Note de curs AITVD
5.2. CUPTOARE DE TOPIT STICLA1. CLASIFICARE - MOD DE FUNCIONARE
- TIPURI CONSTRUCTIVE Cuptorul de topit sticla este agregatul n
care, printr-un proces termic dirijat, se realizeaz transformarea
amestecului de materii prime, aflate n stare solid, ntr-o topitur
perfect omogen fizic i chimic, lipit de orice incluziuni solide sau
gazoase, care apoi se rcete pn la temperatura necesar asigurrii
vscozitii optime cerut de prelucrare. Prin procesele fizice,
chimice i termice care apar att n masa de sticl topit ct i n zonele
de contact ntre topitur, construcia refractara i gazele de ardere
rezultate din proces, cuptorul de topire are caracter de agregat
tehnologic de specialitate. Cuptorul trebuie s ndeplineasc
condiiile de exploatare ce se impun agregatelor energetice deoarece
procesul de formare a sticlei se desfoar simultan cu procesele
termice supuse legilor termodinamicii, transferului termic i
mecanicii gazelor. A treia caracteristic a cuptoarelor este aceea
de agregat complex conferit de sistemele de construcie speciale pe
care le au precum i de utilajele i instalaiile complexe care le
deservesc. 1.1. CLASIFICAREA CUPTOARELOR Cuptoarele de topire a
sticlei se clasific dup urmtoarele criterii: a)dup regimul de
lucru: - cuptoare cu funcionare discontinu: - cuptoare cu creuzete
(cu oale); - cuptoare van de zi. - cuptoare cu funcionare continu
(cuptoare van) b)dup modul de dirijare a flcrii: -cuptoarele cu
creuzete avnd flacr inferioar, superioar sau tangeniala;
-cuptoarele van avnd flacra n potcoav (tip U) sau flacr
transversal. c)dup modul de recuperare a cldurii din gazele arse:
-cuptoare fr sistem de recuperare; -cuptoare cu sistem de
recuperare primar (cldura recuperat se utilizeaz exclusiv n cadrul
agregatului), care pot fi: - cuptoare cu regeneratoare (exclusiv
ceramice); - cuptoare cu recuperator (ceramic sau metalic); -
cuptoare cu sisteme de recuperare primar i secundar (cldura
recuperat se utilizeaz i n cadrul agregatului i n afara acestuia).
d)dup destinaia produciei: - cuptoare pentru producia de geam care,
n funcie de procedeul de prelucrare, sunt: cuptoare de geam tras
(sistem Fourcault, Pittsburg sau Float); cuptoare de geam laminat
(simplu, ornament, sau armat). - cuptoare pentru producia de
sticlrie de ambalaj (butelii, flacoane, borcane, baloane,
damigene); - cuptoare pentru producia de sticlrie de menaj (menaj
divers, articole decorative, pentru iluminat, pentru podoab);
-cuptoare de sticlrie tehnic (produse de laborator, farmaceutice,
electrotehnice, de iluminat i semnalizare, tuburi electronice,
catodice i cinescop, izolatori electrici); - cuptoare de sticlrie
pentru construcii (profile, crmizi de sticl, vat termoizolatoare);
- cuptoare de sticlrie special (sticl optic, fir optic laser, fire
i fibre de sticl). e)dup compoziia sticlei: -cuptoare pentru sticle
calcosodice i calcopotasiec comune (geamuri, ambalaj alb, semialb,
colorat, corpuri de iluminat, sticlrie pentru construcii);
Note de curs AITVD
-cuptoare pentru sticle semicristal cu potasiu si bariu
(articole de menaj); -cuptoare pentru sticle de plumb (cristal uor,
semigreu i greu); -cuptoare pentru sticle borosilicatice
termorezistcnte i cu stabilitate ridicat la aciunea apei, acizilor
i bazelor (sticle Pyrex, Jena, Duran pentru articole de laborator,
sticle pentru fiole, klinger pentru nivel, articole de iluminat);
-cuptoare pentru sticl magnezia (tuburi de iluminat); -cuptoare
