AITVD CURS 3 Curs8

7/31/2019 AITVD CURS 3 Curs8

1/21

Note de curs AITVD

2.4. Pereii cuptoarelor

Pereii reprezint partea zidriei care nchide spaiul de lucru al cuptorului n zonelelaterale i frontale. n funcie de tipul cuptoarelor exist:

perei plani (drepi):

verticali; nclinai;

perei curbi (radiali).n cazul pereilor verticali este de preferat o racordare plan cu vatra (figura 1),

pentru a evita amorsele de fisurare, induse de unghiurile drepte. Pereii nclinai seexecut n scopul de a mrii suprafaa bolii i de a uura repararea zidriei la cald.Cazul pereilor curbi se ntlnete la cuptoarele tip creuzet, la care bolta este sub formde cupol. Pe lng rolul de nchidere a spaiului de lucru pereii mai ndeplinesc i altefuncii cum ar fi:

susinerea n anumite cazuri a instalaiei de ardere; n perei sunt prevzute orificiile de ncrcare-descrcare; includ orificii de alimentare i vizitare, etc.

a)

b) c)

Fig.1 Tipuri de pereia- plani verticali; b- plani nclinai; c- radiali

n concluzie, pereii sunt supui att solicitrilor termice ct i celor mecanice,datorit greutii proprii i, n unele cazuri, a bolii, precum i solicitri mecanice indusede instalaiile auxiliare montate pe acetia. Dimensionarea pereilor presupunedeterminarea grosimii acestora. Lungimea este una din dimensiunile vetrei, rmnnd dedeterminat doar nlimea:

1


2/21

Note de curs AITVD

Sv

VH

SL=

Volumul spaiului de lucru, VSL se determin difereniat dup tipul cuptorului. Spreexemplu, pentru cuptoarele de tratament termic acesta se determin astfel:

imatc.cm.t

mmatSlSL

C

p

qCVVV

+

=+=

unde: VSl este volumul spaiului liber, n [m3], Vmat este volumul materialului supusnclzirii, n [m3], C capacitatea cuptorului dat prin tema de proiect, n [kg/ciclu], qm

este consumul specific de cldur n [J/kgmat], pt.m puterea termic specific n[W/m3], c.c durata ciclului de nclzire, n [s/ciclu], mat este densitatea materialului

procesat, n [kg/m3], i coeficient de umplere a spaiului respectiv.La zidirea pereilor trebuie avut n vedere c, n timpul procesului de nclzire, apar

dilatri semnificative ntre crmizile sau componentele ce alctuiesc pereii i nconsecin trebuie s se prevad aa numitele rosturi de dilatare.

2.5. Bolile cuptoarelor metalurgice

Bolta, reprezint elementul de zidrie care nchide spaiul de lucru al cuptorului lapartea superioar a acestuia. Bolile sunt mai puin solicitate mecanic i foarte intenssolicitate termic. Diversele tipuri de boli ntlnite se pot clasifica astfel:

Dup form:

boli n arc;

boli plane; boli n cupol (semicirculare).Dup modul de aezare:

boli rezemate; boli suspendate.

Dup orientare: boli longitudinale; boli transversale.

Cteva tipuri mai importante de boli sunt schiate n figura de mai jos.

a b c

2


3/21

Note de curs AITVD

Fig.2 Tipuri de bolia- bolt n arc simplu rezemat longitudinal, b- bolt n arc suspendat, c- bolt plan

suspendat

Modul de nzidire al bolilor n arc, simplu rezemate, este prezentat n figura 3Pentru a realiza arcurile, bolile se zidesc pe cofraje introduse n spaiul dintre perei.Dup aezarea crmizilor de reazem (umerii bolii) se zidesc alternativ crmizile pani cele rectangulare, ncepndu-se pe ambele laturi de la crmizile de reazem sprecentrul bolii. Arcul se ncheie prin introducerea forat, pe direcia axului bolii, a uneicrmizi pan numit cheia bolii care rigidizeaz bolta. nzidirea se poate face n arcesuccesive, pe lungimea cuptorului, caz n care rezistena bolii este mai mic, sau n arcentreptrunse, caz n care rezistena este superioar dar apar dificulti cu nzidirea [9].

n continuare sunt prezentate cteva exemple de tipuri de crmizi utilizate lazidirea bolilor, precum i modul de asamblare a acestora.

Fig.4 Tipuri de crmizi utilizate la construcia bolilor

Bolile n arc sunt solicitate mecanic, mai puin termic. Dimensionarea lorpresupune determinarea dimensiunilor geometrice schiate n figura 5.

3

Fig.3

Modul de nzidire al bolilorn arc simplu rezemate

1- cofrajul cu stlpii desusinere; 2- crmizi pan ; 3-

cheia bolii ;4- umrul bolii ; 5- perete

lateral;6- stlpul armturii metalice


4/21

Note de curs AITVD

b

fb

D=BR

Linie mediana

Linie interioara

GF

T G/2

Fig.5. Elementele geometrice ale unei boli n arcSolicitrile la care sunt supuse bolile n arc se pot considera la rece, cnd nu se iau

n considerare dilatrile termice, sau la cald, cnd peste solicitrile existente se suprapun

cele datorate dilatrilor.Greutatea bolii:=G gALgVgm lmatbmat ==

( )[ ] ( )2bb

22

blR2

360RR

360A +

=+

=

( )2bbmat R2360

LgG +

=

unde: R - raza bolii; b - este grosimea bolii; unghiul de deschidere care esteconsiderat un unghi n evantai, adic pentru = 180 o bolt n semicerc, iar pentru

= 0 o bolt plan.n stare rece bolta este solicitat la compresiune datorit reaciunilor din reazeme

induse de fora T (figura 5).Valoarea optim pentru unghiul este de 600. O mrire a acestui unghi, va duce la

o diminuare a cldurii radiate de bolt spre ncrctur. Scderea unghiului estelimitat de creterea semnificativ a tensiunii T.

