ВАГОНЕТКА ДЛЯ ТУННЕЛЬНОЙ ПЕЧИ
TROLLEY FOR TUNNEL FURNACE

Изобретение относится к конструкции вагонеток коротких туннельных печей для обжига изделий технической керамики и огнеупорных изделий с температурой обжига до 1650°С.
Известна конструкция пода футеровки вагонетки туннельной печи, в частности, для обжига кирпича, в которой для увеличения срока службы вагонетки в конструкцию пода входят сборные элементы в виде плит с выступами и впадинами на обращенных одна к другой поверхностях, чем обеспечивается фиксация элементов относительно друг друга, при этом плиты имеют одинаковые размеры, кратные длине и ширине вагонетки (а.с. СССР №1158843, МПК F27D 3/12, опубл. 30.05.85 г.) - аналог.
Недостатками известного решения являются сложность конструкции огнеупорных плит и низкая температура эксплуатации - 1250°С.
Известна вагонетка туннельной печи для обжига стеновых и фарфоровых изделий, в которой футеровка вагонетки размерами 3 м × 3 м имеет блочную конструкцию, применение которых повысило ресурс футеровки за счет уменьшения числа швов на ней (Тропинова И.В., Тропинов A.M. «Метод ремонта вагонеток туннельных печей», Новые огнеупоры, 2007 г., №5, с.15-19) - аналог.
Недостатком известного решения является невысокая температура применения 1100-1500°С.
Известна футеровка вагонетки, выполненная из трех слоев: верхний из огнеупорного корундового материала в виде плит (блоков), промежуточный из теплоизоляционного материала в виде шамотных кирпичей, а нижний слой, расположенный в металлической коробке, выполнен из бетона (а.с. СССР №1242698, МПК F27D 3/12) - аналог.
Особенностью этой футеровки является наличие в плитах гнезд с керамическими замками в виде скоб, которые могут быть и металлическими. Тем самым обеспечивается прочность и монолитность верхнего слоя футеровки. Указанная известная вагонетка предназначена для крупногабаритных печей и имеет размеры 2,2×1,8 м. Такая конструкция футеровки предназначена для вагонеток, используемых при обжиге изделий, больших по весу и объему.
К недостаткам такой вагонетки надо отнести сложную конструкцию крепления верхних плит и то, что монолитные блоки из бетона, несмотря на температурные швы, аккумулируют много тепла.
Наиболее близким техническим решением конструкции футеровки вагонетки туннельной печи является вагонетка, используемая в коротких туннельных печах «печь проходная газовая ПГ-30 (по паспорту №9-5909), которые применяются в металлургическом производстве авиамоторостроения для обжига керамических и огнеупорных изделий для литья лопаток из жаропрочных сплавов: длина печи 18 м, габариты вагонетки 1×0,5 м.
Туннельная печь ПГ-30 содержит металлическое основание и футеровку с огнеупорным слоем (несущее основание) из корундовых кирпичей и теплоизоляционным слоем из материалов с теплоаккумулирующей способностью. Огнеупорный слой состоит из двух частей: два нижних ряда корундовых кирпичей монтируются совместно с теплоизоляционным слоем на обычном кладочном растворе, а два верхних ряда корундовых кирпичей устанавливаются без раствора. Наличие нижнего замка препятствует утечке горячего воздуха из пространства обжига изделий к низу вагонетки. Температура обжига огнеупорных изделий на указанных вагонетках печи ПГ-30 преимущественно составляет 1650°С.
Недостатками известного решения являются ненадежность работы из-за неустойчивости огнеупорного слоя футеровки в процессе эксплуатации и недостаточная продолжительность срока службы вагонеток. Это связано с отсутствием достаточной фиксации сборных элементов посадочной площадки, что приводит к их смещению под воздействием различных, в том числе, и температурных факторов, например, толчков в процессе проталкивания вагонетки через канал печи.
Техническим результатом, на достижение которого направлено заявляемое изобретение, является разработка конструкции вагонетки с повышенной устойчивостью футеровки, высокой надежностью работы вагонетки и увеличенным сроком ее службы, при эксплуатации в условиях многократно повторяющихся циклов нагрева и охлаждения, в том числе и за счет снижения теплоемкости футеровки.
Указанный технический результат достигается тем, что вагонетка туннельной печи содержит металлическое основание и футеровку с огнеупорным и теплоизоляционным слоями, причем огнеупорный слой выполнен из нескольких соединенных между собой плит и размещенных на верхней из них керамических коробов, служащих посадочной площадкой для установки обжигаемых изделий, причем в плитах огнеупорного слоя кроме верхней выполнены сквозные отверстия, в верхней плите - глухие отверстия, а короба установлены с образованием, по меньшей мере, одной полости с верхней плитой.