pentru sticle optice; -cuptoare pentru sticl de silice (sticl de
cuar); -cuptoare pentru sticle speciale; -cuptoare pentru sticl
mbogit n oxid de cal ci u (vat de sticl, fire i fibre de sticl);
-cuptoare pentru glazuri i emailuri; -cuptoare pentru sticl solubil
(silicat de sodiu), f) dup modul de prelucrare a topiturii:
-cuptoare pentru topituri prelucrate, manual (suflate la eava sau
prelucrate manual); -cuptoare pentru topituri prelucrate
semiautomat, -cuptoare pentru topituri prelucrate automat. 1.2
TIPURI CONSTRUCTIVE. MOD DE FUNCIONARE Cuptoare periodice sunt
cuptoare la care toate fazele topirii se produc n acelai spaiu, cu
succesiune n timp determinat dup diagrama de temperaturi. n
majoritatea cazurilor ciclul de funcionare este de 24 de ore dar,
pentru anumite sticle speciale, ciclurile pot fi mai scurte sau mai
lungi. Cuptoarele cu creuzete, la care amestecul de materii oprime
se topete ntr-un creuzet (oal), aezat n incinta de htcru a
cuptorului propriu - zis. Numrul de oale ntr-o incint se poate
situa Intre I i 20, dup cantitatea de topitur necesar i gradul de
compatibilitate ea regim de temperatur i atmosfer a flcrii a
reetelor utilizate^ Utilizarea cuptoarelor cu oale este justificat
numai n cazul impunerii unor condiii de ordin tehnologic cu totul
speciale, datorit consumurilor energetice foarte ridicate. Cuptoare
continue cu bazin (van), la care toate fazele topirii se desfoar
simultan, amestecul fiind introdus cu o frecven prestabilit ntr-o
parte a incintei cuptorului, prelucrarea fcndu-se n partea opusa.
Acest mod de functionare impune realizarea in acelasi spatiu sau in
spatii compartimentate a unor zone simultane de temperaturi
diferite. Compoziia chimic a diferitelor reete de fabricaie impune
alegerea unor temperaturi optime de actionare, variind intre
minimum 1300C (sticla solubila sau sticle pentru glazuri si
emailuri) i minimum 2000C (sticla de cuai). Pentru sticlele
obinuite, regimul de temperaturi este cuprins Intre 1400 -1600C.
Temperatura maxim de funcionare, precum si distribuia
temperaturilor n diversele zone constructiv - funcionale ale
cuptorului determina i alegerea materialelor refractare adecvate
din punct de vedere al compoziiei chimice i mineralogice precum i
al rerractaritii. Creterea temperaturii maxime de funcionare
contribuie n mod esenial la mrirea extraciei specifice, dar, n
acelai timp, conduce la creterea vitezei de uzare a materialelor
refractare din construcia cuptorului. La marea majoritate a
cuptoarelor cu funcionare continua (tip van) dar i Ia cuptoare cu
funcionare ciclic se utilizeaz sisteme de recuperare a cldurii
coninut n gazele de ardere evacuate de tip recuperativ sau
regenerativ. In recuperatoare gazele de ardere ieite din incinta
cuptorului trec continuu prin tuburi ceramice sau metalice,
prenclzind aerul de combustie care circul prin exteriorul acestor
tuburi. Schimbul de cldur se realizeaz att radiaiv ct i convectiv
prin intermediul pereilor tuburilor. La cuptoarele dotate cu aceste
sisteme nu este necesar inversarea arderii In regeneratoare cedarea
de cldur a gazelor arse utilizat pentru prenclzirea aerului de
combustie se face n grtare special construite n aa -numitele camere
regeneratoare- Sistemul
Note de curs AITVD
impune schimbarea sensului flcrii n cuptor i a circulaiei
gazelor arse i, respectiv.a aerului de combustie n regenerator,
intervalul ntre dou schimbri variind ntre 15 - 30 de minute.