Sgeata bolii se calculeaz cu formula:

=

21 cosRf

b

Grosimea bolii, b depinde de modul de nzidire a acesteia. Peste crmizile pan seaplic un strat izolator termic, de obicei din materiale sub form de pulberi. n cazulunor regimuri termice foarte ridicate se evit aceast izolare pentru ca bolta s nu sesupranclzeasc i s apar fisuri n materialul acesteia. La alegerea tipului de bolt, narc sau plan, se ine cont de urmtoarele:

bolile plane sunt mai scumpe, datorit formelor particulare ale crmizilorcare necesit personal calificat pentru nzidire, dar sunt superioare din punct de

4


5/21

Note de curs AITVD

vedere termic celor n arc deoarece ntreaga energie radiat de bolile plane estendreptat spre ncrctur.

dac: B4m, bolile n arc devin foarte scumpe, deoarece crete fora T i cresc

cheltuielile cu armtura metalic, recomandndu-se n acest caz bolile plane.

2.6. Elemente de construcie auxiliare

Pentru a se asigura funcionarea n bune condiiuni, este necesar ca n construciacuptorului s se prevad i unele elemente auxiliare, cum ar fi:

canale de fum; orificii de lucru; ui;

dispozitive de manipulare a uilor; registre de fum.

2.6.1. Canalele de fum

Canalele de fum reprezint o component a instalaiei de evacuare i transport agazelor. Acestea dirijeaz gazele spre exterior n mediul ambiant. De regul ele suntsubterane, caz n care se zidesc cu cptueal refractar. Exist, mai rar, i situaii n caregazele arse se evacueaz pe la partea superioar a cuptorului, caz n care canalele de fumsunt reprezentate de conducte, cptuite la interior cu materiale refractare.

Pe lungimea sa, un canal de fum subteran prezint trei poriuni (figura 7):Poriunea verticala a canalului de fum;Poriunea orizontal a canalului de fum;Poriunea de subtraversare a peretelui lateral.

Poriunea vertical a canalului de fum se afl n interiorul conturului cuptorului ieste sub forma unui pu cu seciune dreptunghiular. Partea orizontal este dispus nafara conturului cuptorului. Pentru realizarea acestei poriuni se las n fundaie ocavitate (an), n care ulterior se zidete canalul de fum.

Zidria poriunii orizontale, se realizeaz cu boltie n semicerc. Din acest motivfora de desfacere este nul, nefiind necesare armturi metalice suplimentare pentruconsolidare. Distana rmas ntre boltia canalului i nivelul solului se umple cu un stratgranular de umplutur (umplutur de construcie). n cazul n care, datorit temperaturiiridicate, apar dilatri termice semnificative se recomand ca pereii cavitii n care sezidete canalul de fum s fie consolidai cu grinzi metalice transversale, montate nfundaie cu boluri. Pe poriunea orizontal, este necesar s se prevad puuri de vizitare.

5


6/21

Note de curs AITVD

b

P o r t i u n e a v e r t i c a l a

P o r t iu n e a d e

s u b t r a v e r s a r e

a p e r e t e l u i

P o r t i u n e a o r i z o n t a l a

1

2

3

4

5

a

a 1

b 1

Fig.7. Canal de fum subteran1- ncrctura metalic, 2- vatra cuptorului, 3- fundaia, 4- perete lateral, 5- umplutur

Poriunea de subtraversare a peretelui prezint urmtoarea particularitate: boltaacestei poriuni este puternic solicitat termic din dou direcii:

un flux de cldur de la gazele arse solicit partea inferioar a bolii; un flux de cldur ce traverseaz peretele lateral solicit partea superioar a

bolii.De asemenea apare o solicitare mecanic important datorit prelurii de ctre bolt

a unei pri din greutatea peretelui. n aceste condiii, pentru aceast poriune se recurgela metoda cu dou boltie (figura 7).

2.6.2. Conductele

Sunt folosite tot pentru transportul gazelor. Cnd acestea sunt reci (t < 400 0 C),conductele nu se deosebesc cu nimic fa de conductele metalice folosite n alte domenii.n cazul n care se folosesc pentru transportul gazelor cu temperaturi mari, conductele sezidesc la interior cu crmizi refractare, tip pan i rectangulare. Dac diametrulconductei este suficient de mare nct s permit accesul n interior a operatorilor, atuncizidirea se face n poziie orizontal (culcat). La partea superioar, zidirea se realizeaz

6

Poriunea vertical Poriunea de subtraversare a peretelui Poriunea orizontal


7/21

Note de curs AITVD

cu ajutorul cofrajelor, la fel ca la zidirea bolilor. Dac diametrul conductei este mic,zidirea se face pe poriuni de conduct, n poziie vertical, urmnd apoi ca aceste

poriuni s fie asamblate.

2.6.3. Orificiile de lucru

Orificiile de lucru reprezint degajri n pereii cuptoarelor, cu scopul realizriianumitor operaii:

ncrcare-descrcare; vizitarea spaiului de lucru; introducerea de adaosuri; alte operaii cu caracter tehnologic.

La construcia orificiilor trebuie s se acorde o atenie deosebit realizrii boltielori a pereilor despritori (n cazul unor orificii multiple).

Pe lng solicitrile care apar, ca i n cazul canalelor de fum, boltia orificiilor delucru este solicitat i la ocuri mecanice, datorit operaiilor de ncrcare-descrcare.Cnd cuptorul are mai multe ui, peretele despritor este suprasolicitat termic deoarecegazele arse spal trei din cele patru suprafee ale peretelui (figura 8). Pentru evitareadeformrii peretelui, acesta se construiete cu grosime variabil.

u s ipe r e te desp a r t i to r

f l a ca r a

Fig.8. Solicitarea termic a pereilor despritori n cazul uilor multiple

2.6.4. Uile

Uile servesc la nchiderea orificiilor de lucru dup terminarea operaiilor deintervenie n cuptor. Scopul lor este de a reduce fluxul de cldur pierdut prin radiaiespre mediul nconjurtor avnd totodat rol de protecie pentru personalul caredeservete cuptorul. Uile sunt solicitate la oc termic, datorit faptului c n perioadact sunt nchise se nclzesc, urmnd apoi s se rceasc pe perioada ct sunt deschise.Acest ciclu de nclzire-rcire repetat, numit oc termic, duce la distrugereamaterialului din care este confecionat ua.

