�������

340

14. OGÓLNE ZASADY PROJEKTOWANIA I BUDOWY OBMURZY PIECÓW

Piece s w ceramice podstawowymi urz dzeniami technologicznymi, wyznaczaj cymi zwykle zdolno produkcyjn ca ego zak adu. Wymaga si wi c od nich mo liwie d ugiej i bezawaryjnej pracy. Mi dzyremontowy czas pracy pieców limitowany jest najcz ciej trwa o ci ich ogniotrwa ych wy o e (obmurzy). Aby oczekiwania te by y spe nione, obmurza musz by prawid owo zaprojektowane, wykonane i przygotowane do pracy.

Zarówno budow nowych pieców, jak i ich remonty prowadzi si w oparciu o dokumentacj techniczn . Jednym z jej elementów jest projekt wy o enia, który zawiera wszystkie informacje niezb dne do jego wykonania, uj te w dwóch cz - ciach.

Cz opisowa zawiera opis techniczny wy o enia, dobór materia ów dla poszczególnych jego elementów konstrukcyjnych, specyfikacj tych materia ów (zestawienie materia owe), ustalenia w zakresie dylatowania, grubo ci spoin, dodatkowe wymagania dotycz ce w asno ci materia ów ogniotrwa ych oraz sposobu i dok adno ci wykonania robót, a tak e spis wszystkich rysunków oraz ustalenie sposobu suszenia i rozgrzewania do temperatury roboczej.

Cz graficzna obejmuje plan sytuacyjny, zwymiarowane rysunki zestawieniowe wy o enia, rysunki niezb dnych przekrojów wy o enia wraz z oznaczeniem zastosowanych materia ów ogniotrwa ych, szczegó y rozwi za poszczególnych elementów konstrukcyjnych, szczegó y monta u elementów metalowych osadzanych w wy o eniu, a tak e rysunki kszta tek, które nie s znormalizowane.

Projektowanie pieców jest przedmiotem dzia alno ci wyspecjalizowanych biur projektowych, ale jego podstawy, w a nie w zakresie wy o e ogniotrwa ych, powinny by znane równie przez u ytkowników pieców. Projekty w du ej mierze opieraj si na do wiadczeniach eksploatacyjnych takich samych lub podobnych pieców. Weryfikacja projektu nast puje dopiero podczas eksploatacji pieca, gdy nie sposób jest dok adnie przewidzie rzeczywiste warunki przysz ej pracy wy o e . Co

�������

34

wi cej, u ytkownicy cz sto zmieniaj te warunki, dostosowuj c technologi wypalania do aktualnych potrzeb produkcyjnych.

Tu w a nie zaznacza si rola u ytkowników pieców, którzy obserwuj c na co dzie prac i zachowywanie si poszczególnych elementów wy o enia w ró nych warunkach eksploatacyjnych, mog naj atwiej wychwyci najs absze ich miejsca, które zu ywaj si najsilniej i najintensywniej. W oparciu o takie obserwacje mo na wprowadzi w wy o eniu ró ne zmiany, zarówno materia owe jak i konstrukcyjne, które poprawi i wyrównaj trwa o eksploatacyjn ca ego wy o enia. Tak te si zwykle dzieje w praktyce. Znajomo podstaw projektowania potrzebna jest te u ytkownikom dla okre lenia potrzeb materia owych na remonty i naprawy, które zwykle sami organizuj i nadzoruj .

Projektowanie obmurzy obejmuje wi c bardzo szeroki wachlarz zagadnie , których dok adne omówienie wykracza poza przyj ty zakres. Tu przedstawione zostan tylko podstawowe jego elementy.

14. 1. Dobór materia ów ogniotrwa ych

Tak jak liczne i zró nicowane s oddzia ywania niszcz ce wy o enia pieców, tak te liczne i ró norodne s wymagania stawiane materia om ogniotrwa ym do ich budowy. Oprócz odporno ci na dzia anie wysokich temperatur, wymaga si od nich odporno ci korozyjnej, odporno ci na zmiany i gradienty temperatury, sta o ci kszta tu i wymiarów oraz du ej wytrzyma o ci mechanicznej w wysokich temperaturach, a niekiedy tak e jeszcze innych w a ciwo ci, jak np. dobrej przewodno ci cieplnej czy maksymalnej oporno ci elektrycznej.

Jest rzecz oczywist , e nie mo na wyprodukowa materia ów ogniotrwa ych uniwersalnych, spe niaj cych wszystkie te wymagania i nadaj cych si do dowolnych zastosowa . Co wi cej, cz sto poprawienie jednej w asno ci tworzyw poci ga za sob pogorszenie w a ciwo ci innej. Dla przyk adu, tworzywa bardziej zwarte, a wi c bardziej wytrzyma e mechanicznie i odporniejsze na oddzia ywania korozyjne, maj zwykle mniejsz odporno na dzia anie zmian temperatur.

W technologii materia ów ogniotrwa ych, poprzez dobór surowców i metod technologicznych, mo na jednak w pewnym zakresie zmienia w asno ci u ytkowe tworzyw. Doprowadzi o to do powstania du ego bogactwa asortymentowego mater- ia ów ogniotrwa ych, obejmuj cego kilkana cie typów tworzyw, dziel cych si jeszcze na szereg grup i gatunków o zró nicowanym sk adzie chemiczno-mineralnym, zró nicowanej teksturze i innych w asno ciach.

Omówienie w a ciwo ci tych wszystkich rodzajów i postaci materia ów ogniotrwa ych wymaga oby odr bnego i bardzo obszernego opracowania. Pewnym ród em informacji z tego zakresu mo e by skrypt tego samego autora, pt.

Wy o enia ogniotrwa e pieców i urz dze cieplnych.

�������

342

Pierwsz czynno ci przy doborze materia ów ogniotrwa ych dla poszczególnych elementów i warstw wy o enia jest analiza warunków pracy i zestawienie mo liwych oddzia ywa niszcz cych. Bierzemy wi c pod uwag :

– wysoko temperatury pracy, jej wahania, cykliczno lub ci g o pracy pieca, rozk ad temperatury w ca ej instalacji piecowej,

– sk ad chemiczny wsadu i jego zmiany w toku procesu, sk ad popio u, py ów, spalin oraz rodzaj i sta o atmosfery w przestrzeni roboczej,

– mo liwo ci ogólnych lub lokalnych oddzia ywa mechanicznych, np. cieranie wsadem lub py ami, ruchy k pieli, drgania i wstrz sy urz dze ,

a tak e obci enia konstrukcyjne. Uwzgl dni przy tym nale y ró nice w warunkach pracy poszczególnych

elementów obmurza pieca, bo zwykle s one zró nicowane, np. najwy sze temperatury panuj zawsze w rejonie palników.

Analiza tych warunków i uszeregowanie mo liwych oddzia ywa niszcz cych wed ug hierarchii wa no ci, pozwala sformu owa wymagania jako ciowe, stanowi ce kryteria doboru materia ów ogniotrwa ych na wy o enie. Wymaga tych jest zawsze szereg. Poniewa nie jest mo liwe wyprodukowanie uniwersalnego materia u ogniotrwa ego, odpornego na wszystkie oddzia ywania niszcz ce, dobór materia u wy o enia musi si rzeczy polega na poruszaniu si w obr bie dost pnego zestawu tworzyw, konfrontacji ich w asno ci z warunkami pracy i wybraniu tych, które tym warunkom b d mog y sprosta , spe niaj c przy tym kryterium ekonomiczne. Wst pnych informacji, u atwiaj cych taki wybór, mo e dostarczy tablica 4. .

Przedstawione w niej charakterystyki odporno ciowe maj charakter orientacyjny. W ramach ka dego rodzaju materia ów wyst puj jeszcze gatunki, dla których poszczególne w asno ci s mocno zró nicowane. Dobitnym tego przyk adem mog by materia y szamotowe.

W ród wyrobów szamotowych produkowane s gatunki E, A, B i C, dla których dopuszczalne temperatury pracy malej w tym samym porz dku. Wyroby te mog by ponadto produkowane z mas plastycznych (oznaczenia E, A, B, C), sypkich (Es, As, Bs, Cs) i wieloszamotowych (Ew, Aw, Bw). Dla danego gatunku najwy sze w asno ci u ytkowe wykazuj zawsze wyroby typu wieloszamotowego. S one najbardziej zwarte, wykazuj najwy sz wytrzyma o mechaniczn i w asno ci termomechaniczne, najwy sz odporno na cieranie i najmniejsz skurczliwo wtórn . Ze wzgl du na wysok zwarto wy sza te b dzie ich odporno korozyjna.

Ogniotrwa e szamotowe masy konstrukcyjne, w zale no ci od gatunku okre lonego zawarto ci Al2O3, maj dopuszczalne temperatury pracy od 000 do

300°C. Zró nicowane s te ich inne w asno ci. Analogiczna sytuacja wyst puje w ród szamotowych betonów ogniotrwa ych. Podobne zale no ci wyst puj w ród gatunków innych rodzajów materia ów ogniotrwa ych. Ich ocen nale y przeprowadzi w oparciu o warunki odbioru przedstawione w odpowiednich normach jako ciowych lub ustalone z producentem.

�������

343

Tablica 14.1. Charakterystyki odporno ciowe wybranych rodzajów materia ów ogniotrwa ych Rodzaj G ówne Maksym. Czynniki niszcz ce: materia u ogniotrwa ego

sk adniki tlenkowe

temperatura pracy, °C

utlenia- j ce

reduk- cyjne

alkalia zmiany temp.

cieranie

krzemionkowe SiO2 600 ÷ 690 + o - -/+ o kwarcowo-szamotowe

Al2O3, SiO2 350 ÷ 400 + o - o o

szamotowe Al2O3, SiO2 300 ÷ 500 + o - + o wysokoglinowe Al2O3, SiO2 500 ÷ 650 + + - + + mulitowe Al2O3, SiO2 700 + + + + + korundowe Al2O3 650 ÷ 900 + + o + + magnezjowe MgO 600 ÷ 900 + o/+ + -/+ + magnezjowo-chromitowe

MgO, Cr2O3 650 ÷ 800 + o/- + + +

magnezjowo-spinelowe

MgO, Al2O3 600 ÷ 700 + + + + +

magnezjowo-krzemianowe

MgO, SiO2 550 + + - o o

magnezjowo-wapienne

MgO, CaO 700 ÷ 900 + + + + +

z w glika krzemu

SiC 500 ÷ 2300 o/+ + - + +

w ókniste - 260 ÷ 900 + + - + - +, o, - : odporno dobra, umiarkowana, s aba.