Sistemul regenerativ are cea mai larg utilizare n industria sticlei
datorit avantajelor sale; -posibilitatea de obinere a unor
temperaturi ridicate prin prenclzirea avansat a aerului de
combustie; -realizarea unor consumuri specifice de combustibil mai
mici; -realizarea unor extracii specifice de topitur mai mari;
-robustee n exploatare.
2. ELEMENTE CONSTRUCTIVE ALE CUPTOARELOR DE TOPIRE Cuptoarele de
topire, prin destinaia i sistemul lor de funcionare, reprezint
construcii de tip special. Dimensionarea elementelor componente se
face innd cont de: -funcionarea la rece n condiiile creia
construcia respectiv se comport i se calculeaz ca orice element de
construcie; -funcionarea la caid, specific procesului de topire, n
care apar scderi ale rezistenei materialelor, att cele refractare
ct i cele metalice, dilatri care trebuie controlate i dirijate
pentru a prentmpina creerea de eforturi suplimentare n elementele
de construcie i chiar degradarea ntregului ansamblu. In plus,
materialele din care sunt executate subansamblele cuptoarelor
trebuie s ntruneasc i condiii de rezisten la temperatura, coroziune
chimic i eroziune produs de gaze arse i prafuri degajate n timpul
procesului. Elementele de construcie principale ale cuptoarelor de
topire sunt: fundaiile, vetrele, pereii, bolile i construciile
metalice de susinere i ancorare. 2.1 FUNDAIILE Sunt elemente
realizate din beton armat (cazurile cele mai frecvente), beton
simplu i, foarte rar, din zidrii de crmida. Rolul ior este de a
transmite sarcinile rezultate din construcia cuptorului i a
subansamblelor aferente, precum i a masei de topitur coninut, ctre
terenurile de fundaie. Dimensionarea acestor fundaii se face innd
cont de sarcinile utile si greutile proprii ale elementelor
susinute, de adncimile de fundare, determinate prin studii de
specialitate i de tipul i rezistenele admisibile normate ale
terenurilor de fundare. Sistemul cel mai folosit de fundaii este
cel al stlpilor pentru bazinele cuptorului propriu zis (stlpi pe
fundaii independente, pe grinzi sau radiere) i al plcilor radier
pentru camere regeneratoare, recuperatoare, inversoare, canale de
gaze, couri de fum. Datorit temperaturii limita la care poate fi
expus un element de construcie din beton, n zonele de contact ale
fundaiilor cuptoarelor cu subansamblele acestora trebuie luate
msuri de izolare termica prin utilizare de materiale
termoizolatoare, ngroarea pereilor sau vetrelor adiacente sau chiar
practicarea de goluri pentru circulaia aerului de rcire natural sau
ventilat Pentru protecia anticoroziv i antitermic a prii inferioare
a stlpilor de beton n cazul scurgerilor de topitura se recomand
cptuirea zonei cu crmida refractar. 2.2 VETRELE Vatra cuptorului
propriu - zis are rolul de a susine baia de topitur, fiind astfel
expus agresiunii acesteia, agresiune care depinde de compoziia
chimic a sticlei respective i de temperatura sa n zon. Pe de alt
parte pe vatr se descarc sarcinile din pereii laterali, din baraje
i icane din interiorul bazinelor i, uneori, chiar din bolile
bazinelor. Datorit acestor condiii, vatra trebuie s fie alctuita
din materiale cu rezisten mecanic ridicat, cu rezisten la
coroziunea fizic i chimic a topiturii de sticl, la
Note de curs AITVD
temperaturi nalte (1000 - 1300C) i care s asigure, in acelai
timp, o bun izolare termic spre exterior. Se remarc o tendin a
proiectanilor i deintorilor de cuptoare de topire de a mbunti
gradul de izolare a vetrelor cu scopul de a reduce pierderile de
energie spre exterior i de a mri temperatura topiturii n zona
inferioar. Un exemplu de structur a vetrei bazinului de topire
pentru cuptoare continue de menaj - ambalaj utilizate n ar este
urmtorul: plci i blocuri electrotopite tip AZS 75 - 200 mm mortar
refractar zirconic 10 - 50 mm blocuri silicoaluminoase (60% A1203)
300 - 600 mm crmizi silicoaluminoase izolatoare 130 - 260 mm
Grosimi mai mari ale vetrelor (1000 1500 mm) se utilizeaz la
cuptoarele cu regim de funcionare discontinuu, n special la cele cu
flacr superioara, vatra avnd rolul de a acumula n timpul topirii o
cantitate mare de cldur pe care s o cedeze n timpul fazei de
prelucrare cnd temperatura n cuptor se reduce cu 300 - 400 C.
