Il rivestimento refrattario di un forno a gas costituisce la barriera tra un ambiente di combustione a temperature superiori a 1000 °C e un involucro in acciaio che deve rimanere al di sotto di circa 80 °C per preservarne l'integrità strutturale e proteggere il personale. La fibra ceramica, detta anche fibra ceramica refrattaria (RCF) o fibra di alluminosilicato, è diventata il materiale di rivestimento predominante per i forni industriali per il trattamento termico grazie alla sua bassa conduttività termica, al basso accumulo di calore e alla relativa facilità di installazione.
MONTE INTELLIGENCE progetta e installa rivestimenti in fibra ceramica nei propri forni a gas. Questo articolo illustra le decisioni ingegneristiche, le pratiche di installazione e i calcoli termici che determinano le prestazioni e la durata del rivestimento.
La fibra ceramica viene prodotta fondendo una miscela di allumina (Al2O3) e silice (SiO2) in un forno ad arco elettrico e successivamente trasformando il flusso fuso in fibra, mediante insufflazione di aria compressa o filatura da una ruota rotante. Le fibre risultanti, tipicamente con un diametro di 2-4 micrometri e una lunghezza fino a 250 mm, vengono formate in coperte, pannelli o forme termoformate sottovuoto. La composizione chimica della fibra determina la temperatura massima di esercizio: le fibre standard (45-50% Al2O3, 50-55% SiO2) sono classificate per 1260 °C; le fibre ad alto contenuto di allumina (55-60% Al2O3) per 1400 °C; e le fibre contenenti zirconia per 1430 °C.
La materia prima per l'isolamento è costituita da un tappeto flessibile di fibre agugliate, tipicamente fornito in rotoli di 7,2 metri di lunghezza per 0,6 metri di larghezza, con spessori da 13 mm a 50 mm e densità da 64 a 128 kg/m³. Questo tipo di isolamento rappresenta la forma più economica di isolamento in fibra ceramica. Viene installato in più strati per raggiungere lo spessore totale desiderato, con gli strati sfalsati in modo che le giunzioni tra i pezzi adiacenti non coincidano: ciò impedisce la formazione di spazi vuoti che consentirebbero al calore di irradiarsi direttamente verso l'involucro.
I moduli in fibra ceramica sono blocchi preassemblati di tessuto non tessuto piegato, compresso ad alta densità (tipicamente 160-220 kg/m³) e mantenuto in compressione da un telaio metallico o da cinghie di fissaggio che vengono tagliate dopo l'installazione. Quando le cinghie vengono tagliate, il tessuto non tessuto compresso si espande per riempire le giunzioni tra i moduli, creando una tenuta ermetica senza le giunzioni passanti che affliggono le installazioni con tessuto non tessuto a strati. I moduli sono fissati al guscio in acciaio mediante ancoraggi in acciaio inossidabile, tipicamente acciaio inox 304 o 310, saldati a perno al guscio secondo uno schema a griglia che corrisponde alle dimensioni del modulo, solitamente 300 mm × 300 mm.
La progettazione del rivestimento inizia con un calcolo del flusso di calore. Il flusso di calore attraverso una parete piana è: Q = k × A × (T_calda - T_fredda) / t, dove k è la conduttività termica (W/m·K), A è l'area, T_calda e T_fredda sono le temperature della superficie calda e fredda e t è lo spessore. Per la fibra ceramica a una temperatura media di 1000 °C, k è approssimativamente 0,15-0,25 W/m·K a seconda della densità. Per un rivestimento di 300 mm di spessore con T_calda = 1000 °C e T_fredda = 80 °C, il flusso di calore è circa 0,2 × 920 / 0,3 ≈ 613 W/m2 — che è la perdita di calore di progetto che il bilancio energetico del forno deve considerare.
Il rivestimento utilizza in genere più strati di materiali diversi per bilanciare costi e prestazioni. Lo strato a contatto con la temperatura più elevata utilizza la fibra di qualità superiore adatta alla temperatura massima del forno. Dietro lo strato a contatto con la temperatura più elevata, si può utilizzare uno strato di supporto più economico in fibra a bassa temperatura o lana minerale, poiché lo strato a contatto con la temperatura più elevata abbassa significativamente la temperatura. La temperatura di interfaccia tra gli strati viene calcolata a partire dalle resistenze termiche: se lo strato a contatto con la temperatura più elevata è costituito da 200 mm di fibra a 1260 °C (k = 0,18) e lo strato di supporto è costituito da 100 mm di lana minerale (k = 0,08), la temperatura di interfaccia viene calcolata come T_interfaccia = T_caldo - Q × (t_contatto_caldo / k_contatto_caldo). La temperatura nominale dello strato di supporto deve essere superiore a questa temperatura di interfaccia.
La progettazione del sistema di fissaggio deve tenere conto della dilatazione termica. Il guscio in acciaio si dilata con il calore, di circa 1,2 mm per metro ogni 100 °C di aumento di temperatura. Il rivestimento in fibra ceramica si dilata molto meno, di circa 0,5 mm per metro ogni 100 °C. La differenza di dilatazione tra il guscio e il rivestimento crea sollecitazioni di taglio nei punti di fissaggio. Il sistema di ancoraggio deve compensare questo movimento differenziale senza lacerare i moduli in fibra. A tale scopo si utilizzano fori di ancoraggio asolati o sistemi di ancoraggio flessibili.
La qualità dell'installazione determina se le prestazioni termiche calcolate vengono effettivamente raggiunte in esercizio. Gli spazi tra i moduli, dovuti a un montaggio non corretto, a danni durante l'installazione o al cedimento degli ancoraggi, sono la causa più comune di punti caldi sul rivestimento del forno. Uno spazio di 3 mm su un metro quadrato di rivestimento può aumentare la dispersione di calore locale di un fattore compreso tra 5 e 10. Il controllo qualità durante l'installazione include la verifica del montaggio dei moduli (spazio massimo consentito in genere 2-3 mm), la verifica dell'integrità delle saldature degli ancoraggi (tramite prova di trazione su un campione di ancoraggi) e l'ispezione per individuare moduli compressi o danneggiati che non si espandono correttamente quando riscaldati.
La manutenzione del rivestimento durante il funzionamento del forno consiste in ispezioni visive periodiche della superficie esterna per individuare punti caldi, segnalati da scolorimento della vernice, temperature superficiali superiori a 80 °C misurate con un termometro a infrarossi o visibilità di luce notturna. I punti caldi devono essere mappati e monitorati. Un punto caldo stabile a 100-120 °C può essere accettabile per il funzionamento continuato fino al successivo arresto programmato. Un punto caldo la cui temperatura aumenta o che supera i 150 °C deve essere esaminato e riparato alla prima occasione utile.
I rivestimenti per forni MONTE INTELLIGENCE sono progettati per una durata di 5-8 anni in condizioni operative normali. Offriamo servizi di supervisione dell'installazione, calcoli termici e ispezione dei rivestimenti.
Per la progettazione o il rifacimento del rivestimento in fibra ceramica della vostra caldaia esistente, contattate helenxu@cnlymonte.com.
