1. ASPECTE GENERALE PRIVIND AGREGATELE TERMICE METALURGICE

1.1. Introducere

Majoritatea proceselor metalurgice (elaborarea fontelor, a oelurilor, a aliajelor neferoase, retopirea n diferite scopuri, nclzirea n vederea deformrii plastice ulterioare prin laminare, forjare, matriare, etc., nclzirea n vederea realizrii tratamentelor termice i termochimice, uscarea argilelor pentru turntorie, sinterizarea, etc.), se desfoar la o temperatur mai mare dect temperatura mediului ambiant.Pentru a realiza aceste procese este necesar un aport de cldur (energie termic) din exterior, sau conservarea unei cantiti de cldur, n interiorul unui corp, procese care se realizeaz prin nclzire, respectiv izolare termic. Dup cum se tie din principiul al doilea al termodinamicii, transferul de cldur se realizeaz n mod natural de la un sistem termodinamic cu o temperatur ridicat la unul avnd o temperatur mai sczut.Procesele metalurgice menionate mai sus, se desfoar n aa numitele agregate termice. Ca o definiie succint, agregatul termic metalurgic, reprezint un ansamblu de corpuri n care se desfoar un proces termotehnologic metalurgic. De aceea agregatele termice metalurgice se mai numesc si agregate termotehnologice metalurgice (A.T.M) .Aceste procese termotehnologice se desfoar pe seama schimbului energetic ntre elementele componente ale A.T.M i ntre A.T.M i mediul ambiant. n baza acestei observaii putem spune c A.T.M reprezint un sistem termodinamic. Deoarece ntre un A.T.M i mediul ambiant au loc schimburi de energie mecanic (datorit diferenelor de presiune care se stabilesc) i schimburi de energie termic sub form de cldur, A.T.M poate fi considerat, un sistem termodinamic neizolat. De asemenea ntre A.T.M i mediul ambiant, au loc i schimburi de mas, datorit diferitelor procese de evacuare a gazelor, de evacuare i introducere a ncrcturii metalice, etc. n consecin, A.T.M poate fi considerat i un sistem termodinamic deschis.n majoritatea cazurilor, mediul ambiant pentru un A.T.M. l reprezint hala industrial n care funcioneaz, cu atmosfera din interiorul acesteia, precum i cu celelalte agregate i instalaii montate n interiorul halei.Deoarece condiiile n care se afl mediul ambiant amintit mai sus nu se modific semnificativ n timp, iar regimul de funcionare al A.T.M este oarecum cvasiconstant, putem spune ca ntre A.T.M i mediul ambiant se stabilete un regim staionar din punct de vedere termodinamic, regim care este caracterizat de mrimile de stare cunoscute din termotehic.

Fig. 1.1. Agregatul termotehnologic metalurgic1- spaiul de lucru al cuptorului; 2- zidria cuptorului; 3- instalaia de ardere;4- structura metalic de susinere a zidriei; 5- canale de evacuare a gazelor 6- schimbtor de cldur; 7- coul de fum.

Pe lng procesele pur metalurgice care au loc n cuptor (CM), n interiorul A.T.M. mai au loc i unele procese auxiliare, cum ar fi: prenclzirea aerului i/sau a combustibilului, n schimbtorul de cldur (SC); obinerea aburului tehnologic, etc.Aceste procese au la baz tot fenomene de transfer de cldur.Procesul metalurgic propriu-zis se desfoar n spaiul de lucru al cuptorului (SL), spaiu de lucru care are volumul Vsl. Acest spaiu este format dintr-un volum ocupat de ncrctura metalic, notat Vm i un spaiu liber, notat Vl:

Vsl=Vm+Vl (1.1)

1.2. Clasificarea cuptoarelor metalurgice

Varietatea proceselor metalurgice i diversitatea tehnologiilor specifice unui proces a generat de-a lungul timpului apariia unor numeroase tipuri de cuptoare a cror clasificare este foarte greu de realizat. Totui lund n considerare anumii factori putem face urmtoarea clasificare:

a) n funcie de natura procesului termotehnologic care are loc: cuptoare metalurgice de elaborare (topire); cuptoare metalurgice de nclzire: cuptoare de nclzire pentru deformri plastice; cuptoare de nclzire pentru tratamente termice i termochimice; cuptoare de nclzire pentru sinterizarea produselor din pulberi; cuptoare metalurgice de uscare.

b) Dup modul de funcionare tehnologic: cuptoare cu funcionare discontinu - se caracterizeaz prin faptul c operaiunile de ncrcare-descrcare sunt distincte n raport cu procesul metalurgic propriu-zis, astfel durata total a unui ciclu de funcionare este dat de relaia:

c=nc+p.m+desc (1.2)

Aceste cuptoare cu funcionare discontinu se mai numesc i cuptoare tip camer. Temperatura n interiorul acestora este una variabil n timp, sau uneori constant n timp, dar ntotdeauna constant n diferitele puncte ale spaiului de lucru. cuptoare cu funcionare continu - la aceste cuptoare procesele de ncrcare i descrcare se suprapun peste procesul tehnologic propriu-zis, astfel:

c=p.m (1.3)

Aceste cuptoare poart denumirea de cuptoare traversate. n acest caz temperatura cuptorului este constant n timp, dar variabila n spaiul de lucru.

c) Dup sursa termic: cuptoare cu combustie: cuptoare cu flacr; cuptoare de tip convertizor; cuptoare electrice.

La cuptoarele cu flacr cldura se degaj pe seama arderii unui combustibil.n cazul cuptoarelor de tip convertizor, producerea cldurii are loc pe seama reaciilor de ardere din interiorul topiturii.

d) Dup desfurarea volumului util al cuptorului: cuptoare tip vatr - lungimea i limea spaiului util sunt mult mai mari dect nlimea. Este cazul cuptoarelor de nclzire. cuptoare tip cuv - cu dezvoltare pe vertical, avnd lungimea i limea mult mai mici dect nlimea. Este cazul cuptoarelor circulare, la care diametrul vetrei este mult mai mic dect nlimea.

2. ELEMENTE CONSTRUCTIVE ALE CUPTOARELOR METALURGICE

Indiferent de categoria din care fac parte, exist probleme general valabile tuturor cuptoarelor, probleme legate de partea constructiv a acestora. Exist i particulariti, ele nefcnd subiectul acestui capitol.Prile constructive eseniale ale unui cuptor metalurgic sunt: Fundaia; Zidria; Elementele de susinere metalice. Menionm faptul c unele aspecte nfiate n capitolul de fa trebuie corelate cu informaiile existente n capitolul urmtor, referitor la materialele de construcie.

2.1. Fundaia

Fundaia reprezint partea constructiv a cuptoarelor care are rolul de a uniformiza presiunile specifice de contact, la nivelul solului.Fundaiile se execut, n funcie de situaiile particulare existente, din crmid roie, roc brut legat cu mortar, din beton sau din beton armat.Alegerea acestor tipuri de materiale se face, n funcie de tipul solicitrilor care apar. A dimensiona fundaia unui cuptor, nseamn a determina aria total de contact cu solul i grosimea fundaiei.Din punct de vedere mecanic, calculul fundaiei presupune un echilibru al forelor care acioneaz asupra acesteia:Gc + Gf = ps.a . Sc = R (2.1)

unde ps.a reprezint presiunea specific admisibil a solului n suprafaa de contact i difer n funcie de natura solului. Pentru a obine rezultate optime, aceast presiune trebuie s fie n jurul a 0,25 MN/m2. Gc este greutatea cuptorului, iar Gf este greutatea fundaiei (figura 2.1).

Fig. 2.1. Dimensionarea fundaiei

n cazul n care, pentru anumite situaii concrete, aceast presiune admisibil nu se atinge se iau msuri speciale de ajungere la aceast valoare. O msur ar fi mrirea suprafeei de contact (figura 2.2).

SCSC

Fig. 2.2. Evazarea fundaiei pentru mrirea suprafeei de contact Ac cu solulO alt metod ar fi mrirea rezistenei solului prin compactare, sau prin eliminarea acestuia pn se ajunge la roca dur. Cnd nivelul rocii se afl la o adncime mai mare de 4 metri, se recurge la realizarea unor fundaii suspendate pe piloni (figura 2.3).Pe lng solicitrile mecanice la care este supus fundaia, mai apar i solicitri de natur termic, datorit existenei unui gradient de temperatur ntre suprafaa de contact vatra cuptorului - fundaie i suprafaa de contact fundaie - sol.

Fig. 2.3. Dispunerea fundaiei pe piloni

Acest gradient de temperatur duce la dilatri neuniforme ale fundaiei, provocnd fisuri n masa acesteia. Pentru a se evita acest lucru, se poate recurge la urmtoarele metode: realizarea vetrei, astfel nct fluxul de cldur care se pierde spre exterior qI, s fie mai mare dect fluxul de cldur care se transmite ctre fundaie, qII (figura 2.1): qI > qII presupune ca rezistena termic a vetrei pe direcia I, s fie mult mai mic dect rezistena termic pe direcia II. Aceast afirmaie conduce la ideea conform creia grosimea vetrei trebuie s fie mai mare dect semilimea cuptorului. Este evident vorba despre o soluie scump, la care se apeleaz numai n cazuri speciale (furnalele pentru elaborarea fontei). o alt variant const n realizarea de vetre rcite (figura 2.4). Prin aceast metod, ntre vatr i fundaie se realizeaz canale prin care circul (natural sau uneori forat) aer. prevenirea efectului negativ al dilatrii termice excesive se poate obine i prin construcia fundaiilor n form de a (figura 2.5). n acest caz, prile laterale ale fundaiei lucreaz ca nite grinzi dispuse la marginea acesteia.