Podanie jednoznacznych i uniwersalnych zasad doboru materia ów

ogniotrwa ych na wy o enia, a zw aszcza ich warstwy robocze, nie jest mo liwe. Zasady ogólne przedstawiono poni ej.

– Dopuszczalne temperatury pracy materia ów ogniotrwa ych wyznacza w przybli eniu ich ogniotrwa o pod obci eniem. Mog one jednak ulec wyra nemu obni eniu w przypadku obecno ci agresywnych reagentów korozyjnych lub silnych oddzia ywa mechanicznych. Kryterium temperatury pracy jest podstawowe dla doboru materia ów na warstwy wewn trzne wy o enia.

– Charakter chemiczny materia u wy o enia powinien by zgodny z charakterem chemicznym g ównych reagentów z przestrzeni roboczej, chyba, e temperatury pracy wy o enia s na tyle niskie, e nie grozi to zaistnieniem reakcji chemicznej mi dzy nimi.

�������

344

– Do pracy w kontakcie z reagentami ciek ymi nale y dobiera materia y bardziej zwarte.

– W urz dzeniach, dla których charakterystyczne s zmiany temperatury roboczej nale y unika stosowania materia ów nie odpornych na takie oddzia ywania – niektórych odmian materia ów magnezjowych oraz materia ów krzemionkowych (poza przypadkiem, gdy zmiany temperatury odbywaj si w zakresie powy ej 700°C).

– W urz dzeniach, w których wyst puje atmosfera redukcyjna, a zw aszcza cykliczne zmiany atmosfery, nale y stosowa materia y ubo sze w tlenki elaza.

– Dla elementów wy o e obci onych mechanicznie nale y stosowa materia y o wy szych w asno ciach termomechanicznych, a dla elementów nara onych na cieranie – materia y o wy szej wytrzyma o ci mechanicznej i bardziej zwarte.

– Dla zapewnienia równomierno ci zu ywania si wy o enia ca ego urz dzenia, wskazane jest, aby w tych jego elementach, które pracuj w warunkach agodniejszych, stosowa materia y o odpowiednio ni szych parametrach

jako ciowych, a wi c ta szych (wy o enia strefowe). – Przy zabudowie obok siebie ró nych materia ów ogniotrwa ych nale y

przestrzega zasady zgodno ci ich charakterów chemicznych, gdy w odpowiednio wysokich temperaturach mo e doj do intensywnych oddzia ywa korozyjnych mi dzy nimi i zniszczenia wy o enia. Dotyczy to zw aszcza kontaktu materia ów magnezjowych z szamotowymi, krzemionkowymi i wysokoglinowymi, pomi dzy którymi mo e doj do reakcji ju w temperaturach 400 ÷ 500°C. rodkiem zaradczym jest umieszczenie mi dzy nimi materia ów o oboj tnym charak- terze chemicznym, na przyk ad chromitowych. Podane tu uwagi i zasady oczywi cie nie wyczerpuj ca o ci problemu doboru

materia owego. Najcz ciej ka de urz dzenie wymaga indywidualnego i bardziej szczegó owego podej cia do tego zagadnienia. W praktyce nierzadka jest sytuacja, e u jednego nawet u ytkownika, identyczne wy o enia takich samych urz dze ,

zu ywaj si bardzo ró nie. Dobieraj c rodzaj tworzyw ogniotrwa ych na robocze i pozosta e warstwy

wy o enia, ustali nale y jednocze nie sposób ich wykonania: murowane z kszta tek lub monolityczne z materia ów nieformowanych. Wy o enia monolityczne nale y stosowa wsz dzie tam, gdzie wymagana jest du a szczelno obmurza (eliminowane s spoiny), z o ona jest jego forma geometryczna (eliminuje si konieczno stosowania drogich kszta tek o skomplikowanym formacie) oraz istotne s koszty materia owe, koszty robocizny i czasoch onno prac remontowych.

Obmurza mog sk ada si z jednej tylko warstwy roboczej, mog te sk ada si z ÷ 2 warstw ogniotrwa ych, warstwy izolacyjnej oraz warstwy obwiedniej

�������

345

lub pancerza stalowego. Grubo ci ca ego obmurza i grubo ci poszczególnych jego warstw nie s dobierane dowolnie. Warstwy obmurza, zw aszcza warstwa robocza, która jest swobodna od strony wn trza pieca, musz by stabilne – ich minimalna gru- bo b dzie wi c uzale niona od np. wysoko ci ciany lub wielko ci obci e konstrukcyjnych (sklepienia, ki). Grubo obmurza oraz jego poszczególnych warstw musi te by tak dobrana, aby do minimum ograniczy straty ciep a do otoczenia (chyba, e ze wzgl du na inne uwarunkowania, np. ekstremalnie wysokie temperatury pracy, korzystniej jest zwi kszy trwa o wymurówki kosztem strat ciep a) oraz zapewni dopuszczalne termiczne warunki pracy dla warstw wewn trznych.

Wi kszo elementów obmurzy budowana jest z uniwersalnych prostek i klinów o wymiarach nominalnych okre lonych norm PN-74/H- 2050. Zgodnie z zaleceniami ISO, ich wspólnymi, powtarzaj cymi si wymiarami s 230, 4 i 64 mm (patrz: Dodatek), co pozwala na kojarzenie ich ze sob w obmurzach. Grubo warstw wykonanych z tych kszta tek nie b dzie wi c dowolna, ale zwi zana z krotno ciami tych wymiarów.

Prostka podstawowa „ ” ma w a nie wymiary 230, 4 i 64 mm. Jej najbardziej stabilne u o enie b dzie wtedy, gdy le y na podstawie, tj. na boku o najwi kszej powierzchni. Grubo warstw murowanych z prostek zwyk o si podawa w krotno ciach d ugo ci prostki, tj. 230 mm. W poni szym zestawieniu przedstawiono zalecane grubo ci warstw, jakie stosuje si dla zapewnienia warunków ich stabilno ci w zale no ci od wysoko ci cian.

wysoko ciany, m do do 2,5 do 4 pow. 4 grubo warstwy (krotno 230 mm)

0,5 ,5 2 ÷ 2,5

Tak wi c grubo ci warstw w cianach mo na zmienia w szeregu: 4, 230, 345, 460 i 575 mm. Nieco bardziej z o ona jest sytuacja w przypadku konstrukcji typu ków czy sklepie . Tu, ze wzgl du na geometri i ci ar tych elementów, pojawiaj si dodatkowe obci enia konstrukcyjne (rys. 4. ), wynikaj ce z si y rozporu poziomego H, okre lonej zale no ci

H Q ctg= ⋅

2 2

α ( 4. )

gdzie: Q - ci ar odcinka mb sklepienia, α - k t centralny sklepienia.

Sklepienie musi by zdolne do przeniesienia tych obci e . Przy sta ej rozpi to ci uku, si y rozporu s tym wi ksze im mniejsza jest jego strza ka. W praktyce uki wykonuje si ze strza k wynosz c 8 ÷ 25% rozpi to ci (rzadziej 50% – uki pó pe ne). Zaleca si , aby strza ka uku wynosi a 3,4% rozpi to ci, czemu odpowiada k t centralny α = 60°.

�������

346

Rys. 14.1. Parametry geometryczne sklepie i schemat dzia ania si

Wi ksze warto ci strza ki uku przyjmuje si dla sklepie o wy szych

temperaturach pracy. Dla wyrobów szamotowych, o du ej podatno ci deformacyjnej, strza ka sklepienia wynosi zwykle 2,5 ÷ 25%, natomiast dla wyrobów krzemionkowych mo na j zmniejszy do 8 ÷ 7%. Z uwagi na trwa o mechaniczn sklepie stosuje si poni sze ich grubo ci.

rozpi to uku, m do ,5 do 3,6 do 6 do 0 min. grubo uku, mm 4 230 350 450 ÷ 500

Przy niskich temperaturach pracy mo na stosowa grubo ci mniejsze. Przy

silnych dzia aniach korozyjnych grubo ci uków zaleca si zwi kszy . W przypadku elementów obmurzy wykonywanych z materia ów

nieformowanych (monolitycznych) grubo warstw mog aby by ustalana swobodnie, jednak gdy elementy monolityczne maj by komponowane z elementami murowanymi, to ich wymiary musz by do nich dostosowane.

Formaty i wielko kszta tek to parametry, na które przy projektowaniu cz sto nie zwraca si wi kszej uwagi. Wp ywaj one jednak nie tylko na koszty materia owe i koszty robót budowlanych, ale tak e i na ywotno obmurzy. Przy projektowaniu, tam gdzie tylko to jest mo liwe, nale y stosowa formaty standardowe, a je li nie, to

�������

347

przynajmniej ju sprawdzone w budowie pieców. Formaty standardowe, które produkowane s w du ych seriach, maj najbardziej stabilne w asno ci. Gdy zachodzi potrzeba zaprojektowania kszta tek nowych, to nale y unika formatów, dla których charakterystyczne s ostre k ty i skokowe zmiany grubo ci. Zawsze lepiej jest wykona dany element z kilku formatów mniejszych i o prostszej formie geometrycznej, wzgl dnie te wykona go jako monolityczny. Wymiary projektowanych kszta tek powinny te by tak dobrane, aby mo na je by o wkomponowa w obmurze wykonane z formatów standardowych. W obmurzach murowanych istotn rol odgrywaj zaprawy, które:

– wi kszta tki, przez co nadaj obmurzu charakter monolitu, – kompensuj nierówno ci wymiarowe i drobne defekty powierzchniowe

kszta tek, przez co obci enia mechaniczne przenoszone przez obmurza s bardziej równomiernie roz o one,

– ze wzgl du na sw lu niejsz tekstur i ci liwo , kompensuj w pewnym stopniu rozszerzalno ciepln kszta tek. Aby mog y one spe nia te wszystkie funkcje, musz posiada odpowiedni

sk ad chemiczno-mineralny i uziarnienie. Dobór rodzaju zaprawy narzuca rodzaj wyrobów, dla których wi zania

zaprawa ma by przeznaczona: zaprawa szamotowa dla wyrobów szamotowych, magnezytowa dla magnezytowych itd. Sk ad chemiczno-mineralny zaprawy winien by zbli ony do sk adu wyrobów, a jej ogniotrwa o zwyk a ni sza o 20 ÷ 30°C. Uziarnienie zaprawy dobierane jest w zale no ci od przyj tej grubo ci spoin, przy czym wymiary maksymalnych ich ziarn nie powinny przekracza po owy grubo ci spoin, np. dla spoin grubo ci mm uziarnienie zaprawy nie powinno przekracza 0,5 mm. W zale no ci od sposobu wi zania zaprawy dziel si na trzy typy.

