Ağır Kil Endüstrisinde Enerji Verimli Tünel Fırın Araba Sistemleri

Kil tuğla endüstrisinde tünel fırın araba sistemlerinin geliştirilmesi, kil tuğla ve çatı kiremit üreticileri için her zaman önemli bir konu olmuştur. Bu makale, Almanya'daki çoğu tuğla ve kiremit fabrikası için tünel fırın araba sistemleri tedarikçisi olan Burton-Werke'nin bu konuyla ilgili bazı görüşlerini sunmaktadır.

Genel fırın teknolojisi gelişimi açısından bakıldığında, kil ürünlerine yönelik artan talebi karşılamak için daha hassas ham madde hazırlığı ve daha tekdüze yeşil gövdeler ile otomatik pişirme ekipmanlarına yönelme eğilimi görülüyor. Bu tartışma, silindirli fırınları, Monker fırınlarını, yüksek frekans teknolojisini vb. içermektedir.

Ancak bu gelişmelerin yanında geleneksel tünel fırın da yerini mutlaka koruyacaktır ve sadece pişirme bileşenleri açısından değil, pek çok açıdan da gelişme göstermiştir.

Belirli bir pişirme teknolojisine karar vermeden önce genellikle kullanılacak gerekli ürünler ve hammaddeler dikkate alınarak bir maliyet-fayda analizi yapılır.

Tünel fırın arabalarının geliştirilmesiyle ilgili olarak aşağıdaki hususlara özel dikkat gösterilmesi gerekmektedir.

Bu sadece teknik ve ekonomik hesaplamaları değil aynı zamanda kullanıcının beklentilerini de içerir. Bir sistem tedarikçisinin görevi, standart bir çözümü veya diğerini seçmek değil, kullanıcının gereksinimlerini karşılayan, kendi düşünceleriyle uyumlu ve nihai ihtiyaçlarını karşılayan bir çözüm yaratmaktır.

Bununla birlikte, yukarıdakilerden bağımsız olarak, bir tünel fırın sisteminin seçimi için aşağıdaki genel kriterler, temel olarak maliyet nedenleriyle yaygın olarak kullanılmaktadır.

• Aşınma (amortisman)

• Enerji tüketimi

• Bakım ve temizlik çabası

• Tamirat

Tüketim faktörlerini analiz ederken, bir tünel fırın arabasının enerji tüketiminin önemli bir faktör olduğunu ancak belirli bir tünel fırın arabası sistemine karar vermede tek prensip olmaktan çok uzak olduğunu görmek kolaydır. Fırın arabası, tüm fırın sisteminin yapısal bir bileşenidir ve önemli yüklere maruz kalır. Bu yapısal bileşen bağımsız bir sistem olarak düşünülürse öncelikle ilgili fonksiyonların incelenmesi gerekir.

• İyi ürün kalitesi

• Azaltılmış ağırlık ve ısı yalıtımı (ısı depolama ve ısı transferi) nedeniyle minimum enerji tüketimi

• Pişirme koşulları altında tünel fırın atmosferine ve enerji ortamına karşı kimyasal direnç

• Termal stabilite (termal şok ve hızlı sıcaklık düşüşleri altında)

• Mekanik dayanım (insan faktörlerinden etkilenir)

• Boyutsal kararlılık (refraktör bileşenlerin değiştirilebilirliği, tersinir genleşmeden etkilenir)

• Bakım ve onarım kolaylığı (aşınan parçaların değiştirilmesi)

• Düşük yatırım ve bakım maliyetleri (kısa bakım süresi)

• Uzun servis ömrü

Tablodan mükemmelliğe ulaşılamayacağı açıktır ancak ikincil işlevleri ihmal ederek fırın arabasının hedef işlevlerinin yerine getirilmesini en üst düzeye çıkarmak kolaydır. Araç ağırlığı büyük ölçüde azaltılırsa sistemin mekanik stabilitesi kaçınılmaz olarak azalır ve bu da elbette daha kaliteli malzemeler kullanılarak geliştirilebilir, ancak bu, amortisman maliyetlerini ve bakım risklerini artırır.

Yukarıdakiler temelde yeni olmasa da, ilgili kararlar alınırken kesinlikle akılda tutulmalıdır. Çünkü tünel fırın arabası için öncelik faktörü “enerji tasarrufu” belirlendiğinde, aynı derecede önemli olan diğer işlevler de göz ardı edilmemelidir.