La construcia fundaiilor mai trebuie respectate i unele condiii legate de umiditatea optim a solului. Cnd acesta este prea uscat se recurge la umectarea artificial. Dac nivelul apelor freatice are o adncime mai mic de 2 metri, se adopt soluii de drenaj ale zonei sau hidroizolarea fundaiei cu ajutorul unor chesoane metalice sau cu betoane speciale.n cazul cuptoarelor executate n afara halelor industriale mai trebuie s se in cont i de nivelul de nghe al solului, corespunztor zonei geografice respective. La noi n ar nivelul maxim de nghe este de 70 cm, aceasta presupunnd o poziionare a fundaiei sub acest nivel deoarece solul ngheat i modific total proprietile fa de cel nengheat.

Fig.2.4. Metoda vetrelor rcite Fig.2.5. Construcia fundaiei n a

2.2. Zidria

Zidria ca noiune general cuprinde: vatra cuptorului, pereii laterali i bolta. Zidria este elementul de construcie care nchide spaiul de lucru al cuptorului avnd urmtoarele funcii: s poat asigura o rezisten termic, mecanic i chimic adecvat n interiorul spaiului de lucru; s asigure etaneitatea spaiului de lucru; s menin n interiorul spaiului de lucru temperatura optim cerut de procesul tehnologic, cu alte cuvinte, pierderile de cldur spre exterior s fie minime.Realizarea zidriei se poate face utiliznd 1, 2, 3, sau, n cazuri excepionale, mai multe straturi din materiale ceramice cu proprieti diferite. n interiorul cuptorului peretele trebuie s reziste la ocurile termice, la coroziunea chimic i la aciunile mecanice. Pentru aceasta, stratul interior trebuie s aib proprieti refractare foarte bune, adic materialul s reziste la temperaturi nalte i la ocuri termice. Pe de alt parte materialul zidriei trebuie s prezinte proprieti termoizolante pentru a diminua fluxul de cldur pierdut spre exterior. Acest material mai trebuie s aib i o rezisten mecanic suficient pentru a se putea realiza susinerea ntregului ansamblu. Zidria are i rolul de susinere a instalaiei de ardere i a dispozitivelor auxiliare montate pe cuptor.n situaia n care regimul termic al cuptorului este unul sczut, dimensiunile acestuia fiind reduse, zidria se poate realiza n varianta cu un strat, strat care ndeplinete toate condiiile menionate mai sus.n majoritatea cazurilor ns, zidria se realizeaz din dou straturi, unul interior, din material ceramic refractar, rezistent la temperaturi nalte, coroziune i oc termic i unul exterior, termoizolator.

Fig.2.6. Realizarea zidriei cu unul, dou i respectiv trei straturi

n cazul n care temperatura intermediar tx , nu poate fi cobort sub 1100 0C (figura 2.6), se recurge la varianta cu trei straturi. Primul este un strat refractar, al doilea unul termoizolator, dintr-un material rezistent la temperaturi nalte i un al treilea start, tot termoizolator, dar care rezist la temperaturi sub 800 0C.

2.3. Vetrele cuptoarelor metalurgice

Vatra este elementul de zidrie care nchide la partea inferioar spaiul de lucru al cuptorului. Ca i o clasificare general putem spune c, n primul rnd, vetrele se mpart n dou categorii: vetrele cuptoarelor de elaborare; vetrele cuptoarelor de nclzire. Vetrele cuptoarelor de nclzire se difereniaz pentru: cuptoare tip camer, la care exist: vetre fixe; vetre mobile; cuptoare traversate (cu funcionare continu).

Vetrele cuptoarelor de elaborare pot fi: vetre n arc negativ; vetre n pant; vetre n trepte.Exemple demonstrative pentru modul de construcie a acestor tipuri de vetre sunt prezentate n schiele urmtoare.

a) b) c)

Fig.2.7. Tipuri de vetre pentru cuptoare de elaborare:a- n arc negativ; b- n pant; c- n trepte1- strat refractar; 2- strat izolator; 3- strat de uzur stampat

a) b) c)

Fig.2.8. Tipuri de vetre pentru cuptoare de nclzirea- vatr fix; b-vatr mobil; c-vatr cu grinzi pitoare.1- vatra;2- pereii laterali;3- semifabricatul supus nclzirii;4- fundaia cuptorului;5- mecanism de antrenare a grinzilor mobile;1a- grinzi mobile;1b- grinzi fixe.

detaliul A

2.3.1. Vetrele cuptoarelor de elaborare

Vetrele cuptoarelor de elaborare n arc negativ (figura 2.7.a) sunt folosite la elaborarea aliajelor neferoase, pe cnd vetrele n pant (figura 2.7.b) i n trepte (figura 2.7.c) sunt folosite la elaborarea oelului i a fontei. Dintre acestea dou din urm, vetrele n pant sunt mai scumpe i mai pretenioase din punct de vedere al manoperei pentru c folosesc crmizi speciale, n schimb au avantajul unui strat de uzur uniform ca i grosime, ceea ce conduce la o micorare a riscului de apariie a fisurilor datorate gradienilor de temperatur pe grosime.

2.3.2. Vetrele cuptoarelor de nclzire

Vetrele fixe (figura 2.8.a) se folosesc la cuptoarele tip camer, cu funcionare discontinu. Vatra este monolitic. Operaiunile de ncrcare-descrcare din cuptor se realizeaz cu dispozitive speciale. Vatra mobil din figura 2.8.b este utilizat tot la cuptoarele tip camer, cu funcionare discontinu, dar n acest caz, vatra are posibilitatea de culisare pe nite ine i poate fi scoas din incinta cuptorului. Aceasta faciliteaz ncrcarea i descrcarea cuptorului.Acest tip de vetre se folosete la cuptoarele de nclzire a lingourilor de dimensiuni mari, necesitnd un sistem de etanare care poart numele de etanare jgheab-cuit, reprezentat n detaliul A din figura 2.8. Mai sunt i alte tipuri de vetre mobile, spre exemplu vetrele cuptoarelor cu funcionare continu, la care se folosete foarte des sistemul cu grinzi pitoare, prezentat n figura 2.8.c.Pe lng aceste tipuri de vetre, mai exist vetre cu glisiere, cu band, cu lanuri, etc. Acestea sunt specifice cuptoarelor cu funcionare continu.

2.3.3. Dimensionarea vetrelor

Vetrele, n general, sunt supuse unor solicitri mecanice, termice i chimice. Intensitatea acestor solicitri depinde de tipul cuptorului. Spre exemplu vetrele cuptoarelor de elaborare, sunt supuse cu precdere unor solicitri termice i chimice pentru c vin n contact direct cu topitura metalic. n schimb, vetrele cuptoarelor de nclzire sunt supuse unor solicitri mecanice mai intense, apoi termice i chimice ntr-o mai mic msur.

Dimensionarea vetrelor presupune un calcul al grosimii acestora () i al lungimii (L), respectiv limii (B). se determin din condiii de rezisten mecanic i izolare termic; L, B se determin din urmtoarele considerente:

(2.2)

LungimeaLimea = Aria Vetrei (S v).K este un coeficient a crui valori sunt recomandate n literatura de specialitate funcie de tipul cuptorului.Calculul ariei vetrei, Av, se face difereniat, astfel:- Pentru cuptoarele cu funcionare continu:

(2.3)- Pentru cuptoare cu funcionare discontinu:

(2.4)unde: P [t/h]- este productivitatea cuptoarelor cu funcionare continu; P [t/m2h] - este productivitatea specific. C [t]- capacitatea cuptorului cu funcionare discontinu n tone; - durata unui ciclu de funcionare al cuptorului discontinuu.

2.4. Pereii cuptoarelor

Pereii reprezint partea zidriei care nchide spaiul de lucru al cuptorului n zonele laterale 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 2.9), pentru a evita amorsele de fisurare, induse de unghiurile drepte. Pereii nclinai se execut 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 form de cupol. Pe lng rolul de nchidere a spaiului de lucru pereii mai ndeplinesc i alte funcii 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.2.9. 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 induse de instalaiile auxiliare montate pe acetia. Dimensionarea pereilor presupune determinarea grosimii acestora. Lungimea este una din dimensiunile vetrei, rmnnd de determinat doar nlimea:

(2.5)Volumul spaiului de lucru, VSL se determin difereniat dup tipul cuptorului. Spre exemplu, pentru cuptoarele de tratament termic acesta se determin astfel:

(2.6)

unde: VSl este volumul spaiului liber, n [m3], Vmat este volumul materialului supus nclzirii, 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 n consecin 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 la partea superioar a acestuia. Bolile sunt mai puin solicitate mecanic i foarte intens solicitate 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 cFig.2.10.Tipuri de bolia- bolt n arc simplu rezemat longitudinal, b- bolt n arc suspendat, c- bolt plan suspendat

Fig.2.11.Modul de nzidire al bolilor n arc simplu rezemate1- cofrajul cu stlpii de susinere; 2- crmizi pan; 3- cheia bolii;4- umrul bolii; 5- perete lateral;6- stlpul armturii metalice

Modul de nzidire al bolilor n arc, simplu rezemate, este prezentat n figura 2.11. Pentru a realiza arcurile, bolile se zidesc pe cofraje introduse n spaiul dintre perei. Dup aezarea crmizilor de reazem (umerii bolii) se zidesc alternativ crmizile pan i cele rectangulare, ncepndu-se pe ambele laturi de la crmizile de reazem spre centrul bolii. Arcul se ncheie prin introducerea forat, pe direcia axului bolii, a unei crmizi pan numit cheia bolii care rigidizeaz bolta. nzidirea se poate face n arce succesive, pe lungimea cuptorului, caz n care rezistena bolii este mai mic, sau n arce ntreptrunse, caz n care rezistena este superioar dar apar dificulti cu nzidirea [9]. n continuare sunt prezentate cteva exemple de tipuri de crmizi utilizate la zidirea bolilor, precum i modul de asamblare a acestora.

