Lớp lót chịu nhiệt của lò khí là rào cản giữa môi trường đốt cháy trên 1000°C và vỏ thép, lớp vỏ này phải duy trì nhiệt độ dưới khoảng 80°C để đảm bảo tính toàn vẹn cấu trúc và bảo vệ người vận hành. Sợi gốm – còn được gọi là sợi gốm chịu nhiệt (RCF) hoặc sợi aluminosilicat – đã trở thành vật liệu lót chủ đạo cho các lò xử lý nhiệt công nghiệp do độ dẫn nhiệt thấp, khả năng lưu trữ nhiệt thấp và tương đối dễ lắp đặt.
MONTE INTELLIGENCE chuyên thiết kế và lắp đặt lớp lót sợi gốm trong các sản phẩm lò sưởi khí đốt của chúng tôi. Bài viết này đề cập đến các quyết định kỹ thuật, quy trình lắp đặt và tính toán nhiệt quyết định hiệu suất và tuổi thọ của lớp lót.
Sợi gốm được sản xuất bằng cách nung chảy hỗn hợp alumina (Al2O3) và silica (SiO2) trong lò hồ quang điện, sau đó kéo sợi dòng chảy nóng chảy – bằng cách thổi khí nén hoặc kéo sợi bằng bánh xe quay. Các sợi thu được, thường có đường kính 2-4 micromet và dài đến 250 mm, được tạo thành các tấm, bảng hoặc các hình dạng được tạo hình bằng phương pháp hút chân không. Thành phần hóa học của sợi quyết định nhiệt độ sử dụng tối đa: sợi tiêu chuẩn (45-50% Al2O3, 50-55% SiO2) có khả năng chịu nhiệt đến 1260°C; sợi có hàm lượng alumina cao (55-60% Al2O3) chịu được đến 1400°C; và sợi chứa zirconia chịu được đến 1430°C.
Tấm cách nhiệt sợi gốm là dạng nguyên liệu thô — một tấm sợi mềm dẻo, được dệt bằng kim, thường được cung cấp dưới dạng cuộn dài 7,2 mét và rộng 0,6 mét, với độ dày từ 13 mm đến 50 mm, và mật độ từ 64 đến 128 kg/m3. Tấm cách nhiệt này là dạng vật liệu cách nhiệt sợi gốm có chi phí thấp nhất. Nó được lắp đặt nhiều lớp để đạt được tổng độ dày cần thiết, các lớp được xếp so le sao cho các mối nối giữa các mảnh liền kề không thẳng hàng — điều này ngăn ngừa các khe hở xuyên suốt cho phép nhiệt bức xạ trực tiếp vào lớp vỏ công trình.
Các mô-đun sợi gốm là những khối chăn được gấp lại, lắp ráp sẵn, được nén đến mật độ cao hơn (thường là 160-220 kg/m3) và giữ ở trạng thái nén bằng khung kim loại hoặc bằng các dây đai được cắt sau khi lắp đặt. Khi các dây đai được cắt, chăn đã nén sẽ giãn nở để lấp đầy các khe hở giữa các mô-đun, tạo ra một lớp bịt kín chắc chắn mà không có các khe hở xuyên suốt thường gặp trong các hệ thống chăn nhiều lớp. Các mô-đun được gắn vào vỏ thép bằng các neo thép không gỉ — thường là thép không gỉ 304 hoặc 310 — được hàn đinh tán vào vỏ theo kiểu lưới phù hợp với kích thước mô-đun, thường là 300 mm × 300 mm.
Thiết kế lớp lót bắt đầu bằng việc tính toán lưu lượng nhiệt. Lưu lượng nhiệt qua một mặt phẳng là: Q = k × A × (T_nóng - T_lạnh) / t, trong đó k là độ dẫn nhiệt (W/m·K), A là diện tích, T_nóng và T_lạnh là nhiệt độ mặt nóng và mặt lạnh, và t là độ dày. Đối với sợi gốm ở nhiệt độ trung bình 1000°C, k xấp xỉ 0,15-0,25 W/m·K tùy thuộc vào mật độ. Đối với lớp lót dày 300 mm với T_nóng = 1000°C và T_lạnh = 80°C, thông lượng nhiệt khoảng 0,2 × 920 / 0,3 ≈ 613 W/m2 — đây là tổn thất nhiệt thiết kế mà cân bằng năng lượng của lò nung phải tính đến.