) Zaprawy wi ce w wysokich temperaturach (zaprawy o wi zaniu ceramicznym), stosowane wtedy, gdy zwi zanie kszta tek nie musi by bardzo silne. Wi zanie ceramiczne powstaje tylko w strefie najwy szych temperatur w warstwie roboczej. Istnieje wtedy mo liwo pewnych ruchów kszta tek, powodowanych np. gradientem temperatury. Zaprawy te sk adaj si z odpowiednio dobranych mlew ogniotrwa ych i ewentualnie dodatku topnika. Stosowane s w postaci mokrej, po zarobieniu wod lub w postaci suchej m czki.

2) Zaprawy wi ce po wyschni ciu, stosowane wtedy, gdy konieczne jest silne zwi zanie kszta tek w ca ej obj to ci obmurza, w obmurzach, od których wymaga si du ej szczelno ci lub nara onych na wstrz sy i wibracje. Zawieraj one dodatki wi ce po wyschni ciu: szk o wodne, kwas fosforowy, fosforan glinu, sole magnezu itp. Stosowane s w postaci mokrej. Zaprawy z dodatkiem szk a wodnego tworz spoiny oko o 0 razy szczelniejsze ni zaprawy bez takiego dodatku.

�������

348

3) Zaprawy wi ce hydraulicznie, stosowane wtedy, gdy konieczne jest silne zwi zanie kszta tek jeszcze przed wyschni ciem. Wi zanie hydrauliczne uzys- kuje si przez dodatek 0 ÷ 30% cementu portlandzkiego (ni sze temperatury pracy) lub cementu glinowego. Rodzaj i typ zaprawy dobiera si w zale no ci od rodzaju wyrobów oraz

warunków pracy obmurza. Najcz ciej stosowane s zaprawy wi ce po wyschni ciu i zaprawy o wi zaniu ceramicznym.

14. 2. Obliczenia cieplne obmurzy

Projektuj c obmurze przyjmujemy sposób jego wykonania, a wi c: rodzaj materia u na jego warstwy robocze, izolacyjne i obwiednie, a tak e ilo i grubo ci tych warstw. W czasie pracy obmurze pobiera ciep o z wn trza pieca, a jego przep yw do otoczenia powoduje, e wewn trz, na grubo ci obmurza, panuje pewien rozk ad temperatur. Z punktu widzenia ywotno ci obmurza istotne jest, aby temperatury w poszczególnych warstwach nie przekracza y dopuszczalnych temperatur pracy dla zastosowanych tam materia ów oraz, aby temperatura zewn trznej powierzchni obmurza odpowiada a wymaganiom bhp (maks. 70 ÷ 80°C).

U ytkownicy pieców cz sto we w asnym zakresie, na podstawie obserwacji pracy i zu ywania si obmurzy, dokonuj podczas kolejnych remontów pewnych zmian w ich konstrukcji, zmierzaj cych do poprawy ich ywotno ci lub zapewnienia równomierno ci zu ywania si ca ego obmurza. Polegaj one zwykle na zmianach gatunku lub nawet rodzaju zabudowywanych wyrobów ogniotrwa ych, albo zmianach grubo ci warstw obmurza. Równie i wtedy przedstawione wy ej warunki musz by spe nione.

Dla weryfikacji przyj tych za o e konieczne jest dokonanie odpowiednich oblicze cieplnych. Obliczenia takie s równie konieczne dla okre lenia strat ciep a przez obmurze, niezb dnych przy sporz dzaniu bilansów cieplnych.

Przechodzenie ciep a do otoczenia przez obmurze mo e odbywa si w warunkach ustalonego (piece o pracy ci g ej) lub nieustalonego (piece okresowe, piece o pracy ci g ej, ale z ruchom stref ognia) przep ywu ciep a. W pierwszym przypadku temperatura w poszczególnych punktach obmurza nie zmienia si w czasie, w przypadku drugim – przeciwnie. Zagadnienia przep ywów ciep a w obu tych przypadkach s przedmiotem obszernych opracowa z zakresu techniki cieplnej. Tu, dla wspomnianych ju wy ej celów, omówione zostan jedynie obliczenia dla przep ywu ciep a w warunkach ustalonych. Za ó my, e temperatura we wn trzu pieca wynosi tg. Model przenikania ciep a przez pionow cian pieca grubo ci s, wykonan z materia u o wspó czynniku przewodno ci cieplnej λ,

�������

349

przedstawia rysunek 4.2a. Dla wygody, ze wzgl du na szybko przechodzenia ciep a z wn trza pieca do ciany przyjmijmy, e temperatura jej powierzchni roboczej tw = tg.

Rys. 14.2. Model przep ywu ciep a przez ciany pionowe: a) jednowarstwow ; b)

wielowarstwow G sto strumienia cieplnego przep ywaj cego przez tak cian dana

( )qs

t tw z= −λ [W/m2] ( 4.2)

gdzie: tz - temperatura zewn trznej powierzchni obmurza, [°C].

Dla ciany wielowarstwowej (rys. 4.2b) otrzymamy dla poszczególnych warstw:

( )qs

t tw= −λ

( 4.3)

( )qs

t t22

22= −λ ( 4.4)

( )qs

t t33

32 3= −λ ( 4.5)

a poniewa z za o enia stanu ustalonego przep ywu ciep a: q = q2 = q3 = q, to po przekszta ceniu tych równa i dodaniu stronami otrzymamy:

t t qs s s

w z− = + +

2

2

3

3λ λ λ ( 4.6)

�������

350

Ogólnie, dla ciany wielowarstwowej g sto strumienia cieplnego wynosi wi c:

qt t

sw z=

−

λ

[W/m2] ( 4.7)

gdzie: s si

iλ λ= ∑ - tzw. opór cieplny ciany, równy sumie oporów cieplnych

poszczególnych warstw. Temperatura tz, do której nagrzeje si zewn trzna powierzchnia obmurza wyniesie:

t t q sz w= − ⋅

λ, [°C] ( 4.8)

Dla obliczenia temperatur panuj cych pomi dzy poszczególnymi warstwami otrzymamy wzory:

t t qs

w − = ⋅λ

st d t t qs

w= − ⋅λ

( 4.9)

oraz

t t qs

t qs s

w22

2

2

2

= − ⋅ = − +

λ λ λ ( 4. 0)

Rys. 14.3. Model przep ywu ciep a przez pionow cian cylindryczn

W przypadku ciany cylindrycznej (rys. 4.3) obowi zuj te same zale no ci z tym, e poniewa drogi przep ywu ciep a nie s jednakowe jak w cianie p askiej, konieczne jest wprowadzenie tzw. równowa nej grubo ci ciany s', spe niaj cej warunek:

s rrrz

z

w

' ln= − ( 4. )

�������

35

Wówczas:

( ) ( )q s t t

t t

rrr

w zw z

zz

w

= − =−

−λλ

ln [W/m2] ( 4. 2)

Dla cylindrycznej ciany wielowarstwowej, tak jak poprzednio, nale y wprowadzi ca kowity opór cieplny s′/λ. Poniewa straty ciep a odnosimy zwykle do powierzchni zewn trznych obmurza, to do wzoru na opór cieplny musimy wprowadzi stosunek powierzchni zewn trznej do wewn trznej ka dej z warstw, czyli

s s dd

s dd

s dd

z z i

i

z

i

' ' '.. . ..

'λ λ λ λ

= ⋅ + ⋅ + + ⋅2

22 ( 4. 3)

W praktycznych obliczeniach elementów cylindrycznych obmurzy, dla których stosunek dz/dw ≤ 2, stosowa mo na zale no ci jak dla ciany p askiej. Zarówno dla cian p askich, jak i cylindrycznych podstaw do oblicze jest wi c zale no ( 4. 7)

lub po przekszta ceniu

( )qs

t tw z= −λ ( 4. 4)

Równania tego, podobnie jak i równa 4. 3– 4. 5, nie mo na rozwi za , gdy zawieraj dwie niewiadome: g sto strumienia cieplnego q i temperatur powierzchni zewn trznej tz, któr najcz ciej w a nie chcemy ustali . Aby to osi gn , na- le y pos u y si jeszcze jedn zale no ci , okre laj c strumie ciep a oddawanego do otoczenia przez zewn trzn powierzchni obmurza

q = α (tz - to) ( 4. 5)

gdzie:

to= 5 ÷ 20°C - temperatura otoczenia,

α - wspó czynnik przechodzenia ciep a z powierzchni zewn trznej do otoczenia drog promieniowania i konwekcji, [W/m2 · K].

Warto wspó czynnika α mo na okre li z wzorów empirycznych. Wed ug Heiligenstaedta, dla temperatury tz ≤ 250°C:

− dla obmurzy ceramicznych bez pancerza lub z pancerzem nie malowanym farb aluminiow

α = 7,9 + 0,053 tz [W/m2 · K ] ( 4. 6)

− dla obmurzy z pancerzem malowanym farb aluminiow

α = 7,0 + 0,043 tz [W/m2 · K] ( 4. 7)

�������

352

Je eli po czymy zale no ci ( 4. 4) i ( 4. 5) to otrzymamy:

λαsttq ow

+

−= ( 4. 8)

Poniewa warto wspó czynnika α równie zale y od temperatury powierzchni zewn trznej, w obliczeniach przyjmuje si kolejne szacunkowe warto ci tz i obliczenia prowadzi si tak d ugo, a spe niona b dzie zale no

( ) ( )λ αs

t t t tw o z o− = −

K ad c ϕλ

α

=+

⋅ s

upraszczamy to równanie do postaci:

qt t

sw o= ⋅

−ϕ

λ

[W/m2] ( 4. 9)

i wówczas mo emy upro ci obliczenia, korzystaj c z gotowych warto ci wspó czynnika ϕ (tab. 4. 2), wyznaczonych dla ró nych temperatur powierzchni wewn trznej i ró nych realnych oporów cieplnych, przy sta ej warto ci to = 5 ÷ 20°C.

