المواد الحرارية والعزل الحراري لأفران بوغي هيرث: تصميم البطانة، وفقدان الحرارة، وعمر الخدمة
تتعرض بطانة فرن الموقد ذي العربة لضغط شديد. إذ تصل درجة حرارة سطحه الساخن إلى ما بين 950 و1100 درجة مئوية أثناء التشغيل المتواصل، مع دورات حرارية متكررة بين درجة حرارة الغرفة ودرجة حرارة التشغيل. أما قاع الفرن، حيث تتحرك العربة للداخل والخارج، فيتعرض لأحمال ميكانيكية من عجلات العربة. بينما يتعرض سقفه للحرارة الإشعاعية الناتجة عن الحمل. ويختلف الضغط الواقع على كل جزء من البطانة، لذا يُعدّ التصميم الجيد ضروريًا لملاءمة المادة المقاومة للحرارة مع ظروف التشغيل المحلية. قد لا يبدو هذا العمل جذابًا، ولكنه يُحدد ما إذا كان الفرن سيعمل لمدة 5 سنوات أو 15 سنة بين عمليات الصيانة الرئيسية.
هندسة التبطين
تتكون بطانة فرن الموقد الحديث من ثلاث طبقات. الطبقة الساخنة عبارة عن طوب عالي الألومينا (من 60 إلى 80% Al2O3) أو وحدة من الألياف الخزفية، وذلك حسب درجة حرارة التصميم وظروف التشغيل. خلف الطبقة الساخنة توجد طبقة من الطوب العازل للحرارة (IFB، من 23 إلى 26% Al2O3) أو لوح من سيليكات الكالسيوم. أما الطبقة الخارجية فهي عبارة عن بطانية من الصوف المعدني أو الألياف الخزفية، توفر العزل للطبقة الباردة وتحمي الغلاف الفولاذي من درجات الحرارة المرتفعة.
يبلغ سمك الجدار الكلي في تصميم يعمل عند درجة حرارة 950 درجة مئوية عادةً من 280 إلى 350 ملم، وتكون درجة حرارة الغلاف الخارجي عند درجة حرارة التشغيل الكاملة أقل من 60 درجة مئوية. يبلغ فقد الحرارة التصميمي من 600 إلى 900 واط لكل متر مربع من مساحة الجدار، أي ما يعادل من 30 إلى 50 كيلوواط من إجمالي فقد الحرارة على مساحة جدار تبلغ 50 مترًا مربعًا. هذه تكلفة طاقة مستمرة، وتقليلها هو ما يجعل تشغيل الفرن اقتصاديًا.
بطانات وحدات الألياف الخزفية
حلت وحدات الألياف الخزفية محل بطانات الطوب في أسقف وجدران أفران الموقد الحديثة ذات التصميمات المتحركة. تتكون هذه الوحدات من بطانيات بسمك يتراوح بين 200 و300 ملم، مطوية على شكل أكورديون، ومثبتة على مثبتات من الفولاذ المقاوم للصدأ ملحومة بالهيكل. تضغط هذه الوحدات على بعضها لتشكيل سطح ساخن متصل، ويمنحها هيكلها المطوي مقاومة جيدة للصدمات الحرارية.
تتميز وحدات الألياف الضوئية بمزايا كبيرة مقارنةً بالطوب. فكتلتها الحرارية أقل من 4 إلى 6 مرات، مما يعني تسخينًا أسرع واستهلاكًا أقل للطاقة أثناء التشغيل. تبلغ الموصلية الحرارية عند 1000 درجة مئوية من 0.15 إلى 0.25 واط لكل متر-كلفن، مقابل 0.6 إلى 0.8 واط للطوب مع الألياف الضوئية والغطاء العازل. كما أن تركيبها أسرع، وإصلاحها أسهل - إذ يمكن استبدال الوحدة التالفة في غضون 30 دقيقة.
