КОНСТРУКЦИЯ ТЕПЛОИЗОЛЯЦИИ ТРУБ

Полезная модель относится к теплотехнике, к устройствам теплоизоляции труб, в частности может использоваться для теплоизоляции металлических труб в методических нагревательных печах прокатного производства.
В методических печах, где происходит нагрев заготовок перед прокаткой, используются металлические водоохлаждаемые трубы, по которым происходит перемещение нагреваемых заготовок через печь с помощью толкателя (толкательные печи), либо с помощью механического передвижения отдельных секций из подовых труб (печи с шагающими балками). Равномерность нагрева металла существенно зависит от эффективной теплоизоляции подовых труб, по которым циркулирует пароводяная смесь.
Из уровня техники известны теплоизоляции подовых труб, изготовленных из плотных огнеупорных материалов, например, термоблоков, получаемых из бетонов различного состава и обладающих значительной массой.
К недостаткам таких конструкций теплоизоляции следует отнести затруднительное использование блоков для футеровки сложных конструкций, имеющих изгибы и перекрестия. К тому же термоблоки устанавливаются на трубах посредством приварки металлических закладных, находящихся в блоках. Такая теплоизоляция уменьшает механическую прочность глиссажных труб в результате применения электросварки. Недостатком использования термоблоков является также быстрое окисление металлических закладных, в результате происходит образование трещин в мертеле при его усадке под действием высоких температур и вибрации в процессе эксплуатации печи, что приводит к обрушению блоков и оголению труб. Такого рода покрытия продолжают применять на ряде отечественных металлургических заводов.
В настоящее время используются также теплоизоляционные покрытия из керамоволокнистых огнеупорных материалов, которые сочетают в себе такие свойства, как высокая термостойкость, малая теплопроводность, небольшая масса, эластичность, гибкость и виброустойчивость, но они обладают малой механической прочностью. В статье В.М.Крылова и др. «Эффективность применения волокнистых материалов и изделий в теплоограждениях печей» (Журнал «Новые огнеупоры», М., Интермет, №4, 2003 г., с.22-25) описана
теплоизоляция с использованием керамоволокна, которое крепится к трубам посредством жаропрочной проволоки. Такая изоляция достаточно проста, обладает небольшой массой и высокой виброустойчивостью, но имеет незначительный срок службы из-за разрушений под действием газовых потоков, осыпающейся окалины и окисления проволоки.
Широкое применение нашли теплоизолирующие покрытия из мягкого внутреннего слоя, примыкающего к защищаемой поверхности трубы, и плотного наружного слоя, через который труба контактирует с окружающей средой.
Двухслойная теплоизоляция получила наибольшее распространение. Имеется несколько разновидностей такой изоляции, в которых в качестве внутреннего слоя применяются керамоволокнистые материалы, а наружный слой выполнен из огнеупорных изделий специальной формы из различных бетонов. При этом способы крепления плотных изделий разнообразны. В качестве крепежного материала используются анкеры, шпильки, болты, штыри из различных металлов, которые привариваются к подовым трубам и входят в пазы или отверстия в огнеупорных блоках (см. Патент Франции №2239166, F 27 D 3/02, 5/00, C 21 D 9/70, опубл. 31.05.75; Патент США №3941169, F 27 D 3/02, F 16 L 9/16, 9/22, опубл. 02.03.76).
К недостаткам этих конструкций следует отнести:
1) Усадка и последующее уплотнение керамоволокнистой прокладки между трубой и плотными огнеупорными изделиями, что приводит к образованию щелей и окислению (разрушению) крепежа, и, как следствие, обрушению тепловой изоляции труб.
2) Большая масса плотных огнеупорных изделий различной формы, что увеличивает нагрузку на подовые трубы, уменьшает их механическую прочность, особенно в зонах высоких температур, и способствует более быстрому обрушению огнеупорных изделий при окислении металлического крепежа.
3) Применение электросварки для соединения металлических крепежных элементов с трубами, что способствует уменьшению механической прочности труб, в которых находится пароводяная смесь при высоких температуре и давлении.
4) Разрушение теплоизоляции наружного слоя под действием вибрационных и ударных нагрузок, поскольку огнеупорные изделия и связующее имеют большую массу и к тому же в процессе эксплуатации печи превращаются
в твердый монолитный материал с очень низкой ударномеханической прочностью. Это проявляется в наибольшей степени в печах толкательного типа.
