مدول‌های ساخته شده از الیاف سرامیکی نسوز مورد استفاده در کوره

سیستم‌های نسوز مدولار چندین دهه است که به‌طور گسترده‌ای مورد استفاده قرار می‌گیرند. امروزه طراحی مدول‌ها پیشرفته شده و از مهم‌ترین چالش‌هایی که طراحان با آن رو برو هستند می‌توان به غلبه بر شیرینکیج، جلوگیری از نفوذ آب و پیش‌گیری از باز شدن سیستم‌های نگه‌دارندۀ مدول‌ها اشاره کرد. مدول‌های سرامیکی امکان نصب سریع و ایمن و همچنین افزایش سریع دما در کوره را فراهم می‌نمایند. به‌طور کلی استفاده از مدول‌های سرامیکی در مقایسه با سایر سیستم‌های عایق حرارتی منجر به افزایش بهره‌وری و کاهش هزینه‌ها می‌شود.

مدول‌های ساخته شده از الیاف سرامیکی نسوز از پتوهای سرامیکی تا شده و فشرده شده که به‌صورت بلوک‌هایی با اشکال و ابعاد استاندارد به یکدیگر متصل شده‌اند، ساخته می‌شوند. این پتوها با استفاده از بست‌های فلزی تا شده و به اشکال دلخواه درمی‌آیند. سپس از این مدول‌ها به‌عنوان بلوک‌های ساختمانی در ساخت انواع کوره‌ها استفاده می‌شود. نحوۀ چیدمان این مدول‌ها به‌گونه‌ای طراحی می‌شود که وقتی بست‌های فلزی باز می‌شوند، درزهای بین مدول‌ها در اثر انبساط آن‌ها کاملاً بسته شده و با فشاری که به یکدیگر وارد می‌نمایند کاملاً در جای خود تثبیت می‌شوند. سیستم بهره‌گیری از مدول‌های ساخته شده از الیاف سرامیکی نسوز به‌گونه‌ای است که بازده انرژی مصرفی تجهیز را ارتقاء داده و همچنین می‌تواند نیاز به کنترل‌های دقیق حین روشن نمودن کوره در اولین بار را کاهش دهد. برخی استفاده‌های رایج از مدول‌های ساخته شده از الیاف سرامیکی نسوز شامل کوره‌های آنیل و عملیات حرارتی، محفظه‌های احتراق، اکسیدکننده‌ها، کوره‌های مورد استفاده برای حذف مواد سوختنی، ریفرمرهای مواد هیدروکربنی، کوره‌های دمابالا، کوره‌های زباله‌سوز، داکت‌ها و دودکش‌ها، و دیگر موارد می‌باشد.

به‌طور کلی مدول‌های سرامیکی به‌گونه‌ای طراحی می‌شوند که پس از بازشدن تسمه‌های نگه‌دارندۀ آن‌ها، به دیواره‌ای فاقد درز تبدیل گردند. مدول‌های ساخته‌شده از الیاف سرامیکی راه‌حلی هستند برای ارتقاء بهره‌وری انرژی که می‌توانند حساسیت بدنۀ کوره به منحنی افزایش دما را کاهش داده و درنتیجه با استفاده از این محصول افزایش دما در گرمایش اولیه با سرعت بیشتری امکان‌پذیر می‌گردد. طراحی مدول‌های به‌گونه‌ای است که می‌توانند براساس نیاز به اشکال هندسی خاص با طراحی مهندسی ویژه تولید شوند، با این وجود این محصول در ابعاد استاندارد مناسب برای عموم کاربردها نیز در بازار موجود است. وقتی مدول‌های بازاری برای ساخت و نصب استفاده می‌شوند سیستم حاصله اغلب دچار مشکلاتی نظیر بروز نقاط داغ (نقاطی که در آن‌ها یکپارچگی دیوارۀ عایق کامل نیست)، وادادگی دیوارۀ عایق یا گسستگی مدول‌ها و یا بروز توامان این‌گونه مشکلات، متداول است. در این مقاله تفاوت‌های مدول‌های سرامیکی استاندارد (موجود در بازار) و مدول‌های سرامیکی طراحی شده متناسب با شرایط خاص محل مصرف، توضیح داده شده است.