Şekil 1 İki katmanlı köşe U blokları, içi boş sütunlar ve sütunlu ve koruyucu panelli çeşitli yalıtım yöntemleri (yan ateşleme için, örneğin tek katmanlı kiremit ateşlemesi için), ince koruyucu paneller

Günümüzde tünel fırın araba sistemlerinde, termal şok direncine sahip çeşitli özel malzemelerden, refrakter beton ve harçlara, çeşitli fiber malzemelerden, müllit ve silisyum karbür bazlı yüksek performanslı seramiklere kadar 15'e kadar farklı malzeme kullanılmaktadır. Hiçbir üretici bu malzemelerin tamamını kendi başına üretmediğinden, kullanıcı genellikle aynı garantiyi ve hizmeti sağlayabilen eksiksiz bir çözümü tek bir kaynaktan alır. Tasarım aşamasında farklı malzemelerin kombinasyonu çok önemli bir rol oynamaktadır.

Bir tünel fırın arabası tasarlarken temel hedefler üç yönlüdür: kabin çevresi, kabin kaplaması ve tuğlaları yerleştirmek için destekleyici yapı veya fırın mobilyaları.

Örneğin 7*6 m ebatlarındaki bir fırın arabası için çevre alanı %10, destekleyici yapı alanı %5 ve astar alanı %85'tir. Bu, modern fırın arabası tasarımlarında yaygındır.

Son yıllarda pişirme teknolojisinin özellikle malzeme seçiminde sürekli gelişmesiyle birlikte yukarıdaki parçaların her birinin oranları değişmektedir. Bir eğilim gözlemlenebilir: İnce seramik sektöründe başarılı olduğu kanıtlanmış malzemeler aynı zamanda kil tuğla endüstrisinde de giderek daha fazla uygulanmaktadır (Şekil 1'de gösterildiği gibi).

Tünel fırın arabasının çevresi temel olarak aşağıdaki işlevlere hizmet eder:

• Labirent sızdırmazlık (boyutsal stabiliteye bağlıdır!)

• Araç kaplamasının mekanik koruması

• Araç şasisinin sıcaklık etkilerinden korunması

Bu amaçla aşağıdaki özellikler gereklidir:

• Boyutsal kararlılık

• Soğuk ve sıcak koşullar altında dayanıklılık

• Termal şoka veya sıcaklık değişikliklerine karşı direnç

Teknik açıdan bakıldığında, bu işlevlerin gerçekleştirilmesi için hafif refrakter beton bloklara ihtiyaç duyulmaktadır. Kordierit bazlı ekstrüzyonlu geniş formatlı bloklar ve yine kordiyerit bazlı kuru preslenmiş geniş formatlı bloklar; olası her çözümün kendine göre avantajları ve dezavantajları vardır. Fırın arabası çevresi için kuru preslenmiş büyük bloklar aşağıda daha detaylı olarak tartışılmaktadır.

Bu blok tipinin, yüksek boyutsal kararlılık, blokların ikincil işlemden geçirilmesi ihtiyacını ortadan kaldırması gibi bir takım önemli avantajları vardır. Mevcut hammadde ve üretim teknolojisi ile tanımlanmış mineral bileşimi daha kolay elde edilebilmektedir.

Modern fırınlarda fırın arabalarının itme döngüsü giderek kısalıyor ve bu da malzemelerin termal şok direncini giderek daha önemli hale getiriyor. Son zamanlarda geliştirilen bir malzeme olan Burcclight 12/25H bu gereksinimleri tam olarak karşılamaktadır.

Bu malzemeye ilişkin test sonuçları aşağıdaki gibidir:

Bu malzemenin geleneksel hafif refrakter bloklardan daha yüksek bir kütle yoğunluğuna sahip olduğu açıktır, ancak karşılaştırıldığında daha büyük ürünler ve termal şok direncine sahip daha ince birbirine kenetlenen bloklar üretmek için kullanılabilir. Burcclight malzemesinden yapılan fırın arabası çevresinin ağırlığı, hafif refrakterlerin kullanıldığı fırın arabalarından önemli ölçüde farklı olsa da, termal şok direnci ve montaj kolaylığı büyük ölçüde iyileştirilmiştir.

Modern, tam otomatik bir tuğla tesisinde bile tünel fırın arabasının çevresi yüksek termal ve mekanik gerilimlere maruz kalır. Malzemenin yüksek dayanıklılık gerektirmesinin yanı sıra, bir çevre parçası hasar gördüğünde hızlı bir şekilde değiştirilebilmesi daha da önemlidir. Bu nedenle, çevredeki bloklar yapıştırılmaz veya harçlanmaz, ancak kuru olarak döşenir ve bağlantıların yalnızca dişli mekanik kilitleme yoluyla yapılması sağlanır ki bu kesinlikle çok iyi bir yöntemdir.

