Ведомственные строительные нормы ВСН 429-81 "Инструкция по проектированию футеровок промышленных печей из огнеупорных волокнистых материалов" (утв. Минмонтажспецстроем СССР 12 ноября 1981 г.)

Срок введения с 1 июля 1982 г.

Вводится впервые

Настоящая инструкция разработана ВНИПИ Теплопроект Минмонтажспецстроя СССР на основании экспериментальных исследований, опыта проектирования, строительства и эксплуатации тепловых агрегатов с футеровками из волокнистых огнеупорных материалов.

При составлении инструкции использованы данные и проектные материалы ВНИПИ Теплопроект, Стальпроекта, Гипромеза, конструкторских бюро ПО "Ижорский завод" и "Горьковский автомобильный завод", опыт строительства тепловых агрегатов с новыми конструкциями футеровок, накопленный трестом Союзтеплострой, результаты эксплуатации головных образцов печей, а также паровых и водогрейных котлов на Челябинском металлургическом заводе, Магнитогорском металлургическом комбинате, Московском металлургическом заводе "Серп и Молот", ПО "Ижорский завод" и "Горьковский автомобильный завод", Гурьевском нефтеперерабатывающем заводе и других предприятиях.

Инструкция разработана лабораторией крупноблочных жаростойких конструкций ВНИПИ Теплопроект под руководством канд. техн. наук И.И. Шахова. Ответственный исполнитель Ю.Г. Каленский. В составлении инструкции принимали участие С.П. Батурин, А.Ф. Шестаков, В.Г. Кутузов, Л.С. Шерстова.

Инструкция согласована с Госстроем СССР.

1. Общие положения

1.1. Настоящая инструкция предназначена для проектирования конструкций футеровок промышленных печей с использованием в качестве рабочего и изоляционного слоев футеровок изделий на основе огнеупорных волокнистых материалов. Области применения огнеупорных волокнистых материалов приведены в Приложении 1.

1.2. Изделия на основе огнеупорных волокнистых материалов следует применять после проведения технико-экономического анализа в тех случаях, когда достигается экономический эффект благодаря:

экономии топлива в период эксплуатации печей;

повышению производительности печей в результате сокращения цикла термообработки в печах периодического действия или увеличения рабочего пространства печи;

уменьшению трудозатрат при монтаже, а также сокращению сроков строительства и ремонта, в первую очередь, вследствие применения панельных конструкций футеровок максимальной заводской готовности.

1.3. Конструкции тепловых агрегатов с применением огнеупорных волокнистых материалов следует проектировать, как правило, сборными из крупноразмерных элементов и панелей с выполнением футеровки до монтажа печи. В отдельных случаях, в основном при производстве ремонтных работ, допускается применение конструкций, предусматривающих монтаж футеровки непосредственно в тепловом агрегате на готовом металлическом кожухе.

1.4. Газоплотность промышленных печей с футеровками из огнеупорных волокнистых материалов обеспечивают стальным листом панелей или кожухом печи. Конструкции стыков сборных панелей, оформление отверстий для термопар, гляделок и других технологических отверстий должны обеспечивать газоплотность печей (см. разделы 4, 5).

1.5. Металлоконструкции панелей тепловых агрегатов с футеровкой из огнеупорных волокнистых материалов следует проектировать в соответствии со СНиП II-В.3-72 "Стальные конструкции. Нормы проектирования".

ГАРАНТ:

Взамен СНиП II-В.3-72 постановлением Госстроя СССР от 14 августа 1981 г. N 144 с 1 января 1982 г. введены в действие СНиП II-23-81*

1.6. Приваривать металлические элементы креплений к кожуху печи следует, как правило, сварочными пистолетами. Металлические анкеры и детали креплений из жаростойкой стали приваривают к металлическому основанию в соответствии с ОСТ 26-01-10-70.

1.7. Сушку футеровок, выполненных из изделий на основе огнеупорных волокнистых материалов, не производят. Скорость разогрева этих футеровок не лимитируют. Сушку и разогрев футеровки тепловых агрегатов, в которых наряду с футеровкой из огнеупорных волокнистых материалов применена футеровка из штучных огнеупорных изделий или огнеупорных бетонов, производят согласно указаниям, регламентирующим скорости сушки и разогрева печей из этих материалов. Сушку промышленных печей с монолитными футеровками на основе огнеупорных волокнистых материалов (теплоизоляционные композиции) также не производят. Однако в процессе первого разогрева теплового агрегата следует устраивать площадки выдержки при температурах 150°C и 300°C на горячей поверхности футеровки (продолжительностью 4-8 каждая).

