أنظمة سيارات فرن الأنفاق الموفرة للطاقة في صناعة الطين الثقيل

في صناعة الطوب الطيني، كان تطوير أنظمة عربات الفرن النفقي دائمًا موضوعًا رئيسيًا لمصنعي الطوب الطيني وبلاط الأسقف. يعرض هذا المقال بعض وجهات النظر حول هذا الموضوع من شركة Burton-Werke، المورد لأنظمة عربات الفرن النفقي لمعظم مصانع الطوب وبلاط الأسقف في ألمانيا.

من منظور التطور الشامل لتكنولوجيا الفرن، فإن الاتجاه يتجه نحو معدات إطلاق أوتوماتيكية لتلبية الطلب المتزايد على منتجات الطين، مع إعداد أكثر دقة للمواد الخام وأجسام خضراء أكثر اتساقًا. تتضمن هذه المناقشة الأفران الدوارة، وأفران مونكر، والتكنولوجيا عالية التردد، وما إلى ذلك.

ومع ذلك، إلى جانب هذه التطورات، من المؤكد أن فرن النفق التقليدي سيحتفظ بمكانته، وقد تطور في العديد من النواحي، ليس فقط من حيث مكونات الحرق.

قبل اتخاذ قرار بشأن تقنية حرق معينة، عادةً ما يتم إجراء تحليل التكلفة والعائد، مع الأخذ في الاعتبار المنتجات والمواد الخام الضرورية التي سيتم استخدامها.

فيما يتعلق بتطوير عربات الفرن النفقي، فإن الجوانب التالية تستحق اهتمامًا خاصًا.

ولا يتضمن ذلك الحسابات الفنية والاقتصادية فحسب، بل يشمل أيضًا توقعات المستخدم. بالنسبة لمورد النظام، لا تتمثل المهمة في اختيار حل قياسي أو آخر، ولكن في إنشاء حل للمستخدم يلبي متطلباته، ويتوافق مع اعتباراته الخاصة، ويلبي احتياجاته النهائية.

ومع ذلك، وبغض النظر عما سبق، فإن المعايير العامة التالية لاختيار نظام الفرن النفقي تُستخدم بشكل شائع، لأسباب تتعلق بالتكلفة بشكل أساسي.

• التآكل (الاستهلاك)

• استهلاك الطاقة

• جهود الصيانة والتنظيف

• بصلح

عند تحليل عوامل الاستهلاك، من السهل أن نرى أن استهلاك الطاقة لعربة الفرن النفقي يعد عاملًا مهمًا، ولكنه ليس هو المبدأ الوحيد لاتخاذ القرار بشأن نظام عربة الفرن النفقي المحدد. تعتبر عربة الفرن مكونًا هيكليًا لنظام الفرن بأكمله وتخضع لأحمال كبيرة. إذا اعتبر هذا المكون الهيكلي نظاما مستقلا، فيجب أولا فحص وظائفه.

• جودة المنتج جيدة

• الحد الأدنى من استهلاك الطاقة بسبب انخفاض الوزن والعزل الحراري (تخزين الحرارة ونقل الحرارة)

• المقاومة الكيميائية لجو فرن النفق ووسائط الطاقة في ظل ظروف الحريق

• الاستقرار الحراري (تحت الصدمة الحرارية والانخفاض السريع في درجة الحرارة)

• القوة الميكانيكية (تتأثر بالعوامل البشرية)

• ثبات الأبعاد (قابلية تبديل المكونات المقاومة للحرارة، المتأثرة بالتمدد العكسي)

• سهولة الصيانة والإصلاح (استبدال الأجزاء البالية)

• انخفاض تكاليف الاستثمار والصيانة (وقت صيانة قصير)

• عمر خدمة طويل

يتضح من الجدول أنه لا يمكن تحقيق الكمال، ولكن من السهل تحقيق أقصى قدر من تحقيق الوظائف المستهدفة لعربة الفرن مع إهمال الوظائف الثانوية. إذا انخفض وزن السيارة بشكل كبير، فإن الاستقرار الميكانيكي للنظام سينخفض ​​حتماً، وهو ما يمكن بالطبع تحسينه باستخدام مواد ذات جودة أعلى، لكن هذا يزيد من تكاليف الاستهلاك ومخاطر الصيانة.

على الرغم من أن ما ورد أعلاه ليس جديدًا بشكل أساسي، إلا أنه يجب وضعه في الاعتبار عند اتخاذ القرارات ذات الصلة. لأنه عندما يتم تعيين عامل الأولوية "توفير الطاقة" لعربة الفرن النفقي، لا ينبغي إغفال الوظائف الأخرى التي لا تقل أهمية.