يكمن التحدي في عمر الخدمة. تدوم وحدات الألياف الضوئية المصممة لتحمل درجة حرارة 950 درجة مئوية من 5 إلى 8 سنوات قبل أن تبدأ الألواح ذات السطح الساخن بالتلبد وفقدان سمكها. أما عند درجات حرارة أعلى من 1050 درجة مئوية، فينخفض عمرها إلى ما بين 3 و5 سنوات. وعند درجات حرارة أعلى من 1150 درجة مئوية، لا يُنصح باستخدام وحدات الألياف الضوئية، ويعود التصميم إلى استخدام الطوب.
بطانات من الطوب للاستخدام في درجات الحرارة العالية
بالنسبة لتصميمات أفران الموقد ذات العربات التي تعمل عند درجات حرارة أعلى من 1050 درجة مئوية، تظل بطانات الطوب هي المعيار. يُستخدم الطوب عالي الألومينا (80 إلى 90% Al2O3) على السطح الساخن، مدعومًا بألياف زجاجية عازلة (بكثافة 1.0 إلى 1.4 غرام لكل سنتيمتر مكعب) وبطانية من الألياف الخزفية. تتميز بطانات الطوب بكتلة حرارية أعلى وتسخين أبطأ، لكنها تدوم لفترة أطول عند درجات الحرارة العالية - من 8 إلى 15 عامًا في تصميم يعمل عند 1100 درجة مئوية.
تحدد شركة MONTE INTELLIGENCE الطوب عالي الألومينا على الجدران الجانبية وسقف تصميمات أفران الموقد ذات درجة الحرارة العالية، مع وحدات الألياف على الباب وحافة العربة حيث تكون درجة الحرارة أقل والإجهاد الميكانيكي أعلى.
بطانة موقد بوجي
يُعدّ موقد العربة الجزء الأكثر تعرضًا للإجهاد في البطانة. فهو يتحمل وزن الحمولة، ويتعرض لنفس درجة حرارة تشغيل الفرن، ويتعرض للاهتزازات الميكانيكية أثناء دخول العربة وخروجها. يتكون التصميم القياسي من بطانة متعددة الطبقات: طبقة خارجية ساخنة من الطوب عالي الألومينا أو وحدات الألياف شديدة التحمل، وطبقة داعمة من الألياف الزجاجية المقواة بالألياف، وطبقة هيكلية من مادة حرارية قابلة للصب لدعم البطانة وتوزيع الحمل على الإطار الفولاذي للعربة.
تتميز بطانات مواقد العربات بعمر افتراضي أقصر من بطانات الفرن، وذلك بسبب الإجهاد الميكانيكي. يُجرى تجديد بطانة مواقد العربات عادةً كل 5 إلى 8 سنوات، بينما تدوم بطانة هيكل الفرن من 10 إلى 15 سنة. وتستغرق عملية التجديد من أسبوعين إلى أربعة أسابيع من توقف الفرن عن العمل.
أداء العزل وفقدان الحرارة
يُعدّ فقدان الحرارة عبر البطانة عاملاً رئيسياً في تكلفة تشغيل فرن ذي قاعدة عربة. يفقد فرن معزول جيداً بسعة 100 طن، يعمل عند درجة حرارة 950 درجة مئوية، ما بين 80 و120 كيلوواط بشكل مستمر عبر الجدران والسقف وقاعدة العربة. وبسعر يتراوح بين 0.30 و0.40 دولار أمريكي للمتر المكعب من الغاز الطبيعي، تصل تكلفة فقدان الحرارة عبر الجدران وحدها إلى ما بين 50,000 و80,000 دولار أمريكي سنوياً.
أدت التحسينات التي طرأت على تصميم البطانة خلال العشرين عامًا الماضية إلى خفض فقد الحرارة إلى النصف. ففي تصميم يعود إلى تسعينيات القرن الماضي، والذي يعتمد على الطوب وألواح الألمنيوم المعزولة، كان الفرن يفقد ما بين 150 و200 كيلوواط. ويعود هذا التحسن إلى استخدام وحدات الألياف الخزفية، والعزل ذي المسام الدقيقة، وأنظمة التثبيت المحسّنة.