1.8. При применении футеровок на основе огнеупорных волокнистых материалов в тепловых агрегатах, работающих на сернистых мазутах, должны быть приняты специальные меры с целью защиты металлического кожуха и деталей креплений футеровки от коррозии.

2. Материалы для футеровок

2.1. Огнеупорные волокнистые материалы и изделия используют в качестве рабочего и теплоизоляционного слоев футеровок, не воспринимающих внешних нагрузок. Виды огнеупорных волокнистых материалов и их основные свойства приведены в табл. 1. Перечень огнеупорных волокнистых материалов, выпуск которых намечен на ближайшие годы, приведен в Приложении 2.

2.2. Для изготовления металлоконструкций панелей футеровки следует применять сталь, соответствующую требованиям ГОСТ 19282-73 и ГОСТ 19903-74.

ГАРАНТ:

Взамен ГОСТ 19282-73 постановлением Госстандарта СССР от 28 сентября 1989 г. N 2972 с 1 января 1991 г. введен в действие ГОСТ 19281-89

2.3. Для изготовления стальных анкеров и деталей креплений футеровок следует применять коррозионно-стойкие, жаростойкие и жаропрочные стали и сплавы, соответствующие требованиям ГОСТ 5632-72 и ГОСТ 20072-74.

Виды сталей для изготовления элементов креплений приведены в табл. 2. При выборе марки стали для анкеров следует учитывать возможность свариваемости и изготовления, а также условия эксплуатации.

2.4. Керамические анкеры следует выполнять из высокоглиноземистого сырья на глиняной или иной связке с содержанием не менее 45% (в соответствии с ГОСТ 4385-68). Предел прочности при растяжении материала керамического анкера в условиях нормальной температуры должен быть не ниже 2,94 МПа (30 ).

2.5. Теплоизоляционные слои многослойных конструкций футеровок следует выполнять из огнеупорных волокнистых материалов и изделий, имеющих температуру применения не ниже максимальной температуры нагрева слоя и объемную массу, соответствующую минимальному расходу материала для обеспечения требуемого термического сопротивления при средней температуре нагрева слоя.

2.6. Составы теплоизоляционных композиций на основе огнеупорных волокнистых материалов и способы их укладки должны соответствовать инструкции ВСН 412-80 ММСС СССР.

2.7. При проведении теплотехнических расчетов удельную теплоемкость изделий на основе огнеупорных волокнистых материалов следует принимать равной 1047 , или 0,25 .