الشكل 1: كتل زاوية على شكل حرف U مكونة من طبقتين، وأعمدة مجوفة وطرق عزل مختلفة مع أعمدة وألواح واقية (للحرق الجانبي، على سبيل المثال، حرق بلاط الأسقف أحادي الطبقة)، وألواح واقية رفيعة

اليوم، يتم استخدام ما يصل إلى 15 مادة مختلفة في أنظمة عربات الفرن النفقي، بدءًا من المواد الخاصة المختلفة ذات مقاومة الصدمات الحرارية إلى الخرسانة المقاومة للحرارة والملاط، ومواد الألياف المختلفة، والسيراميك عالي الأداء المعتمد على الموليت وكربيد السيليكون. نظرًا لعدم قيام أي مصنع بإنتاج كل هذه المواد بنفسه، يتلقى المستخدم عادةً حلاً كاملاً من مصدر واحد، والذي يمكنه توفير نفس الضمان والخدمة. في مرحلة التصميم، يلعب الجمع بين المواد المختلفة دورًا مهمًا للغاية.

في تصميم عربة الفرن النفقي، تكون الأهداف الأساسية ثلاثية الأبعاد: محيط السيارة، وبطانة السيارة، والهيكل الداعم أو أثاث الفرن لوضع الطوب.

على سبيل المثال، بالنسبة لعربة فرن بحجم 7*6 م، تبلغ مساحة المحيط 10%، ومساحة الهيكل الداعم 5%، ومساحة البطانة 85%. هذا أمر شائع في تصاميم سيارات الفرن الحديثة.

في السنوات الأخيرة، مع التطور المستمر لتكنولوجيا الحرق، وخاصة في اختيار المواد، تغيرت نسب كل جزء من الأجزاء المذكورة أعلاه. يمكن ملاحظة الاتجاه: المواد التي أثبتت نجاحها بالفعل في قطاع السيراميك الناعم يتم أيضًا تطبيقها بشكل متزايد في صناعة الطوب الطيني (كما هو موضح في الشكل 1).

محيط عربة الفرن النفقية يخدم بشكل أساسي الوظائف التالية:

• ختم المتاهة (يعتمد على ثبات الأبعاد!)

• الحماية الميكانيكية لبطانة السيارة

• حماية هيكل السيارة من تأثيرات درجات الحرارة

وتحقيقا لهذه الغاية، فإن الخصائص التالية مطلوبة:

• الاستقرار الأبعاد

• القوة في ظل الظروف الباردة والساخنة

• مقاومة الصدمات الحرارية أو التغيرات في درجات الحرارة

من وجهة نظر فنية، هناك حاجة إلى كتل خرسانية حرارية خفيفة الوزن لتحقيق هذه الوظائف. الكتل الكبيرة الحجم المبثوقة القائمة على الكورديريت والكتل الكبيرة الحجم المضغوطة جافًا والتي تعتمد أيضًا على الكورديريت - كل حل ممكن له مزاياه وعيوبه. تتم مناقشة الكتل الكبيرة المضغوطة الجافة لمحيط عربة الفرن بمزيد من التفاصيل أدناه.

يتمتع هذا النوع من الكتل بعدد من المزايا المهمة، مثل ثبات الأبعاد العالي، مما يلغي الحاجة إلى المعالجة الثانوية للكتل. وفي ظل المواد الخام وتكنولوجيا الإنتاج الحالية، يمكن الحصول على تركيبتها المعدنية المحددة بسهولة أكبر.

في الأفران الحديثة، أصبحت دورة الدفع لعربات الفرن أقصر بشكل متزايد، مما يجعل مقاومة الصدمات الحرارية للمواد ذات أهمية متزايدة. Burcclight 12/25H، وهي مادة تم تطويرها مؤخرًا، تلبي هذه المتطلبات بالكامل.

نتائج الاختبار لهذه المادة هي كما يلي:

ومن الواضح أن هذه المادة لديها كثافة كبيرة أعلى من الكتل الحرارية التقليدية خفيفة الوزن، ولكن بالمقارنة يمكن استخدامها لإنتاج منتجات أكبر وكتل متشابكة أرق مع مقاومة الصدمات الحرارية. على الرغم من أن وزن محيط عربة الفرن المصنوع من مادة Burcclight يختلف بشكل كبير عن ذلك الذي يستخدم حراريات خفيفة الوزن، إلا أنه تم تحسين مقاومتها للصدمات الحرارية وسهولة التجميع بشكل كبير.

حتى في مصنع الطوب الحديث الآلي بالكامل، فإن محيط عربة الفرن النفقية يتعرض لضغوط حرارية وميكانيكية عالية. بالإضافة إلى متطلبات المتانة العالية للمادة، من المهم أيضًا أنه عند تلف جزء محيطي، يمكن استبداله بسرعة. لهذا السبب، لا يتم ربط الكتل المحيطة أو لصقها بالملاط، بل يتم وضعها جافًا، مع وصلات فقط من خلال التشابك الميكانيكي المسنن - وهي طريقة جيدة جدًا بوضوح.