7


8/21

Note de curs AITVD

La agregatele solicitate termic intens, ua gliseaz pe o ram metalic rcit, deobicei, cu ap. Tot n aceast situaie, mantaua metalic este dubl pentru a se putearealiza i rcirea acesteia. Rcirea nu este dictat att din considerente tehnologice, ctmai mult din considerente de protecie a operatorilor.

Masa refractar a uii (figura 9c) poate fi realizat din crmizi refractare sau dinmas ceramic plastic. Pentru protecia masei ceramice, n interior ua poate fi

cptuit cu cimenturi refractare.

A

A

A - A

1

2

3

4

5

a

b

c

Elementele metalice de armtur sunt sub form de bare cu seciune rotund sauplase de srm. Uile sunt manipulate cu ajutorul unor dispozitive cu contragreuti.Aceste operaii pot fi mecanizate, dar pentru siguran se pstreaz contragreutile.

2.6.5. Registrele de fum

Se mai numesc i ubere. Sunt organe cu ajutorul crora se obtureaz total sauparial seciunea de curgere a gazelor. Aceste registre de fum au un rol foarte importantn stabilirea regimului gazo-dinamic al cuptorului.

Registrul de fum are forma unei plci plane, cu posibilitate de translatare astfel

nct s poat duce la modificarea seciunii de curgere a gazelor.La temperaturi ale gazelor de pn la 600 0C, registrul se realizeaz sub forma uneiplci turnate din font. La temperaturi peste 600 0C, acesta se realizeaz dintr-o rammetalic rcit cu ap, n interiorul creia se zidete material refractar.

8

Fig.9. Ua unui cuptor:1- ua, 2- construcia pentrususinerea mecanismului deridicare, 3- roi de transmisie,4- cablu, 5- contragreuti,a- rama uii, b- armtur,c- material refractar


9/21

Note de curs AITVD

p l a c a

t i j ac a r c a s a

Fig.10. Registru de fum

2.6.6. Armtura metalic a cuptoarelor

Exist dou feluri de armturi metalice: armtur metalic extensibil; armtur metalic rigid.

Armtura metalic extensibil (figura 11) permite dilatarea cuptorului, astfel nct snu apar tensiuni de natur termic care s duc la distrugerea acesteia.

1

2

3

56

Aceast soluie permite reglarea cu ajutorul tiranilor inferiori i superiori aspaiilor destinate dilatrii zidriei n timpul funcionrii cuptorului.

Mantaua metalic are rolul de a prevenii interaciunea zidriei cu mediul ambiant(care, n timp, duce la degradarea zidriei). Mantaua mai are rolul de susintor pentrudiverse instalaii auxiliare i de asemenea, n cazul n care cuptorul funcioneaz cu o

9

Fig.11. Armtura metalic extensibil1- manta metalic,2- grind longitudinal,3- stlp,4- tirant superior,5- tirant inferior,6- profile metalice.

4


10/21

Note de curs AITVD

suprapresiune n interior, sau cu o depresiune, are rol de etanare, n scopul evitriiexfiltrailor / infiltrailor de gaze sau de aer n / din mediu.

Grinda longitudinal (2), este confecionat din profil U (n majoritatea cazurilor) iare rolul de a prelua eforturile rezultante date de bolt.

Stlpii dispui pe lungimea cuptorului, la o anumit distan, constituie puncte dereazem pentru grinda longitudinal. Aceti stlpi sunt solicitai la ncovoiere, datorit

legturii acestora cu tiranii superior i inferior. Tiranii au rolul de consolidare alstlpilor. Sunt confecionai din oel cu profil rotund, filetai la capete i fixai de stlpicu ajutorul piulielor.

Armtura metalic rigid (figura 12) se utilizeaz n cazul cuptoarelor cu regimuritermice mai sczute, la care dilatarea zidriei este mic i nu se pune problemadeschiderii acesteia pentru compensare.

t ir a n t s u p e r io r

s t a l p

Deosebirea fa de armtura extensibil, const n lipsa tiranilor inferior isuperior, stlpii fiind ncastrai n fundaie la partea inferioar i rigidizai la parteasuperioar cu o travers fixat prin sudur de acetia.

Anihilarea eventualelor dilatri n acest caz se face printr-o armare corespunztoarea fundaiei.

10

Fig. 12. Armtur metalic rigid


11/21

Note de curs AITVD

3. Materiale refractare folosite la construcia cuptoarelor metalurgice

3.1. Introducere

La execuia unui cuptor metalurgic sunt folosite o serie de materiale de construcie

ale cror particulariti i proprieti au un rol hotrtor n durata de funcionare aacestuia. Alegerea judicioas a materialelor de construcie i folosirea lorcorespunztoare asigur nu numai o durat mare de serviciu pentru tot cuptorul sau

pentru unele elemente ale lui, dar micoreaz att investiiile pentru construcie, ct icheltuielile de exploatare.

Materialele de baz folosite n construcia cuptoarelor metalurgice sunt materialeceramice i materialele metalice. Din categoria materialelor ceramice fac partematerialele refractare i materialele izolatoare, iar din categoria materialelor metalice fac

parte fontele i oelurile cu caracteristici adecvate.

3.2. Definiia i clasificarea materialelor refractare

Prin materiale refractare se neleg materialele care, fr a se topi, i meninproprietile tehnologice impuse de utilizator la temperaturi de peste 1500C.