Tablica 14.2. Warto ci wspó czynnika ϕ dla ró nych temperatur tw i oporów cieplnych s/λ.

s/λ tw [°C] [m2K/W] 200 400 600 800 000 200 400 600

0, 0,535 0,595 0,635 0,663 0,686 0,704 0,7 8 0,730 0,2 0,673 0,7 5 0,742 0,762 0,775 0,785 0,800 0,8 0 0,3 0,750 0,779 0,796 0,8 0 0,822 0,833 0,840 0,846 0,4 0,789 0,8 5 0,830 0,840 0,849 0,857 0,865 0,87 0,5 0,8 8 0,840 0,853 0,862 0,870 0,876 0,883 0,885 0,6 0,840 0,858 0,869 0,878 0,885 0,889 0,895 0,899 0,8 0,874 0,884 0,892 0,899 0,905 0,909 0,9 2 0,9 5

,0 0,895 0,902 0,908 0,9 4 0,9 9 0,922 0,925 0,927 ,5 0,923 0,927 0,93 0,935 0,938 0,94 0,944 0,946

2,0 0,94 0,994 0,947 0,949 0,95 0,953 0,955 0,957 3,0 0,962 0,964 0,963 0,964 0,965 0,066 0,967 0,968 4,0 0,97 0,972 0,973 0,973 0,974 0,975 0,975 0,976 5,0 0,974 0,974 0,975 0,975 0,976 0,976 0,977 0,977

�������

353

Rys. 14.4 G sto strumienia cieplnego q jako funkcja oporu cieplnego i temperatury

wewn trznej tw ciany pieca

Dla tego rodzaju oblicze mo na tak e pos u y si bezpo rednio wykresem na rysunku 4.4 Straty zewn trzne obmurza pieca wynosz Qz = τ · Σqi · si , J ( 4.20)

gdzie:

τ - czas, s s - powierzchnia elementu obmurza, m2 q - strumie ciep a przez element obmurza, W/m2 i - wska nik obszarów (elementów) obmurza.

Interesuj ce nas temperatury pomi dzy warstwami obmurza oblicza si na podstawie przytoczonej ju zale no ci

t t qs

i wi

i

= − ⋅∑ λ

Przyk ad Dla pieca o temperaturze pracy 600°C przyj to, e ciany obmurza

wykonane b d z czterech warstw ) 350 mm – robocza, korundowa w gat.

2) 230 mm – po rednia, szamotowa w gat. 3) 4 mm – izolacyjna, z wyrobów w gat. 4) 250 mm – obwiednia z ceg y budowlanej.

�������

354

Sprawdzi , czy spe nia ono warunek, aby temperatura jego zewn trznej powierzchni nie przekracza a 70°C oraz czy nie s przekroczone dopuszczalne temperatury pracy poszczególnych warstw. Wspó czynniki przewodno ci cieplnej materia ów wynosz kolejno: 2,33, ,57, 0,43 i 0,47 W/m·K, a dopuszczalne temperatury pracy: 750, 300, 250 i 700°C. Za o ono, e temperatura otoczenia to = 20°C. Opór cieplny warstw

AK90: s /λ = 0,350/2,33 = 0, 50 Bs: s2/λ2 = 0,230/ ,57 = 0, 47 s /λ + s2/λ2 = 0,297 L 0: s3/λ3 = 0, 4/0,43 = 0.265 s /λ + s2/λ2 + s3/λ3 = 0,562 c. bud.: s4/λ4 = 0,250/0,47 = 0,532 s /λ + s2/λ2 + s3/λ3 + s4/λ4 = ,094

Z tablicy 4.2 odczytujemy, e dla s/λ = ,094 i tw = 600°C warto ϕ = 0,930.

Tak wi c: q = ⋅ − =0 600 20 344,930,094

W/m2

oraz: t = 600 - 344 · 0, 50 = 398°C t2 = 600 - 344 · 0,297 = 20 °C t3 = 600 - 344 · 0,562 = 845°C tz = 600 - 344 · ,094 = 30°C

Okazuje si , e temperatura powierzchni zewn trznej b dzie du o wy sza od do- puszczalnej oraz przegrzane b d warstwy z wyrobów Bs i ceg y budowlanej. Konieczne jest wi c przyj cie innego sposobu wymurowania obmurza: zwi kszenie grubo ci warstw, zastosowanie materia ów o innej przewodno ci cieplnej lub wyrobów o wy - szych w asno ciach ogniowych. Dla nowych warunków obliczenia nale y powtórzy .

14. 3. Zapotrzebowanie materia owe

Dla odpowiednio wczesnego przygotowania materia ów niezb dnych do budowy czy remontu obmurza, konieczna jest ich specyfikacja. Obejmuje ona ilo ciowe zestawienie wszystkich formatów kszta tek, zapraw i innych materia ów nieformowanych, z rozbiciem na poszczególne rodzaje i gatunki, a tak e materia ów pomocniczych, jak np. przek adek dylatacyjnych czy przek adek z blach stalowych.

Ilo ci prostek i klinów uniwersalnych oraz zapraw i materia ów nieformowanych podaje si zwykle w tonach. Ilo ci pozosta ych kszta tek podaje si w sztukach, z jednoczesnym podaniem ci aru jednej sztuki i ci aru ogólnego.

Zapotrzebowanie materia owe podaje si zawsze w dwóch pozycjach. Pierwsza obejmuje ilo ci wyliczone, które s niezb dne do wykonania obmurza, druga natomiast obejmuje ilo ci, które nale y zabezpieczy do budowy. S one

�������

355

powi kszone o 5 ÷ 0%, co stanowi rezerw na ewentualne ubytki i uszkodzenia w czasie operacji transportowych lub podczas samych prac budowlanych.

Wyliczenia zapotrzebowania materia owego prowadzi si w oparciu o obmiary konstrukcji murowych oraz normy zu ycia materia ów na m3 obmurza. Cz sto jednak, zw aszcza przy wykonywaniu prac remontowych, brak jest pe nej dokumentacji technicznej i wyliczenia takie nale y przeprowadzi analitycznie.

Sposoby oblicze materia owych zale od formy geometrycznej obmurza czy jego elementów. W ka dym obmurzu mo na zawsze, konstrukcyjnie lub nawet my- lowo, wyodr bni pewne fragmenty, maj ce posta prostych bry geometrycznych,

dla których mo na zastosowa odpowiednie formu y matematyczne do oblicze .

14. 3. 1. Zapotrzebowanie na wyroby formowane

Podstaw do oblicze s wymiary gabarytowe fragmentu obmurza oraz wymiary kszta tek na podstawie katalogów wymiarowych lub rysunków. Przy obliczeniach na- le y uwzgl dni spoiny, których grubo w obmurzach ogniotrwa ych mo e wynosi od zera (mury uk adane na sucho, bez zaprawy) do 4 mm (standardowo: 2 ÷ 3 mm). W murach z wyrobów izolacyjnych wynosz one zwykle 5 mm, a w murach obwiednich z ceg y czerwonej – 7 ÷ 0 mm.

Obmurza o formie prostopad o ciennej ( ciany, trzony, posadzki) wykonywane s zwykle z prostek – kszta tek równie prostopad o ciennych. Obliczenia ich zapotrzebowania s wi c ma o skomplikowane. Nale y przy nich uwzgl dnia sposób uk adania prostek, uzale niony od grubo ci obmurza. Zwykle najpierw wylicza si ilo sztuk prostek w pojedynczej warstwie, a nast pnie ilo takich warstw. Iloczyn obu tych liczb daje sumaryczn ilo niezb dnych kszta tek.

Przyk ad Obliczy zapotrzebowanie na prostk szamotow w gat. Aw, na

wymurowanie ciany grubo ci ,5 prostki, d ugiej na 5,8 m i wysokiej na ,98 m, przy spoinach grubo ci 2 mm.

Zgodnie z norm PN-74/H- 2050 (patrz: Dodatek E- ) prostka podstawowa ma wymiary 230× 4×64 mm, a jej obj to wynosi ,68 dcm3. G sto pozorna (ci ar obj to ciowy) wyrobów w gat. Aw wynosi 2, g/cm3, zgodnie z PN-7/H-

2030. W cianie grubo ci ,5 prostki u o enie kszta tek w ka dej warstwie b dzie takie jak na rysunku 4. 5a z tym, e w ka dej nieparzystej warstwie rz d wozówkowy i g ówkowy b d zamienione miejscami.

Rys. 14.5. Schemat u o enia warstw w cianie grubo ci /2 prostki (opis w tek cie)

�������

356

Dla wymurowania ka dej warstwy potrzeba: n = 5800 : ( 4 + 2) = 50 szt. w rz dzie g ówkowym, n2 = 5800 : (230 + 2) = 25 szt. w rz dzie wozówkowym.

ciana zbudowana b dzie z 980 : (64 + 2) = 30 warstw.

Czyli razem potrzeba 30 · (25 + 50) = 2250 szt. prostek. Ich czny ci ar wyniesie

2250 · 2, kg/dcm3 · ,68 dcm3 = 7 958 kg = 7,96 t. Je eli czo a obu ko ców ciany mia yby by zako czone równo, to dla

utrzymania sta ego w tku spoin i wyeliminowania konieczno ci docinania kszta tek nale a oby w co drugiej warstwie, na pocz tku i na ko cu ciany, zastosowa odpowiednie wi zacze, np. W w rz dach g ówkowych (rys. 4. 5b). Ilo ci prostek ulegn wtedy skorygowaniu, poniewa ka dy wi zacz W zast puje ,5 prostki „ ”.

Wy o enia o zaokr glonej powierzchni (wymurówki pier cieniowe pieców obrotowych i szybowych, pier cieniowych przewodów gazowych, a tak e sklepie i ków) budowane s najcz ciej z kombinacji dwóch rodzajów klinów o ró nej zbie no ci lub te kombinacji klinów z prostkami. Wyliczenia ich zapotrzebowania mog by przeprowadzane dwoma sposobami.

) W oparciu o przedstawione w normach lub katalogach wymiarowych nomogramy, opracowane dla poszczególnych rodzajów klinów, zwykle przy za o eniu spoin grubo ci 2 mm.

2) W oparciu o formu y matematyczne ujmuj ce parametry geometryczne elementu wy o enia oraz wymiary klinów. Wyliczenia t metod s dok adniejsze ni odczyty z nomogramów. Stosowane s te wtedy, gdy grubo spoin ma by inna ni 2 mm.

Przyk ad Dobra i okre li liczb klinów do wymurowania grubej na 230 mm warstwy

roboczej pieca szybowego wysoko ci 0 m i rednicy wewn trznej d = 6 m, przy za o eniu spoin grubo ci 2 mm.

Na wymurowanie szybu dobieramy wg PN-74/H- 2050 kliny p askie szeregu P. . . , których d ugo wynosi w a nie 230 mm. Dla dobrania i wyznaczenia liczby

klinów pos ugujemy si nomogramem, którego fragment przedstawiono na rysunku 4. 6.