وبطبيعة الحال، يتطلب هذا دقة أبعاد معينة للكتل. عادة، الضغط الجاف فقط هو الذي يمكن أن ينتج كتلًا مستقرة الأبعاد؛ وبخلاف ذلك، لا يمكن تحقيق دقة الأبعاد إلا من خلال المعالجة الثانوية.

وظيفة بطانة سيارة فرن النفق الحديثة هي العزل الحراري، في حين أن الحمل عادة ما يتحمله الهيكل المعدني للسيارة. تحدد هذه الوظيفة اختيار المواد: مواد خفيفة الوزن وعالية العزل بشكل حصري تقريبًا. أول ما تم ذكره هنا هو ألياف السيراميك، المتوفرة الآن في درجات جاهزة للاستخدام. ولأسباب اقتصادية، واعتمادًا على درجة حرارة الخدمة، يمكن استبدال هذه الألياف بالخرسانة خفيفة الوزن أو الركام المختلفة، مثل السيليكا، والجير خفيف الوزن، والخفاف، وما إلى ذلك. وتجدر الإشارة إلى أن هذه المواد العازلة لا يمكن تعريضها للهب مباشرة؛ ويجب حمايتها بغطاء سطحي مناسب، على سبيل المثال، لوحة رقيقة مقاومة للصدمات الحرارية. على الرغم من أن هذا يزيد قليلاً من وزن عربة الفرن، إلا أن هذه الطريقة تمنع تآكل المواد العازلة، خاصة في الأفران الجانبية. علاوة على ذلك، تعد الطبقة السطحية الصلبة ضرورية للتنظيف الفعال لسطح السيارة، وهو ما يمكن أن يكون عاملاً مهمًا يسبب التآكل الشديد والغبار والرمال والحوادث. اليوم أصبح من الممكن بالفعل إنتاج مثل هذه الألواح الواقية بسماكة 10 سم وأبعاد 500*600 ملم.

مع زيادة مستوى الأتمتة في أعمال الطوب الحديثة وانخفاض عدد المشغلين، تتضاءل المشاكل المتعلقة بالألواح الواقية لفرن النفق. ومع ذلك، من الناحية العملية، غالبًا ما نرى أن طبقات التغطية المستخدمة في كثير من الحالات يتم تعزيزها لاحقًا ووضعها على أعمدة عربة الفرن لتسهيل التحميل والتفريغ. وهذا أيضًا مثال نموذجي على الاختلاف الخطير بين توفير الطاقة والصيانة وفقًا لمتطلبات الإنتاج.

مقارنة خصائص مواد بطانة عزل سيارات الفرن المختلفة:

مثال آخر هو وضع الحماية الأمامية والخلفية على هيكل سيارة الفرن. مثل هذه الحماية غير ضرورية عندما تكون دورة الدفع 10 ساعات أو أقل. إذا اضطرت عربة الفرن، لأسباب عملية، إلى البقاء في فرن النفق (على سبيل المثال، بعد الانهيار أو انخفاض سرعة الدفع)، فإن ميزة هذه الحماية هي الحفاظ على برودة الجزء السفلي من السيارة. إن استخدام هذه الطريقة هو في النهاية قرار المستخدم.

تتمثل وظيفة هيكل العمود في تحمل جميع الأحمال من المنتجات وأثاث الفرن أثناء إطلاق النار ونقل القوى إلى الهيكل المعدني لسيارة الفرن. وهذا يتطلب قيم قوة باردة وساخنة عالية نسبيًا، بالإضافة إلى قوة الضغط والانحناء، وبعض سلوك التشوه عند درجة حرارة الخدمة. وبالإضافة إلى ذلك، ينبغي التقليل من وزن المكونات المقاومة للحرارة. لهذا السبب، فإن معظم مكونات عربة الفرن تتعرض لأكبر الضغوط. وبطبيعة الحال، يجب أن يتم تصميم هيكل العمود بشكل صارم وفقًا لحمل الإشعال ودرجة حرارة الإشعال. ومع ذلك، فإن تحليل مشاريع نظام عربة الفرن الحديثة يظهر خروجًا متزايدًا عن أنظمة الحراريات التقليدية، أي الأنظمة التي تتكون من مداخن مخصصة، ودعامات عرضية عالية، وأعمدة خاصة ذات ألواح مثقوبة (تسمى "بنسن")، وأثاث الفرن الموضوع على ألواح ذات شكل خاص مدعومة بأعمدة أساسية. في الواقع، في إنتاج طوب الرصف المحروق، تم بالفعل اعتماد أنظمة أرق وأكثر دقة، وذلك باستخدام أعمدة مقذوفة يمكن وضع الطوب أو الألواح أو هياكل الحزم الكبيرة عليها. ويبين الشكل 2 مثالا على مثل هذا النظام.

