紅外加熱技術在耐火行業(yè)的應用

紅外加熱技術在耐火行業(yè)的應用

1遠紅外加熱干燥水泥生產技術在19世紀初發(fā)現(xiàn)的情況下，它通常被稱為紅棕色。它在20世紀40年代的生產和生活中得到了充分應用。此后又發(fā)現(xiàn)了遠紅外線,多數(shù)含有水分的有機物質、高分子材料等在遠紅外區(qū)具有更多的吸收帶。從20世紀70年代起,遠紅外加熱技術被廣泛應用于工農業(yè)生產中。這項新技術具有高效、溫控精度高、節(jié)能、環(huán)保等優(yōu)點,多年來被國內外機電、化學、電子紡織、印染、塑料、印刷、糧食、食品加工、醫(yī)學衛(wèi)生、皮革等許多行業(yè)廣泛應用。將遠紅外加熱技術應用于耐火材料的干燥生產中,也取得了較好的效果。自20世紀90年代開始,國內的耐火行業(yè)一改以往用燒煤、重油等傳統(tǒng)干燥器的干燥工藝,而采用這項新技術來干燥磚坯。鞍鋼耐火材料公司油磚車間有兩條生產線,一條是爐罐襯生產線,一條是滑動水口生產線。因缺少合適的干燥設備,生產能力受到了制約,產品質量也受到了影響。為了提高產品質量,充分發(fā)揮生產能力,需要建設一條干燥生產線。結合干燥工藝要求,我們?yōu)樵撥囬g設計并建成了兩條遠紅外隧道干燥窯,這是鞍鋼第一次將遠紅外加熱技術應用于耐火行業(yè)。幾年來的生產實踐證明,采用遠紅外加熱技術可使干燥溫度實現(xiàn)自動控制,溫控精度高、干燥后產品質量穩(wěn)定、生產環(huán)境良好、無煙塵污染、節(jié)省能源,取得了預期的效果?，F(xiàn)以本設計為例,對遠紅外加熱技術在耐火材料領域的應用及干燥窯設計中各種設備的選擇等進行探討。2加熱方式遠紅外線輻射加熱方法與傳統(tǒng)加熱方法不同,它是以輻射為主,靠物體本身吸收紅外線光能達到內部升溫,在升溫過程中內外溫度比較均勻;而傳統(tǒng)的加熱方法是以靠熱氣體對流和傳導加熱為主,當被加熱物件較大時,容易出現(xiàn)物體內外溫差大、產品易產生變形等缺陷。傳統(tǒng)的加熱方式能耗大、熱效率低,而遠紅外輻射加熱熱效率相對較高。2.1輸工具及輔助設施(1)干燥對象與生產指標。(2)生產工藝流程與技術要求。(3)干燥窯的生產率。(4)被干燥產品干燥時揮發(fā)性氣體情況。(5)傳輸工具及輔助設施的選擇:包括設備的形式、干燥制度、入爐出爐溫度。(6)隧道干燥窯的形式及有關參數(shù):干燥窯結構特點、窯壁結構、窯門形式、通風方式;金屬及保溫材料的性能(應盡量減少爐體熱損失);通過加強窯壁材料的反射,提高窯壁熱阻和減輕窯墻自重,加強窯體封閉,防止不必要的輻射損失和對流損失,提高熱效率。(7)廠內電網(wǎng)電壓波動范圍、波峰波谷用電、自動化控制等。(8)車間內溫度的常年波動范圍,采暖通風要求。2.2工藝設計2.2.1遠紅外隧道干燥窯考慮到該車間鎂碳磚和滑板磚的產量以及長遠發(fā)展,結合現(xiàn)場調查及生產實際進行工藝布置,確定建設兩條并列的遠紅外隧道干燥窯,并預留一條隧道干燥窯的位置。工藝流程為:生產的磚坯→碼入磚架→10t橋式釣鉤起重機將磚架放在干燥車上→鋼繩返車機推動干燥車→3t帶推桿電拖車運送、推入干燥窯→兩條遠紅外隧道干燥窯加熱→3t無推桿電拖車運送→10t橋式釣鉤起重機將磚架放入成品庫→成品碼垛。2.2.2隧道干燥槽的設計(1)小體積、小間隙的擋墻工藝在滿足被加熱物體進出條件下,原則上窯門越小越好,以減少窯門散熱。根據(jù)進入窯內的小車和磚架的寬度,每側加必要的間隙50～100mm。