BOLTILE CUPTOARELOR

Spatiul de lucru al cuptorului se acopera cu bolti care sunt elementele cele mai solicitate din punct de vedere termic si mecanic. În zonele cuptoarelor cu temperaturi joase boltile se executa din doua straturi, respectiv refractar si izolator, iar in zonele solicitate termic bolta se executa numai dintr-un singur strat refractar. Pana la temperatura de 1530 ⁰C sunt utilizate caramizi de smoala, iar la cuptoare cu temperatura mai mare sau la cuptoare continue se utilizeaza caramizi silica sau caramizi magnezitice.

Clasificarea boltilor

Se clasifica in functie de tipul si destinatia cuptorului in:

bolti in arc

plane

trapezoidale

Boltile pot fi:

fixe

mobile

Putem avea bolti:

orizontale

inclinate, care pot fi:

simetrice

asimetrice

Elemente constructive

care caracterizeaza boltile in arc:

cheia boltii

caramida de reazem (nasterea boltii)

Tipuri constructive de bolti

Boltile in arc se pot clasifica functie de unghiul a

Utilizate la construirea canalelor subterane pentru evacuarea gazelor arse. Sunt caracterizate de o stabilitate mecanica mare dar au dezavantajul unui spatiu liber mare.

Normale:

Boltile intalnite la majoritatea cuptoarelor au deschideri de pana la 4-5 m. Pot fi simetrice sau asimetrice. La boltile normale simetrice avem o singura sageata iar la boltile normale asimetrice avem doua sageti si doua raze de curbura asimetrice.

Forta laterala de impingere a boltii

Caracteristic pentru in arc este forta laterala sau impingerea orizontala ce ia nastere in bolta sub actiunea greutatii boltii si temperaturilor inalte la care este supusa aceasta.

În realitate boltile sunt in stare calda. Acest fapt impune aparitia unor forte suplimentare date de dilatarea boltii. Daca la o bolta in stare normala unghiul α, poate fi masurat, la boltile in stare calda nu poate fi determinat pe cale matematica si de aceea pentru determinarea valorii lui F se introduce un coeficient K determinat experimental ce tine cont de temperatura.

- stare calda

Efortul orizontal trebuie sa fie preluat in totalitate de constructia metalica a cuptorului pentru a se asigura stabilitatea acestuia. Boltile simetrice pot fi simplu rezemate care se sprijina direct pe zidarie, si suspendate in cazul in care acestea nu se sprijina pe zidaria cuptorului.

În cazul boltilor suspendate exista posibilitatea scaparii gazelor pe la imbinarea boltii cu peretii. Pentru marirea etanseitatii se introduc pe aceasta suprafata material refractar sub forma de granule care are rolul de a etansa spatiul de lucru al cuptorului si de a proteja de actiunea gazelor fierbinti din cuptor, partile metalice ale acestuia. În unele cazuri pentru a evita aparitia tensiunilor termice la constructia metalica de sustinere a boltii aceasta se raceste cu apa.

Boltile in arc suspendate in intregime

La aceste bolti se practica suspendarea la nivelul reazemelor si suspendarea individuala a caramizilor. Sunt folosite la cuptoarele cu regim termic ridicat cu deschideri mai mari de 5 m. Suspendarea individuala a caramizilor se poate face in 2 moduri:

Caramizile sunt incasetate intr-o carcasa de otel care in timpul functionarii cuptorului reactioneaza cu MgO si MnO din caramida formand compusi magnezitoferici care transforma zidaria boltii intr-un monolit.

Caramizile sunt suspendate individual de o constructie metalica plasata deasupra boltii cu ajutorul unor placute.

Dimensionarea boltilor in arc

Consta in determinarea greutatii boltii, a sagetii, a numarului de caramizi din bolta si a grosimii acestuia.

Determinarea greutatii

G_b=m×g=V×r×g

Determinarea sagetii

Determinarea numarului de caramizi din bolta

La constructia boltilor in arc se folosesc:

caramizi tip pana

caramizi rectangulare

Cand raza de curbura a boltii nu se poate realiza cu ajutorul unui tip de caramida (pana) pentru realizarea arcelor de bolta se pot folosi doua tipuri de caramida pana sau combinatii de caramida pana si normala.

Numarul caramizilor necesare pentru zidirea unui arc de cerc al unei bolti cu raza de curbura R se calculeaza astfel:

se determina lungimea arcului exterior:

se determina lungimea arcului interior:

rezulta sistemul:

Totalul caramizilor dintr-o bolta se calculeaza inmultind numarul de caramizi    dintr-un arc cu numarul de arce ale boltii. Numarul de arce se poate afla impartindu-se lungimea boltii la latimea caramizilor folosite la care se adauga grosimea rosturilor de zidarie.

Bolti plane suspendate

Constructia acestor bolti prezinta o serie de avantaje:

deschiderea cuptorului poate fi oricat de mare, impingerea orizontala fiind nula

permit separarea peretilor ce nu sunt supusi la sarcini mecanice mari

Suspendarea boltilor se poate face fie individual fie o suspendare de bloc a caramizilor. Ca dezavantaj boltile plane necesita consum mare de materiale metalice pentru sustinerea caramizilor. Boltile plane sunt executate in general din caramizi fasonate avand forme speciale.

Boltile se executa din materiale refractare. Alegerea se face in functie de procesul tehnologic care are loc in interiorul cuptorului. Un alt element important de care se tine seama este temperatura din spatiul de lucru al cuptorului. La constructia boltilor se utilizeaza caramizi silica, magnezita sau cromomagnezita.