Fig.2.12. Tipuri de crmizi utilizate la construcia bolilorBolile n arc sunt solicitate mecanic, mai puin termic. Dimensionarea lor presupune determinarea dimensiunilor geometrice schiate n figura 2.13.

Fig.2.13. 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:

(2.7)

(2.8)

(2.9)

unde: R - raza bolii; b - este grosimea bolii;unghiul de deschidere care este considerat un unghi n evantai, adic pentru o bolt n semicerc, iar pentru o bolt plan.n stare rece bolta este solicitat la compresiune datorit reaciunilor din reazeme induse de fora T (figura 2.13).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 este limitat de creterea semnificativ a tensiunii T. Sgeata bolii se calculeaz cu formula:

(2.10)Grosimea bolii, b depinde de modul de nzidire a acesteia. Peste crmizile pan se aplic un strat izolator termic, de obicei din materiale sub form de pulberi. n cazul unor regimuri termice foarte ridicate se evit aceast izolare pentru ca bolta s nu se supranclzeasc i s apar fisuri n materialul acesteia. La alegerea tipului de bolt, n arc sau plan, se ine cont de urmtoarele: bolile plane sunt mai scumpe, datorit formelor particulare ale crmizilor care necesit personal calificat pentru nzidire, dar sunt superioare din punct de vedere termic celor n arc deoarece ntreaga energie radiat de bolile plane este ndreptat 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 construcia cuptorului 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 a gazelor. Acestea dirijeaz gazele spre exterior n mediul ambiant. De regul ele sunt subterane, caz n care se zidesc cu cptueal refractar. Exist, mai rar, i situaii n care gazele arse se evacueaz pe la partea superioar a cuptorului, caz n care canalele de fum sunt reprezentate de conducte, cptuite la interior cu materiale refractare.Pe lungimea sa, un canal de fum subteran prezint trei poriuni (figura 2.14): 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 i este sub forma unui pu cu seciune dreptunghiular. Partea orizontal este dispus n afara conturului cuptorului. Pentru realizarea acestei poriuni se las n fundaie o cavitate (an), n care ulterior se zidete canalul de fum.Zidria poriunii orizontale, se realizeaz cu boltie n semicerc. Din acest motiv fora de desfacere este nul, nefiind necesare armturi metalice suplimentare pentru consolidare. Distana rmas ntre boltia canalului i nivelul solului se umple cu un strat granular de umplutur (umplutur de construcie). n cazul n care, datorit temperaturii ridicate, apar dilatri termice semnificative se recomand ca pereii cavitii n care se zidete canalul de fum s fie consolidai cu grinzi metalice transversale, montate n fundaie cu boluri. Pe poriunea orizontal, este necesar s se prevad puuri de vizitare.

Poriunea vertical Poriunea de subtraversare a peretelui Poriunea orizontal

Fig.2.14. Canal de fum subteran1- ncrctura metalic, 2- vatra cuptorului, 3- fundaia, 4- perete lateral, 5- umplutur

Poriunea de subtraversare a peretelui prezint urmtoarea particularitate: bolta acestei 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 recurge la metoda cu dou boltie (figura 2.14).

2.6.2. ConducteleSunt 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 se zidesc la interior cu crmizi refractare, tip pan i rectangulare. Dac diametrul conductei este suficient de mare nct s permit accesul n interior a operatorilor, atunci zidirea se face n poziie orizontal (culcat). La partea superioar, zidirea se realizeaz 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 realizrii anumitor 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 boltielor i a pereilor despritori (n cazul unor orificii multiple).Pe lng solicitrile care apar, ca i n cazul canalelor de fum, boltia orificiilor de lucru este solicitat i la ocuri mecanice, datorit operaiilor de ncrcare-descrcare. Cnd cuptorul are mai multe ui, peretele despritor este suprasolicitat termic deoarece gazele arse spal trei din cele patru suprafee ale peretelui (figura 2.15). Pentru evitarea deformrii peretelui, acesta se construiete cu grosime variabil.

Fig.2.15. Solicitarea termic a pereilor despritori n cazul uilor multiple2.6.4. UileUile servesc la nchiderea orificiilor de lucru dup terminarea operaiilor de intervenie n cuptor. Scopul lor este de a reduce fluxul de cldur pierdut prin radiaie spre mediul nconjurtor avnd totodat rol de protecie pentru personalul care deservete cuptorul. Uile sunt solicitate la oc termic, datorit faptului c n perioada ct 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 distrugerea materialului din care este confecionat ua.La agregatele solicitate termic intens, ua gliseaz pe o ram metalic rcit, de obicei, cu ap. Tot n aceast situaie, mantaua metalic este dubl pentru a se putea realiza i rcirea acesteia. Rcirea nu este dictat att din considerente tehnologice, ct mai mult din considerente de protecie a operatorilor.Masa refractar a uii (figura 2.16.c) poate fi realizat din crmizi refractare sau din mas ceramic plastic. Pentru protecia masei ceramice, n interior ua poate fi cptuit cu cimenturi refractare.

Fig.2.16. Ua unui cuptor:1- ua, 2- construcia pentru susinerea mecanismului de ridicare, 3- roi de transmisie, 4- cablu, 5- contragreuti, a- rama uii, b- armtur, c- material refractar

Elementele metalice de armtur sunt sub form de bare cu seciune rotund sau plase 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 sau parial seciunea de curgere a gazelor. Aceste registre de fum au un rol foarte important n 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 unei plci turnate din font. La temperaturi peste 600 0C, acesta se realizeaz dintr-o ram metalic rcit cu ap, n interiorul creia se zidete material refractar.

Fig.2.17. Registru de fum

2.6.6. Armtura metalic a cuptoarelorExist dou feluri de armturi metalice: armtur metalic extensibil; armtur metalic rigid.Armtura metalic extensibil (figura 2.18) permite dilatarea cuptorului, astfel nct s nu apar tensiuni de natur termic care s duc la distrugerea acesteia.4

Fig.2.18. Armtura metalic extensibil1- manta metalic,2- grind longitudinal,3- stlp,4- tirant superior,5- tirant inferior,6- profile metalice.

Aceast soluie permite reglarea cu ajutorul tiranilor inferiori i superiori a spaiilor 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 pentru diverse instalaii auxiliare i de asemenea, n cazul n care cuptorul funcioneaz cu o suprapresiune n interior, sau cu o depresiune, are rol de etanare, n scopul evitrii exfiltrailor / infiltrailor de gaze sau de aer n / din mediu.Grinda longitudinal (2), este confecionat din profil U (n majoritatea cazurilor) i are rolul de a prelua eforturile rezultante date de bolt.Stlpii dispui pe lungimea cuptorului, la o anumit distan, constituie puncte de reazem pentru grinda longitudinal. Aceti stlpi sunt solicitai la ncovoiere, datorit legturii acestora cu tiranii superior i inferior. Tiranii au rolul de consolidare al stlpilor. Sunt confecionai din oel cu profil rotund, filetai la capete i fixai de stlpi cu ajutorul piulielor.Armtura metalic rigid (figura 2.19) se utilizeaz n cazul cuptoarelor cu regimuri termice mai sczute, la care dilatarea zidriei este mic i nu se pune problema deschiderii acesteia pentru compensare.

Fig. 2.19. Armtur metalic rigid

Deosebirea fa de armtura extensibil, const n lipsa tiranilor inferior i superior, stlpii fiind ncastrai n fundaie la partea inferioar i rigidizai la partea superioar cu o travers fixat prin sudur de acetia.Anihilarea eventualelor dilatri n acest caz se face printr-o armare corespunztoare a fundaiei.

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 a acestuia. Alegerea judicioas a materialelor de construcie i folosirea lor corespunztoare asigur nu numai o durat mare de serviciu pentru tot cuptorul sau pentru unele elemente ale lui, dar micoreaz att investiiile pentru construcie, ct i cheltuielile de exploatare.Materialele de baz folosite n construcia cuptoarelor metalurgice sunt materiale ceramice i materialele metalice. Din categoria materialelor ceramice fac parte materialele 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 menin proprietile tehnologice impuse de utilizator la temperaturi de peste 1500C.O prim clasificare a materialelor refractare poate fi:a) refractare alctuite din elemente: metale; nemetale (carbon, bor).b) 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).c) refractare alctuite din elemente i compui cermeturiDintre combinaiile chimice refractare, o importan practic mai mare o au unii oxizi (Al2O3, MgO, CaO, ZrO2, Cr2O3, SiO2), silicai (3Al2O3 SiO2, 3CaO SiO2, 2CaO SiO2, 2MgOSiO2), aluminai (CaO Al2O3) i spineli (CaO Al2O3, MgO Al2O3, MgO Cr2O3). Pentru refractarele speciale se utilizeaz compui refractari neoxidici cum sunt: 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: 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 un procent sczut de impuriti n special Al2O3. Sunt cunoscute i sub denumirea de silica.Produsele silica au o variaie de volum liniar neregulat, cu o dilatare maxim n intervalul 7001000 0C. Temperatura de topire este mai sczut dect a SiO2 pur, iar deformarea 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 temperaturi sub 650700 0C, datorit transformrii brute a cristalelor de cuar (transformri polimorfe). La temperaturi peste 650700 0C, rezistena la ocuri termice este bun i nu pune probleme deosebite n exploatare. Au de asemenea o bun rezisten mecanic i 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 zgurile bazice.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, tridimitul i cristobalitul, alturi de o cantitate variabil de faz vitroas.3.3.2. Materiale silico-aluminoase