الشكل 2

لم تعد هذه الأنظمة المكررة تستخدم مواد الطين الحرارية التقليدية. لهذا السبب، يتم سحق الطين إلى حجم حبيبي يتراوح بين 0-0.2 ملم، ثم يتم صبه وضغطه على شكل حبيبات أو قذفه في أشكال، ولا تزال هذه المواد قيد الاستخدام. يتعلق هذا أيضًا بتكنولوجيا إنتاج المكونات الحرارية عالية الجودة ذات المتطلبات الخاصة. في هذا المجال، يتم باستمرار إدخال مواد عالية الأداء: المواد القائمة على كربيد السيليكون المرتبط بنتريد الموليت، وكربيد السيليكون المعاد بلورته، وكربيد السيليكون المتسرب. تتمتع هذه المواد بقيم قوة عالية جدًا، مما يسمح بتخفيض كبير في سماكة مكونات السيراميك وبالتالي انخفاض ملحوظ في وزن المكونات المقاومة للحرارة. بمساعدة الأفران الجانبية المتقدمة التي تستخدم مواقد عالية السرعة، يمكن تقليل ارتفاع الإعداد بشكل مستمر إلى حرق طبقة واحدة، وسيتم تطوير الهياكل الداعمة المقابلة (أثاث الفرن). نظرًا لانخفاض وزن المكونات المقاومة للحرارة، يمكن تحقيق الاستقرار الميكانيكي المناسب ضد الإزاحة والاهتزاز من خلال الوصلات المتوافقة، أو المتشابكة، أو الوصلات المثبتة بمسامير ذكية مثل شرائط القفل، والأغطية، والقضبان، وقيود تحمل المكونات القوية.

وقد أدى هذا أيضًا إلى تحفيز الطلب بشكل كبير على مستويات أعلى من تكنولوجيا الإنتاج من الشركات المصنعة للمنتجات الحرارية. بالنسبة لمثل هذه المنتجات، يبلغ التفاوت المسموح به للأبعاد 1 مم، وهو ما يمثل أحدث ما توصلت إليه التكنولوجيا. المتطلبات الأساسية لتلبية المتطلبات المذكورة أعلاه هي إنتاج منتجات دقيقة الأبعاد باستخدام مواد خام عالية الجودة؛ وتطوير أدوات الضغط المتقدمة، مثل المكابس الهيدروليكية القابلة للبرمجة ذات القوالب متعددة المراحل؛ والتحكم الدقيق في غرف التجفيف والأفران.

في بعض الحالات، عند تصميم عربات الفرن بمجموعات من المواد المختلفة المذكورة أعلاه، يجب الانتباه إلى الاختلاف الكبير في الخصائص الفيزيائية، وهو أمر حاسم للتشغيل المستمر والأداء الخالي من المشاكل لنظام عربة الفرن النفقي. لذلك، في حين أن تصميمات سيارات الفرن السابقة كانت تعتمد بشكل أساسي على القيم العددية، فإن حسابات الطاقة والأداء الميكانيكي والحراري أثناء إنتاج كل مكون تلعب اليوم دورًا متزايد الأهمية. يوضح الشكل 3 تصميم الحمل الأمثل الذي تم تحقيقه من خلال الحسابات الهيكلية والحرارية.

الشكل 3

وهذا يدل على أهمية الخصائص الفيزيائية للمواد في تصميم سيارة الفرن. على سبيل المثال، بالنظر إلى التمدد الحراري العكسي للمواد، يوضح تحليل معامل التمدد الحراري أن القيم تختلف بشكل كبير في بعض الحالات. إذا تم التغاضي عن ذلك، فإنه سيؤدي حتماً إلى عواقب تضر بنظام سيارة الفرن.

يرتبط نظام سيارة الفرن النفقي دائمًا بالمستخدم والمنتج. إن معرفة معلمات العملية المستقبلية للمصنع، مثل درجة حرارة الحرق، ودورة الحرق، وأجواء الفرن، ومراعاة ظروف الإنتاج المختلفة في مرحلة التصميم، أمر ضروري لاتخاذ الاختيار الصحيح لإطالة عمر خدمة النظام. بهذه الطريقة فقط يمكن تجنب العوامل السلبية والاستهلاك غير الضروري وتحسين النظام.

الدكتور فولكر هيس هو نائب المدير الفني في Burton-Werke, Melle/Buer