�������

357

Wymagana rednica jest po redni , jak mo na uzyska przy u o eniu pier- cienia z klinów P 0 (d = 2 · 2575 = 5 50 mm) i klinów P6 (8700 mm). Pier cie o rednicy 6000 mm musi by zbudowany z kombinacji obu tych klinów. Aby wyzna-

czy ich ilo ci, kre limy na nomogramie rz dn odpowiadaj c rednicy 6000 mm. Odci ta punktu przeci cia z lini P6 wyznacza liczb klinów P6, a z lini P 0 – liczb klinów P 0 potrzebnych do zbudowania pe nego pier cienia. Sum obu rodzajów klinów wyznacza odci ta punktu przeci cia z lini graniczn nomogramu.

Rys. 14.6. Fragment nomogramu do wyznaczania ilo ci klinów p askich w pier cieniu

W naszym przypadku

NA = 63 szt. klinów P6, NB = 8 szt. klinów P 0, razem 8 szt.

Liczb warstw wyliczamy tak jak poprzednio, czyli nw = 0 000 : (64 + 2) = 52.

Do wybudowania ca ej strefy cylindrycznej potrzeba wi c: 52×63 = 9 576 szt. klinów P6, 52× 8 = 7 936 szt. klinów P 0.

Formu y dla wylicze zapotrzebowania na kszta tki dla elementów pier cieniowych, zgodnie z oznaczeniami na rysunkach 4. 7 i 4. 8, przedstawiono w tablicy 4. 3.

�������

358

Rys. 14.7. Schemat wy o e pier cieniowych z kombinacji: a) klinów i prostek; b) dwóch

rodzajów klinów

Rys. 14.8. Parametry geometryczne sklepie ukowych

�������

359

Tablica 14. 3. Formu y do obliczania zapotrzebowania kszta tek w wy o eniach pier cieniowych (oznaczenia wg rys. 4. 7– 4. 8

sposób wymurowania pier cienia formu y wyliczeniowe Lp N h

a bkk k

=−

2π 4.2

kombinacja klinów i prostek ( )N

D N a sa sp

k k

p

=− +

+π

4.22

N = Nk +Np 4.23 N = NA + NB 4.24 kombinacja klinów A i klinów B ( )

Nd hc s

=+

+π

4.24a

aA ≠ aB i bA ≠ bB πD = NA(aA + s) + NB(aB + s) 4.25 πd = NA(bA + s) + NB(bB + s) 4.26 kombinacja klinów A i klinów B

N Da s

Da sA B

=+

=+

π π 4.27

aA = aB i bA > bB ( )N

d N a sb ba

B

A B

=− +

−π

4.28

NB = N - NA 4.29 kombinacja klinów A i klinów B

N da s

db sA B

=+

=+

π π 4.30

aA > aB i bA = bB ( )N

D N a sa aA

B

A B

=− +

−π

4.32

NB = N - NA 4.32

N – sumaryczna ilo kszta tek w pe nym pier cieniu, Np, Nk – liczba prostek lub klinów w pier cieniu, NA, NB – liczba klinów A lub B w pier cieniu.

W przypadku gdy wymurowaniu ma podlega nie ca y pier cie , ale jego

odcinek, np. w sklepieniach, nale y to uwzgl dni mno c wyliczone ilo ci klinów dla pe nego pier cienia przez stosunek k ta centralnego sklepienia do k ta pe nego:

n = N · α /360 ( 4. 33) nA = NA · α /360 ( 4. 34) nB= NB · α /360 ( 4. 35)

gdzie: n, nA, nB – liczba klinów w odcinku pier cienia o k cie centralnym α.

�������

360

Przy obliczaniu sklepie cz sto nie dysponujemy kompletem danych, dlatego przytoczono niektóre zale no ci mi dzy jego parametrami geometrycznymi:

sin α/2 = l/2r ( 4.36)

r = (l2 /8f) - f/2 ( 4.37)

r = b· h/(a - b) ( 4.38)

f = 2r· sin2 (α/4) ( 4.39)

e = h· l/2r ( 4.40 )

w = h(r - f)/r ( 4.4 )

l rf f= −8 4 2 ( 4.42)

W obu przypadkach wylicza si wi c ilo ci kszta tek potrzebnych do wymurowania jednego pe nego pier cienia lub odcinka pier cienia o szeroko ci pojedynczej kszta tki. Chc c obliczy zapotrzebowanie kszta tek na wykonanie ca ego elementu obmurza, nale y tak jak poprzednio obliczy ilo przypadaj cych na jego d ugo warstw i wymno y obie warto ci.

Przyk ad Obliczy zapotrzebowanie klinów magnezjowo-chromitowych w gat. MC6, na

wymurowanie odcinka 20 mb strefy spiekania pieca obrotowego do wypalania klinkieru cementowego. G sto pozorna wyrobów MC6 wynosi 2,9 g/cm3. rednica wewn trzna pancerza pieca wynosi 5750 mm. Grubo wymurówki – 220 mm. Na wymurowanie przyj kliny typoszeregu π/3 wg ISO 54 7- 986. Kliny murowane b d przy pomocy zaprawy magnezjowej ZMZ – grubo spoin ,0 mm. Zgodnie z charakterystyk wymiarow (Dodatek E6), do wymurowania b bna o rednicy 5750 mm musimy zastosowa kombinacj dwóch formatów klinów. Pier cienie o najbardziej zbli onych rednicach zewn trznych mo na uzyska z formatów 722 i 422; tak te w a nie kombinacj nale y wybra . Wymiary tych klinów s nast puj ce h × l × a/b = 220 x 98 x 03/96 mm dla formatu 722 = 220 x 98 x 03/92 mm dla formatu 422 Poniewa dla formatów tych aA = aB = 03 mm, dla wyliczenia ilo ci klinów w pier- cieniu stosujemy zale no ci 4. 27 ÷ 4. 29, przy czym s = ,0 mm. Podstawiaj c

D = 5750 mm i d = 5750 – 2 · 220 = 53 0 mm, otrzymujemy N = 74 szt.

NA = 23 szt. klinów 722 NB = 5 szt. klinów 422

�������

36

Poniewa d ugo strefy wynosi 20 m, a szeroko jednego pier cienia – 98 + = = 99 mm, to na jej wymurowanie potrzeba 00 takich pier cieni. Na ca stref potrzeba wi c: 2 300 szt. klinów 722 oraz 5 00 szt. klinów 422, które nale y zabudowa z cz stotliwo ci 23 : 5 ≅ 2,5, tj. jeden klin 422 nale y umieszcza przemiennie po 2 i po 3 klinach 722. Obj to ci klinów 722 i 422 wynosz odpowiednio 4,33 i 4,25 dcm3, a ich ci ary: 4,33 · 2,9 = 2,6 kg i 4,25 · 2,9 = 2,3 kg. Dla wykonania remontu ca ej strefy potrzeba wi c: 2 300 x 2,6 = 54,98 t klinów 722 oraz 5 00 x 2,3 = 63,75 t klinów 422 w gat. MC6. atwo zauwa y , e mb wymurówki takiego pieca ma ci ar oko o ton.

14. 3. 2. Zapotrzebowanie na materia y nieformowane

Zapotrzebowanie to obejmuje zaprawy lub materia y przeznaczone do wykonywania elementów monolitycznych.

Ilo zaprawy potrzebnej do wymurowania obmurza zale y od przyj tej grubo ci spoin, a tak e od grubo ci obmurza (ró na ilo spoin). Wyliczenia zapotrzebowania zaprawy dla wszystkich mo liwych wariantów by yby k opotliwe, st d te zwykle pos ugujemy si rednimi normami zu ycia zapraw podanymi poni ej.

grubo spoin, mm 7 5 4 3 2

zu ycie zaprawy m3 /m3 obmurza

0,20 0, 5 0, 2 0, 0 0,05 0,03

Zapotrzebowanie zaprawy do wymurowania danego elementu obmurza

okre lone jest zale no ci : zz = V· nz· cn· /wk , kg ( 4.43)

gdzie: V- obj to obmurza, [m3], nz- rednia norma zu ycia zaprawy, [m3 /m3], cn- ci ar nasypowy zaprawy, [kg/m3], , wg tablicy 4.4 wk- wspó czynnik kontrakcji obj to ci zaprawy wskutek zarabiania:

wk = 0,8 ÷ 0,85 - zarabiane wod zaprawy zawieraj ce surow glin ogniotrwa ,

wk = 0,9 ÷ 0,95 - zaprawy suche lub zarabiane szk em wodnym.

�������

362

Tablica 14.4. Ci ary nasypowe zapraw.

rodzaj zaprawy ci ar nasypowy, kg/m3 krzemionkowa 400 szamotowa 400 szamotowo-boksytowa 450 wysokoglinowa 550 sylimanitowa 650 korundowa 2250 magnezytowa 2000 magnezjowo-chromitowa 2060 chromitowo-magnezjowa 2 00 z w glika krzemu 2050 termalitowa 700

Ilo ci niezb dnej masy czy betonu dla wykonania monolitycznych elementów

obmurza oblicza si , mno c obj to tego elementu przez g sto pozorn tworzywa. Warto ci g sto ci pozornych podane s w odpowiednich normach przedmiotowych lub w warunkach odbioru.

14.4. Kompensacja rozszerzalno ci cieplnej i dylatowanie obmurzy

Obmurza pieców, nagrzewane do wysokich temperatur pracy, zwi kszaj swoj obj to , co jest zjawiskiem normalnym i oczywistym. Obmurze musi by tak skon- struowane, aby zapewni o mo liwo swobodnej ekspansji nagrzanych jego elementów. Je li ta ekspansja b dzie hamowana, wówczas powstan w nim napr enia mechaniczne, których wielko okre la zale no

σ αµ

= ⋅ ⋅−

E t∆ ( 4.44)

gdzie: E- modu spr ysto ci materia u obmurza, [kG/cm2], α- wspó czynnik rozszerzalno ci cieplnej materia u, [°C- ], µ - wspó czynnik Poissona.

Z równania tego wynika, e im wi kszy modu E, wspó czynnik rozszerzalno ci cieplnej α i przyrost temperatury ∆t, tym napr enia w obmurzu b d wi ksze. Modu spr ysto ci materia ów ogniotrwa ych zmienia si jednak wraz z tempera- tur . Zwykle w temperaturach powy ej 000°C spr ysto tworzyw ogniotrwa ych maleje i przechodz one w stan plastyczny (termoplastyczno ).

