Materiali refrattari e isolanti per forni a carrello: progettazione del rivestimento, dispersione di calore e durata di servizio.
Il rivestimento di una fornace a carrello è sottoposto a sollecitazioni estreme. La superficie esterna raggiunge temperature comprese tra 950 e 1100 gradi Celsius in funzionamento continuo, con cicli termici che vanno dalla temperatura ambiente a quella di esercizio e viceversa. La parte inferiore della fornace, dove il carrello porta-foglie si muove avanti e indietro, è soggetta al carico meccanico delle ruote del carrello. Il tetto è esposto al calore radiante generato dal carico. Ogni parte del rivestimento è sollecitata in modo diverso e una buona progettazione prevede l'abbinamento del materiale refrattario alle condizioni di esercizio locali. Non si tratta di un lavoro appariscente, ma determina se una fornace funzionerà per 5 o 15 anni tra una revisione generale e l'altra.
Architettura di rivestimento
Il rivestimento di una moderna fornace a carrello è costituito da tre strati. La superficie calda è formata da mattoni ad alto contenuto di allumina (dal 60 all'80% di Al2O3) o da un modulo in fibra ceramica, a seconda della temperatura di progetto e delle condizioni di esercizio. Dietro la superficie calda si trova uno strato di mattoni refrattari isolanti (IFB, dal 23 al 26% di Al2O3) o un pannello di silicato di calcio. Lo strato più esterno è costituito da una coperta di lana minerale o fibra ceramica che fornisce l'isolamento della superficie fredda e protegge il guscio in acciaio dalle temperature eccessive.
Lo spessore totale della parete in un progetto per 950 gradi Celsius è tipicamente compreso tra 280 e 350 mm, e la temperatura del guscio alla massima temperatura di esercizio è inferiore a 60 gradi Celsius. La dispersione termica di progetto è di 600-900 watt per metro quadrato di superficie della parete, il che si traduce in una dispersione termica totale di 30-50 kW su una superficie di parete di 50 metri quadrati. Questo rappresenta un costo energetico continuo, e minimizzarlo è ciò che rende un forno economicamente vantaggioso da gestire.
Rivestimenti modulari in fibra ceramica
I moduli in fibra ceramica hanno in gran parte sostituito i rivestimenti in mattoni sui tetti e sulle pareti laterali dei nuovi forni a carrello. I moduli in fibra sono costituiti da coperte di spessore compreso tra 200 e 300 mm, piegate a fisarmonica e montate su ancoraggi in acciaio inossidabile saldati al guscio. I moduli si comprimono l'uno contro l'altro per formare una superficie calda continua, e la struttura piegata conferisce loro una buona resistenza agli shock termici.
I vantaggi dei moduli in fibra rispetto ai mattoni refrattari sono significativi. La massa termica è da 4 a 6 volte inferiore, il che si traduce in un riscaldamento più rapido e un minore consumo energetico durante i cicli di funzionamento. La conduttività termica a 1000 gradi Celsius è compresa tra 0,15 e 0,25 watt per metro-Kelvin, contro 0,6-0,8 watt per mattone refrattario più IFB (Insulated Fiber Block) più coperta isolante. L'installazione è più rapida e le riparazioni più semplici: un modulo danneggiato può essere rimosso e sostituito in 30 minuti.
Il compromesso riguarda la durata di servizio. I moduli in fibra, in un progetto per temperature fino a 950 gradi Celsius, durano dai 5 agli 8 anni prima che i moduli a contatto con il calore inizino a sinterizzare e a perdere spessore. Al di sopra dei 1050 gradi Celsius, la durata si riduce a 3-5 anni. Al di sopra dei 1150 gradi Celsius, i moduli in fibra non sono raccomandati e si torna alla configurazione tradizionale in mattoni.
Rivestimenti in mattoni per applicazioni ad alta temperatura
Per i forni a carrello con focolare che operano a temperature superiori a 1050 gradi Celsius, i rivestimenti in mattoni rimangono lo standard. Sulla superficie calda si utilizzano mattoni ad alto contenuto di allumina (dall'80 al 90 percento di Al2O3), supportati da IFB (densità da 1,0 a 1,4 g per cm³) e da una coperta in fibra ceramica. I rivestimenti in mattoni hanno una maggiore massa termica e un riscaldamento più lento, ma durano più a lungo alle alte temperature: da 8 a 15 anni per un forno progettato per 1100 gradi Celsius.
MONTE INTELLIGENCE specifica mattoni ad alto contenuto di allumina per le pareti laterali e il tetto dei forni a carrello ad alta temperatura, con moduli in fibra sulla porta e sul bordo del carrello, dove la temperatura è inferiore e le sollecitazioni meccaniche sono maggiori.
