Каркас

Каркас печи несет основную нагрузку от веса труб, двойников, трубных решеток и подвесок, кровли, подвесного свода и стен печи и других деталей.

Металлический каркас представляет собой пространственную раму, обрамляющую стены печи, поэтому конфигурация каркаса соответствует наружной форме печи. В зависимости от ширины трубчатой печи основой конструкции каркаса могут служить рама, ферма, прикрепляемая к колоннам, или целая ферма (рисунок 2.74), которые опорными поверхностями стоек устанавливаются на фундамент и взаимно связываются горизонтальными связями из балок или швеллеров. Ферм может быть разное количество.

а – из простых балок; б – со стойками из балок и фермой для свода; в – из ферм; 1 – рама; 2 – стойки; 3 – ферма; 4 – верхний пояс; 5 – нижний пояс

Рисунок 2.74 – Схемы конструкций каркасов трубчатых печей

Крепление колонн к фундаменту в двух первых случаях выполняется как защемление, целые фермы закрепляют на неподвижных шарнирах, при этом считается, что температурные перемещения поглощаются вследствие упругой деформации рамы или фермы. На рисунках 2.68, 2.75, 2.76 показаны каркасы двухскатной и вертикальной печи.

Рисунок 2.75 – Двухскатная печь

Опорные стойки каждой фермы или рамы при помощи шарнирных узлов и плит крепятся к фундаменту анкерными болтами. Узлы рам крупных печей с большими пролетами ферм имеют шарнирные соединения для компенсации линейного удлинения балок, возникающего при нагреве. В малых печах шарнирные узлы рам отсутствуют, а удлинения балок компенсируются их упругой деформацией.

а)	б)
Рисунок 2.76 – Каркас двускатной печи

Фермы каркаса соединены между собой горизонтальными балками и прогонами для кровли. По нижнему поясу балок закреплены трубные подвески для продуктовых змеевиков, подвески и кронштейны для обмуровочных кирпичей (см. рисунок 2.73).

Стены.

Стены, как и вся обмуровка, предназначены для герметизации топки и камер трубчатой печи, а также образования поверхности для размещения экранов радиантных труб и отражения лучистой энергии. Стены должны быть прочными в условиях высоких температур, герметичными и обладающими незначительной теплопроводностью.

В печах старых конструкций стены трехслойные: внутренний слой, подверженный действию огня и раскаленных дымовых газов, выложен из огнеупорного кирпича, средний – из изоляционного кирпича или плит, наружный – из обыкновенного кирпича повышенной прочности. Хотя толщина этих стен значительна (до 0,7 м), особой долговечностью они не отличаются: сравнительно быстро расслаиваются и разрушаются.

Более просты по конструкции и гораздо надежнее в эксплуатации стены, выложенные только из огнеупорного кирпича на растворе, составленном из огнеупорной глины и шамотного порошка. Для герметизации стены снаружи штукатурят или обшивают металлическими листами.

В зависимости от теплонапряженности топочной камеры огнеупорную кладку выполняют из шамотного кирпича марок А, Б и В, который имеет следующую огнеупорность: кирпич марки А – не ниже 1730 °С, марки Б – 1670 °С, марки В – 1580 °С. Исходя из того, что почти все старые печи работают в форсированных режимах, предпочтительно применение кирпича марки А.

Кирпич марок Б и В в жестких условиях эксплуатации с течением времени оплавляется, в результате толщина стен уменьшается, а под печи покрывается твердыми наростами оплавившегося шамота. В дальнейшем, при ремонтах, эти наросты удаляют с большими трудностями. Особенно недопустимо оплавление стен при наличии подовых трубных экранов.

Стены современных печей имеют блочную конструкцию (рисунок 2.77) и собираются из огнеупорного кирпича разнообразной формы. Например, обмуровку двухскатных печей выполняют из блоков более 80 фасонов и размеров. Геометрическая форма огнеупорных блоков позволяет собирать их на балках и стержнях, прикрепленных к каркасу печи. Сопряженные поверхности соседних блоков снабжены выступами и соответствующими им впадинами, которые образуют замки-лабиринты. Грани блоков, обращенные внутрь печи, гладкие и обеспечивают образование внутренней гладкой поверхности стены печи. Такая обмуровка производится без растворов и имеет большие эксплуатационные преимущества перед монолитной футеровкой, опирающейся на самостоятельный фундамент.

1 – элемент блочной футеровки (блочный кирпич); 2 – несущие горизонтальные шнеллеры; 3 – кронштейны для блоков

Рисунок 2.77 – Блочная конструкция стен трубчатых печей

Благодаря отсутствию раствора каждый блок-кирпич легко воспринимает тепловые деформации и компенсирует их в пределах зазоров в замках. Этому же способствует разгруженность кладки от собственного веса. Нагрузку от кладки почти целиком воспринимает металлический каркас печи.

