تُشكّل البطانة الحرارية لفرن الغاز حاجزًا بين بيئة احتراق تتجاوز حرارتها 1000 درجة مئوية وغلاف فولاذي يجب أن تبقى درجة حرارته أقل من 80 درجة مئوية تقريبًا للحفاظ على سلامته الهيكلية وحماية العاملين. وقد أصبحت الألياف الخزفية - والتي تُسمى أيضًا بالألياف الخزفية الحرارية أو ألياف الألومينوسيليكات - المادة السائدة في تبطين أفران المعالجة الحرارية الصناعية نظرًا لانخفاض موصليتها الحرارية، وقدرتها المنخفضة على تخزين الحرارة، وسهولة تركيبها نسبيًا.
تُحدد شركة مونتي إنتليجنس وتُركّب بطانات من الألياف الخزفية في منتجات أفران الغاز الخاصة بها. تتناول هذه المقالة القرارات الهندسية، وممارسات التركيب، والحسابات الحرارية التي تُحدد أداء البطانة وعمرها الافتراضي.
تُصنع الألياف الخزفية عن طريق صهر خليط من الألومينا (Al2O3) والسيليكا (SiO2) في فرن القوس الكهربائي، ثم تحويل التيار المنصهر إلى ألياف إما عن طريق النفخ بالهواء المضغوط أو عن طريق الغزل باستخدام عجلة دوارة. تُشكّل الألياف الناتجة، التي يتراوح قطرها عادةً بين 2 و4 ميكرومترات ويصل طولها إلى 250 مم، على هيئة بطانيات أو ألواح أو أشكال مصبوبة بالتفريغ. يحدد التركيب الكيميائي للألياف درجة حرارة التشغيل القصوى: الألياف القياسية (45-50% Al2O3، 50-55% SiO2) مصممة لتحمل درجة حرارة 1260 درجة مئوية؛ والألياف عالية الألومينا (55-60% Al2O3) لتحمل درجة حرارة 1400 درجة مئوية؛ والألياف المحتوية على الزركونيا لتحمل درجة حرارة 1430 درجة مئوية.
تُعدّ بطانية الألياف الخزفية الشكل الخام للمادة، وهي عبارة عن حصيرة مرنة من الألياف المثقوبة بالإبر، تُورّد عادةً على شكل لفائف بطول 7.2 متر وعرض 0.6 متر، وبسماكات تتراوح من 13 مم إلى 50 مم، وبكثافة تتراوح من 64 إلى 128 كجم/م³. تُعتبر هذه البطانية أقل أنواع عزل الألياف الخزفية تكلفةً. يتم تركيبها على شكل طبقات متعددة للوصول إلى السماكة الإجمالية المطلوبة، مع مراعاة تداخل الطبقات بحيث لا تتطابق الفواصل بين القطع المتجاورة، مما يمنع حدوث فجوات نافذة تسمح بتسرب الحرارة مباشرةً إلى الهيكل الخارجي.
وحدات الألياف الخزفية عبارة عن كتل مُجمّعة مسبقًا من بطانية مطوية، مضغوطة بكثافة عالية (عادةً 160-220 كجم/م³) ومثبتة تحت الضغط بواسطة إطار معدني أو أشرطة ربط تُقطع بعد التركيب. عند قطع الأشرطة، تتمدد البطانية المضغوطة لتملأ الفواصل بين الوحدات، مما يُحكم إغلاقها دون وجود فواصل نافذة تُعيق تركيب البطانيات متعددة الطبقات. تُثبّت الوحدات على الغلاف الفولاذي باستخدام مثبتات من الفولاذ المقاوم للصدأ - عادةً من النوع 304 أو 310 - ملحومة بالهيكل بنمط شبكي يُطابق أبعاد الوحدة، والتي عادةً 300 مم × 300 مم.
يبدأ تصميم البطانة بحساب تدفق الحرارة. يُحسب تدفق الحرارة عبر جدار مستوٍ بالمعادلة التالية: Q = k × A × (T_hot - T_cold) / t، حيث k هي الموصلية الحرارية (واط/م·ك)، وA هي المساحة، وT_hot وT_cold هما درجتا حرارة السطح الساخن والبارد، وt هي السماكة. بالنسبة للألياف الخزفية عند متوسط درجة حرارة 1000 درجة مئوية، تتراوح قيمة k بين 0.15 و0.25 واط/م·ك تقريبًا، اعتمادًا على الكثافة. بالنسبة لبطانة بسماكة 300 مم، ودرجة حرارة T_hot = 1000 درجة مئوية، ودرجة حرارة T_cold = 80 درجة مئوية، يكون تدفق الحرارة حوالي 0.2 × 920 / 0.3 ≈ 613 واط/م²، وهو مقدار فقد الحرارة التصميمي الذي يجب مراعاته في موازنة طاقة الفرن.