�������

363

Granice spr ysto ci s ró ne dla ró nych materia ów ogniotrwa ych i zale od wielu czynników, charakteryzuj cych zarówno ich sk ad jak i struktur . Mog one wyst powa np. w zakresie 300 ÷ 500°C dla wysokiej jako ci wyrobów zasadowych, jak i 800 ÷ 900°C dla wyrobów glinokrzemianowych. Wskazuje to, e z powstawaniem w obmurzach napr e mechanicznych wskutek hamowania ich ekspansji cieplnej nale y si liczy w zakresie temperatur ni szych, poni ej temperatury pocz tku pe zania, a wi c w zakresie ich spr ysto ci. Pó niej, w zakresie wy szych temperatur, deformacje plastyczne tworzyw b d ogranicza y wielko powstaj cych napr e . Niemniej hamowanie rozszerzalno ci cieplnej materia u obmurza, zw aszcza w zakresie jego stanu spr ystego, prowadzi do powstawania w nim ekstremalnie wysokich napr e , przekraczaj cych prawie o rz d wielko ci wytrzyma o ci mechaniczne najlepszych nawet wyrobów (tab. 4. 5).

Tablica 14.5. Napr enia mechaniczne przy hamowaniu rozszerzalno ci cieplnej

materia ów ogniotrwa ych.

rodzaj wyrobu E 05 kG/cm2

α 0-6 °C-

∆ t− µ

σ kG/cm2

krzemionkowy 0,92 3,0 430 7 0 szamotowy 3, 5,0 430 2220 magnezjowo- chromitowy

,65 0,0 430 2360

magnezjowy 3, 8 5,0 430 6820 w glowy ,38 5,5 430 080

Napr enia takie s w stanie spowodowa zniszczenie obudowy pieca b d

deformacje i zniszczenie samej wymurówki. W praktyce zwykle nie dochodzi jednak do tak skrajnych sytuacji. W

obmurzach wi zanych zapraw , zaprawa w spoinach jest najmniej spoistym elementem, szybciej i atwiej ulega kurczeniu i deformacji wskutek nagrzania. Jest te bardziej ci liwa ni kszta tki. Te w a ciwo ci, kompensuj ce rozszerzalno ciepln wyrobów, s tym wyra niejsze im grubsze s spoiny. Przyjmuje si , e zaprawa w spoinach mo e skompensowa nawet po ow rozszerzalno ci cieplnej wyrobów. T jej kompensacyjn zdolno zwi ksza si niekiedy przez wprowadzenie do niej dodatków w ókien ceramicznych lub wermikulitu.

Dzia anie kompensacyjne zaprawy w spoinach jest jednak niewystarczaj ce do pe nego skompensowania ekspansji cieplnej wyrobów. Przy zbyt grubych spoinach, pomijaj c wzgl dy odporno ciowe obmurza, istnieje te mo liwo ich deformacji wskutek kurczenia si lub zgniotu spoin, zw aszcza w obmurzach obci onych mechanicznie (np. wysokich).

�������

364

Poniewa ze wzrostem temperatury maleje równie wytrzyma o mechaniczna wyrobów i nawet te mniejsze, bo cz ciowo ju skompensowane, napr enia mog doprowadzi do zniszcze , zawsze celowe jest eliminowanie ich w maksymalnym stopniu. Koniecznym i niezast pionym rodkiem do tego celu s szczeliny dylatacyjne.

Szczeliny dylatacyjne w obmurzach wykonywane s w ró ny sposób, w zale no ci od ich konstrukcji. W cianach pozostawia si albo pewn ilo pustych spoin, albo wykonuje si szczeliny szersze, ale rozmieszczone rzadziej (np. co 2 ÷ 3 m) wzd u d ugo ci ciany. W wy o eniach pier cieniowych pieców obrotowych i sklepie umieszcza si pomi dzy kszta tkami przek adki z tektury, papy bezpiaskowej lub cienkich deseczek, które wypalaj c si zapewni przestrze dla ekspansji cieplnej wyrobów. Szczeliny dylatacyjne, które nie s obci one mechanicznie, mog te by wype nione materia ami ci liwymi, np. zasypk ziarnist lub we n ceramiczn . Przyk ady dylatowania niektórych elementów obmurzy przedstawiono na rysunkach 4. 9 i 4. 0 (s. 368).

Rys. 14.9. Przyk ady dylatowania obmurzy ogniotrwa ych: a) odcinkami; b) z wykorzystaniem spoin

Ustalanie wielko ci niezb dnych szczelin dylatacyjnych jest jedn z

wa niejszych czynno ci przy projektowaniu obmurzy ogniotrwa ych. Je eli b d one zbyt ma e, to nie uchroni obmurzy przed zb dnymi napr eniami mechanicznymi, przyspieszaj cymi zu ycie i prowadz cymi cz sto do awarii. Je li b d natomiast zbyt du e, to nie zamkn si one w temperaturze pracy. Przez nieszczelno ci b dzie wtedy mog o by zasysane tzw. fa szywe powietrze, p omie i spaliny mog wybija przez wymurówk , atwiejsza jest penetracja p omienia i agresywnych reagentów w g b obmurza, co przy jednoczesnym os abieniu konstrukcji murowej prowadzi do szybkiego zu ycia obmurza.

�������

365

Problem ustalania wielko ci szczelin dylatacyjnych nie jest w pe ni rozwi zany do chwili obecnej, gdy wymaga uwzgl dnienia wielu czynników, powoduj cych zarówno rozszerzanie si obmurza jak i dzia ania o charakterze przeciwnym, a w szczególno ci:

– rozszerzalno ciepln tworzywa (wyrobów) obmurza, – rozszerzanie si wyrobów spowodowane procesami ich korozji lub przemian

fazowych, – wzrost obj to ci otulin wyrobów lub przek adek stalowych wskutek utleniania, – skurczliwo wtórn wyrobów, – kurczenie si i ci liwo zaprawy w spoinach, – rozszerzanie si obudów pieców, – cis o uk adania kszta tek w obmurzu, – dodatkowe kompensacje warstw kleju cz cego otuliny z kszta tkami itp. Do wiadczenia wskazuj , e korzystne jest pozostawienie pewnego

umiarkowanego stanu napr e w obmurzu, bo sprzyja to jego stabilno ci i szczelno ci, co w konsekwencji zwi ksza trwa o .

Z wymienionych czynników jedynie rozszerzalno ciepln i skurczliwo wtórn wyrobów mo na okre li w sposób cis y, a i to zazwyczaj bez uwzgl dnienia konkretnych warunków pracy, panuj cych w piecu. Zale ne od tych warunków, cz sto w sposób trudny do okre lenia i niepowtarzalny s te czynniki pozosta e.

Rozszerzalno cieplna wyrobów jest jak dot d podstawowym parametrem dla ustalania wielko ci szczelin dylatacyjnych. Na podstawie jej warto ci, wyznaczonej dla okre lonej temperatury pracy, ustala si wielko wyd u enia wy o enia, wymagaj cego zdylatowania. Wielko szczelin dylatacyjnych koryguje si nast pnie w oparciu o do wiadczenia eksploatacyjne takich samych lub podobnych obmurzy pieców. Powoduje to, e podawane przez ró ne ród a zalecenia w zakresie dylatowania, mocno si mi dzy sob ró ni . Wed ug polskich norm, dla temperatur pracy poni ej 400°C, szeroko ci szczelin dylatacyjnych powinny wynosi :

8 ÷ mm/mb – obmurza szamotowe 2 ÷ 4 " – " krzemionkowe 8 ÷ " – " korundowe 0 ÷ 2 " – " magnezjowe 0 ÷ 2 " – " magnezjowo-chromitowe 7 ÷ 8 " – " chromitowo-magnezjowe

W praktyce stosowana jest zasada, e szeroko szczelin dylatacyjnych powinna wynosi 50 ÷ 00% rozszerzalno ci wyrobów w temperaturze pracy. Ten du y margines powodowany jest w a nie zmienno ci pozosta ych z wymienionych czynników. Korygowanie ich w zakresie ponad 50% rozszerzalno ci wyrobów, opiera si na indywidualnych do wiadczeniach eksploatacyjnych.

�������

366

Najwi ksze wymagania w zakresie dylatowania posiadaj obmurza z wyrobów krzemionkowych i zasadowych. W pierwszym przypadku zwi zane jest to z nierównomiern i du rozszerzalno ci , spowodowan przemianami polimorficznymi SiO2, w przypadku drugim – du rozszerzalno ci ciepln i ma podatno ci deformacyjn w wysokich temperaturach, wyrobów bogatych w MgO. Dla wszystkich rodzajów obmurzy stosowana jest te zasada, e im szczelniejsze wykonanie (cie sze spoiny) tym dylatowanie musi by dok adniejsze.

Oprócz ustalenia wielko ci szczelin dylatacyjnych bardzo istotne dla pracy obmurzy jest ich rozmieszczenie i sposób wykonania. Szczeliny powinny by rozmieszczone równomiernie (raczej o mniejszej szeroko ci, ale g ciej rozmieszczone), a sposób wykonania powinien zapewni mo liwo ich zamykania si w temperaturach pracy.

14. 4. 1. Obliczanie szczelin dylatacyjnych

Podstaw do oblicze szczelin dylatacyjnych s zale no ci

∆l = l · α · ∆t ( 4.45)

lub

∆l = l · αt/ 00 ( 4.46)

gdzie: ∆l - przyrost liniowy wy o enia, [mm], l - wymiar wy o enia, [mm]; (najcz ciej l = mb) α - wspó czynnik rozszerzalno ci cieplnej, [°C- ], αt - rozszerzalno cieplna w temperaturze pracy, [%].

Dla wyznaczenia wielko ci szczelin dylatacyjnych wyliczone warto ci wyd u enia nale y nast pnie skorygowa w oparciu o do wiadczenia eksploatacyjne i podane wcze niej uwagi. Nieco inne zasady stosowane s w przypadku cienkich wy o e zamkni tych w stalowej obudowie, np. w b bnie pieca obrotowego. Opieraj si one na empirycznej formule, która uwzgl dnia kompensacyjne dzia anie rozszerzania si nagrzanego pancerza. Formu a ta ma posta

Wd = k (ww - wp), [mm] ( 4.47)

gdzie: Wd - wyd u enie wymurówki wymagaj ce zdylatowania, [mm], ww - wyd u enie roboczej warstwy wymurówki w temperaturze pracy, [mm], wp - wyd u enie pancerza, [mm], k = 0,3 ÷ 0,4 - wspó czynnik zale ny od ruchowych warunków zabudowy.