O prim clasificare a materialelor refractare poate fi:

) refractare alctuite din elemente:

metale;

nemetale (carbon, bor).

) refractare alctuite din compui:nemetal + metal( oxizi, azoturi, boruri, carburi, sulfuri ale metalelor);

nemetal + nemetal (carbur de bor, nitrur de bor);

metal + metal (compui intermetalici).refractare alctuite din elemente i compui cermeturi

Dintre combinaiile chimice refractare, o importan practic mai mare o au uniioxizi (Al2O3, MgO, CaO, ZrO2, Cr2O3, SiO2),silicai (3Al2O3 SiO2, 3CaO SiO2, 2CaOSiO2, 2MgO SiO2), aluminai (CaO Al2O3) i spineli (CaO Al2O3, MgO Al2O3,

MgO Cr2O3). Pentru refractarele speciale se utilizeaz compui refractari neoxidici cumsunt: carburi (TiC, SiC, CaC2, B4C, HfC); nitruri (TiN, Si3N4, BN, AlN); boruri (HfB, TiB2, ZrB2); siliciuri (MoSi2, ZrSi2, TaSi2).

n ara noastr clasificarea materialelor refractare se face dup urmtoare criterii:

11


12/21

Note de curs AITVD

compoziie chimic i mineralogic;

refractaritate;

porozitate;

mod de legare;

mod de prezentare.

3.3. Materiale refractare fasonate

3.3.1. Materiale refractare silicioase

n aceast categorie sunt incluse materialele ce conin minimum 93% SiO2 i unprocent sczut de impuriti n special Al2O3. Sunt cunoscute i sub denumirea desilica.

Produsele silica au o variaie de volum liniar neregulat, cu o dilatare maxim nintervalul 7001000 0C. Temperatura de topire este mai sczut dect a SiO2 pur, iardeformarea sub ncrcare este mai sczut cu 50100 0C, fa de refractaritatea

produsului, ceea ce reprezint un avantaj n comparaie cu celelalte produse refractare,unde diferena este de 200400 0C.

Aceste produse au n schimb o rezisten sczut la ocuri termice la temperaturisub 650700 0C, datorit transformrii brute a cristalelor de cuar (transformri

polimorfe). La temperaturi peste 650700 0C, rezistena la ocuri termice este bun inu pune probleme deosebite n exploatare. Au de asemenea o bun rezisten mecanici la abraziune la temperaturi ridicate, ct i o mare rezisten la coroziunea zgurilor

acide i a oxizilor de fier n atmosfer oxidant. Sunt n schimb atacate de zgurilebazice.n timpul fabricaiei i utilizrii lor la temperaturi nalte sunt condiii ca n structur

s apar, n diferite proporii, cele trei forme polimorfe ale silicei: cuarul, tridimitulicristobalitul, alturi de o cantitate variabil de faz vitroas.

3.3.2. Materiale silico-aluminoase

Produsele silico-aluminoase sunt cele mai rspndite, reprezentnd cca. 70% dintotalul refractarelor de utilizare curent.

Compuii chimici principali care stau la baza acestor materiale sunt SiO2 i Al2O3.Compoziia chimic a diverselor mrci care intr n aceast categorie pot fi caracterizatepe baza diagramei de echilibru a sistemului binar SiO2 -Al2O3.

Cercetrile ntreprinse pentru cunoaterea acestui sistem au artat existena unuisingur compus binar de echilibru termic n condiii de presiune normal, mulitul,corespunztor formulei 3Al2O3 2SiO2 cu temperatura de topire egal cu 1934 0C la unconinut de 71,8 % Al2O3.

12


13/21

Note de curs AITVD

Pentru obinerea unor produse de cea mai bun calitate este necesar utilizarea unormaterii prime ct mai pure i omogene, dozarea i granularea lor adecvat, amestecareaomogen i fasonarea semiuscat cu prese foarte puternice, care dau cele mai compacte

produse, iar arderea ct mai avansat, aproape de temperatura de sinterizare a liantului.n plaja larg a sistemului binar SiO2-Al2O3 se fabric i se utilizeaz un mare numr

de materiale ceramice refractare, dintre care cele mai importante sunt:

materiale silico-aluminoase semiacide, caracterizate printr-un coninut deAl2O3 = 1228 %; n aceast subgrup se nscriu materiale antiacide care, laacelai coninut deAl2O3 au i (Na2O + K2O) = 63 %;

materiale de amot,care la un coninut de Al2O3 = 2845 % se prepar pebaz de amot, prin care se nelege o argil refractar ars; prin arderecomponentele argilei (caolinit, muscovit, cuar) se transform n mulit,cristobalit i faz vitroas.

materiale aluminoase, care, la un coninut de Al2O3 = 4562 % se fabric pebaz de amot cu adaos de alumin;

materiale superaluminoase, la un coninut de Al2O3 = 6290 %, acestemateriale se obin din amot bogat n alumin;

3.3.3. Materiale magneziene

Din aceast categorie fac parte numeroase mrci de materiale care i regsesccompoziiile chimice n sistemul polinar MgO-CaO-R2O3-SiO2. n continuare vor fi

prezentate materialele cele mai utilizate n construcia zidriilor cuptoarelor metalurgice: Materiale magnezitice

Sunt produse cu un coninut n MgO de minimum 85%. Pentru studierea acestorrefractare prezint interes cunoaterea diagramei de echilibru a sistemului binar MgO-CaO, care nu conine nici un produs binar, ci numai un eutectic 1a 2370oC.

Materiale dolomiticeSunt produse refractare fabricate din roci naturale al crui component principal l

constituie dolomitul( CaCO3 MgCO3).Principalele caliti refractare ale produselor dolomitice sunt refractaritatea lor

ridicat, rezistena bun la zgurile bazice i o stabilitate termic satisfctoare (ceva maibun dect a produselor magnezitice).