Вагонетка, у которой плиты и короба могут быть выполнены из огнеупорного корундомуллитового материала.
Вагонетка, у которой теплоизоляционный слой может быть выполнен из рядов кирпичей, торцы верхнего из которых смонтированы заподлицо с торцами нижней плиты огнеупорного слоя.
Вагонетка, у которой в зависимости от массы обжигаемых изделий и температуры обжига, короба могут быть выполнены с ребрами жесткости или иметь перегородку на высоту короба.
Вагонетка, у которой перегородка может быть расположена посередине короба.
Сущность заявляемого решения приведена на чертеже.
Заявляемая вагонетка содержит теплоизоляционный слой 1 и огнеупорный слой 2. Огнеупорный слой 2 состоит из размещенных одна на другой плит 3, 4, 5 и 6, монтируемых между собой и с теплоизоляционным слоем 1 с помощью кладочного раствора, а верхняя часть огнеупорного слоя 2 выполнена в виде коробов-подставок 7 и 8, которые устанавливаются на верхнюю плиту "вверх дном", т.е. с образованием с верхней плитой полостей. Обжигаемые изделия (не показаны) размещаются на короба простой садкой, без дополнительного крепления. Оптимально, чтобы плиты 3, 4 и 5 имели размеры, кратные длине и ширине вагонетки, чтобы обеспечить замок вагонетка-вагонетка. В плитах 3, 4 и 5 выполнены сквозные отверстия (размеры которых зависят от размеров плиты и ее толщины), а в плите 6 выполнены несквозные (глухие) отверстия. При монтаже верхняя плита 6 устанавливается сплошной поверхностью кверху и является посадочной площадкой 9 для установки коробов подставок 7 и 8. Целесообразно при монтаже обеспечивать расположение отверстий в плитах 3, 4, 5 и 6 в шахматном порядке. Теплоизоляционный слой 1 может состоять, например, из легковесных кирпичей, или из кирпичей из теплоизоляционного материала.
Как известно, к материалу футеровки вагонетки предъявляются следующие требования:
- обеспечивать хорошую сохранность и целостность в процессе обжига изделий, установленных на посадочную площадку вагонетки;
- верхний слой футеровки, являясь базовым элементом, должен быть огнеупорным и надежным, так как именно на него устанавливаются изделия, и на него воздействует максимальная температурная нагрузка.
Верхний слой футеровки подвергается воздействию наиболее высокой температуры при нагреве, и его температурный коэффициент линейного расширения (ТКЛР) в процессе обжига самый большой, из-за чего возникает нестабильность размеров его элементов, что является возможной причиной возникновения трещин в футеровке при многократных нагревах и охлаждениях (циклическом воздействии) и вызывает ее разрушение. При этом аккумуляция тепла вагонеткой должна быть минимальной для создания равномерного температурного поля по объему изделия в течение всего цикла обжига.
По сравнению с прототипом заявляемое решение имеет ряд преимуществ.
При смещении верхних корундовых кирпичей посадочной площадки как в известном решении разрушается садка изделий, что отрицательно сказывается на качестве обожженных изделий. Кроме этого, всегда есть возможность откола частей корундовых изделий и падений их между вагонетками или между вагонеткой и стенкой печи, что может привести к остановке печи.
Серийные корундовые кирпичи, используемые для огнеупорного слоя футеровки, характеризуются плотной структурой мелкозернистого строения, которая с учетом высокого коэффициента линейного температурного расширения (КЛТР) корунда обуславливает их низкую термическую стойкость. Кирпичи не выдерживают термических нагрузок при жестких режимах обжига изделий, связанных или с высокой температурой обжига, или с высокой скоростью движения вагонеток. Необходимо учитывать также и то, что в коротких туннельных печах при условии соблюдения нагрева изделий, выдержка практически удлиняется до 8-12 часов (например, при максимальных температурах обжига 1350°С и 1650°С). Именно низкой термостойкостью корундовых кирпичей и была обусловлена в известной вагонетке свободная кладка посадочной площадки, чтобы была возможность частой замены или полной смены разрушенных кирпичей огнеупорного слоя. Корундовые кирпичи в процессе эксплуатации раскалываются, трескаются, не обеспечивая тем самым устойчивую садку обжигаемых изделий и ухудшая их качество: так не сохраняются некоторые размеры литейных форм сложной конструкции, появляются микротрещины в стержнях, тиглях и другие отрицательные эффекты. Кроме того, два нижних ряда корундовых кирпичей, сцепленные с теплоизоляционным слоем, разрушаясь под воздействием высоких температур, приводят и к разрушению самого теплоизоляционного слоя, из-за чего создается неравномерное тепловое поле в пространстве печи, особенно по высоте изделий.
