără deschisă”. In aceste condiţii spaţiul de lucru joacă şi rol de focar; b - cu ardere în tuburi radiante amplasate în spaţiul de lucru, când gazele rezultate din ardere nu vin în contact direct cu încărcătura (tuburile se constitue în focar, plasat în spaţiul de lucru al cuptorului); c - cu ardere în afara spaţiului de lucru; cuptoarele se numesc “cu focar separat”, iar gazele rezultate din ardere, produse în focar, trec în spaţiul de lucru, unde pot fi (sau nu) în contact direct cu încărcătura.Situaţia “a” este întâlnită, atât la cuptoare de topire, cât şi la cele de încălzire, în timp

ce situaţiile “b” şi “c” sunt specifice doar cuptoarelor de încălzire sau uscare.

Pentru toate aceste tipuri de cuptoare (instalaţii termotehnologice) există un pachet de factori (parametrii) de caracterizare comuni, precizaţi şi în cataloagele care le conţin, şi anume:

1 - Suprafaţa ocupată de instalaţie şi anexele sale principale. Aceasta reprezintă, de fapt, spaţiul minim ocupat de cuptor şi anexele sale, inclusiv mecanisme de alimentare cu încărcătură şi instalaţii de supraveghere, precum şi spaţiul necesar pentru montarea şi demontarea unor elemente (exclusiv spaţiul de lucru). În acelaşi timp se precizează

dimensiunile spaţiului util (de lucru), adică lungimea, L şi laţimea, l (sau diametrul, D, dacă spaţiul de lucru este circular), în m, care definesc suprafaţa vetrei, Sv, în m2, ocupată de încărcătură (solidă sau lichidă) şi înalţimea H, în m, corespunzătoare acestei suprafeţe. Aceste dimensiuni sunt arătate în figura 1.2;

2 - Capacitatea de încărcare, C, în Kg, sau în t – reprezintă, fie cantitatea de material care se află în spaţiul de lucru pentru prelucrare, în cazul cuptoarelor de încălzire sau uscare, fie cantitatea de metal topit, în cazul cuptoarelor de topire;

3 - Productivitatea (producţia orară), P, în Kg/h, t/h, sau în t/24h – este cantitatea de încărcătură prelucrată în unitatea de timp;

4 – Productia specifică pe vatră psp, în Kg/m2 h, t/m2 h; 5 - Domeniul temperaturilor de lucru, - temperatura maximă, tmax şi minimă, tmin la

care poate lucra cuptorul, în oC;

6 - Consumul maxim de combustibil, Bcb, în m3N/h, sau în kg/h, sau puterea nominală, Nn şi puterea instalată, Ni , în kVA, sau kW;

7 - Timpul de încălzire al cuptorului la mers în gol (aducerea la temperatura de lucru,cerută de proces – temperatura tehnologică, tth ), fără încărcătură), g în h;

8 - Consumul energetic necesar încălzirii la mers în gol, în kJ, sau kWh;

9 - Consumul energetic la menţinere la mers în gol şi la menţinerea în sarcină, exprimat în kJ, sau kWh (ultima noţiune se foloseşte mai ales la cuptoarele cu băi de săruri).

Primii patru factori caracterizează valenţele tehnologice ale cuptorului, următorii (5 9) determină regimul termic, iar împreună definesc performanţele tehnico-economice ale cuptorului.

Alegerea unui tip de cuptor existent, sau proiectarea unuia nou, pentru o destinaţie precizată (topire, încălzire, uscare), trebuie făcută în concordanţă cu elementele specifice cerute de tehnologie, care determină regimul termic, natura materialelor de construcţie şi modalităţile de realizare a zidăriei, sursa de căldură, scopul final fiind obţinerea unei instalaţii performante din punct de vedere tehnic, economic şi ecologic.

Fiecărui proces termotehnologic de obţinere şi prelucrare a materialelor metalice (în speţă, proces metalurgic) îi corespunde o anumită temperatură de lucru, denumita temperatura tehnologica, tth. Aceasta este dependentă strict de tehnologia de procesare a materialului metalic dat şi reprezintă valoarea temperaturii care favorizează la maximum acest proces.