Таблица 1

Наименование и марка огнеупорного волокнистого материала или изделия	Максимальная температура применения, °C		Объемная масса, кг/м3	Размеры, мм	Теплопроводность, Вт/(м x К) ккал/(м.ч. °C) при средней температуре, °C						Нормативный материал	Завод-изготовитель
	рабочий слой	изоляционный слой			200	400	600	800	1000	1200
Муллитокремнеземистая вата, МКРВ	-	1150	100	-	0,08 (0,07)	0,12 (0,10)	0,17 (0,15)	0,29 (0,25)	0,47 (0,40)	0,79 (0,68)	ГОСТ 23619-79	Богдановичский огнеупорный завод (Сухоложское производство), Северский доломитный завод
Муллитокремнеземистый рулонный материал, МКРР-130	-	1150	130	(5000-10000) х (600-1400) х (20, 30, 40)	0,14 (0,12)	0,17 (0,15)	0,22 (0,19)	0,31 (0,27)	0,50 (0,43)	0,79 (0,68)	То же	То же
Муллитокремнеземистые плиты на органической связке, МКРП-340	600	1150	340	(600, 700) x (400, 500) x (30, 40, 50, 60)	0,15 (0,13)	0,19 (0,16)	0,23 (0,20)	0,29 (0,25)	0,40 (0,34)	0,53 (0,46)	"	Богдановичский огнеупорный завод, Северский доломитный завод, Первоуральский динасовый завод
Муллитокремнеземистый войлок, МКРВ-200	850	1150	200	(5000-10000) x (600-1400) x (20, 30, 40)	0,09 (0,06)	0,12 (0,10)	0,14 (0,12)	0,20 (0,17)	0,33 (0,28)	0,58 (0,50)	"	Богдановичский огнеупорный завод (Сухоложское производство)
Плиты на основе муллитокремнеземистой ваты и глиняной связки, ШВП-350	1200	1200	350	(490x490) x (100, 120)	0,15 (0,13)	0,17 (0,15)	0,19 (0,16)	0,23 (0,20)	0,29 (0,25)	0,43 (0,37)	ТУ 36-2345-80	Апрелевский опытный завод теплоизоляционных изделий, ВНИПИ Теплопроект
Теплоизоляционные композиции	850	-	400	-	0,17 (0,15)	0,20 (0,17)	0,24 (0,21)	0,30 (0,26)	0,41 (0,35)	-	ВСН 412-80 ММСС СССР	-
	1000	-	600	-	0,21 (0,18)	0,23 (0,20)	0,29 (0,25)	0,36 (0,31)	0,44 (0,38)	-	То же	-
Шнуры теплоизоляционные из муллитокремнеземистой ваты	-	1150	200	Длина более 10000 мм, диаметр 20, 40, 50, 60, 70, 80, 90	0,07 (0,07)	0,12 (0,12)	0,19 (0,19)	0,26 (0,26)	0,44 (0,38)	0,58 (0,50)	ТУ 36-1695-79	Беличское НПО "Теплозвукоизоляция"
Плиты теплоизоляционные из минеральной ваты на синтетическом связующем	-	500	100	1000x500x(40, 50, 60)	0,086 (0,074)	0,109 (0,094)	0,186 (0,160)	-	-	-	ГОСТ 9573-72	ПО "Мосасботермостекло", Вильнюсское ПО силикатных изделий
			125		0,088 (0,076)	0,112 (0,096)	0,192 (0,165)	-	-	-
Плиты теплоизоляционные повышенной жесткости из минеральной ваты на синтетическом связующем	-	500	200	1000x500x(40, 50, 60)	0,105 (0,09)	0,140 (0,120)	0,174 (0,150)	-	-	-	ГОСТ 22950-78	Коммунарский завод строительных конструкций

ГАРАНТ:

См. ГОСТ 9573-96 "Плиты из минеральной ваты на синтетическом связующем теплоизоляционные. Технические условия", введенный в действие постановлением Минстроя РФ от 6 декабря 1996 г. N 18-90

Взамен ГОСТ 22950-78 постановлением Минстроя РФ от 5 марта 1996 г. N 18-16 с 1 июля 1996 г. введен в действие ГОСТ 22950-95

Таблица 2

Марка стали	Температура начала интенсивного окалинообразования, °C	Теплотехнические свойства		Максимальная температура применения, °C
		обработка резанием	свариваемость
15Х5	650	++	+	600
15Х5М	650	+	+	600
12Х13	700	+	+	650
12Х17; 08Х17Т	900	+	+	800
15Х25Т	1050	+	+	900
15Х28	1100-1150	+	+	1000
12Х18Н9; 12Х18Н9Т	850	+	++	800
20Х23Н13	1050	+	++	1000
08Х20Н14С2	1050	+	++	1000
20Х20Н14С2	1050	+	++	1000
20Х23Н18	1050	+	+	1000
20Х25Н20С2	1100	+	+	1050
Сплав Х20Н80	1150	+	+	1100

Обозначения: + - удовлетворительная; ++ - хорошая.

3. Основные положения расчета элементов футеровок

3.1. Теплотехнический расчет является основным для футеровок тепловых агрегатов из огнеупорных волокнистых материалов. По его результатам подбирают толщину отдельных слоев и всего ограждения.

Толщину футеровки следует назначать такой, чтобы затраты на ее возведение и эксплуатационные затраты были минимальными:

,

где З - приведенные затраты на возведение футеровки, ;

Э - годовые эксплуатационные затраты - стоимость теряемого через футеровку тепла, ;

Т - нормативный период окупаемости, принимаемый равным стойкости футеровки, но не более 6,6 лет.