Pentru a mpiedica ptrunderea topiturii de sticl a crei agresivitate
crete n condiiile unei temperaturi mai ridicate pe vatr,
subanamblele acesteia trebuie executate din materiale fr defect, cu
dimensiunile, i paralelismul feelor ct mai riguros conforme cu
prevederile standardelor i avnd suprafeele de contact finisate
astfel nct s asigure rosturi de maximum 1 mm n zonele unde nzidirea
este realizata fr mortar. 2.3 PEREII Pereii bazinelor cuptoarelor
de topire se grupeaz dup poziii i rol n: -pereii cuvei, reprezentnd
zidurile laterale ale bazinelor din material refractar n care se
obine topitura de sticl; -pereii construciei superioare, care
delimiteaz spaiul de deasupra bii de topitura n care se dezvolt
flcrile arztoarelor i In care circul gazele arse. Att pereii cuvei
ct i cei ai construciei superioare au caracteristic diferena mare
de temperatur dintre faa interioar (In coi.iact cu masa de topitura
sau atmosfera de flacr) i faa exterioara expus temperaturii
mediului ambiant Existena acestui gradient de temperatur d natere
la tensiuni interioare care pot produce deformaii ale peretelui
urmate de apariia unor fisuri care, agravndu-se, pot duce la
degradarea construciei cu efecte negative asupra exploatrii i a
siguranei n funcionarea cuptorului. Fenomenul de apariie a
fisurilor poate aprea i n timpul temperrii cuptorului (aducerea
treptat i dirijat a zidriei cuptorului de la temperatura mediului
ambiant pn la temperatura de lucru) In cazul conducerii incorecte a
procesului. Pereii cuvei sunt supui, pe lng efectele temperaturii
nalte i al gradientului termic i la aciunea coroziv i de eroziune a
sticlei, a prafurilor din amestec i a gazelor arse n zona
neacoperita de sticl. Aciunea cea mai puternic asupra pereilor
respectivi se produce la zona de separaie dintre masa de topitura i
atmosfera din incinta cuptorului. Aceasta coroziune poate produce
dislocri ale materialului refractar care, neputnd fi dizolvat
integral n masa de topitura, conduce la defecte de calitate a
produselor (valuri, ae, liruri i chiar incluziuni de material).
ntr-o faz avansat a coroziunii se poate ajunge pn la perforarea
pieselor refractare nzidite n peretele cuvei, cu implicaii asupra
riscului de accident i eventuala oprire a cuptorului pentru
reparaii. Pentru a face fa condiiilor dificile Ia care sunt supui
In timpul exploatrii cuptorului, pereii cuvei sunt executai cel mai
frecvent din blocuri din material refractar electrotopit din
categoria alumin zircon - silice (AZS), cu maselot de turnare
orientata. nlimea acestor perei variaz ntre 800 1600 mm, n zona
bazinului de topire i, respectiv, 400 - 700 mm, n zon