În strânsă legătură cu temperatura se află un alt factor - regimul de temperaturi (regimul termic) – care precizează domeniul temperaturilor tehnologice (mai ales valoarea maximă) şi evoluţia acestei temperaturi în timp şi în spaţiul de lucru.

Din punctual de vedere al regimului termic cuptoarele pot funcţiona în mai multe variante şi anume:

a - în regim de temperatură tehnologică constantă în timp ( t/ τ = 0) şi în toate punctele spaţiului de lucru – este cazul în care, cînd încărcătura se introduce în spaţiul de lucru, acesta este deja adus la temperatura tehnologică cerută de proces, iar aceasta rămâne

constantă pe toată durata prelucrării metalurgice (topire, încălzire, uscare), a mai multor şarje dintr-o campanie de lucru. Situaţia poate fi întâlnită atât la cuptoarele cameră cât şi la cuptoarele traversate (continue), când raportul între lungimea, L şi lăţimea, l a spaţiului de lucru se află în situaţia: L /l 3.

b - regim de temperatură tehnologică variabilă în timp ( t/ τ 0) şi constantă în toate punctele spaţiului de lucru - este cazul în care temperatura spaţiului de lucru se modifică de-a lungul prelucrării încărcăturii (creşte, la încălzire, sau scade atunci când încărcătura se răceşte tot în cuptor). Situaţiile sunt specifice cuptoarelor cu funcţionare tehnologică periodică (tip cameră);

c- regim de temperatură mixt – temperatură variabilă pe o durată prestabilită, apoi constantă, în timp

d - regim de temperatură constantă în timp ( t/ τ = 0) şi variabilă pe lungimea (sau înălţimea) spaţiului de lucru – este cazul cuptoarelor traversate, când raportul L/l (sau H/D) este mai mare decât 3. Temperatura tehnologică este variabilă pe lungimea spaţiului de lucru, corespunzător zonelor termice, care, de regulă, sunt: zona de preîncălzire (z.p.), zona de încălzire (z.î.) şi zona de egalizare (z.e.).

Toate situaţiile prezentate sunt schematizate în figura 1.3.

Fig. 1.3 – Schematizarea situaţiilor privind regimul termic al cuptoarelor:a – temperatura constantă sau variabilă în timp şi constantă în spaţiul de lucru;

b – constantă în timp şi variabilă în spaţiu de lucru.

De regimul termic al cuptorului trebuie să se ţină seama la calculul duratei procesului tehnologic, p, (topire, încălzire, uscare), care va defini, fie productivitatea P, în kg/h, pentru un cuptor care deja există, fie capacitatea de încărcare, C, în kg (sau în t) a cuptorului care urmează să fie proiectat, corelaţia dintre cei trei parametrii fiind:

[1.1]

Dimensiunile spaţiului de lucru sunt determinate de următorii factori: producţia anuală a secţiei, Pan, în kg/an sau în t/an, care va determina producţia orară (productivitatea) P, în kg/h sau în t/h, producţia orară a utilajului deservit de cuptor, în cazul deformării plastice (laminor, forjă, presă, matriţă etc.), sursa termică adoptată (disponibilă), gama tipodimensio-nală a încărcărturii şi dispunerea acesteia în spaţiul de lucru (de asemenea, pentru deformare plastică sau tratament termic).

Timp (Durată proces)

Tem

pera

tură

a

bc

1. tth = cons.; 2. tth = var.3. tth = var. + const.

(a,b,c))

Tem

pera

tură

Lungime spaţiu de lucru

(d)

tth=var.

tth=const. tth=const

.

z.p.

z.î. z.e.

O concluzie clară se desprinde din cele prezentate, şi anume că, la proiectarea unei instalaţii termotehnologice se vor urmări îndeosebi următoarele obiective:

- realizarea unei instalaţii durabile, cu materiale performante din punctul de vedere al raportului calitate – preţ;- regimul termic adoptat să satisfacă optim procesul tehnologic, să fie uşor de realizat şi de controlat;-randamentul de utilizare a sursei energetice să fie maxim posibil;- producţia preconizată să fie obţinută cu un minim de investiţii şi de cheltuieli de

exploatare (energetice şi materii prime).