O grup de materiale dolomitice este cea cu CaO liber, care aparin subsistemului:

MgO - 2(CaO) (Fe2O3 ) - 3(CaO) SiO2 - CaO. Neajunsul lor principal este prezena ncompoziia dolomitelor arse a unei cantiti ridicate de CaO, faz extrem de sensibil lahidratare i carbonatare, motiv pentru care asemenea refractare sunt denumite dolomitenestabilizate. O ameliorare limitat a stabilitii la hidratare se obine prin acoperireagranulelor sau fabricarea de produse legate cu amot, gudron, rini, cnd se obindolomite semistabilizate.

13


14/21

Note de curs AITVD

O a doua grup de dolomite refractare, dolomitele stabilizate, este repartizar nsistemul: MgO - 2(CaO) (Fe2O3 ) - 2(CaO) (SiO2) 3(CaO) (SiO2),i se caracterizeaz prin faptul c oxidul de calciu CaO nu este liber, ci legat sub formde aluminat, feritaluminat,feritisilicai de calciu.

Produsele refractare dolomitice au refractariti de 180020000C, nstemperaturile nceputului de deformare sub sarcin sunt numai de cca. 15001600 oC

datorit legrii granulelor prin intermediul fazei vitroase sau a unor compui fuzibili;porozitatea este de cca. 1425 %. Rezistena la oc termic este de 830 cicluri (rciren aer), iar rezistena la coroziune este foarte bun fa de zgurile bazice i mai slab fade cele acide.

Materiale cromo-magnezitice si magnezio-cromiticeMateriale din aceast grup reprezint, din punct de vedere al constituenilor

chimici principali, amestecuri de MgO i Cr2O3. Materiale cromo-magnezitice conin1535 % Cr2O3 i min. 40 % MgO. Materiale magnezio-cromitice se disting princoninuturi mai sczute de Cr2O3 (sub 20 %) respectiv coninut mai ridicat de MgO (min.60 %).

Caracteristic pentru astfel de materiale este faptul c adaosul de Cr2O3 n magnezitdetermin mrirea unghiului diedru de legtur i deci, probabilitatea apariiei legturiidirecte. Datorit formrii structurilorspinelice (MgO) (Cr2O3) la materialele cromo-magnezitice se pot nregistra dou feluri de legturi directe: "periclaz-spinel" (numit ilegtura spinelic)i "periclaz-periclaz".

n funcie de ponderea celorlali constitueni nsoitori i mai cu seam n raportulCaO/SiO2 este posibil formarea legturilorsilicatice.

MaterialeforsteriticeRefractarele forsteritice conin, de regul, 5060 % MgO i 2535 % SiO2, care

indic prezena n compoziie a acestor materiale a compuilor MgO, 2MgO SiO2(forsterit) cu cca. 60 % MgO i temperatur de topire de 1890 oC i MgO SiO2 cucca.40% MgO i temperatur de topire 1537 0C. Dat fiind temperatura de topire sczuta ultimului compus, sunt mai puin utile masele cu sub 50 % MgO.

Crmizile forsteritice sunt sensibile la Fe2O3 i la ali oxizi metalici, ca i la altezguri bazice, pentru c n cazul cnd au un coninut de 35 % SiO 2, eutecticul ternarMgO-FeO- SiO2 se topete chiar de la 1250 oC .

3.3.4. Materialele refractare zirconice

n funcie de natura materiei prime utilizate la fabricaie se deosebesc doucategorii de refractare zirconice:

- pe baz de ZrO2 (zirconie);

- pe baz de silicat de zirconiu ZrO2 SiO2 sau ZrSiO4 (zircon).

14


15/21

Note de curs AITVD

De la temperatura camerei pn la 1170 0C,zirconia cristalizeaz n sistemulmonoclinic (m). n intervalul 11702350 0C sistemul de cristalizare este tetragonal (t),la temperaturi superioare nregistrndu-se sistemul cubic (c).

Transformarea la rcire tetragonal (t) monoclinic (m) este o transformaredistorsional (reversibil) de tip martensitic nsoit de o important cretere avolumului (79 %). Aceast transformare provoac fisurarea produselor, motiv pentru

care se practic stabilizarea ZrO2 cu adaosuri de MgO, CaO, Y2O3, etc. n acest mod seobine ZrO2 cubic stabilizat. Proporia de zirconie stabilizat, meninut la temperaturacamerei depinde de cantitatea de oxid stabilizat i de viteza de rcire. Dei zirconiastabilizat nu prezint variaii de volum, totui ea are inconvenientul unor valori mari

pentru coeficientul de dilatare, motiv pentru care n unele cazuri se prepar zirconiaparial stabilizat (PSZ), care mbin valori moderate pentru variaia volumului icoeficientul de dilatare.

Materialele pe baz de zircon pot fi caracterizate cu ajutorul diagramei de echilibruZrO2 SiO2 n care ZrO2 SiO2 este singurul produs. n aprecierea proprietilor acestormateriale trebuie inut cont de faptul c la 1538 0C zirconul disociaz termic, zirconiaastfel format putnd avea influene negative.

3.3.5. Materiale din oxizi puri

n mod convenional, n aceast clas sunt inclui oxizii avnd temperatura detopire peste 1800 oC.

Pentru confecionarea unor elemente constructive rezistente la ageni termochimici,cei mai folosii oxizi puri sunt: Al2O3, MgO, CaO, BeO, CeO2, ZrO2, UO2 i sticla decuar.