入窯側采用提升窯門,出窯側采用對開窯門,均采用鋼結構內襯硅酸鋁耐火纖維板保溫,在窯門對接等縫隙處采用耐熱橡膠密封。(2)窯車數(shù)量的確定窯長L=nL1+2L2式中n——一條窯內窯車的數(shù)量,一般根據(jù)產量和場地布置情況確定;L1——窯車長度;L2——兩端窯門距離窯車的間隙,一般取200～300mm。(3)小體積、熱元件距離窯寬B=b1+2b2+2b3+2b4式中b1——窯內干燥小車寬度;b2——加熱元件距離小車的距離;b3——加熱元件距離窯內壁的距離;b4——窯壁厚度。(4)姚高窯高H=h1+h2+h3式中h1——窯車裝載物件后高度;h2——窯車上端距窯頂間隙;h3——窯頂?shù)母G壁厚度。(5)窯殼的選擇隧道式干燥窯外殼可采用紅磚砌筑、金屬輕型窯殼等。紅磚砌筑投資少,但占地面積相對較大;金屬輕型窯殼采用鍍鋅鐵板與槽鋼焊接而成,成本相對較高,但占地面積小,施工方便,只需將焊接的窯殼組裝即可。在投資條件允許的情況下,從長遠打算,選擇金屬輕型窯殼較理想。本設計選擇的是金屬輕型窯殼,設計時將窯體分成若干段,制造后現(xiàn)場組裝。各段窯體間留有膨脹縫,膨脹縫采用耐火纖維氈填充。從當時施工及投產后使用看,效果均很好,施工方便,在使用過程中窯體密封性好,干燥過程中揮發(fā)性氣體不能從窯壁向廠房內擴散,確保了操作者良好的工作環(huán)境,也減少了熱能從窯壁的散失。(6)纖維噴涂技術①耐火材料物料和磚坯的干燥溫度都要求在200～400℃,如果干燥窯外殼選用紅磚砌筑,由于紅磚本身有一定的保溫性能,所以一般不另加保溫層。但紅磚的導熱系數(shù)比耐火纖維高得多,所以采用紅磚砌筑的窯體通過窯壁損失的熱能相對較大。②如果選擇金屬外殼,需要在內外壁間加上一定厚度的保溫材料(耐火隔熱磚、耐火纖維等)。從隔熱磚與耐火纖維的綜合性能比較看,耐火纖維熱容小、導熱系數(shù)低、熱穩(wěn)定性好,可減薄保溫層的厚度,減少占地面積。耐火纖維層厚度可通過窯內最高加熱溫度及窯壁外溫度(35℃左右)來確定。③耐火纖維預制塊、耐火纖維氈、耐火纖維毯等材料的傳統(tǒng)施工方法存在一些缺點,如施工中其內襯和外包層不可避免地造成纖維塊間接縫以及拐角、異型面等處施工困難,此外,使用過程中因纖維材料的熱收縮性,使保溫層接縫處間隙加大、密封性差,造成熱能流失。另一方面,因為人體與耐火纖維直接接觸,散落的耐火纖維碎屑對職工身體健康構成威脅,并且易污染環(huán)境。為克服這些弊端,近幾年來新開發(fā)了纖維噴涂技術,即在耐火纖維中加入適量的添加劑,通過專用的纖維噴涂設備,將專用高溫結合劑均勻噴入纖維流,使二者同時噴到窯殼的內表面上,經(jīng)干燥后即可。該方法可以一次噴涂施工,施工所得的窯襯無接縫,并且由于散狀的耐火纖維在噴涂過程中形成了三維網(wǎng)狀結構,使內襯層較堅固,具有一定的整體強度和較強的抗撕裂能力,壽命大大提高,加快了施工速度,縮短了工期。(7)反射系數(shù)的選擇對采用遠紅外加熱元件的干燥窯來說,其內壁材質也是不可缺少的防止遠紅外線散失的關鍵之一。傳統(tǒng)的干燥窯窯體材料只要保溫即可,對內壁材料無特殊要求。但采用紅外線作為加熱手段的遠紅外隧道干燥窯卻不同,除了考慮保溫要求外,還要考慮內壁材料對紅外線的吸收、反射和透過能力。為了充分利用能源,希望內壁材料對紅外線的反射率越高越好,而吸收和透過率越低越好,以確保紅外線不被窯體吸收、不透過窯體,在窯體內反復反射,使加熱物體吸收更多的紅外線輻射能,降低能源損耗,提高能源利用率。因此,選擇反射系數(shù)高的金屬板制作窯體內壁最佳。紅外線在電磁波譜中的位置決定了它與微波和可見光的共性——直線傳播。