Produsele silico-aluminoase sunt cele mai rspndite, reprezentnd cca. 70% din totalul 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 caracterizate pe baza diagramei de echilibru a sistemului binar SiO2 -Al2O3.Cercetrile ntreprinse pentru cunoaterea acestui sistem au artat existena unui singur compus binar de echilibru termic n condiii de presiune normal, mulitul, corespunztor formulei 3Al2O32SiO2 cu temperatura de topire egal cu 1934 0C la un coninut de 71,8 % Al2O3.Pentru obinerea unor produse de cea mai bun calitate este necesar utilizarea unor materii prime ct mai pure i omogene, dozarea i granularea lor adecvat, amestecarea omogen 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 de Al2O3 = 1228 %; n aceast subgrup se nscriu materiale antiacide care, la acelai coninut de Al2O3 au i (Na2O + K2O) = 63 %; materiale de amot, care la un coninut de Al2O3 = 2845 % se prepar pe baz de amot, prin care se nelege o argil refractar ars; prin ardere componentele argilei (caolinit, muscovit, cuar) se transform n mulit, cristobalit i faz vitroas. materiale aluminoase, care, la un coninut de Al2O3 = 4562 % se fabric pe baz de amot cu adaos de alumin; materiale superaluminoase, la un coninut de Al2O3 = 6290 %, aceste materiale se obin din corindon, silimanit, andaluzit sau amot bogat n alumin; materiale corindonice, care conin peste 95 % Al2O3 pe seama utilizrii la fabricaie a bauxitei sinterizate, aluminei tabulare i a altor materii prime [7].3.3.3. Materiale magneziene

Din aceast categorie fac parte numeroase mrci de materiale care i regsesc compoziiile chimice n sistemul polinar MgO-CaO-R2O3-SiO2. n continuare vor fi prezentate materialele cele mai utilizate n construcia zidriilor cuptoarelor metalurgice: Materiale magneziticeSunt produse cu un coninut n MgO de minimum 85%. Pentru studierea acestor refractare 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 ( CaCO3MgCO3).Principalele caliti refractare ale produselor dolomitice sunt refractaritatea lor ridicat, rezistena bun la zgurile bazice i o stabilitate termic satisfctoare (ceva mai bun 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 n compoziia dolomitelor arse a unei cantiti ridicate de CaO, faz extrem de sensibil la hidratare i carbonatare, motiv pentru care asemenea refractare sunt denumite dolomite nestabilizate. O ameliorare limitat a stabilitii la hidratare se obine prin acoperirea granulelor sau fabricarea de produse legate cu amot, gudron, rini, cnd se obin dolomite semistabilizate.O a doua grup de dolomite refractare, dolomitele stabilizate, este repartizar n sistemul: 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 form de aluminat, feritaluminat, ferit i silicai de calciu.Produsele refractare dolomitice au refractariti de 18002000 0C, ns temperaturile 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 (rcire n aer), iar rezistena la coroziune este foarte bun fa de zgurile bazice i mai slab fa de 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 conin 1535 % Cr2O3 i min. 40 % MgO. Materiale magnezio-cromitice se disting prin coninuturi 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 magnezit determin mrirea unghiului diedru de legtur i deci, probabilitatea apariiei legturii directe. Datorit formrii structurilor spinelice (MgO)(Cr2O3) la materialele cromo-magnezitice se pot nregistra dou feluri de legturi directe: "periclaz-spinel" (numit i legtura spinelic) i "periclaz-periclaz".n funcie de ponderea celorlali constitueni nsoitori i mai cu seam n raportul CaO/SiO2 este posibil formarea legturilor silicatice. Materiale forsteriticeRefractarele forsteritice conin, de regul, 5060 % MgO i 2535 % SiO2, care indic prezena n compoziie a acestor materiale a compuilor MgO, 2MgOSiO2 (forsterit) cu cca. 60 % MgO i temperatur de topire de 1890 oC i MgOSiO2 cu cca.40% MgO i temperatur de topire 1537 0C. Dat fiind temperatura de topire sczut a 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 alte zguri bazice, pentru c n cazul cnd au un coninut de 35 % SiO2, eutecticul ternar MgO-FeO- SiO2 se topete chiar de la 1250 oC [8].

3.3.4. Materialele refractare zirconice

n funcie de natura materiei prime utilizate la fabricaie se deosebesc dou categorii de refractare zirconice:- pe baz de ZrO2 (zirconie);- pe baz de silicat de zirconiu ZrO2 SiO2 sau ZrSiO4 (zircon).De la temperatura camerei pn la 1170 0C, zirconia cristalizeaz n sistemul monoclinic (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 transformare distorsional (reversibil) de tip martensitic nsoit de o important cretere a volumului (79 %). Aceast transformare provoac fisurarea produselor, motiv pentru care se practic stabilizarea ZrO2 cu adaosuri de MgO, CaO, Y2O3, etc. n acest mod se obine ZrO2 cubic stabilizat. Proporia de zirconie stabilizat, meninut la temperatura camerei depinde de cantitatea de oxid stabilizat i de viteza de rcire. Dei zirconia stabilizat nu prezint variaii de volum, totui ea are inconvenientul unor valori mari pentru coeficientul de dilatare, motiv pentru care n unele cazuri se prepar zirconia parial stabilizat (PSZ), care mbin valori moderate pentru variaia volumului i coeficientul de dilatare.Materialele pe baz de zircon pot fi caracterizate cu ajutorul diagramei de echilibru ZrO2 SiO2 n care ZrO2SiO2 este singurul produs. n aprecierea proprietilor acestor materiale trebuie inut cont de faptul c la 1538 0C zirconul disociaz termic, zirconia astfel format putnd avea influene negative.

3.3.5. Materiale din oxizi puri

n mod convenional, n aceast clas sunt inclui oxizii avnd temperatura de topire 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 de cuar.Recomandarea lor ca materiale refractare se bazeaz pe unele proprieti deosebite ale acestora:- stabilitatea termic ridicat, reaciile de disociere de tipul MO2 M + 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 pentru conductivitatea termic (214 W/(mgrd)) i cea electric (la 1200 oC rezistivitatea electric este 102106 cm), motiv pentru care pot fi ntrebuinate n scopuri izolante.

3.3.6. Materiale refractare neoxidice

n ultimul timp gama materialelor ceramice utilizate n condiii de puternice solicitri 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 sunt dispuse: 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 azotului cu oxigen i a Si cu Al.Dintre materialele enumerate mai sus n tehnica realizrii cuptoarelor metalurgice o ntrebuinare semnificativ o are SiC (carborundul) folosit ca atare sau ca mas principal de fabricaie a refractarelor carborundice.Tot n aceast categorie sunt cuprinse i materialele alctuite dintr-un singur element chimic precum cele cu coninut de carbon, care funcie de forma alotropic a carbonului (carbon amorf i grafit) se fabric n trei categorii principale: refractare carbonice, refractare grafitice 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 de crbune cu porozitate sczut), cu un liant pe baz de gudron, smoal sau diverse rini. Datorit structurii lor necristaline, ele au conductivitate termic mai sczut dect produsele grafitice. Materiale refractare grafitice. Se caracterizeaz prin 98 % C liber sub form de grafit. La fabricarea lor se utilizeaz grafitul natural sau cocsul de petrol. Tot n aceast grup sunt incluse refractarele grafito-argiloase. Materiale refractare carborundice. Sunt obinute din granule de SiC legate ntre ele prin diferite procedee. Proprietile acestor produse difer n funcie de modul n care se realizeaz legarea granulelor de SiC la temperatur ridicat, n procesul de fabricaie [7].

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 i siliciuri i dintr-o faz metalic ductil. Proprietile cermeturilor, care nu sunt o sum aditiv a proprietilor celor dou tipuri diferite de constitueni, tind s mbunteasc rezistenele mecanice la cald ale aliajelor metalice, mrind i rezistena chimic, iar pe de alt parte s mbunteasc rezistenele la oc termic i mecanic ale componentelor ceramice.

3.4. Materiale refractare nefasonate

La construcia agregatelor termice, n afara materialelor refractare fasonate, se ntrebuineaz i produse pulverulente sau granulare. Unele din acestea se folosesc ca materiale ajuttoare pentru executarea zidriei din produse fasonate, iar altele nlocuiesc sau le protejeaz pe acestea.3.4.1. Mortare, chituri, acoperiri refractare