کاربردهای مدول سرامیکی

مدول‌های ساخته شده از الیاف سرامیکی تاشده در ساخت انواع کوره‌ها و تجهیزات حرارتی کاربرد دارند. معمول‌ترین کاربردهای مدول‌های الیاف سرامیکی تاشده عبارتند از: کوره‌های عملیات حرارتی و آنیل، محفظه‌های احتراق، اکسیدکننده‌ها، آون‌های مخصوص سوزاندن مواد سوختنی، ریفورمرهای مواد هیدروکربنی، کوره‌های عام، کوره‌های زباله سوزی، داکت‌ها، دودکش‌ها و غیره. اولین حُسن استفاده از الیاف سرامیکی عبارت است از کاهش فواصل زمانی مورد نیاز بین سیکل‌های افزایش و کاهش دمای کوره.

 

مدول سرامیکی

شکل 1

فاکتورهای مهم در انتخاب مدول‌ سرامیکی مناسب

تعداد محدودی از تولیدکنندگان مدول‌های سرامیکی توانایی تولید و ارائه مدول‌های سرامیکی براساس درخواست خریدار را دارند درحالی که سایر تولید کنندگان صرفاً قادرند مدول‌هایی با ابعاد مشخص و محدود را عرضه نمایند. مصرف‌کنندگان نهایی مدول‌های سرامیکی باید درک صحیحی از فاکتورهای مشخصی که برای طراحی و اجرای موفق ضروری هستند را داشته باشند. ازجمله فاکتورهایی که بایستی در انتخاب مدول‌های سرامیکی مورد توجه قرار گیرند عبارتند از جهت تاخوردگی پتوهای سرامیکی در مدول، طول، عرض و ضخامت مدول (شکل 1 را ملاحظه فرمایید). دانسیته و ضخامت مدول الیاف سرامیکی بایستی متناسب با شرایط کاربردی کوره انتخاب شوند. آنالیز جریان‌های حرارتی در کوره ابزار بسیار کارآمدی است برای انتخاب صحیح ضخامت، دانسیته و آنالیز شیمیایی پتوهای به‌کار رفته در ساخت مدول مورد نیاز. وقتی تسمه های دور مدول‌های سرامیکی باز می‌شوند فشار موجود بین لایه‌های مدول رها می‌شود. آزاد شدن این فشار باعث می‌شود فضاهای خالی موجود بین مدول‌ها پر شده و باعث می‌شود انقباض مدول‌ها در حین کارکرد جبران شود. گوشه‌هایی از مدول که در جهت عمود بر تاشدگی پتوهای مورد استفاده در مدول برش خورده باشند از این فشار رها شده بهره‌ای نبرده و در اولین پخت دچار انقباض می‌شوند. قراردادن نوارهای فشرده از جنس پتوی سرامیکی بین لبه‌های برش‌خوردۀ مدول‌های سرامیکی و مدول‌های قرارگرفته در مجاورت آن‌ها می‌تواند به کاهش انقباض مدول در این بخش‌ها کمک نماید (شکل 2 را ملاحظه فرمایید). تسمه‌ها یا نوارهایی از جنس فولاد ضد زنگ در مدول‌ها نقش ستون فقرات را ایفا نموده و هر چین را به چین بعدی متصل می‌نمایند. شکل این تسمه‌ها براساس نوع سخت‌افزار مورد استفاده تعیین می‌گردند. تولیدکنندگان مدول‌های سرامیکی از مفتول، یوغ‌های ساخته شده از ورق تاشده، تسمه‌های سوراخ‌کاری شده و سایر ابزارهای مشابه برای جداسازی تسمه‌های نگه‌دارندۀ چین‌ها استفاده می‌کنند.