За прототип предлагаемой полезной модели конструкции теплоизоляции металлических труб принято техническое решение, описанное в патенте Великобритании №1318352, F 27 D 5/00, F 16 L 59/02, опубл. 31.05.73. В нем описана теплоизоляция «Инсулок» и ее разновидность «Скидлок» фирмы «Морган Рефракториз», которая состоит из фасонных изделий «Сипамул», изготовленных методом вибрационного литья. Данная изоляция используется на металлургических заводах в странах Европы и Японии. Срок службы в зависимости от условий в печи составляет 6-24 месяца (Fryatt I. - Steel Times, 1975, v.203, №5). Достоинством такой теплоизоляции является отсутствие каких-либо связующих при сборке изоляции, в результате чего она может противостоять вибрационным нагрузкам. Однако, данная изоляция не может противостоять ударномеханическим нагрузкам. Кроме того, следует отметить, что прототип обладает всеми остальными перечисленными выше недостатками других аналогов.
Задачей новой полезной модели является создание теплоизоляции труб, которая способна обеспечить:
- повышение механической прочности теплоизоляционного покрытия при сохранении его эластичности и гибкости;
- исключение применения различного рода металлического крепежа;
- повышение срока службы теплоизоляции;
- регулирование теплопотерь по зонам нагревательной печи за счет применения различной толщины (количества слоев) используемого эластичного материала (керамоволокнистого) на соответствующих участках труб;
- эффективное уменьшение расхода газа на нагрев пароводяной смеси в подовых трубах методических нагревательных печей.
Технический результат достигается с помощью изготовления конструкции теплоизоляции, представляющей собой закрепленные на наружной поверхности трубы и между собой слои теплоизоляционного эластичного материала, в которой в качестве крепежного материала использован огнеупорный клей. Целесообразно применение доступного керамоволокнистого материала, обеспечивающего долгосрочную надежную изоляцию конструкций сложной конфигурации, исключение влияния процесса уплотнения и усадки теплоизоляционного материала на образование щелей в процессе эксплуатации печи, уменьшения
массы покрытия при его достаточно высокой термостойкости, ударо- и виброустойчивости путем оригинального закрепления на трубе основного теплоизоляционного покрытия с помощью огнеупорного клея.
3
Покрытие может быть выполнено из приклеенных слоев волокнистого огнеупорного материала с кажущейся плотностью не выше 200 кг/м, а огнеупорный клей используется, например, натрийалюмосиликатной системы. Сверху керамоволокнистого огнеупорного материала возможно нанесение дополнительного, защитного слоя из огнеупорного клея, который при высыхании образует плотное наружное покрытие.
В соответствии с поставленной задачей на основании результатов тепловых расчетов покрытие может быть выполнено из одного или нескольких приклеиваемых друг к другу слоев теплоизоляционного материала с помощью огнеупорного клея.
Для приклеивания к трубе первого слоя волокнистого огнеупорного материала целесообразно использовать клей с более низкой рабочей температурой по отношению к последующим операциям приклеивания других слоев покрытия, а также для образования наружного защитного слоя.
3
В предлагаемой теплоизоляции подовых труб используется волокнистый огнеупорный материал с кажущейся плотностью 200 кг/м, который наиболее предпочтителен для решения поставленной задачи в заявленной совокупности существенных признаков. Известен керамоволокнистый рулонный материал с указанной характеристикой по плотности, который изготавливается промышленным путем под маркой МКРВ-200 (изготовитель - ОАО «Сухоложский огнеупорный завод», ГОСТ 23619-79 с изм.1, 2). Свойства такого материала позволяют создать надежное покрытие, исключающее разрушение изоляции за счет осыпающейся с нагреваемых изделий окалины, а также в результате вибрации и сотрясений, которым подвержены трубы, особенно в печах толкательного типа. Рулонный материал МКРВ-200 обеспечивает создание изоляции самых сложных конструкций подовых труб непосредственно на объекте без изготовления специальных фасонных изделий. Материалы, имеющие более высокую плотность, например, муллитокремнеземистый хромсодержащий войлок МКРBХ-250 (ГОСТ 23619-79) и муллитокремнеземистый теплоизоляционный картон гибкий МКРКГ-400 (ТУ 14-8-537-93), не обладают достаточной гибкостью и способностью плотного прилегания к металлическим конструкциям подовых труб, тем более сложной конфигурации, т.е. в этом случае исключается
возможность надежного приклеивания эластичных теплоизоляционных материалов к теплоизолируемым поверхностям, что резко снижает срок службы футеровки.
Применение огнеупорного клея обеспечивает особую комфортность создания надежного теплоизолирующего покрытия с высокими теплоизоляционными свойствами практически по всем параметрам.
