Печи для обжига кирпича и черепицы, и их конструкции

Обжиг сырца имеет целью придать ему механическую прочность, требуемую условиями строительства и сделать его неразмываемым в воде. Сырец обжигают при высоких температурах 900—1050°, а иногда и выше. Необходимая температура обжига зависит от свойства глины, т. е. от физического, химического и минералогического ее состава. Обжиг производится в печах (горнах) самых разнообразных конструкций. Печи можно разделить на две основных группы — периодического и непрерывного действия.

Печи периодического действия характеризуются работой отдельными завершенными самостоятельными периодами — циклами. Каждый цикл состоит из загрузки горна, прогрева и просушки сырца (окур), обжига его, охлаждения и выгрузки. Печи периодического действия делятся на 3 вида:

1. Печи с прямым пламенем (прямой тягой).

2. Печи с обратным пламенем (обратной тягой).

3. Печи с горизонтальным пламенем (горизонтальной тягой)

Всякая печь имеет 3 основных элемента:

1. Топка, где происходит сжигание топлива.

2. Рабочая камера, где происходит обжиг изделий.

3. Вытяжное приспособление для отвода дымовых газов (труба или вентилятор).

В печи с прямым пламенем эти 3 элемента расположены один над другим, как это изображено на схеме (рис. 97). Дымовые газы из топки 1, поступают снизу в рабочую камеру и двигаются вверх (путь движения газов на рисунке показан стрелками).

Движение вверх совершается вследствие того, что газы, поступающие из топки в рабочую камеру являются наиболее нагретыми и легкими. Поэтому они всплывают наверх в среде несколько, остывших, более холодных, и вследствие этого более тяжелых, и уходят в дымовую трубу. Допустим, что дымовые газы устремились большой струйкой через неплотно уложенные изделия, в одной части горна. Проходящая здесь относительно большая масса дымовых газов быстро нагреет соприкасающиеся с нею изделия, больше чем в других частях горна.

Образуется нечто вроде дымовой трубы, через которую будет протягиваться все больше и больше дымовых газов. Разность температур в различных частях горна увеличивается еще больше.

Температуры в разных частях печи, в конце обжига, иногда разнятся на 200—300°С.

Газы поступающие из топки, будучи наиболее нагретыми, хорошо обжигают нижние ряды изделий. He имея преград эти газы быстро проходят через промежутки между продукцией в трубу, плохо обжигая верхние ряды садки.

Создается снова большая разница температур между верхом и низом.

Следовательно работа печи с прямым пламенем характеризуется в первую очередь неравномерностью температур. С другой стороны дымовые газы уходят недостаточно охлажденными, с высокой температурой. Из этих печей, при относительно повышенном расходе топлива выходит низкое качество продукции. Peгyлировать работу печей с прямым пламенем очень трудно.

В практике керамической промышленности встречается большое количество печей с прямым пламенем в различных вариантах.

Так, например, в одном из вариантов топки и стены выкладывают из сырца.

Печь обмазывают со всех сторон глиной и производят обжиг. Этот способ называют обжигом в штабелях.

Изделия в штабелях, естественно, обжигаются с большим удельным расходом топлива и высоким процентом низкокачественной продукции.

