Rosturile la zidariile refractare

ROSTURILE LA ZIDARIILE REFRACTARE

Consideratii generale

Calitatea unei zidarii refractare depinde in foarte mare masura de marimea rosturilor si de felul cum acestea sunt pozitionate si executate , avand un rol important in fiabilitatea si buna comportare a agregatului termic.

Se disting mai multe feluri de rosturi in functie de destinatia acestora , astfel :

La captuselile construite din caramizi refractare (fasonate) sunt:

rosturi de zidarie (sau legatura) ;

rosturi de dilatare.

La captuselile monolitice , din betoane sau mase refractare , sunt :

rosturi de dilatare ;

rosturi de contractie.

Rosturile de zidarie

Rolul acestor rosturi este de a lega caramizile refractare cu ajutorul mortarelor refractare intre ele , formand o zidarie monolitica. Rosturile sunt locurile slabe ale zidariei , mortarul fiind mai putin rezistent decat caramida refractara.

Intr-o zidarie refractara , marimea rosturilor trebuie sa fie cat mai mica , pentru ca acestea sa fie cat mai compacte si a nu permite trecerea gazelor , a metalelor si zgurelor topite. Marimea rosturilor de zidarie depinde de calitatea caramizilor si destinatia captuselii refractare , deoarece nu orice zidarie sau tip de caramida permite sau necesita obtinerea unor rosturi de dimensiuni mici. In acest sens nu se recomanda sa se execute rosturi mici (sub 1..2 mm) cand caramizile au abateri dimensionale mari sau defecte la aspectul exterior (curburi , incovoieri) care depasesc marimea prevazuta pentru rost , pentru ca in acest caz este necesara slefuirea caramizilor , operatiune scumpa care cere timp si utilaj corespunzator. La unele cuptoare , cum sunt cele pentru cocsificarea carbunilor , marimea rosturilor de zidarie , variaza in limite mari , chiar la acelasi cuptor , intre 3 si 8 mm.

Intr-o zidarie rosturile se executa prin alternarea lor pe verticala si orizontala , prin decalarea lor cu 1/2 , 3/4 sau 1/4 de caramida in randuri succesive (rosturi orizontale , verticale si incrucisate) pentru motive de rezistenta si stabilitate.

Rosturile de zidarie trebuie sa aiba rezistenta mecanica buna , refractaritate egala sau cel putin cu 1/2 indicator piroscopic mai mic decat al caramizilor refractare care le leaga (uneori e necesar sa fie chiar mai mare) permeabilitate scazuta si sa nu schimbe conductivitatea termica a captuselii. Aceasta se obtine prin folosirea in rosturi a unor mortare corespunzatoare calitatii caramizilor si solicitarilor din timpul exploatarii.

Tinand seama de calitatea zidariei dupa grosime (marime) rosturile de zidarie se impart in trei clase :

1. Rosturi cu marimea de 1 mm , pentru zidarii deosebit de ingrijite (furnale si alte cuptoare de topit metale , cuptoare pentru sticla , cuptoare sub presiuni importante bolti cu temperaturi ridicate peste 1400 ⁰C) ;

2. Rosturi cu marimea intre 1 . 2 mm , pentru zidarii ingrijite ( cuptoare cu presiuni si temperaturi mai scazute sub 0,05 mPa si 1400 ⁰C , la cuptoarele rotative pentru clincher de ciment si calcinare calcar) ;

3. Rosturi cu marimea de 3 . 4 mm uneori si mai mare , pentru zidarii obisnuite , mai putin solicitate termic , mecanic si chimic , sau acolo unde in concordanta cu tehnologia cuptorului respectiv sunt necesare asemenea marimi de rosturi.

Rosturile cele mai mici se obtin numai cu caramizi dense si superdense , care au abateri dimensionale foarte mici si sunt lipsite aproape complet de incovoieri si curburi ale fetelor , sau in cazul in care caramizile au fost in prealabil slefuite la cote si fete plane exacte. De aceea , caramizile fabricate pe cale plastica , nu au in general utilizare la zidariile deosebit de ingrijite sau chiar ingrijite , decat daca in prealabil sunt slefuite.

Pentru unele zidarii foarte pretentioase , cum ar fi cele de la vetrele si creuzetele de furnal , aproape toate caramizile se slefuiesc si se asambleaza in prealabil , indiferent prin ce metoda au fost fabricate (uscata , semiuscat). Slefuirea fetelor caramizilor fasonate considerate adeseori indispensabile slabesc calitatea suprafetelor caramizilor , facandu-le mai putin rezistente la patrunderea gazelor sau a unor topituri metalice. Pentru a elimina acest inconvenient s-au adoptat solutii care folosesc la primul rand de zidarie , spre fata solicitata , caramizi slefuite legate cu mortare cu priza la aer , iar randurile urmatoare , spre exterior , cu caramizi neslefuite , legate cu mortare cu priza ceramica (sau cu priza la aer).