�������

367

Zgodnie z t formu , wielko szczelin dylatacyjnych na obwodzie pier cienia wynosi b dzie

Wd = k· π · (d · aw - D · ap), mm ( 4.48)

gdzie: d - rednica wewn trzna pier cienia wymurówki, mm D - rednica zewn trzna pier cienia wymurówki lub rednica pancerza, mm

aw, ap - odpowiednio rozszerzalno cieplna wymurówki w temperaturze roboczej i pancerza w temperaturze jego pracy.

Dla dylatowania wzd u nego (mi dzy pier cieniami), wielko szczelin dylatacyjnych wyznacza si zwykle dla mb wymurówki, równie zgodnie z formu

4. 47. Przyk ad Ustali wielko szczelin dylatacyjnych i sposób dylatowania dla wymurówki

wyrobami MC6 strefy spiekania pieca obrotowego, wymurowanego wg przyk adu w podrozdziale 4. 3. .

Za o enia: – temperatura roboczej powierzchni wymurówki, ze wzgl du na izoluj ce

dzia anie warstwy napieku, wynosi 300°C; – temperatura jej powierzchni zewn trznej oraz temperatura pancerza wynosi

300°C; – rozszerzalno cieplna wyrobów MC6 w temperaturze 300°C wynosi ,85%,

a w temperaturze 300°C – 0,25%; – wspó czynnik rozszerzalno ci cieplnej stali α = 2 · 0-6 °C- ;

– przyjmujemy k = 0,35. SZCZELINY DYLATACYJNE W PIER CIENIACH Teoretyczna wielko szczelin dylatacyjnych, zgodnie z formu 4. 48, wynosi:

Wd = 0,35 · 3, 3(53 0 · ,85/ 00 - 5750 · 2 · 0-6 · 300) = 85,2 ≅ 85 mm

Przyjmuj c, e dla dylatowania stosowa b dziemy przek adki tekturowe o grubo ci 2 mm, w ka dym pier cieniu musimy umie ci 85 : 2 ≅ 43 szt. takich przek adek. Poniewa w pier cieniu zabudowanych jest 74 kliny, to przek adki te nale y umie ci w odst pach co 4 kliny ( 74 : 43 = 4).

�������

368

Wyd u enie wymurówki na zewn trznym obwodzie pier cienia wyniesie: 5750 · 0,25/ 00 ≈ 4 mm, natomiast wyd u enie pancerza: 5750 · 2 · 0-6 · 300 ≈ 2 mm, co oznacza, e rozszerzanie si pancerza w pe ni skompensuje rozszerzanie si „zimnych” warstw wymurówki. Dylatowanie w pier cieniu nale y wi c ograniczy tylko dla jego warstw roboczych, tak jak przedstawiono to na rysunku 4. 0.

Warto tu zaznaczy , e przyj cie takiego sposobu dylatowania wymaga zmiany wyliczonych wcze niej proporcji ilo ciowych klinów. Aby mo na by o prawid owo wykona wymurówk , cz klinów „t pych” (722) musi by zast piona klinami „ostrymi” (422).

Poniewa ró nica wymiarów „b” obu formatów wynosi 4 mm, to 86 : 4 ≈ 22 kliny 722 nale y zast pi klinami formatu 422. Tak wi c dla wymurowania pier cienia potrzeba b dzie 23 – 22 = 0 szt. klinów 722 oraz 5 + 22 = 73 szt. klinów 422. Odpowiedniej zmianie ulegn te ilo ci klinów dla wymurowania ca ej strefy spiekania.

Rys. 14.10. Schemat wymurowania i dylatowania pieca obrotowego

�������

369

SZCZELINY DYLATACYJNE MI DZY PIER CIENIAMI Teoretyczna wielko szczelin dylatacyjnych dla mb wymurówki, zgodnie z formu 4. 47, wynosi

Wd = 0,35 · 000 ( ,85/ 00 - 2 · 0-6 · 300) ≈ 5 mm/m.b.

Poniewa na mb wymurówki przypada 000 : 99 = 5 pier cieni, to przek adki dylatacyjne takiej samej jak poprzednio grubo ci nale y umieszcza z cz stotliwo ci co 5 : 2 = 2,5 pier cieni, czyli przemiennie co 2 i co 3 pier cienie.

14. 5. Ogólne zasady wykonywania obmurzy ogniotrwa ych

Obmurza ogniotrwa e pieców i urz dze cieplnych mog by wykonywane ró nymi sposobami. Najstarszym i najcz ciej stosowanym jest murowanie wywodz ce si z tradycyjnych technik budowlanych, a polegaj ce na wi zaniu zapraw uk adanych kszta tek. Obok niego, w coraz wi kszym zakresie, stosowane s nowe techniki wykonawstwa obmurzy, tzw. monolitycznych. Wykonywane s one z mater- ia ów nieformowanych: betonów aroodpornych i ogniotrwa ych oraz ró nego rodzaju konstrukcyjnych mas plastycznych lub sypkich. Metody wykonywania obmurzy monolitycznych mog te by bardzo ró ne: zalewanie betonów do szalunków lub form, ubijanie mas plastycznych, ubijanie mas sypkich, narzucanie mechaniczne czy natryskiwanie ci nieniowe (torkretowanie). Zupe nie nowe sposoby wykonywania obmurzy pojawi y si te wraz z wprowadzeniem do szerokiego stosowania materia ów w óknistych, prefabrykowanych na filc, maty, tzw. p yty twarde lub pakiety (modu y).

Omówienie wszystkich tych metod wykonywania (i napraw) obmurzy wykracza poza ramy przyj te dla niniejszego opracowania. W budownictwie i remontach pieców dla przemys u ceramicznego jak dot d dominuje metoda murowania i do niej te , z pomini ciem szczegó owych technologii, ograniczono omówienie podstawowych zasad wykonywania obmurzy. Zasadniczym celem stosowanych w budownictwie ogólnym konstrukcji murowych jest przenoszenie obci e mechanicznych, g ównie ciskaj cych. Konstrukcje te z zasady maj prost form geometryczn , st d wykonywane s z cegie – kszta tek o najbardziej prostym formacie.

Konstrukcje murowe ogniotrwa e przeznaczone s zawsze do pracy w wysokich temperaturach, przy jednoczesnych ró norakich oddzia ywaniach mechanicznych i korozyjnych. Warunki te narzucaj konstrukcjom murów ogniotrwa ych znacznie wy sze wymagania w zakresie wykonawstwa. St d te tzw. biali murarze, tj. murarze wykonuj cy wymurówki ogniotrwa e, musz posiada znacznie wy sze kwalifikacje.

�������

370

Wysoki stopie trudno ci, charakterystyczny dla wykonawstwa murów ogniotrwa ych, zwi zany jest z wieloma czynnikami, z których najwa niejsze to:

– stosowanie wielu gatunków wyrobów ogniotrwa ych, – cz sto skomplikowana forma geometryczna obmurzy, – du a ilo formatów kszta tek, – cz sta konieczno dok adnego docinania, a nawet szlifowania kszta tek, – konieczno przestrzegania ci le okre lonego sposobu przewi zywania spoin, – konieczno utrzymywania sta ej, zwykle niewielkiej, grubo ci spoin, – konieczno dylatowania, – du e wymagania w zakresie dok adno ci wymiarów, stanu powierzchni

roboczych i wyko czenia obmurzy. Przy murowaniu obmurzy ogniotrwa ych musz wi c by przestrzegane,

ustalone do wiadczeniami, pewne zasady wykonawstwa. Od ich prawid owej realizacji zale y w du ym stopniu, niekiedy nawet decyduj cym, pó niejsza praca ca ego pieca.

Jak ju wspomniano, murowanie polega na uk adaniu kszta tek tak, aby uzyska dany kszta t geometryczny obmurza, przy jednoczesnym wi zaniu ich zapraw . W obmurzach ogniotrwa ych zaprawa w spoinach jest najs abszym ich elementem. Od spoin najcz ciej zaczyna si zu ywanie obmurzy. St d te naturaln d no ci powinno by murowanie obmurzy z mo liwie cienkimi spoinami. Jednak e w miar zmniejszania grubo ci spoin rosn nak ady i pracoch onno murowania, st d dobiera si je dla konkretnych elementów i warunków pracy.

Mury w piecach wykonywane mog by w sze ciu kategoriach szczelno ci, którym przyporz dkowane s okre lone grubo ci spoin, zgodnie z tablic 4. 6.

Tablica 14.6. Kategorie murów w obmurzach pieców.

Okre lenie mury ogniotrwa e mury mury bardzo

szczelne szczelne standar-

dowe zwyk e izola-

cyjne z ceg y

budowlanej Kategoria muru I II III IV V VI maks. grubo spoin, mm

,0 2,0 3,0 4,0 5,0 8 ÷ 2

W obmurzach pieców ceramicznych kategorie te maj nast puj ce

zastosowanie: kat. I – ró ne elementy obmurzy stykaj ce si z k piel , sklepienia o

temperaturze pracy powy ej 400°C, strefy, w których ci nienie gazów przekracza 0,4 atm, rekuperatory ceramiczne;

�������

37

kat. II – elementy obmurzy nara onych na cieranie, strefy w których temperatury robocze si gaj 400°C lub pojawiaj si ciek e reagenty; np. wymurówki pieców obrotowych, przekrycia wi kszo ci rodzajów pieców, obmurza komór wymienników ciep a;

kat. III – elementy obmurzy, których temperatura pracy nie przekracza 200°C, nie wyst puj ciek e reagenty, brak jest oddzia ywa cieraj cych, a ci nienie gazów nie przekracza 0, atm;

kat. IV – mniej odpowiedzialne elementy obmurzy, warstwy robocze z wyrobów izolacyjnych, trzony i posadzki;

kat. V – wewn trzne warstwy izolacyjne ogniotrwa e i termalitowe, elementy, których temperatury pracy nie przekraczaj 800°C.

Do wi zania kszta tek w murach najcz ciej stosuje si zaprawy mokre, zarabiane wod lub roztworem szk a wodnego. Konsystencja przygotowanych zapraw powinna by tym rzadsza, im cie sze musz by spoiny (zaprawa p ynna dla murów kat. I). Niekiedy zapraw , zwykle drobnoziarnist , u ywa si w postaci suchej m czki dla uszczelnienia murów z kszta tek uk adanych wcze niej na „sucho”, tj. bez zaprawy. Sposób ten stosuje si przy wykonywaniu trzonów – zapraw nanosi si na jego powierzchni , a poprzez ostukiwanie kszta tek m otkiem, wprowadza si j w pionowe spoiny, uszczelniaj c w ten sposób trzon.