Вторым простейшим и наиболее дешевым видом печей является безсводовая напольная печь для обжига кирпича или кирпича вместе с черепицей. Конструкция такой печи, разработанная Государственным Российским трестом по проектированию предприятий промышленности строительных материалов (сокращенно Росстромпроект) изображена на рисунках 98 и 99. Печь детально показана двумя вертикальными (продольным и поперечным) разрезами. Печь этих размеров рассчитана на 30 тыс. шт. кирпича одновременной загрузки. Изменяя размеры этого типа печей можно получить емкость от 15 до 45 тыс. шт. кирпича. Для удобства загрузки и выгрузки, а также удешевления строительства печь утоплена в землю (на 1,78 м ниже уровня земли). Вместе с тем основания фундамента опущены также на эту глубину, что гарантирует от выпучивания грунта под фундаментом и от разрушения печи. Стены для удешевления строительства можно полностью или частично (верхние ряды) выкладывать из кирпича сырца. В Государственном Общесоюзном стандарте (ГОСТ 2 213—43) приведены указания по строительству такой печи и по садке сырца в печь. По этим указаниям площадка для строительства должна быть сухой. Уровень грунтовых вод должен быть ниже 2м от уровня земли. Площадку для печи для защиты от атмосферных осадков делают с уклоном в 1/100 помимо этого вокруг площадки выкапывают кюветы (водосточные канавки) шириной и глубиной по 0,5 м, также с уклоном в одну сторону для отвода атмосферных и вешних вод. Очелки (топки) должны быть выложены из обожженного кирпича на глиняном растворе. Во время кладки печи стены и под не связываются между собой во избежание трещин при осадке пода вследствие нагрузки, посаженного в печь кирпича. Устойчивость стен создают установкой контрфорсов. Можно класть печь без контрфорсов, но тогда необходимо делать металлическую обвязку из полосового железа со стяжкой болтами. У передней стены печи для удобства обслуживания топок устраивают приямок — (на рис. 99 изображен буквой П). Для удобного входа в приямок делают лестницу. Приямок укрепляют деревянными стенами.

Сырец в печь загружается с расчетом создания устойчивой садки. С этой целью делают перевязку горизонтальных рядов вертикальными кирпичами. Садят кирпич в печь так, чтоб он опирался только на под печи. Стены печи не должны нести нагрузки от садки. Общий вид садки кирпича сырца в напольной печи изображен на рис. 100. Если выстилка пода печи сплошная, сначала кладут «ножки» в один кирпич на ребро. Ножки кладут параллельно прогарам, в три ленты между каждыми двумя прогарами. Перпендикулярно ножкам выкладывают первый ряд елки с зазором между длинными сторонами в 15—20 мм. Короткие стороны кладут впритык друг к другу. Второй ряд вверх по высоте кладут перпендикулярно первому, также со сплошной выстилкой; третий ряд, кладут как первый. На третий ряд кладут четвертый ряд елки скошенной на 30—40° по отношению к третьему. Короткие стороны кирпича, как и ранее, кладут впритык друг к другу. Между длинными сторонами кирпича оставляют зазор 15—20 мм. Пятый ряд кладут, как четвертый, но скошеным на 30—40° в противоположную сторону по отношению к 4-му ряду, 6-й ряд садится также как 1-й, 7-й повторяет 2-й ряд и т. д. до верху. Если под печи выстлан в виде решетки, то садку делают без ножек. Во всех случаях садку ведут так, чтобы пары и дымовые газы имели свободный проход от очелков (топок) снизу доверху через зазоры между кирпичем.

Во время обжига в садке часто образуются места через которые пары и дымовые газы не проходят (засорение золой, сажей, неаккуратная садка кирпича вплотную друг к другу или завал при «запаривании»). В таких местах продукция после обжига остается недожженной. Вход в печь («ходок») заделывают двумя стенками, выложенными в полкирпича с промазкой швов глиняным раствором. Кирпич сырец устанавливают в печь высотой до трех метров, что составляет около 25 рядов, поставленных на ребро.

Обжиг в напольных печах состоит из четырех периодов:

1. Окуривание сырца.

2. Подъем огня.

3. Большой огонь.

4. Остывание.

В период окуривания сырца поддерживают слабый огонь и садку медленно разогревают. Слишком быстрый подъем температуры в начале обжига может привести к растрескиванию сырца и короблению его. В период окуривания раскладывают костры у входов топок (очелков) и постепенно эти костры продвигают в середину топок. По мере прогрева сырца, тяга в печи усиливается и количество горящего топлива увеличивают.

Садить сырец в печь надо возможно более сухим. Особенно это правило необходимо соблюдать, когда топливо сырое. Обжиг плохо высушенного сырца, да еще сырым топливом приводит к завалам садки в печи. Завалы создаются в результате конденсации и оседания паров воды из дымовых газов на холодном сырце. Сырец размокает и размягчается. Сырое топливо склонно к горению с образованием больших количеств сажи, закупоривающей зазоры между кирпичем. Поэтому обжиг кирпича, хотя бы в период окуривания, должен вестись сухими дровами.