3.2. Наибольшие температуры нагрева слоев футеровки и деталей креплений следует определять на основании теплотехнического расчета температур для установившегося теплового потока при заданной проектом температуре рабочего пространства.

Температуры в сечениях элементов футеровок следует рассчитывать как для многослойной плоской стенки. Удельный тепловой поток через футеровку следует определять по формуле:

,

где q - удельный тепловой поток, ;

- температура внутренней (горячей) поверхности футеровки, К;

- температура наружного воздуха, К;

- термическое сопротивление теплопередаче многослойной стенки, ;

- коэффициент теплоотдачи на наружной поверхности футеровки, ;

к - количество слоев футеровки.

3.3. Термическое сопротивление слоя футеровки определяют по формуле:

,

где - толщина слоя, м;

- теплопроводность (табл. 1) при средней температуре слоя, .

3.4. Значение коэффициента для тепловых агрегатов, расположенных в помещениях или на открытом воздухе, но защищенных от ветра, следует определять по формуле:

,

где - температура наружной поверхности ограждения, К.

Для тепловых агрегатов, расположенных на открытом воздухе и не защищенных от воздействия ветра, значение коэффициента следует определять по формуле:

,

где V - среднегодовая скорость ветра, м/с, определяется по СНиП II-А.6-72.

ГАРАНТ:

СНиП 23-01-99* "Строительная климатология", утвержденный постановлением Госстроя России от 11 июня 1999 г. N 45

3.5. Температуру (К+1)-го слоя футеровки следует определять по формуле:

.

3.6. Вследствие наличия металлических и керамических анкеров тепловые потоки через футеровку следует увеличивать на 5%.

3.7. Сборные панели необходимо рассчитывать на нагрузку от собственной массы металлоконструкций и футеровки из волокнистых материалов в процессе изготовления, транспортирования и монтажа, принимая коэффициент динамичности равным 1,5. Жесткость металлоконструкций панели должна быть достаточной для того, чтобы обеспечить сохранность футеровки из волокнистых материалов.

3.8. Панельные конструкции печей, а также узлы сопряжения панелей должны быть проверены расчетом на усилия, возникающие при хлопке. Величину внутреннего давления при хлопке следует принимать равной 1,961 кПа (200 ). При наличии взрывных клапанов этот расчет не производят.

4. Общие принципы конструирования

4.1. Для изготовления футеровок из огнеупорных волокнистых материалов могут быть использованы изделия в виде формованных плит и войлока, а также теплоизоляционные композиции с наполнителем из огнеупорных волокнистых материалов. Не допускается применение изделий на основе огнеупорных волокнистых материалов в слое футеровки, который обращен в рабочее пространство печи и может подвергаться внешним механическим воздействиям.

4.2. Слой футеровки, обращенный в рабочее пространство, при скоростях движения газов внутри печного пространства менее 7 м/с и температуре до 850°C следует выполнять из войлока; при скоростях до 40 м/с - из формованных плит на глиняной связке (ШВП-350) или теплоизоляционных композиций с прочностью не менее 1 МПа (10 ). При скоростях движения газов внутри печного пространства более 40 м/с или наличии истирающего воздействия футеровка из волокнистых огнеупорных материалов должна быть защищена от эрозии слоем огнеупорного кирпича или огнеупорного бетона.

4.3. В ограждающих конструкциях из огнеупорных волокнистых материалов футеровка выполняет только теплозащитные функции. Толщину слоя футеровки панелей устанавливают на основании теплотехнического расчета. Конструктивные решения футеровок тепловых агрегатов с применением огнеупорных волокнистых материалов приведены на рис. 1.

4.4. Конструкция и длина анкеров зависят от максимально допустимой температуры их нагрева, толщины футеровки, материала слоев и способов монтажа футеровки.

4.5. Элементы технологического оборудования, проходящие сквозь футеровку (штуцеры, патрубки и пр.), крепят к кожуху печи или металлоконструкции панелей. Во всех случаях должно быть предусмотрено обеспечение независимых деформаций футеровки и элементов технологического оборудования.

4.6. Конструкция футеровки в месте установки технологических термопар должна обеспечивать сохранность футеровки при их установке и замене и не ухудшать теплотехнических показателей футеровки. Узел футеровки в месте установки термопары приведен на рис. 2.