Mortarele refractare sunt amestecuri de agregat i liant care servesc pentru legarea crmizilor refractare ntr-o zidrie (umplerea rosturilor).Chiturile i acoperirile (vopselele) refractare se aplic n straturi subiri, manual sau prin pulverizare i au o natur chimic i mineralogic asemntoare cu a mortarelor ns cu granulaii mai fine ale agregatului. Deci, mortarul trebuie s umple golurile dintre crmizi, s aib o bun adeziune la crmizi i s le lege puternic unele de altele. 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 obinuite mortare refractare sunt amestecuri fine ale unor granule (sub 1 mm) de agregate dure refractare 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 ridicat de fondani, n timp ce la temperaturi mari de utilizare, liantul trebuie s fie caolinul sau argila refractar. Partea refractar degresant, cu porozitate mic, trebuie s prezinte cel puin 60 % din compoziia mortarului, pentru a reduce contracia.Mortarele cu liant argilos ating rezistena mecanic, densitatea i constana de volum, 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 sub denumirea de mortare cu ntrire la cald.O a doua categorie de mortare o reprezint cele care se ntresc la temperatura mediului ambiant sau 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 se folosete, argila plastic i 520 % soluie de silicat de sodiu. Alegerea argilei-liant i a raportului Na2O/SiO2 al soluiei de silicat de sodiu este o problem important, de ea depinznd proprietile mortarului. Pentru aplicaii speciale se folosesc mortare uscate n care, n loc de soluie de silicat de sodiu, se folosete o pulbere uscat de sodiu, restul componenilor rmnnd aceeai.Pentru a grbi ntrirea mortarelor cu silicat de sodiu, n compoziia acestora se adaug fluorosilicat de 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 de amote, 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 de magneziu, 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 400 0C. Aceste mortare au o comportare bun la atacul chimic al 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 la temperaturi nalte, se prefer utilizarea unor mortare lipsite de liani chimici (mai ales silicat de sodiu) i reducerea, uneori chiar excluderea (n cazul mortarelor bazice) a lianilor ceramici. n astfel de cazuri legtura este asigurat prin sinterizarea care are loc la temperaturi nalte, mbuntind performana cptuelilor la asemenea temperaturi.Exist i mortare cu liani hidraulici, n a cror compoziie intr aceleai agregate refractare alturi de cimenturi hidraulice (2040 %): ciment portland stabilizat (care se poate utiliza pn la 1100 0C, n funcie de natura agregatului); cimenturi aluminoase (pn la 1200 0C); cimenturi superaluminoase (pn la 1600 0C).Deseori cptuelile refractare sunt protejate de temperaturile nalte, de aciunea zgurilor, gazelor, prin aplicarea unor tencuieli refractare, chituri etc. Acestea trebuie s adere bine la zidrie i s reziste la aciunea zgurii mai bine dect zidria propriu-zis. Ele au compoziii asemntoare cptuelilor pe care le protejeaz.Acoperirile refractare, pot avea compoziii oxidice, metalice, metaloceramice sau de tip combinat. Compoziiile oxidice pot fi simple sau complexe. Drept oxizi refractari de acoperire se folosesc: Al2O3, ZrO2, Cr2O3, CeO2, TiO2, MgO.Acoperirile metaloceramice sunt obinute din amestecuri de metale cu oxizi sau silicai, precum i cu carburi, boruri, siliciuri, azoturi etc. Metalele i materialele ceramice, care au fost supuse unei mcinri prealabile, separate sau mpreun, se disperseaz ntr-un mediu lichid (n ap sau alcool polivinilic, n tricloretilen etc.). Ca acoperiri 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 compoziie pot 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 la temperatur nalt. Ele sunt de dou tipuri: betoane care manifest un minim al rezistenei n cursul nclzirii (betoane cu 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 de exploatare de pn la aproximativ 11001200 0C. Prin folosirea cimentului portland n alctuirea betoanelor, dup amestecarea cu ap, se formeaz, alturi de faze hidratate silicatice, aluminatice sau cu fier, cantiti importante de Ca(OH)2. La hidratarea silicailor de calciu se formeaz ca produs principal gelul tobermoritic, cu o structur slab cristalin, deformat i stratificat cu comportament coloidal; structura sa este evolutiv conducnd n final, la structuri de cristalizare-policondensare. Cnd betonul este nclzit la peste 550 0C, Ca(OH)2 se descompune cu eliminarea vaporilor de ap i formare de CaO; la temperaturi mai ridicate au loc transformri structural-compoziionale importante i n compuii hidrosilicatici, de asemenea cu eliberare de CaO. 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 CaO se 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 aluminoase obinute prin sinterizare (cu 5160 % Al2O3 respectiv 7280 % Al2O3). Creterea coninutului de Al2O3 duce la mrirea temperaturii de utilizare a cimentului (cu condiia alegerii corespunztoare a agregatului refractar).Componentul principal al cimenturilor aluminoase este CaOAl2O3 care imprim i proprieti nalte de rezisten mecanic.Cele mai ntrebuinate agregate care intr n compoziia betoanelor refractare cu liant hidraulic sunt: amota, silimanitul, andaluzitul, distenul (cianitul), bauxitele calcinate, corindonul, cromita, ZrO2 etc.Un rol important revine compoziiei granulometrice a amestecului. Prin folosirea unei anumite granuloziti se urmrete, de obicei, s se obin o compactitate ct mai mare. Aceast caracteristic depinde att de distribuia ct i de forma granulelor de agregat. Amestecuri de agregat de form achioas au uneori aria suprafeei dubl fa de cele sferice, ele solicit o cantitate de ap mai mare pentru obinerea unei lucrabiliti bune. Pentru obinerea unei rezistene la ncovoiere mari, suprafeele rugoase ale granulelor sunt mai avantajoase dect cele netede. Procentul de agregat fin din betoanele refractare trebuie s fie mai mare dect la betoanele obinuite, deoarece astfel se obine o 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 de corindon deferizat dimensiunea maxim se limiteaz la 10 mm.Refractaritatea i temperatura de deformare sub sarcin la cald a betoanelor refractare 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 agregat diatomit calcinat. Aceste betoane au utilizri pn la 700 0C. Se folosesc numai 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 amot uoare, 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 n multe locuri de utilizare cptuelile izolatoare din produse termoizolatoare clasice.

3.4.3. Mase refractare

Masele refractare sunt amestecuri din argil plastic i agregate refractare cu sau fr 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 refractare plastice, sub form granular sau de calupuri, umezite, gata de prelucrare i punere n oper prin uoar stampare; masele de stampare, sub form de amestec, care se umezesc cu liantul chimic i cu apa n momentul cnd sunt prelucrate, fie prin stampare pneumatic sau manual, fie prin vibrare; mase de torcretare sub form de amestec uscat, care se umezesc cu liantul chimic i cu apa n instalaia de torcretare la utilizare.Masele refractare plastice rezult n general din amestecarea unor agregate cu un liant ceramic - una sau dou tipuri de argile. La multe compoziii de mase plastice coninutul 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 de stampare se deosebesc de masele refractare plastice prin cantitatea mai mic de argil, liant i ap, precum i prin utilizarea unor mijloace de compactare mai energice.Pentru masele de torcretare aplicate cu ajutorul mainilor speciale de torcretare (dispozitive de aplicare sau proiectare a maselor de reparaie pe zonele deteriorate ale cuptorului, la cald sau la execuia cptuelii) se utilizeaz agregate de aceeai natur cu zidria coninnd liani ceramici i/sau chimici i diverse alte adaosuri cu rol de ageni de sinterizare, plastifiere etc. Astfel de exemplu, masele de torcretare folosite pentru cuptoarele electrice cu arc au o compoziie granulometric continu cuprins ntre 0,2 mm, care conine maxim 50 % granule peste 0,5 mm i 25 % fraciuni foarte fine sub 0,063 mm.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 n contact, de atmosfera cuptorului (gaze, temperatur) etc. Astfel, rezistena la atacul chimic 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 fosfatic se comport cel mai bine.

4. PRODUCEREA CLDURII N SPAIUL DE LUCRU AL CUPTOARELOR I AGREGATELOR METALURGICE

4.1. Transformarea energiei chimice n energie caloric

Eliberarea energiei calorice se face prin ardere, proces chimic prin care combustibilii (solizi, lichizi sau gazoi) se combin cu oxigenul.

4.1.1. Clasificarea combustibililorClasificarea combustibililor se face n principal dup originea lor i dup starea lor de agregare. Ca atare, combustibilii de tot felul se mpart n combustibili naturali i artificiali, fiecare categorie, la rndul ei submprindu-se n combustibili solizi, lichizi i gazoi.

1.Combustibili solizi

Combustibilii solizi pot fi mprii n dou mari categorii:a) naturali lemn, turb, crbune brun, huil, antracit, etc.;b) artificiali crbune de lemn, cocs, praf de crbune, etc. Aceti combustibili se obin din combustibilii naturali prin diferite metode fizico-mecanice (mbogire, clasare, brichetare, etc.) i fizico-chimice (carbonizare, cocsificare, etc.).Combustibilii solizi naturali sunt de origine vegetal i sunt caracterizai, n afar de datele analizei chimice elementare i prin datele aa numitei analize tehnice. Prin analiz tehnic se determin: umiditatea; materiile volatile; coninutul de cenu; coninutul de sulf; puterea calorific.

2. Combustibili lichizi

a) Combustibil lichid natural este doar ieiul, care n stare brut nu se folosete ca i combustibil deoarece distilarea lui este mult mai economic.b) Ca i combustibili lichizi artificiali avem produsele care rezult n urma procesului de distilare a ieiului. Dintre acestea putem amintii: motorina, combustibili lichizi uori (c.l.u.), combustibili lichizi grei (c.l.g.) pcura.Cteva din proprietile fizice ale combustibililor lichizi sunt: viscozitatea este important pentru transportul combustibililor lichizi prin conducte i pulverizarea lor; tensiunea superficial important n procesul de pulverizare a combustibililor lichizi pentru ardere; densitatea cuprins ntre 0,86 1,06 kg/dm3; temperatura de inflamabilitate este temperatura cea mai joas la care combustibilul emite o cantitate suficient de vapori, pentru a forma un amestec inflamabil; coninutul de impuriti mecanice trebuie s fie < 1 %, pentru a nu obtura conductele i duzele arztorului; indicele de cocsare o msur a depunerii de cocs pe capul arztorului; coninutul de sulf trebuie s fie ct mai sczut deoarece sulful este un element nociv pentru instalaiile de ardere i pentru procesele tehnologice, datorit faptului c prin ardere formeaz bioxid de sulf (SO2), care se combin cu apa i formeaz acizi; puterea calorific - este mare (40000 42000 kJ/kg). Puterea calorific reprezint cantitatea de cldur care se degaj cnd arde o cantitate de combustibil egal cu unitatea. Se msoar n [kcal/kg, kJ/kg, kJ/kmol, kJ/m3N, etc.). puterea calorific superioar reprezint cantitatea de cldur degajat prin arderea complet a unei uniti din acel combustibil, produsele de ardere fiind aduse a o temperatur mai mic de temperatura de condensare a vaporilor de ap (120 0C); puterea calorific inferioar reprezint cantitatea de cldur degajat prin arderea complet a unei uniti din acel combustibil, produsele de ardere fiind aduse a o temperatur superioar temperaturii de condensare a vaporilor de ap.