Doğal olarak bu, blokların belirli bir boyutsal doğruluğunu gerektirir. Normalde yalnızca kuru presleme boyutsal olarak kararlı bloklar üretebilir; aksi takdirde boyutsal doğruluk yalnızca ikincil işlemlerle elde edilebilir.

Modern bir tünel fırın araba kaplamasının işlevi ısı yalıtımıdır, yük ise genellikle arabanın metal şasisi tarafından taşınır. Bu fonksiyon, malzeme seçimini belirler: neredeyse tamamen hafif, yüksek düzeyde yalıtım sağlayan malzemeler. Burada ilk bahsedilen, artık kullanıma hazır kalitelerde mevcut olan seramik elyaflardır. Ekonomik nedenlerden ötürü, servis sıcaklığına bağlı olarak bu liflerin yerine hafif beton veya silika, hafif grog, pomza vb. gibi çeşitli agregalar kullanılabilir. Bu yalıtım malzemelerinin doğrudan aleve maruz bırakılamayacağına dikkat edilmelidir; uygun bir yüzey kaplamasıyla, örneğin termal şoka dayanıklı ince bir panelle korunmalıdırlar. Bu yöntem, fırın arabasının ağırlığını bir miktar arttırsa da, özellikle yandan ateşlemeli fırınlarda izolasyon malzemesinin korozyonunu önler. Ayrıca, araç güvertesinin etkili bir şekilde temizlenmesi için sert bir yüzey tabakası gereklidir; bu, ciddi aşınma, toz, kum ve kazalara neden olan önemli bir faktör olabilir. Günümüzde bu tür koruyucu panelleri 10 cm kalınlıkta ve 500*600 mm ölçülerinde üretmek zaten mümkün.

Modern tuğla işlerinde otomasyon düzeyi arttıkça ve operatör sayısı azaldıkça, tünel fırın koruyucu panelleriyle ilgili sorunlar da azalıyor. Bununla birlikte, pratikte çoğu durumda kullanılan kaplama katmanlarının daha sonra güçlendirilip yükleme ve boşaltmayı kolaylaştırmak için fırın arabası kolonlarına yerleştirildiğini sıklıkla görüyoruz. Bu aynı zamanda enerji tasarrufu ile üretim gereksinimlerine göre bakım arasındaki ciddi farklılığın tipik bir örneğidir.

Farklı fırın kabini izolasyon kaplama malzemelerinin özelliklerinin karşılaştırılması:

Diğer bir örnek ise fırın arabası şasisine ön ve arka uç korumaların yerleştirilmesidir. İtme döngüsü 10 saat veya daha az olduğunda bu tür korumalar gereksizdir. Proses nedenlerinden ötürü fırın arabasının tünel fırınında kalması gerekiyorsa (örn. çökme veya itme hızının azalmasından sonra), bu korumanın avantajı kabinin tabanını daha serin tutmaktır. Bu yöntemin kullanılması sonuçta kullanıcının kararıdır.

Kolon yapısının işlevi, pişirme sırasında ürünlerden ve fırın mobilyalarından gelen tüm yükleri taşımak ve kuvvetleri fırın arabasının metal şasesine aktarmaktır. Bu, nispeten yüksek soğuk ve sıcak mukavemet değerlerinin yanı sıra, basınç ve eğilme mukavemeti ve servis sıcaklığında bir miktar deformasyon davranışı gerektirir. Ayrıca refrakter bileşenlerin ağırlığı da en aza indirilmelidir. Bu nedenle fırın arabasının çoğu bileşeni en büyük gerilimlere maruz kalır. Doğal olarak kolon yapısının kesinlikle ateşleme yüküne ve ateşleme sıcaklığına göre tasarlanması gerekmektedir. Bununla birlikte, son fırın arabası sistemi projelerinin analizi, geleneksel refrakter sistemlerden, yani özel bacalardan, yüksek enine desteklerden, delikli panelli özel sütunlardan ("Bensen" olarak adlandırılır) ve çekirdek sütunlarla desteklenen özel şekillendirilmiş levhalar üzerine yerleştirilen fırın mobilyalarından oluşan sistemlerden giderek uzaklaşıldığını göstermektedir. Aslında, pişirilmiş kaldırım tuğlalarının üretiminde, üzerine geniş formatlı yük taşıyan tuğlaların veya levhaların veya kiriş yapılarının yerleştirilebildiği ekstrüde kolonların kullanıldığı daha ince ve daha rafine sistemler halihazırda benimsenmiştir. Şekil 2 böyle bir sistemin bir örneğini göstermektedir.