Замки-лабиринты в соединениях кирпичей обеспечивают надежную герметизацию кладки, что очень важно для снижения тепловых потерь через стены и уменьшения количества подсасываемого в топку воздуха. Объем блочной кладки невелик вследствие малой толщины стен (до 250 мм). Вертикальные стены печей беспламенного горения с излучающими стенами топок полностью или на отдельных участках составлены из керамических панелей. Панели могут чередоваться с кладкой из простых блоков. Керамические панели представляют собой конструктивный элемент горелок, прикрепляемых к каркасу печи. Уплотнения между отдельными горелками, а также между горелками и кладкой осуществляются асбестовой прокладкой или асбестовым шнуром.

В технике кладки печей следует отметить тенденцию к применению в качестве материала для обмуровки жаростойкого бетона. Железобетонные стены печи отличаются простотой конструкции и низкой стоимостью. Однако жаропрочность таких стен и их способность переносить резкие колебания температур пока еще полностью не изучены. В эксплуатации находятся печи из крупноблочного жаростойкого бетона, стены которых являются несущими. Это исключает необходимость в металлическом каркасе.

В наиболее тяжелых температурных условиях работают перевальные стены, поэтому конструктивно они должны быть более прочными и долговечными. Их толщина обычно больше толщины контурных стен.

Благодаря отсутствию раствора каждый блок-кирпич легко воспринимает тепловые деформации и компенсирует их в пределах зазоров в замках. Этому же способствует разгруженность кладки от собственного веса. Нагрузку от кладки почти целиком воспринимает металлический каркас печи.

Замки-лабиринты в соединениях кирпичей обеспечивают надежную герметизацию кладки, что очень важно для снижения тепловых потерь через стены и уменьшения количества подсасываемого в топку воздуха. Объем блочной кладки невелик вследствие малой толщины стен (до 250 мм). Вертикальные стены печей беспламенного горения с излучающими стенами топок полностью или на отдельных участках составлены из керамических панелей. Панели могут чередоваться с кладкой из простых блоков. Керамические панели представляют собой конструктивный элемент горелок, прикрепляемых к каркасу печи. Уплотнения между отдельными горелками, а также между горелками и кладкой осуществляются асбестовой прокладкой или асбестовым шнуром.

Основание печи выкладывается из трех слоев: нижний слой из простого кирпича стелится на бетонную постель плашмя, без раствора; второй слой – из простого кирпича на цементно-глиняном растворе; третий слой (самый верхний) – из огнеупорного кирпича, положенного на ребро, с шамотно-глиняным раствором.

Футеровка печей (рисунок 2.78) – это конструкция из огнеупорных, кислотоупорных, теплоизоляционных и облицовочных материалов и изделий, ограждающая рабочую камеру, в которой протекают печные процессы, от взаимодействия с окружающей средой.

Рисунок 2.78 – Футеровка печи

Во многих печах футеровку выполняют из фасонных шамотных кирпичей с огнеупорностью: 1730 °С – класс А; 1670 °С – класс Б; 1580 °С – класс В.

Футеровка предохраняет металлоконструкции печи, а также обслуживающий ее персонал от воздействия высоких температур и печной среды. Она обеспечивает необходимую газоплотность в рабочей камере печей, т.е. полную герметизацию при работе под высоким давлением, либо достаточную газоплотность при давлениях, близких к атмосферному.

Футеровка один из основных конструктивных элементов печей, который дает возможность осуществления высокотемпературных термотехнологических и теплотехнических процессов в печной среде при наличии механических нагрузок с сохранением в течение длительного времени геометрической формы рабочей камеры, механической и строительной прочности.

Большое разнообразие огнеупорных кирпичей (до 80 типоразмеров) очень усложняет сборку обмуровки. Поэтому в современных печах все чаще применяют блочные обмуровки из жаростойкого бетона и железобетона.

Для печей с металлическим каркасом применяют блоки массой 500 кг и более, монтируемые с использованием кранов, и мелкие блоки массой 50 кг, которые укладывают вручную.

В мировой практике строительства трубчатых печей четко наметилась тенденция перехода от тяжелой кирпичной огнеупорной обмуровки к облегченным жароупорным и теплоизоляционным блокам.

Конструктивно блок комбинируется из сборных теплоизоляционных плит, защищаемых с огневой стороны слоем жаростойкого бетона. Значительное уменьшение массы обмуровки способствует распространению новых конструкций печей с облегченным каркасом.