當一束紅外線投射到物體表面(或介質的分界面)時,一部分被物體表面反射,使一部分入射的輻射紅外線被返回到原來的介質,其余部分射入物體內部。而進入物體內部的紅外線,一部分將透過物質,一部分被物體吸收,轉變?yōu)闊崮?如圖1,P=PR+PA+PT)。也就是說,加熱元件所輻射的遠紅外線在干燥窯內壁會有反射、吸收和透過現(xiàn)象。此外,除了考慮遠紅外線干燥窯內壁應有高反射系數(shù)外,還應從耐熱、耐腐蝕、表面穩(wěn)定性和經(jīng)濟性能等幾方面綜合考慮。各種金屬的反射系數(shù)見表1和圖2。從表1和圖2可看出,鍍金表面的反射系數(shù)最大,但太昂貴;銀和拋光的鋁反射系數(shù)雖大,但使用后反射系數(shù)很快會因表面黯淡而降低;鍍鉻表面反射效果也不好;純鋁和白鐵皮很快會因失去光澤而使反射系數(shù)降低;鋼的反射系數(shù)偏低;只有電氧化處理后的鋁反射系數(shù)高且較經(jīng)濟。從圖2中特種合金鋁的反射曲線可以看出,這種鋁的反射率很大,在波長0.5μm以上很寬的波段內反射率變化不大,也很穩(wěn)定,因此選用鋁板作為遠紅外線隧道干燥窯的內壁,是一種較理想的選擇。2.2.3加熱系統(tǒng)的設計(1)磚體保溫能耗在設計熱工爐窯時,需要進行熱平衡計算,通過熱平衡計算來確定加熱元件的功率,以便選用合適的加熱元件。計算時需考慮以下能耗:①磚坯加熱到指定干燥溫度(酚醛樹脂結合的鎂碳磚或鋁鎂碳磚最佳干燥溫度按200℃計算)時的耗熱量;②通過干燥窯壁和地面的散熱量;③加熱傳送裝置(如小車、磚架等)的耗熱量;④通過窯門縫隙散失的熱量;⑤為控制窯內揮發(fā)物濃度而換氣時的耗熱量;⑥考慮到其它耗熱量,在計算中應對結果乘1.1～1.2的儲備系數(shù)。(2)遠紅外輻射元件的布置和確定①遠紅外加熱元件類型的選擇遠紅外加熱元件即遠紅外輻射元件的選定主要是由熱源的類別和被加熱物體的形態(tài)決定的。熱源類別為燃油、煤氣、電等。在電力供應充足地區(qū),從方便、自動化控制程度等方面考慮,選擇電作為熱源較理想。電熱式輻射元件形狀主要分三類:一是管狀元件,適合加熱小型和平面狀工件;二是燈泡狀元件,適合加熱大型和非平面狀工件;三是板狀元件,通用于二者之間。需要干燥的物體是指樹脂等高分子有機材料結合劑結合的鎂碳磚和鎂鋁碳磚,其主要成分為氧化鎂、氧化鋁和高分子樹脂。通過查主要有機物或高分子材料吸收(或透射)光譜(以忽略反射率計算),透射率為100%時,吸收率為0;透射率為0時,相當于吸收率為100%。幾乎所有的高分子材料在3～4μm和6～15μm都有強烈的吸收帶,如氧化鎂、氧化鋁在3～7μm之間有強烈的吸收帶,各類樹脂在波長范圍5～12μm之間有強烈的吸收帶。我們在設計中選用型號為SHQ的乳白石英管紅外發(fā)射管作為加熱元件,它不需要涂層,無污染、無有害輻射、化學穩(wěn)定性好、耐高溫、熱慣性小,輻射波長為3～13μm(而一般被加熱物體都在3～15μm區(qū)域有較強的吸收),價格也不高,通電后第一熱源電阻絲產生可見光和紅外光,其中95%以上被乳白石英玻璃所阻擋并吸收,使管壁溫度升高。在乳白石英管的管壁上,每平方厘米有2000～8000個直徑為0.3～0.8mm的氣泡,氣泡在石英玻璃中形成二相系,氣泡折射率為1.0,玻璃相為1.5。光波在兩相系界面產生多次折射和反射,光子能量傳遞給Si-O分子,產生純硅氧鍵的分子振動,輻射出遠紅外線,使95%以上的可見光和遠紅外光轉為遠紅外輻射,提高了電能利用率。