3. Combustibili gazoi.

La fel ca i la combustibilii lichizi i n cazul acestor combustibili avem:a) Combustibil gazos natural gazul metan;b) Combustibili gazoi artificiali gazul de furnal, gazul de cocserie, gazul de generator, gazul de cubilou, etc.Aceti combustibili prezint unele avantaje fa de ceilali combustibili prezentai pn acum: - posibilitate mai bun de amestecare cu aerul necesar arderii;- arderea complect, se poate realiza cu exces minim de aer; transportul combustibilului la consumator se poare realiza mai uor; exploatarea instalaiilor de ardere este mai uoar i mai sigur; nu se produc reziduuri de ardere.Pe lng aceste avantaje utilizarea combustibililor gazoi prezint i unele dezavantaje: prezint pericol mai mare de explozie; puterea calorific este mai mic.

4.1.2. Arderea combustibililor

Procesul chimic al arderii necesit existena unor fenomene de schimb de mas i de cldur care pun n contact, i pregtesc, amestecul de combustibil cu oxigenul, a unor fenomene de nclzire a agenilor care intr n reacie pn la temperaturi care fac posibil o dezvoltare suficient de rapid a reaciei chimice i a unor reacii chimice care au loc n condiii impuse de concentraiile, presiunile i temperaturile existente n spaiile de ardere.Procesele de ardere a unui combustibil pot fi mprite n:- procese omogene arderea are loc n volum, cnd se amestec combustibilul cu aerul necesar arderii (caracteristic arderii combustibililor gazoi);- procese eterogene arderea are loc la suprafaa de separaie dintre combustibil i aerul necesar arderii (caracteristic arderii combustibililor solizi i lichizi).

4.1.2.1. Arderea combustibililor gazoi

n afar de calculele de ardere, prin care se nelege determinare cantitii de aer necesar arderii i a compoziiei gazelor de ardere, trebuie cunoscute i principalele fenomene de aprindere i de propagare a flcrilor, n cazul arderii combustibililor gazoi.Aprinderea amestecului combustibil se poate face n dou moduri:- ntregul amestec combustibil se nclzete pn la o temperatur de la care se aprinde fr nici o intervenie din exterior. Acest mod de aprindere se mai numete i autoaprindere i este specific aprinderii combustibililor n motoarele cu aprinde prin compresie.- amestecul de combustibil rece este aprins numai ntr-un punct sau zon a sa, cu ajutorul unor surse de temperaturi nalte (flacr exterioar, scnteie, corp nclzit), iar aprinderea ntregului volum se face cu viteza de propagare a frontului de flacr. Acest mod de aprindere local (forat) este specific proceselor de ardere n focarele agregatelor termice.Procesul de autoaprindere poate fi studiat pentru cazul simplu cnd se consider un volum V de amestec combustibil mrginit de perei ai cror temperatur T poate fi mrit. Considerm pentru simplificare c n ntregul volum V concentraia i temperatura sunt aceleai. Cldura degajat datorit reaciei chimice va fi:

(4.1)

relaie n care: q cldura de reacie, [J/m3]; w viteza de reacie; V volumul amestecului combustibil.Cldura Q1 este folosit pentru ridicarea temperaturii amestecului i o parte din ea se pierde prin pereii incintei. Cldura care se pierde se poate calcula cu relaia:

(4.2)relaie n care: Tw temperatura pereilor incintei, [0C]; S suprafaa pereilor, [m2]; - coeficient de schimb de cldur de la gaze la perei, [W/m2grd]; T temperatura amestecului gazos, [0C].

Fig.4.1. Regimul termic la temperatura de autoaprindere.

Dac se reprezint grafic curbele de variaie ale mrimilor Q1 i Q2, n funcie de temperatura amestecului, rezult c aceste curbe se pot intersecta n dou puncte corespunztoare la dou valori ale temperaturii, iar pentru o anumit temperatur a pereilor cele dou curbe devin tangente (fig.4.1). Se poate demonstra c temperatura amestecului, Ta la care cele dou curbe devin tangente, reprezint temperatura de autoaprindere, i c legtura dintre aceast temperatur i temperatura Tw a pereilor incintei este:

(4.3)unde: E energia de activare a reaciei chimice, [J];R constanta universal a gazelor.

Cum valoarea este n general mai mic de 30 40 0C, rezult c este suficient s se msoare temperatura pereilor incintei n momentul aprinderii amestecului pentru a determina temperatura de autoaprindere. De aceea uneori, temperatura de autoaprindere se consider temperatura minim a pereilor incintei la care, n condiiile date, are loc explozia termic a amestecului.

Temperatura teoretic de ardere

Dac arderea are loc ntr-o incint adiabatic, atunci gazele de ardere se nclzesc pn la o temperatur maxim caracteristic fiecrui combustibil, temperatur care se numete temperatur teoretic de ardere i care se poate calcula cu relaia:

, [0C] (4.5)unde: Hi puterea calorific inferioar a combustibilului, [kJ/kg; kJ/m3N];Vg volumul de gaze rezultat din arderea complet a combustibilului, [m3N/kg; m3N];

- cldura specific medie a gazelor, [kJ/m3Ngrd];Dac arderea se face cu aer prenclzit:

, [0C] (4.6)unde: - coeficientul de exces de aer;L0 aerul minim necesar arderii complete;ia - entalpia aerului. La temperaturi mai mari de 1500 0C apare fenomenul endoterm de disociere a produselor de ardere, iar n acest caz temperatura teoretic de ardere se calculeaz cu relaia:

, [0C] (4.7)unde reprezint gradul de disociere i ia urmtoarele valori n funcie de temperatur:1500 = 0; 1700 = 2,5 %; 2000 = 7 %.

4.1.2.2. Arderea combustibililor lichizi

Combustibilii lichizi au ntotdeauna temperatura de fierbere mult mai mic dect temperatura de iniiere a reaciei de ardere (temperatura de aprindere). Deoarece n timpul arderii temperatura suprafeei combustibilului lichid nu poate depi temperatura de fierbere, rezult c arderea acestui combustibil are loc n faz gazoas la oarecare distan fata de suprafaa de separaie lichid-vapori.n instalaiile de ardere industriale, n care pentru intensificarea arderii combustibilii lichizi sunt pulverizai n picturi cu diametru mic, zona de ardere poate s fie sferic-simetric n jurul picturii sau se situeaz n dra hidrodinamic a acesteia.n regim staionar arderea este caracterizat de dou procese:- evaporarea combustibilului la suprafaa picturii, datorit cldurii primite din zona de reacie;- arderea propriu-zis a amestecului format din vapori de combustibil i aer n zona de reacie.Pe baza analizei proceselor de schimb de mas i cldur, realizarea condiiei impuse de regimul staionar (adic egalitatea dintre viteza de evaporare i viteza de ardere a vaporilor formai) se exprim prin egalitatea ntre parametrul de transport de mas BM i parametrul de transport BT:BM = BT (4.8)Aceast egalitate se mai poate scrie, innd cont de expresia fiecrui parametru:

(4.9)unde: Cm concentraia masic a componentei active n masa de fluid;Cw concentraia agentului activ la suprafaa de separaie;cp cldura specific a gazului n care evolueaz particula de combustibil lichid;Tm temperatura mediului gazos;Tw temperatura suprafeei picturii;q* - cldura cedat de mediul ambiant pe unitatea de mas a lichidului ce se evapor ;

Fig.4.4. Determinarea temperaturii la suprafaa picturii de combustibil lichid din egalitatea BM = BT.

Parametrul de transport de mas BM va varia n funcie de temperatura suprafeei picturii Tw conform curbei 1 (fig.4.4), prezentnd asimptote la Tw = 0 (unde Cw = 0 i BM = -Cm) i la Tw = Ts (unde Ts reprezint temperatura de fierbere a combustibilului lichid). Reprezentnd totodat curba pentru parametrul de transport BT n funcie de Tw, se obine o dreapt cu panta cp/q* (curba 2 din fig.4.4). La intersecia celor dou curbe se determin temperatura Tw, la care are loc egalitatea BM = BT . Se observ c odat cu mrirea temperaturii mediului gazos Tm, temperatura suprafeei picturii Tw tinde spre temperatura de fierbere Ts, dup care temperatura suprafeei rmne constant, deci Tw = Ts. n cazul concret al arderii picturii de combustibil, cnd temperatura n zona de reacie care nconjoar pictura este foarte ridicat se poate lua cu aproximaie Tw = Ts.innd cont de acestea, n continuare, se poate demonstra c timpul de ardere al picturii de combustibil lichid este proporional cu ptratul razei picturii.Rezultatele obinute pe cale teoretic, dei descriu cu suficient precizie fenomenul arderii picturii de combustibil, comport totui o aplicare limitat, deoarece s-au obinut n ipoteza proceselor staionare i a existenei unei simetrii sferice a proceselor de schimb de mas i cldur. Aceste ipoteze sunt n general valabile n cazul arderii picturilor foarte fine, unde convecie natural sau forat nu poate juca un rol important. Realitatea dovedete ns existena n jetul pulverizat a unor picturi cu diametre mari, pentru care nu se pot neglija o serie de factori (rezistena aerodinamic a picturii, asimetria procesului de ardere, forele gravitaionale etc.) care modific condiiile de ardere adoptate teoretic i care complic mult calculul respectiv. De asemenea este dificil s se cunoasc valorile precise ale unor parametrii fizici i chimici ai combustibilului i mediului oxidant care depinde de repartiia cmpurilor de viteze, concentraii, temperaturii etc. n imediat vecintate a picturii.