تُصمّم شركة مونتي إنتليجنس بطانات أفران ذات قاعدة متحركة لتحقيق أقل فقد حراري عملي عند درجة حرارة التشغيل. بالنسبة لتصميم يعمل عند 950 درجة مئوية، يكون الهدف هو 600 إلى 700 واط لكل متر مربع من مساحة الجدار. أما بالنسبة لتصميم يعمل عند 1100 درجة مئوية، فيكون الهدف هو 800 إلى 900 واط لكل متر مربع.
أختام حواف الأبواب وعربات النقل
يُعدّ الباب وحافة العربة أكثر منطقتين فقدانًا للحرارة في فرن ذي قاعدة عربة. يتميز الباب بمساحة سطحية كبيرة، تتراوح عادةً بين 4 و6 أمتار مربعة في الأفران الكبيرة، ويتم إحكام إغلاقه ميكانيكيًا. أما حافة العربة، فتوجد بها فجوة تتراوح بين 5 و10 ملم مع إطار الباب للسماح بالتمدد الحراري، وتُشكّل هذه الفجوة مسارًا مستمرًا لتسرب الهواء البارد.
يستخدم تصميم مانع التسرب الجيد حشية من حبل ألياف السيراميك على الباب، يتم ضغطها بواسطة مزاليج هيدروليكية أو ميكانيكية بنسبة تتراوح بين 30 و50 بالمائة. أما مانع تسرب حافة العربة، فهو عادةً ما يكون مانع تسرب رملي أو مانع تسرب من حبل الألياف، مع ستارة هوائية صغيرة تُنفخ في الفجوة لتعزيز مانع التسرب.
قد تصل كمية الحرارة المفقودة عبر الباب وحافة العربة إلى ما بين 30 و50 كيلوواط في فرن سعة 100 طن، وهو ما يمثل ربع إلى ثلث إجمالي الحرارة المفقودة عبر الجدار. وتُعوّض العوازل الجيدة تكلفتها خلال 6 إلى 12 شهرًا من خلال خفض تكلفة الوقود.
فحص وصيانة البطانة
يساهم برنامج الصيانة الجيد في إطالة عمر البطانة ومنع الأعطال غير المخطط لها. يشمل البرنامج: فحصًا بصريًا شهريًا للسطح الساخن، ومسحًا سنويًا لدرجة حرارة السطح البارد، وفحصًا ربع سنويًا لأختام الأبواب. يجب استبدال أي وحدات من الطوب أو الألياف متشققة أو مفقودة على الفور لمنع تكون بقع ساخنة على السطح.
تقدم شركة مونتي إنتليجنس خدمة فحص البطانة كجزء من خدمات ما بعد البيع القياسية. تشمل هذه الخدمة: التصوير الحراري للغلاف عند درجة حرارة التشغيل، وحفر عينات من المناطق المشتبه بها، وتقرير مكتوب يتضمن توصيات بشأن الإصلاحات وتوقيت الاستبدال.
تواصل مع مونتي إنتليجنس للاستفسار عن ترقيات البطانة
بالنسبة للمشترين الذين يفكرون في شراء فرن جديد ذي قاعدة متحركة أو تجديد بطانة وحدة موجودة، يمكن لشركة مونتي إنتليجنس الهندسية أن توصي بتصميم بطانة يوازن بين التكلفة الأولية وكفاءة الطاقة وعمر الخدمة وفقًا لظروف التشغيل المحددة. تفضل بزيارةwww.cnlymonte.com/products-bogie-hearth-furnace.html للحصول على مواصفات المنتج. لمناقشة مشروع، يُرجى إرسال بريد إلكتروني إلى helenxu@cnlymonte.com بعنوان "بطانة موقد العربة" مع تفاصيل حول درجة حرارة التشغيل والعملية.