La alegerea materialului refractar din care se va construi bolta nu se tine seama de caracteristicile chimice ale topiturii deoarece bolta nu intra in contact cu aceasta.

La boltile plane caracteristice pentru cuptoarele cu deschideri mai mari de 5 m etanseitatea spatiului de lucru se realizeaza in general cu ajutorul unor profile, care sunt prevazute din constructie pe caramizile refractare, astfel incat sa nu se permita gazelor din spatiul de lucru sa iasa in atmosfera.

Alegerea tipului de bolta (plana sau in arc) se face pe baza unei comparatii :

- din punct de vedere economic, boltile plane sunt mai scumpe, deoarece necesita caramizi speciale, material metalic pentru suspendare in cantitati mari si mana de lucru inalta calificata ;

- din punct de vedere termic, sunt superioare boltile plane, intrucat toata energia radianta se transmite catre incarcatura.

Pe baza acestei comparatii se pot face urmatoarele recomandari :

la deschideri D<4m, se recomanda a se folosi bolti in arc, deoarece sunt mai ieftine ;

la deschideri D>4m, boltile in arc devin mai scumpe (creste foarte mult forta F, deci cresc cheltuielile cu armatura metalica) si atunci se recomanda boltile plane, deoarece sunt superioare din punct de vedere termic; totodata, in acest caz (D>4m) solicitarea la compresiune a refractarelor din bolta poate depasi limitele admise.

Executarea zidarii boltii

In majoritatea cazurilor acoperirea camerei de lucru si a cantinelor de fum ale cuptoarelor se face cu bolti, partile cele mai importante ale zidariei prin sensibilitatea lor mecanica. De obicei prin bolta se intelege un element de constructie al cuptorului care poate fi realizat in doua variante:

sprijinit, curbat

suspendat, plan

Bolta sprijinita este suportata de reazeme pe cand bolta suspendata are unele caramizi suspendate de o armatura.

Dupa forma profilului boltele cuptoarelor pot fi:

bolta in arc de cerc, cu sageata mai mica decat raza;

bolta lasata, a carei sageata este foarte mica in raport cu deschiderea boltii;

bolta in plin centru, cu profilul in semicerc;

bolta inelara sau cilindrica

bolta in cupola care are intradosul format dintr-o suprafata de revolutie generata de un arc de cerc, de elipsa, de parabola.

Cel mai des se utilizeaza boltile in arc de cerc, ale caror principale elemente de calcul sunt: f - sageata; b - distanta intre reazeme; f/b = S grosimea. in functie de raportul f/b unghiul la centru are valorile din tabelul 4. Dupa Lamort se recomanda un raport al boltii f/b = 1/8, care confera cea mai avantajoasa stabilitate la variatii de temperatura. Materialele cele mai indicate in acest caz sunt cele pe baza de samota datorita dilatatiei reduse la temperatura si lipsei dilatarii prin modificare cristalina. Dupa Gunter raportul de 1/10 este apreciat ca limita minima.

Grosimea S a boltii se ia dupa Trinks, in functie de distanta dintre reazeme, aleasa constructiv din tabelul 5

Tabelul 5

Deschiderile de peste 5.5 m pentru un singur arc de bolta nu sunt utilizate. Se intrebuinteaza de obicei , in aceasta situatie , cu rezultate bune, un plafon suspendat la care caramizile boltii sunt sustinute de o constructie de otel care nu este expusa la temperaturii inalte.

Calculul boltii cuptoarelor se efectueaza atat in stare rece cit si in stare calda, respectandu-se de fiecare data conditia ca pe toata suprafata rostului sa apara tensiuni de compresiune. Pentru a fi indeplinita aceasta conditie este necesar ca linia de presiune sa treaca prin treimea mijlocie a boltii

Boltile in arc de cerc sunt cele mai simple. in functie de necesitatile constructive ale cuptoarelor moderne au aparut si alte tipuri de bolti. Astfel, o prima forma derivata din bolta in arc de cerc este bolta cu partea inferioara plana, transformata si ea in bolta cu ambele fete plane. Fig.

Constructia aceasta se intalneste la cuptoarele tunel, ea permitand sa se foloseasca mai bine spatiul de lucru al cuptorului si asigurand o repartitie mai uniforma a curentului de gaze pe sectiunea camerei. Tot la cuptoarele tunel se intrebuinteaza in unele cazuri bolta dubla in copul realizarii unui canal de preincalzire al aerului. Constructia nu se recomanda pentru temperaturi inalte din cauza dificultatilor care apar la repararea boltii interioare.

Se mai utilizeaza de asemenea bolti in arc de cerc zidite cu caramizi speciale. Un exemplu se refera la fig 18 caramizi cu laturile profilate prin care se preintampina caderea unor caramizi izolate.

Pentru a permite dilatarea termica a boltii in timpul incalzirii se introduc in rosturile boltii scanduri a caror grosime totala atinge pana la 1% din largimea boltii.

Atunci cand este zidita din caramizi normale bolta poate fi executata din inele separate sau cu legaturi. Bolta din inele separate permite dilatarea termica independenta a inelelor si executia mai usoara a repartitiilor. Ea este insa mai putin rezistenta decat bolta zidita cu legaturi deoarece iesirea unei singure caramizi din ansamblu producerea distrugerea intregului inel. Metoda se aplica mai ales la cuptoarele cu temperatura ridicata.

La multe tipuri de cuptoare se utilizeaza bolti suspendate la care unele din caramizi sau totalitatea lor este suspendata de o armatura. Aceasta constructie permite acoperirea unor deschideri cu mult mai mari decat cele ce se pot realiza prin boltile zidite si sprijinite.