سخت افزار پیوند دهندۀ مدول‌های سرامیکی و فرآیند نصب

سخت افزار پیوند دهندۀ مدول‌های سرامیکی و فرآیند نصب

یکی از روش‌های نصب مدول‌های الیاف سرامیکی استفاده از تفنگ الکتریکی است؛ به‌این‌صورت که این تفنگ یک جریان برق بالا را از طریق یک میخ با نوکی از جنس فلز جوش‌خورده از یک طرف و یک فرول از طرف دیگر به مدول وارد می‌نماید. وقتی جریان برق اعمال می‌شود تا زمانی که نوک فلزی میخ داغ شود فرول همزمان فشرده و پیچیده می‌شود. در این هنگام فرول شکسته و مهره روی میخ پیچیده می‌شود. این فرآیند از سرعت بالایی برخوردار است لیکن برای هریک از مدول‌ها بایستی تست کشش انجام شود تا از استحکام کافی جوش ایجاد شده برای نگه‌داشت مدول سرامیکی در محل خود مطمئن شوید.

در روش دیگری که برای تثبیت مدول‌ها در محل مورد نظر استفاده می‌شود، با استفاده از یک تفنگ یا دستگاه جوش قوس الکتریکی، میخ را پیش جوش می‌کنند. در این روش کنترل ظاهر و آزمایش مقاومت مکانیکی تک‌تک جوش‌ها پیش از این‌که مدول‌ها را به آن‌ها وصل نمایند امکان‌پذیر می‌شود. در این روش ابتدا بایستی نقشۀ محل اتصال مدول‌های الیاف سرامیکی به بدنۀ فلزی کوره تهیه شده و محل دقیق اتصال هر مدول در آن مشخص شده باشد تا مدول‌ها دقیقاً مطابق با طراحی انجام‌شده در محل خود قرارگیرند.

تکنیک‌های نصب با استفاده از آنکرهای Hشکل و Uشکل نیز بسیار متداول هستند. در این روش مدول‌های الیاف سرامیکی از نوع “پلیسه‌ای” بوده و فاقد سیستم نگه‌دارنده‌های فولادی در درون‌شان هستند. چین‌ها در مرز بین مدول‌ها در آنکرهای Uشکل یا Hشکل فرومی‌روند. اجرای این روش بایستی با دقت انجام پذیرد تا از بازشدن درزها دراثر انقباض مدول‌ها در محل اتصال با آنکرها جلوگیری شود. چنین درزهایی درصورت ایجاد، نبایستی در معرض حرارت کوره قرارگیرند.

درصورت استفاده از یوغ‌های ساخته شده از ورق تاشده، ماکزیمم الیاف سرامیکی قابل مهارشدن محدودیت خواهد داشت (معمولاً حداکثر یک فوت مربع به ازاء هر یوغ). معمولاً وقتی یک نقطۀ داغ روی بدنۀ کوره ایجاد می‌شود، اپراتور کوره و پرسنل نگهداری و تعمیرات حین بازرسی پوشش جدارۀ داخلی کوره متوجه می‌شوند که در آن نقطه فقط میخ جوش‌شده به داخل بدنه و یوغ باقی‌مانده است. درهنگام تعمیر بایستی این اجزاء باقی‌مانده از بدنۀ کوره کاملاً برداشته شده و یک مدول سرامیکی جدید در محل جایگزین گردد.