Медленный постепенный подъём температуры ведут так, чтобы из всех отверстий выходил пар. Окуривание ведут до тех пор, пока из отверстий в своде печи не прекратится выделение видимых белых паров. Первый период обжига длится обычно около двух суток. Встречаются глины хорошо переносящие ускоренный прогрев в период окуривания. Если в печь посажен хорошо высушенный сырец, срок окуривания может быть сокращен.

Во время обжига, когда из сырца начинают сильно выделяться нары, по верху садки делают сплошную выстилку кирпича плашмя в один ряд. Делая выстилку, оставляют отверстия для выхода дымовых газов и паров воды. Отверстия располагают по линиям установки бычков и очелков (топок). На каждой линии оставляют в выстилке не менее четырех отверстий. Закончив выгонку паров и тем первый период обжига, кладут второй ряд выстилки, перпендикулярно первому, сохраняя оставленные ранее отверстия. Перекрытие между отверстиями промазывают глиной слоем в 15—20 мм и подсыпают слоем песка толщиной 20—25 мм. Как только выделение паров закончилось (температура сырца поднялась выше 110°) переходят на подъем огня. Подъем огня длится около пяти суток. Повышения температуры достигают задвиганием костра вглубь очелка и усилением загрузки топлива в огонь. Тяга по мере повышения температуры все время усиливается, и горение идет быстрее. Загрузку топлива в топки ведут с таким расчетом, чтоб кирпич начал светиться (температура около 500°С) спустя двое с половиной — трое суток после начала подъема огня и спустя пять суток после начала обжига (2 суток на окуривание).

Скорость подъема температуры в период окуривания нормально составляет около 3°С, во время подъема огня — примерно 6 — 7°С в час. Скорость подъема температуры контролируют специальным термометром до 380°С. Термометр вставляют в ходок, при его закрывании. Когда садка нагреется до 350—360° термометр вынимают. Выше 360°С температуру контролируют пироскопами или пирометрами. Работа с ними описана ниже в главе: «Теплотехнический контроль сушил и печей».

Свыше 500°С (начало свечения кирпича) температуру при достаточном навыке можно определять на глаз, по цвету накала кирпича. Так при 600° накал оценивают обычно как темнокрасный, 700 — красный, 800 — красный, 900 — яркокрасный, 1000 — вишневый, 1100 — оранжевый, 1200 — желтый, 1300 — и выше — белое каление. Поднимая огонь, ведут непрерывно наблюдение за отверстиями в выстилке перекрытия печи. После выделения паров из отверстий идет дым и по мере подъема температуры выходят, наконец, языки пламени. Выход дыма и пламени должен быть равномерным по всему перекрытию печи, — дым должен выходить из всех отверстий. Если в каком либо отверстии нет выхода пара при окуривании или дыма при подъеме температуры, это означает, что в данном месте проходы между сырцом закупорились. Под этим отверстием усиливают огонь, бросая сюда больше топлива, а сверху вокруг этого отверстия засыпают все выходы для дыма землей, глиной или песком. Как правило в средних отверстиях в выстилке дым идет сильнее, чем в крайних, у стен печи. Это значит, что тяга в середине печи сильнее нежели у стен. Необходимо ее подравнять, прикрывая, частично средние отверстия кирпичом. Помимо этого у стен, в особенности стоящих против входа в топки (очелки) количество отверстий увеличивается.

По мере разогревания садки тяга усиливается, горение топлива идет все быстрее, загрузку топлива все увеличивают, так что через трое суток после начала подъема огня обжиг ведут уже полными топками. В это время горение в очелках ведут закрывая их наполовину железными заслонками и даже на 2/3 отверстия. Прикрывание делают до тех пор, пока из отверстий не начинает выбивать коптящее пламя. Коптящее пламя является признаком чрезмерного закрывания топки заслонкой. В обжиге после начала свечения кирпича дальнейший подъем температуры сопровождается заметной осадкой загруженного кирпича (усадка при обжиге.) Перекрытие должно оседать равномерно по всей площади. Отстающую часть печи, где осадка меньше, прогревают усилением загрузки топлива в эти места и прикрыванием отверстий в перекрытии в местах наиболее сильной осадки. Подъем огня обычно длится около пяти суток. К концу пятых суток непрерывной топки и постепенного подъема температуры, осадка кирпича достигает 30—40 см. Садка приобретает в это время накал от яркокрасного до светловишневого окрашивания, что соответствует температуре 900—1050°. Обжиг при этой температуре и осадке заканчивают. Нередко конец обжига проверяют несколькими пробами кусков кирпича, установленных в садку против отверстия в ходке печи. В конце обжига отверстие в ходке, заложенное кирпичем, открывают, клещами вынимают одну пробу и если она имеет нормальные цвет и прочность, обжиг прекращают. Если проба показывает недостаточный обжиг, подъем температуры продолжают до тех пор, пока новая проба не покажет удовлетворительного качества. Когда необходимая температура достигнута, все топки загружают дровами, топочные отверстия целиком закрывают заслонками и щели замазывают глиной.