Целесообразно использование натрийалюмосиликатного клея с рабочей температурой 1200°С и 1400°С. Огнеупорный клей с необходимыми свойствами можно приготовить на основе жидкого стекла при включении в состав электрокорунда, огнеупорной глины и каолина. Такой клей является прочной основой для удержания внутреннего огнеупорного покрытия из керамоволокна на поверхности трубы, а также обеспечивает надежную защиту наружной поверхности керамоволокна от разрушения под действием газовых потоков и падающей окалины с разогреваемого металла. В целом конструкция теплоизоляции, довольно проста и технологична по всем требуемым параметрам.
Полезная модель иллюстрируется чертежами, на которых изображены схемы теплоизоляции подовых труб с двухслойным покрытием.
На Фиг.1 изображено поперечное сечение продольной подовой (глиссажной) трубы с нанесенным теплоизоляционным покрытием, где: 1 - труба, 2 - первый слой нанесенного на поверхность трубы огнеупорного клея, 3 - первый внутренний слой эластичного теплоизоляционного материала, на который нанесен слой 4 огнеупорного клея, 5 - приклеенный с помощью огнеупорного клея второй слой теплоизоляционного материала. Цифрой 6 обозначен рейтер, закрепленный из продольной трубе 1 вдоль всей ее рабочей длины, по которому перемещаются нагреваемые в печи заготовки металла.
На Фиг.2 изображено сечение опорной поперечной подовой трубы, в которой не используются рейтеры и на которую опираются глиссажные трубы.
Теплоизоляция металлических (подовых) труб с использованием предлагаемой полезной модели осуществляется следующим образом. Перед футеровкой металлических поверхностей труб производится их очистка от посторонних материалов, ржавчины и промывка водой. На очищенную наружную поверхность каждой трубы 1 наносится слой 2 огнеупорного клея. Предварительно подготовленные полотна мулитокремнеземистого огнеупорного войлока МКРВ-200 толщиной 15-20 мм, шириной до 600 мм и длиной до 2000 мм промазывают слоем огнеупорного клея и плотно прижимают полотна к трубе 1,
образуя таким образом первый слой 2 внутреннего покрытия. В зависимости от требуемой степени нагрева пароводяной смеси в трубах к первому внутреннему слою керамоволокна 2 приклеивают дополнительно еще один, два и более слоев. Выбор количества дополнительных слоев керамоволокна осуществляется на основании теплового расчета.
Как видно на чертежах, сечения подовых труб, расположенных вдоль печи и поперек нее, отличаются дополнительным конструктивным элементом в виде рейтера 6 на продольной трубе (Фиг.1), который составляет обычно небольшую часть от общего сечения продольной трубы. На Фиг.1 показаны два слоя 3 и 5 волокнистого покрытия, доходящих до боковой поверхности рейтера 6.
На Фиг.2 сечение поперечной трубы имеет ровное теплоизоляционное покрытие по всей поверхности.
Полученное покрытие создает хороший теплоизоляционный эффект для подовых труб и не разрушается под действием вибраций и сотрясений, которым подвержены подовые трубы (особенно это относится к печам толкательного типа), так как применяется мягкий керамоволокнистый материал. Огнеупорный защитный слой клея позволяет увеличить рабочую температуру в печи до 1350°С без разрушения волокна. При этом, в случае нанесения дополнительного защитного клеевого слоя при высыхании клея такой слои представляет собой плотный керамический огнеупорный материал, имеющий небольшую массу, и образует каркас, препятствующий разрушению МКРВ-200 под действием скоростных газовых потов и окалины, падающей с нагреваемого металла.
Огнеупорные клеи применены двух видов, отличающихся максимальными температурами применения, что обусловлено температурным интервалом между подовыми трубами и греющими газами в печи (ориентировочно 200°С÷1350°С).
Тепловые расчеты показали, что расход газа на нагрев пароводяной смеси при использовании предлагаемого теплоизоляции по сравнению с неизолированными трубами или изолированными с помощью термоблоков меньше в 14,2 и 4,3 раза соответственно.
Предлагаемая конструкция термоизоляции труб опробована в нагревательных печах стана 900/680 ЗАО «Петросталь», дочернего предприятия ОАО «Кировский завод», г.Санкт-Петербург. Испытания показали, что происходит уменьшение расхода газа на нагрев металла. При этом отмечен более равномерный нагрев заготовок, исключающий появление «черных меток» на
нагретом металле и увеличение срока службы футеровки по сравнению с использованной ранее теплоизоляцией с помощью термоблоков.
Подобная конструкция теплоизоляции может использоваться для любых труб, где необходимо применение эластичной термоизоляции в соответствии с конкретными условиями окружающей среды и условий эксплуатации.