برای پیش‌گیری از ایجاد نقاط داغ بهتر است از سیستم‌هایی بر پایۀ طراحی مهندسی استفاده شود. استفاده از تسمه‌های سوراخ‌کاری‌شده و تسمه‌های فولادی نگه‌دارنده، روش جایگزینی است که استفاده از پوشش پهن‌تری از الیاف به‌ازاء هر آنکر را امکان‌پذیر نموده و شبکه بندی مقاوم‌تری را برای سطح سرد مدول‌ها فراهم می‌نماید. چنین رویکردی بهینه‌سازی چیدمان مدول‌های الیاف سرامیکی را که در کوره‌های خاص ضرورت دارد، ممکن می‌سازد. پارامترهای قابل تنظیم برای این‌گونه بهینه‌سازی‌ها عبارتند از: فاصلۀ بین تسمه‌ها، محل قرارگرفتن آنکرها، ابعاد تسمه‌های سوراخ‌کاری‌شده و ضخامت مدول‌های سرامیکی مورد استفاده. گوشه‌های قائم را می‌توان با استفاده از تسمه‌های فولای با خمیدگی 90 درجه و تکه‌های بریده‌شدۀ الیاف سرامیکی که به “دماغ گاوی” معروف هستند پوشش داد. این تکنیک از بروز نقاط داغ در محل اتصال دیواره و سقف کوره پیش‌گیری می‌نماید. در سیستمی که براساس یک طراحی مهندسی مناسب و با استفاده از تسمه‌های سوراخ‌کاری‌شده و مدول‌های سرامیکی با ابعاد متغیر اجرا شده باشد، ترکیب بهینه‌ای از محل قرارگیری آنکرها و ملاحظات ضروری درخصوص عدم انقباض جداره، حاصل می‌شود. چنین رویکرد مهندسی در پوشش داخلی کوره‌ها برای دستیابی به نتایج مطلوب کاملاً کارآمد خواهد بود.

مدول‌های سرامیکی Z-Flex به‌طور گسترده‌ای در کوره‌هایی که اشکال خاص دارند از قبیل کوره‌های با مقطع لوله‌ای‌شکل و داکت‌ها یا کانال‌های انتقال ترکیب مواد داغ، کاربرد دارند (شکل 3 را ملاحظه فرمایید). در این مدل از مدول‌های سرامیکی به‌هم‌پیوسته، یک تسمۀ فولادی برای متصل نمودن مدول‌های سرامیکی از طرف سطح سرد آن‌ها استفاده می‌شود. به‌طور کلی در این نوع مدول‌های سرامیکی، برقراری اتصال سطوح تک‌تک مدول‌ها به یکدیگر فرآیندی زمان‌بر خواهد بود. برای نصب مدول‌های سرامیکی Z-Flex در مقاطع دایره‌ای‌شکل تقریباً نیازی به طراحی نحوۀ چیدمان مدول‌ها نیست. اتصال حلقه‌های به‌هم‌پیوستۀ مدول‌ها به بدنۀ کوره از طریق آنکرهای Lشکل و Tشکل صورت می‌پذیرد. استفاده از تسمه‌ها و آنکرها در این روش درجه‌ای از اطمینان را ایجاد می‌نماید که در روش‌های سنتی اتصال مدول‌ها به بدنۀ کوره دیده نمی‌شود.

نصب مدول سرامیکی

شکل 3

نتیجه‌گیری

هیچ مدول الیاف سرامیکی که بتواند با ابعادی ثابت سطح داخلی انواع کوره‌ها را به‌طور اصولی پوشش دهد وجود ندارد. برای پوشش اصولی دیوارۀ داخلی کوره لازم است با رویکردی مهندسی فاکتورهای کلیدی از جمله نوع اتصال مدول‌ها به یکدیگر و به بدنۀ کوره، آنالیز شیمیایی الیاف به‌کار رفته در مدول‌ها، دانسیتۀ مدول، ابعاد فیزیکی مدول و کنترل انقباض مدول‌ها پس از حرارت‌دهی، تحت کنترل قرارگیرند. تولیدکنندگان مدول‌های ساخته‌شده از الیاف سرامیکی بایستی قابلیت ارائه مدول‌های ویژۀ مهندسی را داشته باشند تا با استفاده از آن‌ها کارآیی، دوام و مدیریت بهینۀ هزینه در شرایط بهینه قرارگیرد.