4.1.2.3. Arderea combustibililor solizi

Teoria actual a arderii, permite clasificarea arderii combustibilului solid dup domeniul n care se desfoar procesul, respectiv cinetic sau difuziv. Pentru a se putea reda mecanismul arderii unei particule de combustibil solid, se recurge la ipoteze simplificatoare. Dac se consider de exemplu c particula este sferic i se gsete ntr-un mediu nclzit, considerat practic infinit, se pot distinge dou cazuri de ardere n funcie de viteza mediului fa de particul:- vitez mare, Re > 100;- vitez mic, Re < 100.La viteze mici procesele care au loc ntre particul i exteriorul ei sunt identice n orice punct cu aceleai coordonate fa de centrul sferei (simetrie sferic). Sfera se nconjoar cu o pelicul subire de oxid de carbon, flacra este puin luminoas. Ea este rezultatul arderii oxidului de carbon care, dup ce a depit suprafaa particulei, arde n jurul acesteia datorit difuziei oxigenului. Prin urmare arderea oxidului de carbon se suprapune cu arderea carbonului, prelund o parte din oxigenul n drumul spre particul (fig.4.5, a).

Fig.4.5. Schema proceselor de ardere al particulei sferice de combustibil solid.

La viteze mari, arderea este neuniform. Pe partea frontal a particulei, cea expus jetului de fluid, reacia este mai puternic i aici se formeaz oxidul de carbon, care ns nu are timp s ard n aceast parte a particulei, fiind suflat n spatele acesteia. Arderea oxidului de carbon format are loc abia lateral i n spatele particulei, unde exist o zon de recirculaie ce favorizeaz aprinderea. Produsele descompunerii termice ard mpreun cu oxidul de carbon n spatele particulei unde accesul oxigenului la particul este practic inexistent, avnd, ca bioxidul de carbon, efect de frnare asupra vitezei de ardere a particulei. Se consider c cca. 0, din suprafaa particulei nu particip la proces. Deci, n cazul vitezelor mari, procesul de ardere a CO i C se separ spaial (fig.4.5, b). Timpul de ardere al unei particule de combustibil solid poate fi imaginat ca suma a trei componente :

(4.10)unde: p timpul necesar nclzirii particulei pn la temperatura de aprindere;v timpul de ardere a materiilor volatile;r timpul de ardere a reziduului de carbon.Dintre aceste componente, ponderea cea mai mare revine ultimei (r) deoarece n aceast perioad se consum cea mai mare parte a carbonului care intr n componena particulei respective.

4.2. TRANSFORMAREA ENERGIEI ELECTRICE N ENERGIE CALORIC

n comparaie cu metodele de nclzire cu flacr, nclzirea cu ajutorul energiei electrice prezint avantaje importante, care au determinat de astfel rspndirea ei pe scar tot mai mare. n acest sens putem enumera:- posibilitatea reglrii n limite largi de timp i spaiu a aportului de cldur i posibilitatea meninerii cu precizie a regimurilor de temperatur la valorile prescrise; - posibilitatea izolrii spaiului de lucru de mediul ambiant i a utilizrii unor atmosfere controlate (cu gaze de protecie sau cu vid);- posibilitatea obinerii unor temperaturi foarte ridicate, ca urmare a concentrrii unor surse puternice de cldur n spaii restrnse;- posibilitatea mecanizrii, automatizrii i introducerii proceselor electrotermice n linii automate de producie n flux continuu;- simplitatea transportului energiei electrice, lipsa produselor de ardere, condiii mai bune de lucru.Dezavantajele proceselor electrotermice sunt:- costul ridicat al energiei electrice n comparaie cu costul unei cantiti echivalente de combustibil clasic;- complicaia constructiv a echipamentului, cheltuieli mari de investiii i reparaii, utilizarea unor materiale deficitare.n concluzie, utilizarea proceselor electrotermice nu poate fi aleas la ntmplare ci numai atunci cnd:- procesul tehnologic nu se poate realiza altfel;- procesul electrotermic realizeaz o eficien economic direct (de exemplu prin micorarea procentului de metal ars la nclzire sau topire);- procesul electrotermic permite o ridicare a calitii produselor care s compenseze ridicarea costului;- este necesar o mbuntire a condiiilor de munc, o micorare a efortului fizic i o sporire a securitii muncii.

4.2.1. nclzirea cu rezistori electrici

Acest procedeu are la baz transformarea energiei electrice n cldur conform legii lui Joule-Lennz. Astfel la nivelul unui rezistor strbtut de curent electric se dezvolt o cantitate de cldur Qr, care se poate calcula cu ajutorul relaiei:

, [W] (4.11)unde: R rezistena rezistorului electric, [];I intensitatea curentului electric care circul prin rezistor, [A];U tensiunea aplicat rezistorului, [V].Rezistena electric a unui rezistor se poate determina cu ajutorul relaiei:

(4.12)relaie n care: - rezistivitatea materialului din care este executat rezistorul, [m];

(4.13)0 rezistivitatea materialului n condiii standard, [m]; - coeficientul de dilatare a rezistorului, [grd-1];tr temperatura la care se afl rezistorul;l lungimea rezistorului, [m];S aria seciunii rezistorului, [m2].n practica metalurgic se deosebesc dou tipuri de nclzire cu ajutorul rezistorilor electrici:a) nclzire direct transformarea energiei electrice n cldur se face chiar la nivelul ncrcturii agregatului termic, aceasta constituind ea nsi rezistorul electric al circuitului;b) nclzire indirect transformarea energiei electrice n cldur se face la nivelul unor rezistori situai n afara ncrcturii, amplasai pe zidria cuptorului.n primul caz, rezistorul fiind nsi ncrctura, temperatura necesar procesului se asigur prin reglarea curentului care circul prin ncrctur, astfel nct s se obin temperatura final de nclzire la suprafaa ncrcturii.Pentru al doilea caz temperatura necesar procesului se asigur prin reglarea curentului prin rezistorii, dimensionai anterior, astfel nct acetia s dezvolte cantitatea de cldur cerut de proces.

4.2.2. nclzirea prin inducie

Metoda const n transformarea n cldur a energiei electromagnetice care ia natere ntr-un conductor masiv, situat n cmpul magnetic variabil n timp, produs de o bobin (inductor).Conductorul masiv este nsi ncrctura, iar nclzirea sau topirea are loc tot prin efectul Joule-Lenz, al curenilor turbionari care apar n interiorul ncrcturii.Cantitatea de cldur dezvoltat prin inducie electromagnetic se poate determina cu ajutorul relaiei:Qi = P , [W] (4.14)i conform literaturii de specialitate, n cazul n care ncrctura are form cilindric puterea P este dat de relaia:

, [W] (4.15)unde: r raza ncrcturii cilindrice, [m];h nlimea ncrcturii cilindrice, [m];Is curentul electric care circul prin indus, [A];f frecvena curentului electric care circul prin inductor, [Hz]; - permeabilitatea magnetic a ncrcturii, [H/m]; - rezistivitatea electric a ncrcturii, [m].

n cuptoarele i instalaiile de nclzire prin inducie transformarea energiei electromagnetice n cldur se face n nsi masa ncrcturii sau a pieselor de nclzit, ceea ce confer acestui procedeu o vitez de nclzire superioar metodelor de nclzire indirect.Fa de nclzirea direct, prin rezistor, nclzirea prin inducie prezint marele avantaj c nu necesit contacte electrice, ceea ce simplific mult construcia instalaiei i permite utilizarea acestei metode n condiiile produciei automatizate n flux tehnologic, n vid sau n medii protectoare.Ca urmare a ptrunderii limitate a cmpului electromagnetic n straturile superficiale a pieselor, la frecvene ridicate se poate realiza o nclzire rapid a suprafeelor pieselor cu scopul clirii superficiale.nclzirea prin inducie se utilizeaz din ce n mai mult la topirea metalelor i aliajelor sau la meninerea lor n stare topit. Sub aciunea forelor electrodinamice sau de natur termic, metalul lichid este n continu micare, ceea ce favorizeaz obinerea unor compoziii chimice omogene i a unei nclziri uniforme.

4.2.3. nclzirea cu arc electric

Arcul electric reprezint un amestec de molecule, ioni pozitivi i electroni, cu temperatur foarte ridicat (2000 3000 0C), rezultai n urma ionizrii aerului de ctre electronii liberi emii de ctre un catod i apoi accelerai de cmpul electric care ia natere ntre acesta i anod.Datorit temperaturii foarte ridicate, arcul electric se folosete doar la topirea materialelor metalice.Electrozii (catodul i anodul) sunt legai la o surs de curent alternativ sau continuu . n ambele variante, sursa de alimentare cu energie electric trebuie s asigure tensiunea de amorsare (Uam) la care se iniiaz arcul electric, adic ncepe emisia de electroni liberi i ionizarea aerului. Arcul electric incandescent nchide circuitul electric i este caracterizat de : cderea de tensiune pe arc, Ua, [V]; rezistena electric a arcului, Ra, []; intensitatea curentului prin arc, Ia, [A].n timpul procesului de ionizare, care se intensific treptat, rezistena arcului (Ra) scade, deci scade i tensiunea Ua. Dac se ajunge la situaia n care Ua < Ust (tensiunea de stingere a arcului), arcul se va stinge. Pentru evitarea acestui fenomen trebuie ca la alimentarea n curent continuu s se asigure parametrii: U = Uam Ust > 0 .