Recomandarea lor ca materiale refractare se bazeaz pe unele proprieti deosebiteale acestora:- stabilitatea termic ridicat, reaciile de disociere de tipul MO2M + O2, avnd

loc la temperaturi mari;- eventualele transformri polimorfe pot fi evitate prin folosirea de adaosuri

stabilizante;- rezistena chimic mare n atmosfere oxidante i reductoare, cu excepia MgO

i CaO (datorit sublimrii metalului din compoziie la temperaturi relativ sczute),oxizii refractari rezist la aciunea H2, CO i C;

- comparativ cu materialele metalice prezint valori sczute pentruconductivitatea termic (214 W/(m grd)) i cea electric (la 1200 oC rezistivitateaelectric este 102106 cm), motiv pentru care pot fi ntrebuinate n scopuri izolante.

3.3.6. Materiale refractare neoxidice

15


16/21

Note de curs AITVD

n ultimul timp gama materialelor ceramice utilizate n condiii de puternicesolicitri termomecanice sau termochimice este mbogit cu materiale noi, neoxidice,dintre care cele mai importante sunt:

- azoturile, n rndul crora exist azotur de siliciu, Si3N4 i azotur de bor, BN;- carburi, din care cele mai cunoscute sunt carbura de siliciu, SiC i cea de bor,

B4C;

- compuii neoxidici ai elementelor tranziionale (Ti, V, Cr, Mo), n care suntdispuse:

- carburi (TiC, VC, Cr3C2);- boruri (TiB2, VB2, CrB2);- azoturi (TiN, VN, Cr2N);

- siliciuri (MoSi2).- compuii de tip sialon caracterizai de sistemul cuaternar Si-Al-O-N, a cror

obinere principal se poate realiza prin nlocuirea parial n structura Si3N4 a azotuluicu oxigen i a Si cu Al.

Dintre materialele enumerate mai sus n tehnica realizrii cuptoarelor metalurgice ontrebuinare semnificativ o are SiC (carborundul) folosit ca atare sau ca masprincipal de fabricaie a refractarelorcarborundice.

Tot n aceast categorie sunt cuprinse i materialele alctuite dintr-un singurelement chimic precum cele cu coninut de carbon, care funcie de forma alotropic acarbonului (carbon amorf i grafit) se fabric n trei categorii principale: refractarecarbonice, refractaregrafitice i refractare carborundice.

Materiale refractare carbonice.Conin minim 90 % C sub form necristalizat(carbon amorf). n principal ele se obin din cocs sau antracit (varietate decrbune cu porozitate sczut), cu un liant pe baz de gudron, smoal sau

diverse rini. Datorit structurii lor necristaline, ele au conductivitate termicmai sczut dect produsele grafitice.

Materiale refractare grafitice. Se caracterizeaz prin 98 % C liber sub form degrafit. La fabricarea lor se utilizeaz grafitul natural sau cocsul de petrol. Tot naceast grup sunt incluse refractarelegrafito-argiloase.

Materiale refractare carborundice. Sunt obinute din granule de SiC legatentre ele prin diferite procedee. Proprietile acestor produse difer n funcie demodul n care se realizeaz legarea granulelor de SiC la temperatur ridicat, n

procesul de fabricaie.

3.3.7. Materiale ceramometalice (cermeturi)

Cermeturile sunt materiale ceramice mixte constituite dintr-o faz ceramic dur,refractar, reprezentat de oxizi ca Al2O3, SiO2, ZrO2, etc., sau carburi, nitruri, boruri isiliciuri i dintr-o faz metalic ductil. Proprietile cermeturilor, care nu sunt o sumaditiv a proprietilor celor dou tipuri diferite de constitueni, tind s mbunteasc

16


17/21

Note de curs AITVD

rezistenele mecanice la cald ale aliajelor metalice, mrind i rezistena chimic, iar pede alt parte s mbunteasc rezistenele la oc termic i mecanic ale componentelorceramice.

3.4. Materiale refractare nefasonate

La construcia agregatelor termice, n afara materialelor refractare fasonate, sentrebuineaz i produse pulverulente sau granulare. Unele din acestea se folosesc camateriale ajuttoare pentru executarea zidriei din produse fasonate, iar altele nlocuiescsau le protejeaz pe acestea.

3.4.1. Mortare, chituri, acoperiri refractare

Mortarele refractare sunt amestecuri de agregat i liant care servesc pentru legareacrmizilor refractare ntr-o zidrie (umplerea rosturilor).

Chiturile i acoperirile (vopselele) refractare se aplic n straturi subiri, manual sauprin pulverizare i au o natur chimic i mineralogic asemntoare cu a mortarelorns cu granulaii mai fine ale agregatului. Deci, mortarul trebuie s umple goluriledintre crmizi, s aib o bun adeziune la crmizi i s le lege puternic unele dealtele. Un mortar de bun calitate trebuie s ndeplineasc i alte cerine:

s prezinte o contracie total mic, ct mai apropiat de cea a crmizii; s aib o refractaritate suficient i o temperatur ridicat de deformare sub

sarcin; trebuie s fie compatibil cu crmizile pe care le leag, s prezinte

caracteristici apropiate i uneori chiar superioare acestora; s prezinte o capacitate suficient de reinere a apei care nu trebuie s fie

absorbit prea repede n crmizi; s prezinte o granulaie fin a agregatului (sub 1 mm), n afara unor cazuri

speciale; s posede o plasticitate i lucrabilitate care s asigure formarea unei paste uor

de ntins pentru a realiza un rost subire (n general sub 3 mm) i bine nchis.

Mortarele refractare reprezint 6...10 % din ntreaga zidrie. Cele mai obinuitemortare refractare sunt amestecuri fine ale unor granule (sub 1 mm) de agregate durerefractare i un liant argilos plastic. Dac temperaturile de utilizare nu sunt prea mari,dar se cere o rezisten mecanic mare, poate fi folosit ca liant argila cu coninut ridicatde fondani, n timp ce la temperaturi mari de utilizare, liantul trebuie s fie argilarefractar. Partea refractar degresant, cu porozitate mic, trebuie s prezinte cel puin60 % din compoziia mortarului, pentru a reduce contracia.