Lớp lót thường sử dụng nhiều lớp vật liệu khác nhau để cân bằng chi phí và hiệu suất. Lớp mặt nóng — tiếp xúc với nhiệt độ cao nhất — sử dụng loại sợi cao cấp nhất phù hợp với nhiệt độ tối đa của lò. Phía sau lớp mặt nóng, có thể sử dụng lớp lót chi phí thấp hơn bằng sợi chịu nhiệt độ thấp hơn hoặc len khoáng vì lớp mặt nóng làm giảm nhiệt độ đáng kể. Nhiệt độ giao diện giữa các lớp được tính toán từ điện trở nhiệt: nếu lớp mặt nóng là 200 mm sợi 1260°C (k = 0,18) và lớp lót là 100 mm len khoáng (k = 0,08), nhiệt độ giao diện được tính là T_interface = T_hot - Q × (t_hotface / k_hotface). Khả năng chịu nhiệt của lớp lót phải cao hơn nhiệt độ giao diện này.
Thiết kế hệ thống neo phải tính đến sự giãn nở nhiệt. Vỏ thép giãn nở khi bị nung nóng — khoảng 1,2 mm/mét cho mỗi 100°C tăng nhiệt độ. Lớp lót sợi gốm giãn nở ít hơn nhiều — khoảng 0,5 mm/mét cho mỗi 100°C. Sự khác biệt về giãn nở giữa vỏ và lớp lót tạo ra ứng suất cắt tại các điểm neo. Hệ thống neo phải đáp ứng được sự chuyển động khác biệt này mà không làm rách các mô-đun sợi. Các lỗ neo có rãnh hoặc thiết kế neo linh hoạt được sử dụng cho mục đích này.
Chất lượng lắp đặt quyết định liệu hiệu suất nhiệt tính toán có thực sự đạt được trong quá trình vận hành hay không. Khe hở giữa các mô-đun — do lắp ráp kém, do hư hỏng trong quá trình lắp đặt, do hỏng neo — là nguyên nhân phổ biến nhất gây ra các điểm nóng trên vỏ lò. Một khe hở 3 mm trên một mét vuông lớp lót có thể làm tăng tổn thất nhiệt cục bộ lên 5-10 lần. Kiểm soát chất lượng trong quá trình lắp đặt bao gồm kiểm tra độ khít của các mô-đun (khe hở tối đa cho phép thường là 2-3 mm), xác minh tính toàn vẹn của mối hàn neo (kiểm tra độ bền kéo của một mẫu neo) và kiểm tra các mô-đun bị nén hoặc hư hỏng sẽ không giãn nở đúng cách khi được làm nóng.
Việc bảo trì lớp lót trong quá trình vận hành lò bao gồm kiểm tra trực quan thường xuyên bề ngoài vỏ lò để phát hiện các điểm nóng – được biểu hiện bằng sự đổi màu sơn, nhiệt độ bề mặt trên 80°C khi đo bằng nhiệt kế hồng ngoại, hoặc phát sáng vào ban đêm. Các điểm nóng cần được lập bản đồ và theo dõi. Một điểm nóng ổn định ở mức 100-120°C có thể chấp nhận được để tiếp tục vận hành cho đến lần dừng hoạt động theo lịch trình tiếp theo. Một điểm nóng có nhiệt độ tăng lên hoặc vượt quá 150°C cần được điều tra và sửa chữa ngay khi có cơ hội.
Lớp lót lò nung MONTE INTELLIGENCE được thiết kế với tuổi thọ từ 5-8 năm trong điều kiện vận hành bình thường. Chúng tôi cung cấp dịch vụ giám sát lắp đặt, tính toán nhiệt và kiểm tra lớp lót.
Để được tư vấn thiết kế lớp lót sợi gốm hoặc lót lại lò nung hiện có, vui lòng liên hệ helenxu@cnlymonte.com.