4.7. Сопряжение футеровки из огнеупорных волокнистых материалов с шамотной кладкой следует выполнять таким образом, чтобы предохранить металлоконструкции панелей или кожух печи от перегревов. Узел сопряжения приведен на рис. 3.

Футеровки с применением плитных изделий

4.8. В многослойных футеровках с рабочим слоем из плит ШВП-350 в качестве внутреннего, теплоизоляционного слоя, нагретого до температуры выше 600°C, следует применять муллитокремнеземистый войлок МКРВ-200. При монтаже футеровки и определении расхода материала необходимо учитывать коэффициент уплотнения войлока во внутреннем слое теплоизоляции, равный 1,5.

4.9. Для крепления футеровки стен к металлическому листу панелей или к кожуху печи при температурах до 1200°C следует применять керамические (рис. 4) или скрытые металлические (рис. 5) анкеры. Скрытые металлические и керамические анкеры устанавливают в горизонтальных швах между плитами (по два анкера на плиту с каждой стороны). Швы необходимо заполнять огнеупорным войлоком.

4.10. В футеровках стен и сводов при температурах до 1000°C следует применять металлические анкеры в виде штырей (рис. 6). Крепление футеровки выполняют при помощи шайб и гаек, навинчиваемых на штыри, снабженные резьбой, либо при помощи шайб, привариваемых к штырям. На каждую плиту устанавливают по четыре таких штыря (на расстоянии 100 мм от каждой из сторон плиты). В этом случае плиты устанавливают вплотную друг к другу.

4.11. При проектировании футеровок (раскладке плит и назначении мест приварки анкеров) следует исходить из минимальных размеров сторон плит. Для плит ШВП-350 этот размер равняется 480 мм.

4.12. В футеровках стен, высота которых превышает 4 м, а температура службы - 900°C (при применении скрытых анкеров), необходимо предусматривать устройство разгрузочного горизонтального пояса, воспринимающего нагрузку от массы вышележащих плит.

4.13. В электропечах сопротивления с расположением электронагревателей на стенах и сводах необходимо применять плиты ШВП-350 толщиной 120 мм. Для крепления плит футеровки и электронагревателей следует использовать керамические или металлические анкеры, не выступающие на наружную поверхность футеровки. Высота стен электропечей сопротивления с расположением электронагревателей на стенах не должна превышать 1,5 м.

4.14. В футеровках стен электропечей следует применять металлические анкеры скрытого типа или в виде штырей, располагаемых в углублениях плит (рис. 7, а). В футеровках сводов для крепления плит необходимо применять анкеры типа штырей, располагаемые в углублениях плит (рис. 7, б). По окончании монтажа футеровки углубления заделываются огнеупорной массой на основе огнеупорных волокнистых материалов. Состав огнеупорной массы и технология заполнения углублений в плитах приведены в Приложении 3.

4.15. В качестве металлических держателей для крепления электронагревателей на стенах следует применять крюки из нихрома (см. рис. 7). Крюки из нихрома заглубляют в плиты ШВП-350 на глубину 100 мм и располагают под углом 30°.

На сводах печей электронагреватели подвешивают за крюки из нихрома, которые крепят к плитам ШВП-350 (см. рис. 7, б). Схемы расстановки нагревателей на стенах электропечей сопротивления приведены на рис. 8.

4.16. В электропечах сопротивления следует применять нагреватели только из проволоки круглого сечения. Применение электронагревателей из полосы не допускается.

Футеровки с применением войлока

4.17. При монтаже футеровок с рабочим слоем из муллитокремнеземистого войлока МКРВ-200 и определении расхода войлока на футеровку необходимо учитывать коэффициент уплотнения войлока в рабочем слое футеровки, равный 1,2.

4.18. В футеровках стен следует применять металлические анкеры. Конструкции анкеров для крепления футеровки из огнеупорного войлока приведены на рис. 6, 9 и 10. При монтаже футеровок величину дополнительного уплотнения войлока шайбами в местах установки анкеров принимают равной 20-25 мм (для толщин рабочего слоя до 50 мм) и 30-35 мм (для толщин рабочего слоя войлока от 50 до 100 мм).

Расстановку металлических анкеров и укладку слоев войлока производят согласно схемам, приведенным на рис. 11.