Rivestimento del focolare del carrello
Il basamento del carrello è la parte più sollecitata del rivestimento. Sopporta il peso del carico, è soggetto alla stessa temperatura di esercizio del forno e subisce vibrazioni meccaniche dovute al movimento del carrello. La costruzione standard prevede un rivestimento a strati: uno strato esterno in mattoni ad alto contenuto di allumina o moduli in fibra per impieghi gravosi, uno strato di supporto in IFB (Insulated Flooring Brick) e uno strato strutturale in materiale refrattario colabile per sostenere il rivestimento e distribuire il carico al telaio in acciaio del carrello.
A causa delle sollecitazioni meccaniche, il rivestimento del basamento del carrello ha in genere una durata inferiore rispetto al rivestimento del forno. La sostituzione del rivestimento del basamento del carrello è solitamente programmata ogni 5-8 anni, mentre il rivestimento del corpo del forno dura dai 10 ai 15 anni. La procedura di sostituzione del rivestimento richiede da 2 a 4 settimane di fermo del forno.
Prestazioni di isolamento e dispersione di calore
La dispersione di calore attraverso il rivestimento è una delle principali cause dei costi operativi di una fornace a carrello. Una fornace da 100 tonnellate ben isolata, che opera a 950 gradi Celsius, disperde continuamente da 80 a 120 kW attraverso le pareti, il tetto e il carrello. Considerando che il prezzo del gas naturale si aggira tra 0,30 e 0,40 dollari al metro cubo, ciò si traduce in una perdita di calore attraverso le pareti pari a 50.000-80.000 dollari all'anno.
I miglioramenti apportati alla progettazione dei rivestimenti negli ultimi 20 anni hanno dimezzato la dispersione di calore. Un sistema progettato negli anni '90, basato su mattoni e pannelli isolanti in fibra di vetro (IFB), avrebbe una dispersione di 150-200 kW a parità di caldaia. Il miglioramento è dovuto ai moduli in fibra ceramica, all'isolamento microporoso e a sistemi di ancoraggio più efficienti.
MONTE INTELLIGENCE progetta rivestimenti per forni a carrello con focolare per ottenere la minima dispersione termica possibile in funzione della temperatura di esercizio. Per un progetto a 950 gradi Celsius, l'obiettivo è di 600-700 watt per metro quadrato di superficie della parete. Per un progetto a 1100 gradi Celsius, l'obiettivo è di 800-900 watt per metro quadrato.
Guarnizioni per porte e carrelli
La porta e il bordo del carrello sono le due aree di una fornace a carrelli che presentano la maggiore dispersione di calore. La porta ha un'ampia superficie, spesso da 4 a 6 metri quadrati nelle fornaci di grandi dimensioni, e la tenuta è meccanica. Il bordo del carrello presenta uno spazio di 5-10 mm rispetto al telaio della porta per consentire la dilatazione termica, e tale spazio costituisce un percorso continuo per l'infiltrazione di aria fredda.
Una buona progettazione della guarnizione prevede l'utilizzo di una guarnizione in corda di fibra ceramica sulla porta, compressa da fermi idraulici o meccanici fino al 30-50%. La guarnizione del bordo del carrello è in genere una guarnizione a sabbia o una guarnizione in corda di fibra, con una piccola cortina d'aria soffiata nello spazio per rafforzare la tenuta.
La dispersione di calore attraverso la porta e il bordo del carrello può variare da 30 a 50 kW in una caldaia da 100 tonnellate, pari a circa un quarto o un terzo della dispersione di calore totale della parete. Delle buone guarnizioni si ripagano da sole in 6-12 mesi grazie alla riduzione dei costi del combustibile.
Ispezione e manutenzione del rivestimento
Un buon programma di manutenzione prolunga la durata del rivestimento e previene fermi macchina imprevisti. Il programma comprende: ispezione visiva mensile della superficie calda, rilevamento annuale della temperatura della superficie fredda del rivestimento e ispezione trimestrale delle guarnizioni delle porte. Eventuali mattoni o moduli in fibra incrinati o mancanti devono essere sostituiti tempestivamente per evitare la formazione di punti caldi sul rivestimento.
MONTE INTELLIGENCE offre un servizio di ispezione del rivestimento come parte dell'assistenza post-vendita standard. Il servizio comprende: termografia del mantello alla temperatura di esercizio, carotaggio di campioni nelle aree sospette e una relazione scritta con raccomandazioni su riparazioni e tempistiche di sostituzione.
Contatta MONTE INTELLIGENCE per informazioni sugli aggiornamenti del rivestimento.
Per gli acquirenti che stanno valutando una nuova caldaia a focolare a carrello o il rivestimento di un'unità esistente, l'ingegneria di MONTE INTELLIGENCE può consigliare un design del rivestimento che bilanci il costo iniziale, l'efficienza energetica e la durata utile per le specifiche condizioni operative. Visitawww.cnlymonte.com/products-bogie-hearth-furnace.html Per le specifiche del prodotto, per discutere di un progetto, inviare un'e-mail a helenxu@cnlymonte.com con oggetto "rivestimento del focolare del carrello" e dettagli sulla temperatura di esercizio e sul processo.