Rosturile mici nu pot fi executate cu mortare de granulatii mari. De aceea , mortarele destinate zidariilor cu rosturi pana la 1 mm este necesar sa aiba granulatie fina. Pentru rosturi de 2 , 3 si 4 mm sau mai mari , se pot folosi mortare cu granulatii adecvate dar in nici un caz granulatia maxima a mortarelor sa nu depaseasca marimea rosturilor respective.

Dupa natura mortarelor folosite , rosturile de zidarie sau de legatura sunt de doua feluri :

- rosturi de zidarie fixe si care asigura o constructie oarecum monolitica , pe baza de mortare cu intarire la rece sau la temperatura joasa (cu lianti chimici sau hidraulici);

- rosturi de zidarie mobile , pe baza de mortare cu priza ceramica ( peste temperaturi de 900 ⁰C) si care permit o oarecare elasticitate (o glisare usoara intre caramizi) a zidariei refractare , in timpul incalzirii cuptorului dar inainte de intarirea ceramica a mortalului.

Mortarele trebuie sa aiba calitatea corespunzatoare sorturilor caramizilor din zidarie care le leaga si uneori chiar superioara. deoarece multe zidarii se degradeaza prematur datorita calitatii proaste a mortarelor. Aceasta se poate observa practic dupa exploatarea unor captuseli refractare , cand la caramizile din primul rand muchiile si colturile sunt rotunjite , capatand in unele cazuri o forma de piramida ; ca urmare a uzurii si degradarii mortarului din rostul de zidarie , caramida este atacata pe toate fetele in loc de o singura fata , asa cum se intampla cand mortalul este de calitate si rezista. De aceea , calitatea mortarelor este esentiala pentru integritatea rosturilor zidariei refractare. Practic mortarul se foloseste in procente de greutate de 6 . 10% fata de cantitatea de caramizi refractare zidite.

La zidariile confectionate din caramizi bazice (magnezitice, si cu adaosuri de Cr) rosturile de legatura se realizeaza si cu placute metalice , asezate intre caramizi inlocuind astfel mortarul. Caramizile bazice legate chimic si carcasate metalic se zidesc ca atare uscat , fara alt adaus in rosturi. In exploatare aceste placi si invelitori din otel se oxideaza si reactioneaza cu caramida alaturata formand o zidarie monolitica , cu rosturi inchise si intarite.

Rosturile de dilatare

Rosturile de dilatare la o captuseala refractara permit acesteia sa se dilate sau sa se contracte in voie , fara a se disloca sau deteriora. Marimea rosturilor de dilatare la captuselile refractare este in functie de urmatorii factori :

- marimea captuselii (zidariei) refractare ;

- grosimea si alternarea rosturilor de zidarie ;

- temperatura maxima , minima si de regim la care va fi supusa captuseala

- coeficientul de dilatare liniara a produselor refractare respective ;

- gradientul termic ce se estimeaza in captuseala ;

- natura materialului ce se va folosi la umplerea rosturilor de dilatare

- atmosfera cuptorului si alte eventuale solicitari.

Rosturile de dilatare pot fi goale sau umplute cu materiale combustibile , compresibile sau elastice. Ca materiale combustibile se folosesc : cartonul gudronat , placaje PFL , carton ondulat , placi de polistiren sau poliuretan care ard la prima incalzire. Ca materiale compresibile si elastice se folosesc : fibre ceramice , azbest , mortare refractare cu adaosuri compresibile (perlit , vermiculit , fibre) sau combustibile (rumegus)

Dispunerea , modul de realizare si etansarea rosturilor , sunt in general indicate prin proiectele de executie ale cuptoarelor. La acestea trebuie sa se tina seama ca fiecare element constructiv sa fie prevazut cu rosturi care sa-i permita libera dilatare , iar amplasarea lor , pe cat este posibil , sa se suprapuna cu amorsele eventualelor tensiuni ale captuselilor (fisuri, crapaturi de : contractie , dilatare , socuri termice).

Rosturile de dilatare pot fi drepte , incrucisate , in sicane etc. in functie de etansarea ce trebuie asigurata captuselii refractare respective.

Fig. Rosturi de dilatatie. a-incrucisate ; b-drepte ; c-in sicane

1 - refractar dens ; 2 - refractar izolator ; 3 - manta metalica (blindaj).