تستخدم البطانة عادةً طبقات متعددة من مواد مختلفة لتحقيق التوازن بين التكلفة والأداء. الطبقة الخارجية الساخنة - المعرضة لأعلى درجة حرارة - مصنوعة من ألياف عالية الجودة تتناسب مع درجة الحرارة القصوى للفرن. خلف الطبقة الخارجية الساخنة، يمكن استخدام طبقة داعمة أقل تكلفة مصنوعة من ألياف تتحمل درجات حرارة منخفضة أو من الصوف المعدني، لأن الطبقة الخارجية الساخنة تخفض درجة الحرارة بشكل ملحوظ. تُحسب درجة حرارة التماس بين الطبقات من المقاومات الحرارية: إذا كانت الطبقة الخارجية الساخنة عبارة عن 200 مم من ألياف تتحمل 1260 درجة مئوية (k = 0.18) والطبقة الداعمة عبارة عن 100 مم من الصوف المعدني (k = 0.08)، فإن درجة حرارة التماس تُحسب كالتالي: T_interface = T_hot - Q × (t_hotface / k_hotface). يجب أن تتجاوز درجة حرارة الطبقة الداعمة درجة حرارة التماس هذه.
يجب أن يراعي تصميم نظام التثبيت التمدد الحراري. يتمدد الغلاف الفولاذي عند تسخينه - حوالي 1.2 مم لكل متر لكل ارتفاع في درجة الحرارة بمقدار 100 درجة مئوية. أما البطانة المصنوعة من ألياف السيراميك فتتمدد بشكل أقل بكثير - حوالي 0.5 مم لكل متر لكل 100 درجة مئوية. يُحدث هذا الاختلاف في التمدد بين الغلاف والبطانة إجهاد قص عند نقاط التثبيت. يجب أن يستوعب نظام التثبيت هذا التفاوت في الحركة دون تمزيق وحدات الألياف. ولتحقيق هذا الغرض، تُستخدم فتحات تثبيت مشقوقة أو تصاميم تثبيت مرنة.
تُحدد جودة التركيب ما إذا كان الأداء الحراري المُحسَب يتحقق فعليًا أثناء التشغيل. تُعد الفجوات بين الوحدات - الناتجة عن سوء التركيب، أو التلف أثناء التركيب، أو فشل التثبيت - السبب الأكثر شيوعًا لظهور بقع ساخنة على غلاف الفرن. يمكن أن تؤدي فجوة 3 مم على متر مربع واحد من البطانة إلى زيادة فقدان الحرارة الموضعي بمقدار 5 إلى 10 أضعاف. تشمل مراقبة الجودة أثناء التركيب فحص تركيب الوحدات (الحد الأقصى المسموح به للفجوة عادةً 2-3 مم)، والتحقق من سلامة لحام التثبيت (اختبار شد عينة من التثبيتات)، وفحص الوحدات بحثًا عن أي انضغاط أو تلف يمنعها من التمدد بشكل صحيح عند تسخينها.
تتضمن صيانة البطانة أثناء تشغيل الفرن فحصًا بصريًا دوريًا للسطح الخارجي للغلاف بحثًا عن النقاط الساخنة، والتي يُستدل عليها بتغير لون الطلاء، أو درجات حرارة سطحية تتجاوز 80 درجة مئوية تُقاس بمقياس حرارة بالأشعة تحت الحمراء، أو توهج مرئي ليلًا. يجب تحديد مواقع النقاط الساخنة ومراقبتها. قد يكون من المقبول استمرار تشغيل الفرن إذا استقرت درجة حرارة النقطة الساخنة عند 100-120 درجة مئوية حتى موعد الإيقاف المُجدول التالي. أما النقطة الساخنة التي ترتفع درجة حرارتها أو تتجاوز 150 درجة مئوية، فيجب فحصها وإصلاحها في أقرب فرصة.
صُممت بطانات أفران مونتي إنتليجنس لتدوم من 5 إلى 8 سنوات في ظل ظروف التشغيل العادية. نقدم خدمات الإشراف على التركيب، والحسابات الحرارية، وفحص البطانات.
لتصميم بطانة من الألياف الخزفية أو إعادة تبطين الفرن الحالي الخاص بك، تواصل مع helenxu@cnlymonte.com.