4.19. Швы по границам отдельных слоев рулонированного войлока не устраивают, а полосы рулона слоев укладывают с перевязкой швов.

4.20. В футеровках стен высотой менее 3 м при значительной протяженности теплового агрегата укладывают слои рулонированного войлока в горизонтальном направлении. При высоте стен 3 м и более слои рулонированного войлока укладывают в вертикальном направлении.

4.21. При горизонтальном расположении слоев войлока следует использовать металлические анкеры скрытого типа. Конструкция футеровки с горизонтальным расположением слоев войлока приведена на рис. 12. Коэффициент уплотнения муллитокремнеземистого войлока в футеровках с горизонтальным расположением слоев войлока следует принимать равным 2.

Футеровки с монолитным слоем

4.22. Футеровки с монолитным наружным слоем, образуемым методом торкретирования или укладкой теплоизоляционных композиций на основе огнеупорных волокнистых материалов, следует применять:

при футеровке участков сложной конфигурации и в местах сопряжения с трубами газоходов и др.;

при ремонтах отдельных участков футеровки.

4.23. В зависимости от температуры эксплуатации футеровки выполняют однослойными или многослойными с теплоизоляционными слоями. Во всех случаях толщину слоя необходимо назначать не менее 80-100 мм.

4.24. Конструкции стальных анкеров для крепления футеровок с монолитным наружным слоем, образуемым методом торкретирования или укладкой теплоизоляционных композиций на основе огнеупорных волокнистых материалов, приведены на рис. 13 и 14.

4.25. Для равномерного распределения усадочных трещин по более нагретой поверхности панелей, наружный слой которых образуют методом торкретирования или выполняют монолитным из теплоизоляционных композиций на основе огнеупорных волокнистых материалов, следует предусматривать усадочные швы шириной 3 мм и глубиной, равной половине толщины наружного слоя. Расстояние между швами 750 мм.

5. Панельные конструкции печей

5.1. При проектировании панелей футеровок из огнеупорных волокнистых материалов и изделий, обладающих малой объемной массой, следует максимально укрупнять их размеры. Перед монтажом на рабочей площадке следует производить укрупнительную сборку панелей в единый монтажный элемент.

5.2. При разработке конструкций печей из панелей конструктивные решения могут быть в виде:

каркасно-панельных конструкций (рис. 15, а);

панельных конструкций, образующих каркас печи (рис. 15, б).

5.3. Каркасы в каркасно-панельных конструкциях воспринимают все статические и динамические нагрузки, в том числе и от собственной массы ограждающих панелей футеровки.

5.4. В панельных конструкциях печей все нагрузки воспринимают панели, образующие каркас печи. При проектировании панельных конструкций печей их общая устойчивость должна обеспечиваться соответствующим конструированием узлов и включением в работу дополнительных элементов печи (лестниц, площадок и т.п.).

5.5. Металлоконструкции сборных панелей должны иметь по периметру листа металлическую обвязку, обеспечивающую прочность и жесткость панелей при транспортировании и монтаже. Обвязку панелей необходимо использовать также в качестве элементов для стыковки панелей между собой или к элементам каркаса печи. Для этого в панелях следует предусматривать отверстия для их болтового крепления (рис. 16 а, б).

5.6. Монтажные петли панелей крепят или приваривают к металлической обвязке. Для удобства монтажа целесообразно петли выполнять съемными и располагать ближе к центру тяжести панели.

5.7. Очертания торцевых поверхностей панели должны обеспечивать простоту различных узлов сопряжений элементов футеровки и удобство выполнения швов. Примеры конструирования стыков приведены на рис. 16, в, 17 и 18.

5.8. При проектировании панелей футеровки из огнеупорных волокнистых материалов следует предусмотреть между ними уплотнительные прокладки и (при необходимости) устройство компенсаторов между элементами стыкуемых панелей для обеспечения газоплотности и свободы температурных деформаций кожуха футеровки.

5.9. Конструкции металлического несущего каркаса печей должны обеспечивать простоту и удобство монтажа и демонтажа крупноразмерных панелей.

5.10. При конструировании панелей следует предусматривать мероприятия, обеспечивающие сохранность футерованных панелей в период транспортирования и защиту их от увлажнения. Пример объединения панелей в транспортный пакет приведен на рис. 19.