Rosturile drepte slabesc rezistenta peretilor si uneori se deschid la racire iar cele incrucisate se considera ca nu sunt prea eficiente deoarece nu permit caramizilor sa gliseze unele peste altele , datorita mortarului. Cele mai eficiente se considera rosturile in sicane , pentru ca nu constituie surse (amorse) de trecere a gazelor calde catre exterior. Spatiile dintre aceste rosturi se umplu cu fibre refractare sau din azbest , fara a se tasa , sau chiar se acopera la exterior cu un strat izolator astfel incat in timpul incalzirii captuseala refractara se dilata , ocupand spatiile libere , iar dupa racire isi recapata volumul initial.

Dilatarea termica depinde de compozitia chimico-mineralogica a materialului refractar respectiv. Exista o dilatare reversibila care are loc in intervalul de temperatura 600-1200 ⁰C , la incalziri si raciri repetate si o contractie sau dilatare ulterioara permanenta , ireversibila la temperaturi inalte (peste 1200 ⁰C), care apare datorita modificarii compozitiei fazelor si a structurii produsului refractar. Dilatarea termica reversibila este ceea care trebuie cunoscuta la precizarea rosturilor de dilatare dintr-o captuseala refractara.

Rosturi de dilatare pentru diverse zidarii Coeficientul mediu de dilatare

Tabelul 1.1 Tabelul 1.2

PROIECTAREA ZIDARIILOR REFRACTARE

Notiuni generale

Proiectarea si calculul zidariilor refractare implica alegerea unor calitati de produse refractare cu caracteristici corespunzatoare solicitarilor termice , chimice si mecanice din exploatare. In functie de prescriptiile din standarde , cat si din experienta practica si tinand seama de economicitatea solutiei se pot adopta captuseli din caramizi refractare , din materiale monolitice (mase , betoane) , din prefabricate refractare sau combinatii intre acestea.

In cazul stabilirii variantei cu caramizi , formele si dimensiunile acestora vor trebui sa fie pe cat posibil cele din standardele existente , evitandu-se formate multe si complicate.

Solutiile cu betoane si mase refractare trebuie luate in considerare , deoarece s-au impus din ce in ce mai mult atat pe plan mondial cat si la noi in tara , avand in vedere avantajele tehnico-economice mari ale acestora.

La alegerea produselor refractare trebuie sa se tina seama de reactivitatea diverselor sortimente , atunci cand sunt zidite impreuna. Astfel , exista incompatibilitate intre zidaria din caramizi silica sau silico-aluminoase la contactul direct cu zidaria din magnezita sau cromo-magnezita , intre ele fiind necesar sa se interpuna un strat neutru intermediar din cromit. Alegerea unor sortimente calitativ diferite , amplasate in acelasi cuptor in functie de solicitarile fizico-chimice la care sunt supuse , s-a impus in practica (convertizoare etc.) cu respectarea regulilor mentionate. Solutia aleasa in proiectarea captuselilor refractare trebuie sa tina seama de urmatorii factori:

- pierderile de caldura (acumulari in captuseala , pierderea prin zidarie in exterior , prin gazele arse etc.) ;

- temperaturile la interfetele straturilor refractare ;

- capacitatea termica a captuselii ;

- grosimea straturilor refractare ;

- rezistenta la diferite solicitari (compresie , incovoiere , flambaj) ;

- precizarea si marimea rosturilor de lucru si de dilatare ;

- costul captuselii refractare , luandu-se in considerare toate aspectele tehnico-economice (manopera si operativitate , punere in opera , durabilitate captuselii , intreruperi functionare , economia de combustibil etc.).

Supradimensionarea sau subdimensionarea captuselilor refractare si adoptarea de proiecte vechi , atunci cand apar materiale noi cu caracteristici superioare de izolatie trebuie evitata. Sunt de luat in considerare materialele monolitice dense (mase si betoane) care au conductivitatea termica mai mica cu 1/2 pana la 2/3 din conductivitatea caramizilor dense de aceeasi calitate. Marirea exagerata a stratului izolant trebuie evitata atat pentru a nu se ajunge la temperaturi mai ridicate la fata calda sau intre straturi , decat eratura la care rezista produsul refractar , cat si in cazul unor captuseli la care se cere o conductivitate termica mare (mufle etc.).

Uscarea si incalzirea captuselilor refractare trebuie facuta conform diagramelor specifice , tinandu-se seama de unii factori tehnici cum ar fi calitatea produselor refractare , volumul zidariei cuptorului , umiditatea ce trebuie eliminata , rosturile de dilatare etc. La cuptoarele captusite cu fibre ceramice refractare aceste operatii de uscare-incalzire pot fi facute rapid , materialele respective fiind insensibile la variatiile brusce de temperatura.