17


18/21

Note de curs AITVD

Mortarele cu liant argilos ating rezistena mecanic, densitatea i constana devolum, numai atunci cnd sunt nclzite la temperaturi superioare celei de sinterizare,cnd are loc aa numita legtur ceramic ceea ce face ca ele s fie cunoscute subdenumirea de mortare cu ntrire la cald.

O a doua categorie de mortare o reprezint cele care se ntresc la temperaturamediului ambiantsau n condiii de uoar nclzire, la care o legtur relativ puternic

apare chiar la temperaturi sczute. Liantul utilizat poate fi: soluie de silicat de sodiu,fosfat de sodiu, fosfat de aluminiu, fosfat de Al i Cr, liani hidraulici, etc.n cazul mortarului cu silicat de sodiu, pe lng agregatul refractar, de cele mai

multe ori, format din amot sau isturi argiloase, cu contracie minim la ardere sefolosete, argila plastic i 520 % soluie de silicat de sodiu. Alegerea argilei-liant i araportului Na2O/SiO2 al soluiei de silicat de sodiu este o problem important, de eadepinznd proprietile mortarului. Pentru aplicaii speciale se folosesc mortare uscate ncare, n loc de soluie de silicat de sodiu, se folosete o pulbere uscat de sodiu, restulcomponenilor rmnnd aceeai.

Pentru a grbi ntrirea mortarelor cu silicat de sodiu, n compoziia acestora se

adaugfluorosilicatde sodiu (1015 % din cantitatea de silicat de sodiu).Natura mortarelor pe baz de silicat de sodiu este relativ larg dac se ine seama

de componenii care intr n alctuirea lor; se alctuiesc astfel mortare pe baz deamote, agregate silicioase (cu coninut de cuar i deeuri de silic), magnezitice,cromitice (cu coninut de magnezit ars, cromit sau cromomagnezit) etc. Mortarele

bazice pot conine ca liani soluiile de clorur sau sulfat de magneziu, fosfat demagneziu, etc.

De dat mai recent sunt mortarele pe baz de fosfai (inclusiv acid fosforic).Asemenea mortare au o proporie crescut de Al2O3 i ntrirea lor are loc prin nclzire

uoar pn la maximum 4000

C. Aceste mortare au o comportare bun la atacul chimical zgurilor i diverselor tipuri de topituri.Pentru fiecare tip de crmid refractar exist un mortar specific cu proprieti

apropiate de cele ale crmizii. n cazul n care solicitrile cptuelilor sunt maxime latemperaturi nalte, se prefer utilizarea unor mortare lipsite de liani chimici (mai alessilicat de sodiu) i reducerea, uneori chiar excluderea (n cazul mortarelor bazice) alianilor ceramici. n astfel de cazuri legtura este asigurat prin sinterizarea care are locla temperaturi nalte, mbuntind performana cptuelilor la asemenea temperaturi.

Exist i mortare cu liani hidraulici, n a cror compoziie intr aceleai agregaterefractare alturi de cimenturi hidraulice (2040 %):

ciment portland stabilizat(care se poate utiliza pn la 1100 0C, n funciede natura agregatului);

cimenturi aluminoase (pn la 1200 0C); cimenturi superaluminoase (pn la 1600 0C).

Deseori cptuelile refractare sunt protejate de temperaturile nalte, de aciuneazgurilor, gazelor, prin aplicarea unor tencuieli refractare, chituri etc. Acestea trebuie sadere bine la zidrie i s reziste la aciunea zgurii mai bine dect zidria propriu-zis.Ele au compoziii asemntoare cptuelilor pe care le protejeaz.

18


19/21

Note de curs AITVD

Acoperirile refractare, pot avea compoziii oxidice, metalice, metaloceramice saude tip combinat. Compoziiile oxidice pot fi simple sau complexe. Drept oxizi refractaride acoperire se folosesc: Al2O3, ZrO2, Cr2O3, CeO2, TiO2, MgO.

Acoperirile metaloceramice sunt obinute din amestecuri de metale cu oxizi sausilicai, precum i cu carburi, boruri, siliciuri, azoturi etc. Metalele i materialeleceramice, care au fost supuse unei mcinri prealabile, separate sau mpreun, se

disperseaz ntr-un mediu lichid (n ap sau alcool polivinilic, n tricloretilen etc.). Caacoperiri cu performane bune se pot meniona cermeturile: Ni + MgO, Ni+SiC, Ni+Al2O3, Ni+Cr3B4.

Acoperirile de tip combinat reprezint combinaii complexe n a cror compoziiepot intra, n calitate de component refractar: oxizi, silicai, pulberi metalice, carburi,siliciuri, boruri etc., iar ca liani servesc emailurile vitroase, zgurile, silicatul de sodiu,rinile organice i silico-organice, etc.[7].

3.4.2. Betoane refractare

Betoanele refractare sunt betoane cu agregate refractare i prezint stabilitate latemperatur nalt. Ele sunt de dou tipuri:

betoane care manifest un minim al rezistenei n cursul nclzirii (betoanecu liani hidraulici i magnezieni);

betoane a cror rezisten nu variaz practic cu ridicarea temperaturii(betoane cu silicat de sodiu i cu fosfat de aluminiu).