Şekil 2

Bu tür rafine sistemler artık geleneksel refrakter kil malzemeleri kullanmamaktadır. Bu nedenle kil 0-0,2 mm tane büyüklüğüne kadar kırılır, daha sonra astar dökümü yapılır, granül haline getirilir veya ekstrüzyonla şekillendirilir ve bu tür malzemeler halen kullanılmaktadır. Bu aynı zamanda özel gereksinimleri olan yüksek kaliteli refrakter bileşenlerin üretim teknolojisiyle de ilgilidir. Bu alanda sürekli olarak yüksek performanslı malzemeler tanıtılmaktadır: müllit nitrür bağlı silisyum karbür, yeniden kristalize silisyum karbür ve silisyumla filtrelenmiş silisyum karbür bazlı malzemeler. Bu malzemeler çok yüksek mukavemet değerlerine sahip olup, seramik bileşenlerin kalınlığında önemli bir azalmaya ve dolayısıyla refrakter bileşenlerin ağırlığında belirgin bir azalmaya olanak tanır. Yüksek hızlı brülörlerin kullanıldığı gelişmiş yandan ateşlemeli fırınların yardımıyla, ayar yüksekliği sürekli olarak tek katmanlı ateşlemeye düşürülebilecek ve ilgili destek yapıları (fırın mobilyaları) daha da geliştirilecektir. Refrakter bileşenlerin ağırlığının azalması nedeniyle, kırlangıç ​​kuyruğu bağlantıları, birbirine kilitleme veya kilitleme şeritleri, kapaklar, çubuklar gibi akıllı cıvatalı bağlantılar ve güçlü bileşen tolerans kısıtlamaları yoluyla yer değiştirme ve titreşime karşı uygun mekanik stabilite elde edilebilir.

Bu aynı zamanda refrakter ürün üreticilerinin daha yüksek üretim teknolojisi seviyelerine olan talebini de büyük ölçüde artırdı. Bu tür ürünler için izin verilen boyut toleransı 1 mm'dir ve bu da tekniğin mevcut durumunu temsil etmektedir. Yukarıdaki gereklilikleri karşılamanın önkoşulları, yüksek kaliteli hammaddeler kullanılarak boyutsal olarak doğru ürünlerin üretilmesi; çok aşamalı kalıplara sahip programlanabilir hidrolik presler gibi gelişmiş presleme araçlarının geliştirilmesi; ve kurutma odalarının ve fırınlarının hassas kontrolü.

Bazı durumlarda, yukarıda belirtilen çeşitli malzemelerin kombinasyonlarıyla fırın arabaları tasarlanırken, tünel fırın arabası sisteminin sürekli çalışması ve sorunsuz performansı için belirleyici olan fiziksel özelliklerdeki büyük farklılıklara dikkat edilmelidir. Bu nedenle, önceki fırın arabası tasarımları esas olarak sayısal değerlere dayalıyken, günümüzde her bir bileşenin üretimi sırasındaki enerji, mekanik ve termal performans hesaplamaları giderek daha önemli bir rol oynamaktadır. Şekil 3, yapısal ve termal hesaplamalar yoluyla elde edilen optimum yük tasarımını göstermektedir.

Şekil 3

Bu durum fırın arabası tasarımında malzemelerin fiziksel özelliklerinin önemini göstermektedir. Örneğin, malzemelerin tersinir termal genleşmesi göz önüne alındığında, termal genleşme katsayısının analizi bazı durumlarda değerlerin büyük ölçüde değiştiğini göstermektedir. Bu hususun göz ardı edilmesi halinde, kaçınılmaz olarak fırın arabası sistemine zarar verici sonuçlara yol açacaktır.

Tünel fırın arabası sistemi her zaman kullanıcı ve ürünle bağlantılıdır. Tesisin pişirme sıcaklığı, pişirme döngüsü ve fırın atmosferi gibi gelecekteki proses parametrelerini bilmek ve tasarım aşamasında çeşitli üretim koşullarını dikkate almak, sistemin hizmet ömrünü uzatmak için doğru seçimi yapmak açısından önemlidir. Ancak bu şekilde olumsuz faktörlerden ve gereksiz tüketimden kaçınılabilir ve sistem optimize edilebilir.

Dr. Volker Hesse Burton-Werke, Melle/Buer'de Teknik Direktör Yardımcısıdır