Calculul de dimensionare a zidariilor refractare

Consideratii generale

Spre deosebire de constructiile din zidarie obisnuita , unde diferenta de temperatura de la fata interioara la cea exterioara este de cateva zeci de grade , la zidariile refractare aceasta diferenta poate ajunge de la cateva sute de grade la cca. 1500 ⁰C. De aici necesitatea de a izola optim aceste captuseli , tinand seama in primul rand de toti factorii care contribuie la aceasta (pierderi de caldura , gradientul termic al captuselii , grosimea captuselii). Calculele efectuate pentru dimensionarea captuselilor refractare si izolatoare , urmaresc :

pierderi cat mai mici de caldura , astfel ca refractarele alese sa corespunda solicitarilor respective din exploatare (temperaturi, sarcini mecanice)

repartitia cat mai omogena a temperaturilor in cuptor ;

reducerea la minim a dimensiunilor si greutatii zidariei refractare ;

reducerea la minim a timpului de intrare in regim a cuptorului.

Calcule termice ale captuselilor refractare

Dimensionarea captuselilor refractare , indiferent de natura produselor folosite (caramizi , blocuri monolitice , prefabricate sau fibre) se face pe baza calculelor termice si de rezistenta mecanica.

Calculul pierderilor de caldura prin peretii refractari ai unui agregat termic se face dupa urmatoarele relatii (vezi fig. XX ):

pierderea de caldura prin pereti in unitatea de timp:

, [kj/h] (1.1)

rezistenta termica a unui strat unitar de captuseala :

, [m² grd./W] (1.2.1)

temperatura la distanta x de suprafata calda a peretelui este :

, [⁰C] (1.2.2)

In cazul unor pereti cu mai multe straturi omogene de zidarie , relatiile de calcul sunt :

, [W/m²] (1.2)

, [W/m² grd.] (1.2.1)

In care : in care :

q este fluxul termic unitar , in W/m² ;

Dt - diferenta de temperatura , (Dt = t_i - t_e) , ⁰C ;

t_i - temperatura interioara a zidarii cuptorului , ⁰C ;

t_ex - temperatura ambianta , in ⁰C ;

K - coeficientul global de transfer termic , W/m² grd. ;

l_i - conductivitatea termica a stratului refractar i , W/m grd. ;

d_i - grosimea stratului de perete i, in m ;

a a - coeficientii de schimb de caldura prin convectie la suprafetele interioara si exterioara a zidariei , in. W/m² grd. ;

S_m - suprafata medie a peretelui , in m².

O importanta deosebita o au calculele privind acumularea caldurii de catre captuseala refractara si care depinde de natura produselor refractare folosite si de temperatura la cele doua fete ale zidariei :

, [ kj/h ] ; [131]

in care :

c este caldura specifica a zidariei in kj/kg grd. ;

Dt_m - temperatura medie a zidariei (Dt_m= t_i - t₀), in ⁰C ;

r - densitatea aparenta a zidariei , in kg/m³ ;

V - volumul zidariei , m³.

Pe baza acestor relatii de calcul a unor captuseli refractare s-au intocmit tabele , diagrame si nomograme pentru a determina grafo-analitic grosimea acestora , temperaturile si gradientii de temperatura la interfetele straturilor , capacitatile termice , pierderile de caldura.

Aceste calcule sunt valabile atat in cazul produselor fasonate (caramizilor) cat si al materialelor monolitice sau a fibrelor refractare. alegandu-se dimensiunile captuselilor refractare optime ale elementelor constructive ale zidariilor.

In cazul cand prin proiectare se prevede , captuseala din caramizi si se intentioneaza a se adopta produse monolitice (betoane sau mase refractare) sau fibre ceramice refractare , se poate face un calcul de echivalenta termica (totala sau partiala) , la care se iau in considerare datele specifice acestor materiale (conductivitate termica , caldura specifica, capacitatea calorica s.a.).In acest caz se va putea recalcula grosimea noii captuselii refractare in functie de aceste date si unde echivalenta termica este totala.

In echivalenta partiala grosimea captuselii proiectate se considera egala pentru toate variantele. In acest caz , la variantele cu materiale monolitice sau cu fibre refractare , au loc pierderi si acumulari mai mici de caldura si deci se realizeaza economie de combustibil. Solutia optima va fi data de compararea parametrilor tehnico-economici principali ai agregatului termic in exploatare cum ar fi : economia de combustibil, productivitatea si durabilitatea agregatului , costuri de investitie si exploatare etc.