Все отверстия в перекрытии закрывают кирпичем и засыпают землей, глиной или песком. Загруженное в печь топливо медленно горящее при закрытых заслонках несколько часов поддерживает в печи конечную температуру обжига. Этот период часто называют «закалом». После «закала» температура в печи постепенно падает. Спустя двое суток по окончании обжига разбирают часть перекрытия и в ходках пробивают небольшие отверстия. Отверстия в своде и ходках постепенно увеличивают, так чтобы к концу четвертых суток остывания перекрытие и ходки полностью разобрать. Полный оборот печи (цикл обжига) длится около 13 суток и состоит из операций:

Глины не содержащие заметного на ощупь кварцевого песка и в особенности вообще мало запесоченные допускают сокращение периода подъема огня и остывания. Это сокращение для каждой глины определяют опытом, постепенно сокращая период подъема огня, а затем остывания.

В других вариантах печей с прямым пламенем, сооружаемых по схеме, изображенной на рис. 97, встречаются печи без труб или без свода, так называемые голландские, английские и т. п. печи.

Такие печи, благодаря простоте конструкций, небольшим расходом на их сооружение, могут применяться при малых объемах кратковременного производства, например, в промкооперативных артелях, колхозах и др.

Более совершенным тепловым агрегатом является печь с обратным пламенем (с обратной тягой).

Как видно из схемы (рис. 101) дымовые газы из топки I поступают в рабочую камеру II, затем не имея выхода в своде вынуждены опуститься вниз (как это показано стрелками) и через сборный боров III уйти в дымовую трубу IV.

Наиболее нагретые дымовые газы, как более легкие, собираются под сводом. Остывая, они вытесняются более подогретыми поступающими из топки. В дымовую трубу уходят наиболее остывшие газы.

Благодаря естественному закону всплывания более горячих газов в среде менее подогретых, по горизонтальным плоскостям сечений печи устанавливаются более или менее равномерные температуры.

При небольшой высоте горна наблюдается небольшая разница температур и по вертикальному сечению. Продукция получается. доброкачественная, меньше требуется топлива на обжиг чем в печах с прямым пламенем. Капитальные затраты на этот тип печей вследствие их сложности, будут большими, чем на печи с прямой тягой. Печи с обратным пламенем применяются для изделий, требующих спокойного подъема температуры и такого же охлаждения. В таких печах производится обжиг черепицы.

Разновидностью первых двух типов печей являются печи с горизонтальным пламенем. Схематически они изображены на на рис. 102 и 103. Первый рисунок представляет печь с горизонтальным пламенем и нижним отводом дымовых газов. В некоторой степени эта конструкция подобна печи с обратным пламенем. Второй вид печи с горизонтальным пламенем изображен на рис. 103. Здесь вытяжка дымовых газов производится вверх. Распределение температур и использование тепла дымовых газов в этой печи хуже, чем в предыдущей. Печи с горизонтальным пламенем применяются в производстве кафеля, черепицы и т. п., реже — кирпича.

Преимущественно сырец обжигается в печах непрерывного действия. Делятся они на два Рис. 103. Схема печи с горизонтальным вида — печи кольцевые (печь пламенем и верхним отводом газов Гофмана и «Зигзаг») и печи туннельные. Сюда же следует причислить печи газокамерные, которые по существу являются разновидностью кольцевых.