КОНСТРУКЦИЯ ТЕПЛОИЗОЛЯЦИИ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ТРУБ И СПОСОБ ЕЕ ИЗГОТОВЛЕНИЯ

Изобретение относится к теплотехнике, к устройствам и способам теплоизоляции металлических труб, в частности может использоваться 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 и способов 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 и способов их изготовления 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 ударно-механичеокой прочностью. Это проявляется в наибольшей степени в печах толкательного типа.

За прототип предлагаемой конструкции теплоизоляции металлических труб принято техническое решение по авторскому свидетельству СССР №322557, F 16 L 59/14, опубл. 30.11.71, в котором описана теплоизоляция наружных поверхностей теплообменных аппаратов, содержащая известково-кремнеземистые теплоизоляционные изделия, покрытые с внешней стороны защитным прочноплотным армированным слоем из асбестоцементной штукатурки, наружная поверхность которого пропитана бакелитовым лаком и оклеена сверху стеклотканью при помощи силикатного клея или бакелитового лака, а затем грунтуется клеем или бакелитовым лаком. Такая конструкция теплоизоляции не отвечает современным требованиям теплоизоляции металлических труб, т.к. является довольно сложной, содержит формованные изделия, жесткие армирующие элементы, что составляет значительную массу, не обеспечивается гибкость конструкции и оперативная замена поврежденных участков.

За прототип предлагаемого способа 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 ударно-механическим нагрузкам. Кроме того, следует отметить, что прототип способа обладает всеми остальными перечисленными выше недостатками других аналогов.

Задачей нового изобретения является создание теплоизоляции подовых труб, которая способна обеспечить;

- регулирование теплопотерь по зонам печи за счет применения различной толщины используемого керамоволокнистого материала (количества его слоев) на соответствующих участках труб;

- повышение механической прочности керамоволокнистого покрытия при сохранении его эластичности и гибкости;

- снижение массы наружного слоя покрытия;

- исключение применения различного рода металлического крепежа;

- повышение срока службы теплоизоляции;

- эффективное уменьшение расхода газа на нагрев пароводяной смеси в трубах.

Технический результат достигается с помощью изготовления конструкции теплоизоляции, представляющей собой закрепленные на наружной поверхности металлических труб и между собой слои теплоизоляционного материала, в которой в качестве крепежного материала использован огнеупорный клей, для чего применен доступный керамоволокнистый материал, обеспечивающий долгосрочную надежную изоляцию конструкций сложной конфигурации, исключение влияния процесса уплотнения и усадки керамоволокнистых материалов на образование щелей в процессе эксплуатации печи, уменьшения массы покрытия при его достаточно высокой термостойкости, ударо- и виброустойчивости путем оригинального закрепления на трубах основного теплоизоляционного покрытия и создания легкого прочного наружного покрытия.

В новой конструкции теплоизоляции подовых труб, изготовленной предлагаемым способом, поставленная задача конкретно решается путем нанесения на наружную поверхность металлической трубы внутреннего покрытия из волокнистого огнеупорного материала и наружного плотного покрытия, в котором, в отличие от прототипа, внутреннее покрытие создают из волокнистого огнеупорного материала с кажущейся плотностью не выше 200 кг/м³ путем его приклеивания к очищенной поверхности труб с помощью огнеупорного защитного клея (КОЗ), например, натрийалюмосиликатной системы, затем сверху керамоволокнистого огнеупорного материала наносят защитный слой из клея КОЗ, который при высыхании образует плотное наружное покрытие.

В соответствии с поставленной задачей на основании результатов тепловых расчетов внутреннее покрытие может быть выполнено из одного или нескольких приклеиваемых друг к другу слоев с помощью клея КОЗ.

Для приклеивания к трубе первого слоя волокнистого огнеупорного материала целесообразно использовать клей КОЗ с более низкой рабочей температурой по отношению к последующим операциям приклеивания других слоев внутреннего покрытия, а также для образования наружного защитного слоя.