Заявляемое решение лишено указанных недостатков. Плиты и короба-подставки изготавливаются из муллитокорундового материала. Его крупнозернистая структура (максимальный размер зерен муллита, как правило, 3-4 мм) и более низкий КЛТР корунда по сравнению с плотной структурой и высоким КЛТР корунда обеспечивает высокую термостойкость футеровки заявляемой вагонетки и соответственно увеличивает ее срок службы. Плиты формуют методом вибролитья с применением, например, 70% муллитокорундовой шихты из отходов производства (бой муллитокорундовых изделий) и обжигают при 1550°С. Вибролитые короба-подставки из высокотермостойкого муллитокорундового материала получают, например, на основе шихтовой смеси глинозема с электрокорундом при содержании 30% плавленого муллита. Наличие в плитах воздушных полостей, образуемых отверстиями, и полостей в коробах обеспечивает снижение аккумулированного тепла огнеупорным слоем футеровки и способствует быстрому выравниванию температурного поля по всему объему печного пространства.
Повышенный срок службы заявляемой футеровки обеспечивается дополнительно тем, что при появлении трещин в боковых поверхностях плит (параллельно тепловому потоку) отколов частей плит не происходит, так как плиты сцеплены друг с другом. Прочность шва в процессе службы не ослабевает, но остается достаточной для сохранения конструкции и устойчивости верха футеровки. После окончания службы, прочность шва не является препятствием для разъема плит. После окончания их эксплуатации и визуального анализа плит, их открытые поверхности могут быть отремонтированы суспензией корундового порошка с этилсиликатом и вновь установлены на вагонетку.
При работе вагонеток чаще всего выходят из строя короба-подставки, которые легко подлежат замене. Срок службы цельной части вагонетки, скрепленной кладочным составом, увеличился в 1,5-2,0 раза и в зависимости от условий обжига и скорости вагонетки составил 1-2 года (по сравнению с 0,5-1 год в случае прототипа).
Длина коробов-подставок близка к длине вагонетки, а ширина зависит от температуры обжига и массы обжигаемых деталей, причем короба-подставки могут быть выполнены с ребрами жесткости или иметь, например, посередине перегородку на высоту короба. Высота коробов (в пределах паспортной высоты вагонетки) выбирается таким образом, чтобы пламя горелки находилось на уровне дна короба-подставки и соответственно на уровне дна поставленных на короб изделий, а дно изделий, как правило, бывает более утолщенным, чем их стенки.
Использование заявляемого решения позволит увеличить межремонтные циклы и тем самым снизить расходы на текущий и капитальный ремонт вагонеток, а также уменьшить брак изделий, путем исключения разрушения садки изделий. В заявляемом решении увеличение срока службы вагонеток достигается за счет применения более термостойкого материала (корундо-муллита) заявляемой конструкции огнеупорного слоя и вагонетки в целом, что обеспечивает равномерность теплового поля по всему объему обжигаемых на вагонетке изделий с учетом длины вагонетки и длины туннельной печи, в том числе и за счет того, что воздушные полости дополнительно снижают теплоемкость огнеупорного слоя, а значит аккумуляцию тепла подиной, в результате чего выравнивается температурное поле по всему объему печного пространства.
Увеличение срока службы вагонеток достигается также из-за снижения веса футеровки, достигаемого из-за применения материала более легкого, чем корунд.
Пример конкретного выполнения
Вагонетка выполнена из теплоизоляционного слоя, который состоит из легковесного кирпича «шамот легковесный высокоглиноземистый легковес ВГЛ-1,3» и огнеупорного слоя, который выполнен из трех плит толщиной 60 мм каждая, и в каждой плите выполнены 22 сквозных отверстия. Верхняя плита имеет толщину 65 мм и в ней выполнено 22 глухих отверстия. Все плиты соединены между собой с помощью кладочного раствора мертелем МШ-31. Материал плит и коробов - 46% мас. муллит + 54% мас. корунд-подставок - 30% мас. - муллит, 70% мас. - корунд.
Обжигались установленные на короба-подставки плавильные тигли емкостью 4-22 л, высотой 300-600 мм при температуре 1550°С со скоростью движения одна вагонетка за 4,5 часа.
Литейные формы обжигались при температуре 1000°С со скоростью вагонетки - 1 вагонетка в час.
По результатам обжига при 1550°С и 1000° установлено, что перепад температур в вагонетке-прототипе составлял 40-50°С, а в заявляемой - 25-30°С. Такое выравнивание температурного поля позволило снизить брак изделий по трещинам, понизить пористость и повысить срок службы вагонеток с полугода, как в прототипе, до двух лет.