Betoanele cu ciment portland sunt de regul utilizate n cptueli cu temperatura deexploatare de pn la aproximativ 11001200 0C. Prin folosirea cimentului portland nalctuirea betoanelor, dup amestecarea cu ap, se formeaz, alturi de faze hidratate

silicatice, aluminatice sau cu fier, cantiti importante de Ca(OH)2. La hidratareasilicailor de calciu se formeaz ca produs principal gelul tobermoritic, cu o structurslab cristalin, deformat i stratificat cu comportament coloidal; structura sa esteevolutiv conducnd n final, la structuri de cristalizare-policondensare. Cnd betonuleste nclzit la peste 550 0C, Ca(OH)2 se descompune cu eliminarea vaporilor de ap iformare de CaO; la temperaturi mai ridicate au loc transformri structural-compoziionale importante i n compuii hidrosilicatici, de asemenea cu eliberare deCaO. Aceste transformri sunt cauza principal a stabilitii termice reduse a betoanelor

pe baz de ciment portland, mai ales n condiiile n care betonul este rcit i cnd CaOse va converti n Ca(OH)2 provocnd tensionarea maselor i fisurarea lor accentuat,

pn la distrugerea lor. Folosirea unor stabilizatori fin mcinai (amot, diatomit,cromit, zgur etc.) capabile s lege CaO, reduce neajunsurile de comportament ale

betoanelor pe baz de ciment portland.Betoanele cu ciment aluminos au temperaturi de utilizare mai mari. Se folosesc att

cimenturi aluminoase obinute prin topire (de compoziie aproximativ: 3740 %Al2O3, 3640 % CaO, 1117 % Fe2O3, 38 % SiO2) ct i cimenturi aluminoaseobinute prin sinterizare (cu 5160 % Al2O3 respectiv 7280 % Al2O3). Creterea

19


20/21

Note de curs AITVD

coninutului de Al2O3 duce la mrirea temperaturii de utilizare a cimentului (cu condiiaalegerii corespunztoare a agregatului refractar).

Componentul principal al cimenturilor aluminoase este CaO Al2O3 care imprim iproprieti nalte de rezisten mecanic.

Cele mai ntrebuinate agregate care intr n compoziia betoanelor refractare culiant hidraulic sunt: amota, silimanitul, andaluzitul, distenul (cianitul), bauxitele

calcinate, corindonul, cromita, ZrO2 etc.Un rol important revine compoziiei granulometrice a amestecului. Prin folosireaunei anumite granuloziti se urmrete, de obicei, s se obin o compactitate ct maimare. Aceast caracteristic depinde att de distribuia ct i de forma granulelor deagregat. Amestecuri de agregat de form achioas au uneori aria suprafeei dubl fade cele sferice, ele solicit o cantitate de ap mai mare pentru obinerea unei lucrabiliti

bune. Pentru obinerea unei rezistene la ncovoiere mari, suprafeele rugoase alegranulelor sunt mai avantajoase dect cele netede. Procentul de agregat fin din betoanelerefractare trebuie s fie mai mare dect la betoanele obinuite, deoarece astfel se obineo lucrabilitate corespunztoare scopului i o uurare a procesului de sinterizare dintre

agregat i ciment.Dimensiunea maxim a agregatelor utilizate este de 40 mm; ea nu trebuie s

depeasc 1/41/5 din dimensiunea minim a piesei de beton. n cazul agregatelor decorindon deferizat dimensiunea maxim se limiteaz la 10 mm.

Refractaritatea i temperatura de deformare sub sarcin la cald a betoanelorrefractare cresc atunci cnd coninutul de ciment scade.

O alt categorie de betoane refractare sunt betoanele refractare termoizolatoare.Betoanele termoizolatoare sunt amestecuri de cimenturi hidraulice refractare cu

agregate granulare termoizolatoare (uoare). Se pot produce n urmtoarele sortimente:

betoane termoizolatoare cu ciment Portland stabilizat avnd ca agregatdiatomit calcinat. Aceste betoane au utilizri pn la 700 0C. Se folosescnumai la izolaii termice.

betoane termoizolatoare cu ciment aluminos i agregate de amot silico-aluminoase cu utilizri la 1300...1400 0C i maximum 1750 0C. Aceste

betoane au la baz cimenturi superaluminoase i agregate de amotuoare, aluminoase, superaluminoase i alumin globular.

betoane termoizolatoare cu ciment aluminos i cu agregate uoare diverse.Temperaturile de utilizare pot fi pn la 1150 0C n funcie de calitatea

cimentului i a agregatelor uoare (zgur, perlit, diatomit etc).Datorit calitii lor bune izolatoare, aceste betoane au nceput s nlocuiasc nmulte locuri de utilizare cptuelile izolatoare din produse termoizolatoare clasice.

3.4.3. Mase refractare

20


21/21

Note de curs AITVD

Masele refractare sunt amestecuri din argil plastic i agregate refractare cu saufr liani chimici anorganici sau organici (soluii de silicat de sodiu, acid fosforic,fosfai, clorur sau sulfat de magneziu, dextrin, amidon .a.)

Dup forma de prezentare i de punere n oper, masele refractare se clasific n: mase refractareplastice, sub form granular sau de calupuri, umezite, gata de

prelucrare i punere n oper prin uoar stampare;

masele destampare, sub form de amestec, care se umezesc cu liantul chimici cu apa n momentul cnd sunt prelucrate, fie prin stampare pneumatic saumanual, fie prin vibrare;

mase de torcretare sub form de amestec uscat, care se umezesc cu liantulchimic i cu apa n instalaia de torcretare la utilizare.

Masele refractare plastice rezult n general din amestecarea unor agregate cu unliant ceramic - una sau dou tipuri de argile. La multe compoziii de mase plasticeconinutul de argil este de 1530 %; coninuturile mai mari de argil sunt utilizate la

produsele cu solicitri mai reduse, care se instaleaz n poziii dificile.Masele refractare au un avantaj n plus fa de betoane, deoarece pot fi folosite i n

contactul cu bile de metal topit.Rezistena maselor refractare la atacul chimic depinde de caracteristicile fizice i

chimice ale acestora (densitate, porozitate, refractaritate etc.), de natura materialelor ncontact, de atmosfera cuptorului (gaze, temperatur) etc. Astfel, rezistena la ataculchimic al oxidului feric crete cu coninutul de Al2O3 i cu densitatea refractarului. Din

punct de vedere al rezistenei la atacul alcaliilor s-a constatat c produsele legate fosfaticse comport cel mai bine.

21

Documents

AITVD CURS 3 Curs8