Нанесение защитного слоя целесообразно толщиной 2-3 мм, так как при толщине защитного слоя менее 2 мм наружное покрытие не обладает требуемой механической прочностью, а при увеличении более 3 мм возможно разрушение (растрескивание) его в процессе сушки.

В предлагаемой теплоизоляции подовых труб используется волокнистый огнеупорный материал с кажущейся плотностью 200 кг/м³, 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 МКРВХ-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 керамоволокнистых материалов к теплоизолируемым поверхностям, что резко снижает срок службы футеровки.

Применение огнеупорного защитного клея обеспечивает особую комфортность создания надежного теплоизолирующего покрытия с высокими теплоизоляционными свойствами практически по всем параметрам.

Используются натрийалюмосиликатные клеи с рабочей температурой 1200°С (КОЗ-1) и 1400°С (КОЗ-2). 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. Применение подобных клеев для указанных выше целей в настоящее время не известно. Известно применение высокотемпературных неорганических клеев при получении жароупорного бетона, используемого в химической и металлургической промышленности для футеровки печей, огнеупорной обмазки металла (см. Авторское свидетельство СССР №369109, опубликованное 08.11.1973; Сычев М.М. Неорганические клеи. Л., Химия, 1986, с.135-140).

В целом конструкция теплоизоляции, изготовленная предлагаемым способом, довольно проста и технологична по всем требуемым параметрам.

Изобретение иллюстрируется чертежами, на которых изображены схемы теплоизоляции подовых труб с двухслойным внутренним покрытием и внешним защитным слоем.

На Фиг.1 изображено поперечное сечение продольной подовой (глиссажной) трубы с нанесенным теплоизоляционным покрытием, где: 1 - труба, 2 - первый слой нанесенного на поверхность трубы клея КОЗ-1, 3 - первый внутренний слой керамоволокна МКРВ-200, на который нанесен слой 4 клея КОЗ-2, 5 - приклеенный с помощью клея КОЗ-2 второй слой керамоволокна МКРВ-200, на который нанесен наружный защитный слой 6 клея КОЗ-2. Цифрой 7 обозначен рейтер, закрепленный на 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 подовых труб по предлагаемому способу 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 клея КОЗ-1. Предварительно подготовленные полотна муллитокремнеземистого огнеупорного войлока МКРВ-200 толщиной 15-20 мм, шириной до 600 мм и длиной до 2000 мм промазывают слоем клея КОЗ-1 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, используя клей КОЗ-2. Выбор количества дополнительных слоев керамоволокна осуществляется на основании теплового расчета. На наружную поверхность последнего слоя керамоволокна наносится защитный слой 6 клея КОЗ-2.

Нанесение наружного защитного слоя 6 проводится в несколько стадий. Так, после высыхания первого слоя клея КОЗ-2 наносится второй слой и в случае необходимости - третий с тем расчетом, чтобы общая толщина защитного слоя 6 составляла 2-3 мм. После высыхания защитного слоя 6 все образующиеся трещины затирают клеем КОЗ-2 с добавлением в него шамотной крошки.

Если толщина защитного слоя превышает 2-3 мм, то наблюдается его разрушение (растрескивание) в процессе сушки, а в случае уменьшения толщины менее 2 мм образующийся защитный слой не обладает требуемой механической прочностью.

Как видно на чертежах, сечение подовых труб, расположенных вдоль печи и поперек нее, отличаются дополнительным конструктивным элементом в виде рейтера 7 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 7, а на внешний слой 5 нанесено защитное покрытие 6 из клея КОЗ-2.

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 КОЗ-2 позволяет увеличить рабочую температуру в печи до 1350°С без разрушения волокна. При этом защитный слой при высыхании клея 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 защитные клеи применены двух видов, отличающихся максимальными температурами применения, что обусловлено температурным интервалом между подовыми трубами и греющими газами в печи (ориентировочно 200-1350°С).

Тепловые расчеты показали, что расход газа на нагрев пароводяной смеси при использовании предлагаемого способа по сравнению с неизолированными трубами или изолированными с помощью термоблоков меньше в 14,2 и 4,3 раза соответственно.

Предлагаемые конструкция и способ термоизоляции металлических труб опробованы 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.