4.2.4. nclzirea dielectric

nclzirea dielectric se poate produce prin amplasarea materialelor izolatoare ntr-un cmp electric alternativ de nalt frecven, produs de un condensator. Ca urmare a polarizrii dielectricului forele de frecare de natur viscoas care se opun orientrii dipolilor electrici determin transformarea energiei cmpului electric n cldur. Cantitatea de cldur dezvoltat n unitatea de timp este cu att mai mare cu ct este mai mare frecvena.Avantajele nclzirii dielectrice decurg din caracteristica de baz a acestui proces electrotermic, la care dezvoltarea de cldur are loc uniform n ntreaga mas a dielectricului. Acest lucru este foarte important innd cont de faptul c materialele electroizolante sunt ntotdeauna prost conductoare de cldur, fapt care face ca nclzirea din exterior prin conducie, convecie sau radiaie s fie cu totul necorespunztoare, deoarece straturile exterioare ar fi expuse unor temperaturi foarte mari, n timp ce straturile interioare s-ar nclzii foarte ncet.Cantitatea de cldur dezvoltat n cazul nclzirii dielectrice este egal cu pierderile dielectrice i se poate calcula cu relaia:

[W] (4.16)unde: U valoarea efectiv a tensiunii alternative aplicate la bornele condensatorului, [V]; - pulsaia curentului, [s-1];C capacitatea condensatorului, [F];tg - tangenta unghiului de pierderi dielectrice care depinde de natura materialului, de impuriti, umiditate, temperatur, frecvena i intensitatea cmpului electric.4.2.5. nclzirea cu radiaii infraroii

Reprezentndu-se grafic (fig.4.6) dependena de temperatur a radiaiei asupra unui corp i a conveciei, se remarc faptul c transmiterea cldurii prin radiaie (curbele d i e) este net superioar transmiterii cldurii prin convecie (curbele a, b, c) dac diferena T > 400 0C. Practic diferena dintre cele dou fenomene se manifest prin faptul c, n timp ce la convecie obiectele supuse nclzirii nu pot depii temperatura aerului nconjurtor, prin radiaii infraroii nclzirea se face practic independent de temperatura aerului nconjurtor.

Fig.4.6. Transmiterea cldurii prin convecie i radiaie:a, b, c transmiterea cldurii prin convecie pentru diferite viteze ale aerului; d, e transmiterea cldurii prin radiaie pentru corpuri cu factorul de absorbie de 0,4 respectiv 0,18.

Transmiterea energiei radiante este continu atta timp ct izvorul de radiaie este n funciune. Temperatura corpului supus radiaiei crete tinznd ctre o valoare limit (maxim) determinat de trei factori: valoarea iradiaiei, [W/m2]; factorul de absorbie al corpului iradiat temperatura mediului ambiant.Temperatura limit se atinge cnd se stabilete un regim staionar, adic din momentul n care pierderile corpului nclzit prin radiaie sunt egale cu cldura absorbit. Dac valoarea iradiaiei i temperatura mediului nconjurtor sunt constante, temperatura limit devine funcie numai de factorul de absorbie al corpului iradiat.Masa i grosimea corpului nclzit influeneaz durata nclzirii, dar nu i temperatura limit.Se remarc de asemenea influena temperaturii Ta a mediului ambiant; temperatura maxim a corpului nclzit poate fi cu att mai ridicat cu ct mediul nconjurtor este mai cald. Astfel, se poate scrie:Tmax Ta = K J (4.17)unde: Tmax temperatura maxim la care se poate nclzi corpul, [0C];Ta temperatura mediului ambiant [0C];J iradiaia, [W/m2];K coeficient de proporionalitate, [0Cm2/W].Aa cum se observ din aceast relaie, diferena dintre cele dou temperaturi este proporional cu iradiaia J, prin intermediul unui coeficient de proporionalitate K ce caracterizeaz regimul de pierderi i de absorbie al corpului (tab.4.1)

Tabelul 4.1MaterialulSuprafaaK,

Oellustruit92

Oelnnegrit160

Cuprulustruit60

Aluminiulustruit60

n practic este important s se cunoasc ecuaia nclzirii corpului iradiat, care ne permite calcularea temperaturii corpului iradiat dup timpul de iradiere . Aceast ecuaie are urmtoarea form:

(4.18)

(4.19)

; ; (4.20)

(4.21)unde: T temperatura corpului, [0C];Ta temperatura mediului ambiant, [0C];Tmax temperatura maxim la care se poate nclzii corpul, [0C]; - timpul, [s];A aria suprafeei corpului, [m2];Ap aria suprafeei de contact a corpului cu mediul [m2];Ar aria suprafeei iradiate, [m2]; - factor de pierderi prin contact cu mediul ambiant;c - cldura specific a corpului, [kJ/kg0C]; - densitatea corpului, [kg/m3];d grosimea corpului, [m];k factorul de trecere de la uniti de energie radiant la uniti de cldur;a factorul de absorbie a radiaiilor de ctre suprafaa iradiat.

4.2.6. Topirea cu fascicul de electroni

Instalaiile de topire cu fascicul de electroni funcioneaz pe principiul transformrii n cldur a energiei unui fascicul de electroni accelerai ntr-un cmp electric, la contactul cu suprafaa obiectului de nclzit. Crearea i accelerarea fascicolului de electroni este posibil numai n vid naintat (10-3 10-5 Pa). Electronii emii prin efect de termoemisie de catodul tunului electronic sunt accelerai datorit diferenei de potenial U i au o energie cinetic:

[J] (4.22)unde: m masa electronului;e sarcina electronului;Vc viteza electronului;U tensiunea dintre anod i catod.Dac obiectul de nclzit are un potenial nul fa de anodul accelerator, o parte din electronii fascicolului intr n reeaua cristalin a acestuia sau n structura lichid a topiturii. n acest fel, energia cinetic a electronilor se transform n energie termic de micare a particulelor obiectului. Cealalt parte a electronilor sufer ciocniri elastice cu atomii obiectului i ajung la peretele pus la pmnt al camerei, i ciocniri neelastice cednd atomilor o parte din energia lor. n ambele cazuri, aceti electroni denumii reflectai, poart n ei o parte nsemnat de energie.De pe suprafaa corpului, electronii fascicolului scot o anumit cantitate de electroni secundari, a cror energie nu depete 100 eV. Energia electronilor emii n corpul nclzit, prin efect de termoemisie, este neglijabil.n fine, o mic parte a energiei electronilor care bombardeaz corpul se consum pentru crearea de radiaii Roentgen. Ca urmare randamentul electric al tunului electronic este:

(4.23) unde: Pt puterea corespunztoare energiei electronilor, transformat n cldur cedat corpului;Pr puterea corespunztoare energiei electronilor reflectai;Ps - puterea corespunztoare electronilor secundari;PR - puterea corespunztoare radiaiei Roentgen;If curentul fascicolului de electroni.Toate procesele analizate se pot produce numai ntr-un vid naintat, n care electronii, n drumul lor de la catod la corpul nclzit nu sufer practic ciocniri cu atomii gazului.Energia primit de corp se consum pentru:- ridicarea temperaturii corpului i acoperirea proceselor endoterme, (Putil);- pierderi prin radiaie, (Prad);- pierderi cu apa de rcire a cristalizorului, (Pa);- pierderi prin vaporizarea metalului, (Pvap).Randamentul termic al procesului este ca urmare:

(4.24)iar randamentul global

(4.25)

4.2.7. nclzirea i topirea cu plasm

Plasma este starea gazoas, compus din particule cu sarcini electrice pozitive i negative, ntr-o astfel de proporie nct sarcina electric total este egal cu zero. Electronii putndu-se mica liber, gazul de plasm poate transmite curentul electric.Starea de plasm se obine prin aciunea luminii, a descrcrilor electrice sau prin nclzire la o temperatur nalt, fiecare din cauzele de mai sus determinnd ruperea electronilor din atomi i transformarea acestora din urm n ioni (ionizare).Plasma reprezint deci un spaiu plin de gaze, la temperatur foarte ridicat, care nu conine nici o sarcin spaial, dar care dispune de o conductivitate foarte bun. Eficiena termic a procesului de topire cu plasm este caracterizat de randamentul termic total t, egal cu raportul dintre consumul de cldur necesar pentru topirea metalului i puterea arcului electric. Consumul de cldur pentru topire va fi:

(4.26)unde: V viteza de deplasare a arcului electric n metalul ce se topete;F suprafaa seciunii transversale a metalului ce se supune topirii; - densitatea metalului;Ht coninutul de cldur n stare topit la temperatura de topire .Puterea arcului electric este:P = UI (4.27)unde: U tensiunea pe arc;I curentul de alimentare.Rezult:

(4.28)

5. CONSTRUCIA SISTEMELOR DE NCLZIRE

5.1. Arztoare

Denumirea de arztor se folosete aproape n exclusivitate pentru instalaiile de ardere a combustibililor gazoi.Arztoarele se aleg n funcie de necesitile impuse instalaiei de ardere, pentru a se realiza urmtoarele deziderate: meninerea constant a raportului cantitilor de combustibil i aer necesar arderii i realizarea amestecrii lor corespunztoare; realizarea n spaiul de lucru a unei atmosfere oxidante, neutre sau reductoare n funcie de necesitile procesului tehnologic; realizarea unei arderi stabile n limitele necesare de reglaj ale sarcinii termice; realizarea unei flcri de o anumit lungime, rigiditate i cmp de temperaturi, corespunztoare dimensiunii spaiului de ardere i procesului tehnologic; realizarea procesului de ardere cu randament ridicat (pierderi minime, prin ardere chimic incomplect).Nu se poate vorbi de arztoare universale care pot fi folosite n orice instalaii de ardere. Rezult astfel o varietate foarte mare de soluii constructive de arztoare n practica industr