對于遠紅外輻射元件安放的位置,設計中從以下幾方面加以考慮:a)根據(jù)熱平衡和升溫到最高溫度的時間計算所需遠紅外輻射元件的總功率,如果考慮不同的升溫時間要求,可將所有石英管分成多路控制電源,以達到控制升溫速度的目的。此外,多路電源控制可為石英管在設計時留有較大余量提供條件,避免個別石英管過早損壞。b)從維修替換方便考慮,所有石英管規(guī)格、功率選擇應一致。c)石英管在窯長度方向上均勻布置,以確保在干燥窯內溫度相同。d)應根據(jù)被加熱物體高度,將石英管布置在適中偏下位置;考慮到干燥器內部因空氣自然對流的關系造成干燥窯內上部氣溫高于底部氣溫,也會使被干燥物體上部和下部產生溫差,影響干燥質量,因此,原則上按總功率分配為:下部1/2、中部1/3、上部1/6。本設計分三排布置遠紅外輻射元件,高度方向上上疏下密,上下間距大致為3∶2∶2。②遠紅外輻射元件的布置和總支數(shù)的確定遠紅外幅射元件在干燥窯高度方向分三排布置在窯內壁兩側,長度方向上按間隔50～100mm均勻布置,兩側距離窯門200～300mm。根據(jù)生產廠家的參數(shù)及干燥制度、安裝和檢修條件等,選定遠紅外輻射元件長度為1.1m左右,以此確定每條干燥窯的遠紅外輻射元件總數(shù)為P。③遠紅外幅射元件單支功率的確定為便于檢修和更換,窯內遠紅外輻射元件宜采用相同功率,根據(jù)布置總數(shù)P和總功率W總,求得單支功率:W=W總/P同時,結合生產廠家提供的遠紅外輻射元件參數(shù)對單支功率進行取整。3干燥窯及焦爐煙氣(1)通過在窯頂熱電偶所測量的窯內溫度,設計了計算機自動控制系統(tǒng),在超過給定的溫度區(qū)間190±10℃時,電源執(zhí)行斷電、給電動作。(2)為了確保隧道干燥窯加熱制度和升溫控制靈活,考慮不同的升溫時間要求,將所有遠紅外輻射元件分成兩路或多路控制電源(本設計分成三路控制電源),以達到控制升溫速度的目的,既可通過三路電源同時控制加熱,提高升溫速度,又可在保溫階段只用一路電源,避免電路系統(tǒng)的頻繁斷電和啟動?，F(xiàn)場使用證明,三路電源控制系統(tǒng)方便控制,可滿足多種干燥制度要求。(3)遠紅外隧道干燥窯在干燥磚坯的過程中,磚坯中的水分和其它結合劑等產生揮發(fā)性氣體,因此在遠紅外窯中間部位窯頂上設置了一個高于地面15m的煙囪,煙囪入口處安裝一調節(jié)閥門,通過控制閥門的開閉,調節(jié)排氣量的大小。如有特殊需要,當加熱干燥產生強烈刺激性有毒氣體時,也可設置風機機械引風,在窯內造成微弱的負壓操作。當排放有害、毒性氣體超過國家標準時,還應該考慮安裝凈化除塵裝置。本設計采用了自然通風方式,并在煙囪底部安裝了手動蝶閥來調節(jié)排氣量。運行中發(fā)現(xiàn),揮發(fā)樹脂類容易在蝶閥上掛油,時間長了給手動操作蝶閥帶來困難,應該采用電動閥門。(4)干燥窯內壁布滿了遠紅外電熱元件,從安全生產考慮,窯內壁和外壁必須安全接地,接地電阻不大于4Ω,并設置漏電保護裝置。(5)對干燥窯廠房內的采暖、采光、給排水、照明等均按國家規(guī)范進行了設計,滿足了生產崗位操作需求。4制備遠紅外隧道熱窯的技術特點遠紅外隧道干燥窯具有下列特點:(1)外形為長方形,兩端有門,爐膛底部鋪設兩條鐵軌,受熱物件放置于小車架推入窯中,在加熱過程中,受熱物體原地靜止不動,吸收遠紅外輻射能量加熱升溫。(2)采用隧道窯式布局,受熱物體排成一列,互不遮擋,能受到較均勻的輻射,采用間歇式作業(yè),克服了兩端窯門頻繁開關造成進風而散失熱量的缺點。(3)加熱完畢打開兩端窯門,從一端推入小車,待加熱產品的小車依次進入窯內后,已干燥完產品的