W strefach spiekania pieców obrotowych przemys u cementowego, wymurowywanych wyrobami magnezjowo-chromitowymi, rol zaprawy mog przej stalowe blachy otulin kszta tek lub przek adek umieszczanych mi dzy kszta tkami. Tworzywem spajaj cym kszta tki jest magnezjoferryt MgFe2O4, powstaj cy w wyniku reakcji peryklazu z wyrobów i tlenków elaza z blach utlenionych w wysokich temperaturach. Mury ogniotrwa e mo na wykonywa tak e bez wi zania kszta tek zapraw . Przyk adem mog by trzony pieców szklarskich, uk adane z dok adnie dopasowywanych bloków, a tak e górne warstwy trzonów wózków piecowych. Ten sposób zabudowy, w odniesieniu do zasadowych wyrobów ogniotrwa ych, jest ostatnio wprowadzany tak e w strefach spiekania pieców obrotowych.

Do prac murowych przyst pi mo na dopiero po spe nieniu dwóch warunków. ) Komisyjnym odebraniu fundamentu na którym ma by wznoszony

piec, przy czym rozpocz cie robót na fundamentach murowanych mo e nast pi bezpo rednio po ich uko czeniu, natomiast na fundamentach betonowych i elbetowych dopiero po up ywie 7 dni od zako czenia betonowania.

2) Zako czeniu prac monta owych, sprawdzeniu i odebraniu konstrukcji obudowy pieca i jego osprz tu. Wszelka armatura wstawiana w konstrukcj pieca winna by uprzednio zmontowana, dopasowana i sprawdzona.

�������

372

Warunki techniczne wykonawstwa robót murowych wymagaj , aby temperatura otoczenia miejsca murowania wynosi a powy ej 5°C, a temperatura zaprawy oraz wody stosowanej do jej przygotowywania nie by a ni sza ni 0°C.

Wyroby ogniotrwa e stosowane do budowy obmurzy powinny odpowiada jako ciowym i wymiarowym warunkom odbioru. Przy zani onych parametrach jako ciowych wyroby mog nie sprosta warunkom pracy. Przy du ych odchy kach wymiarowych trudno jest uzyska prawid owe u o enie warstw i dan grubo spoin, co w rezultacie os abia konstrukcj murow . W obu przypadkach zu ycie obmurza b dzie szybsze.

Wyroby ogniotrwa e powinny ponadto by suche i wolne od zanieczyszcze py em. Nieprawid owo ci te powodowane s najcz ciej niew a ciwymi warunkami przechowywania lub transportu materia ów. Wilgo pogarsza przyczepno zaprawy do wyrobów oraz utrudnia pó niejsze suszenie i rozgrzewanie obmurzy do temperatury pracy. Dla ograniczenia zawilgocenia obmurzy podczas murowania stosuje si te , inn ni w budownictwie ogólnym, technik nanoszenia zaprawy, a mianowicie tzw. ubieranie zapraw ka dej kszta tki oddzielnie.

Py y równie pogarszaj przyczepno zaprawy, a ponadto jako najcz ciej substancje nieogniotrwa e, u atwiaj korozj chemiczn wyrobów podczas pracy. Wyroby nie mog te wykazywa oznak zamarzni cia.

Do budowy obmurzy powinno si u ywa kszta tki ca e, o pe nych naro ach i kraw dziach oraz g adkich i równych powierzchniach. Dotyczy to szczególnie mu- rów kategorii I i II, dla których, przed wbudowaniem, wyroby ogniotrwa e powinny by przesortowane, zarówno pod wzgl dem dok adno ci wymiarów (wymiary maj pewne tolerancje wynikaj ce ze skurczu podczas wypalania), jak i stanu powierzchni. Dla wyko czenia elementów obmurza dopuszcza si docinanie kszta tek z tym, e przestrzegane powinny by poni sze zasady.

– Obj to wbudowywanego fragmentu kszta tki nie mo e by mniejsza ni po owa jej obj to ci pierwotnej. Gdyby taka konieczno zaistnia a, to nale y doci ÷ 2 kszta tki s siednie.

– Powierzchnie ci cia powinny by mo liwie równe i g adkie (ci cie na pile tarczowej), a ponadto, doci ta powierzchnia nie mo e by zwrócona do strony ogniowej muru.

– Po ówki kszta tek mo na stosowa w zasadzie w murach grubych, powy ej 2 ÷ 2,5 prostki, ale wewn trz ich masywu i z zachowaniem prawid owego przewi zania.

– Kszta tki z uszkodzonymi kraw dziami i naro ami (w granicach dopuszczonych normami) mo na uk ada tylko w wewn trznych warstwach obmurzy. Szczególnie wa ne elementy obmurzy, wymagaj ce dopasowania lub

doszlifowywania kszta tek (np. wy o enia pier cieniowe pieców szybowych, trzony

�������

373

i ciany basenu wanien szklarskich) powinny by uprzednio uk adane i dopasowywane na sucho, cz ciami lub w ca o ci, a dopiero potem wmurowane.

Aby konstrukcja murowa by a stabilna i wytrzyma a, a napr enia wskutek prze- noszonych obci e by y bardziej równomierne, uk ad kszta tek w obmurzu musi tworzy zwart konstrukcj , zmuszaj c kszta tki do wzajemnej wspó pracy. Zatem prawid owy uk ad kszta tek w obmurzu musi spe nia dwa podstawowe warunki.

) Kszta tki nale y uk ada w pozycji najbardziej stabilnej, tj. na najwi kszej powierzchni (w przypadku standardowej prostki b dzie to tzw. podstawa) lub tak, aby powierzchnia ta by a prostopad a do dzia aj cych si (sklepienia, ki, wy o enia pier cieniowe pieców obrotowych). Wyj tek stanowi trzony i posadzki. Tu stabilno u o onych kszta tek zapewniaj ciany ograniczaj ce trzon z zewn trz, a u o enie np. prostek na wozówce

lub na g ówce zapewnia wi ksz trwa o tych elementów obmurzy, bo kszta tki zwrócone s do przestrzeni roboczej swymi najwi kszymi wymiarami.

2) Spoiny pionowe poszczególnych warstw muru powinny by przewi zane, tj. spoiny jednej warstwy powinny by przykryte kszta tkami warstwy nast pnej. Niedopuszczalne jest wykonanie jakichkolwiek spoin pionowych przechodz cych przez ca wysoko muru lub przez ca jego grubo . Wyj tek stanowi przypadki, gdy pionowe spoiny przeznaczone s na wykonanie szczelin dylatacyjnych. Zasada ta nie obowi zuje oczywi cie w przypadku jednowarstwowych wymurówek trzonów, sklepie i wy o e pier cieniowych (piece obrotowe, kana y gazowe).

Zasady wykonawstwa poszczególnych elementów konstrukcyjnych obmurzy pieców: trzonów i posadzek, cian wraz z ró nego rodzaju otworami, sklepie i stro- pów itp. s cz sto zró nicowane, w zale no ci od warunków narzuconych rodzajem i specyfik pracy danego pieca. W celu uporz dkowania wykonawstwa obmurzy, opracowane zosta y „Warunki techniczne wykonywania i odbioru robót budowlano-monta owych, cz. IV – roboty murowe pieców, kot ów i kominów przemys owych”, które obowi zuj wsz dzie tam, gdzie innych zasad wykonawstwa nie narzuca doku- mentacja techniczna konkretnego pieca.

W trakcie wykonywania obmurzy dozór techniczny oraz sami wykonawcy sprawdzaj prawid owo i jako wykonania, a ewentualne usterki usuni te powinny by na bie co.

Poziomowo warstw sprawdza si poziomic murarsk . Pionowo cian sprawdza si pionem murarskim, a pochylenie warstw lub cian przy pomocy odpowiednich szablonów. Tak e szablonami lub sznurem mocowanym w osi krzywizny sprawdza si bieg spoin promieniowych w wy o eniach cylindrycznych, sklepieniach i kach. Grubo spoin sprawdza si przy pomocy szczelinomierza. Wreszcie nierówno ci powierzchni obmurzy sprawdza si przy pomocy aty murarskiej i szczelinomierza wk adanego w prze wity mi dzy at a cian .

�������

374

Szczególnie dok adnie nale y sprawdza wykonanie komór przeznaczonych do wbudowania ró nego rodzaju gotowych elementów, np. bloków rekuperatorów stalowych czy elektrofiltrów. Wymagania jako ciowe wymurówek ogniotrwa ych narzucaj , aby ich powierzchnie robocze by y wolne od wkl ni i wypuk o ci, a odchylenia cian od pionu nie przekracza y ± 5 mm/ mb wysoko ci, przy czym na ca ej wysoko ci, ciany nie mog by odchylone od pionu wi cej ni 5 mm.

Grubo spoin sprawdza si wybiórczo, dokonuj c 0 pomiarów na powierzchni ok. 5 m2. Ilo pogrubionych (jednak nie wi cej ni o 50% w stosunku do wielko ci ustalonej projektem) spoin nie mo e by wi ksza od 5 w cianach i trzonach i od 4 w elementach no nych obmurza. Grubo spoin sprawdza si szczelinomierzem, który pod naciskiem r ki nie powinien zag bi si w spoin wi cej ni 20 mm. Spoiny, zw aszcza od strony roboczej obmurza, powinny by ca kowicie wype nione zapraw , a ich lico powinno by zgodne z licem wi zanych kszta tek. Ka dy element obmurza oraz obmurze jako ca o , podlegaj odbiorowi przez inspektora nadzoru lub specjalne komisje odbiorowe. Odbiór mo e by :

– cz ciowy, dokonywany zwykle przez inspektora nadzoru, – ko cowy (ca o ciowy), dokonywany zwykle przez komisj ju po zako czeniu

robót. Odbiorowi cz ciowemu, z wpisem do dziennika budowy, podlegaj przede

wszystkim tzw. zanikaj ce elementy obmurzy, które zakrywane s warstwami nast pnymi, np. wewn trzne warstwy cian i trzonów, kolejne warstwy kratownic regeneratorów itp.

Odbiór obejmuje sprawdzenie: – wymiarów geometrycznych obmurzy, – prawid owo ci po o enia ca ego obmurza, jak i istotnych jego elementów

w stosunku do okre lonych osi lub reperów, – poziomowo ci warstw, pionowo cian, prawid owo ci nachylenia elementów

nie pionowych, – nierówno ci powierzchni roboczej wy o enia, – prawid owo ci wi zania kszta tek (sta o tzw. w tku spoin), – prawid owo ci dylatowania i rozmieszczenia szczelin dylatacyjnych, – zgodno grubo ci spoin i stopie wype nienia ich zapraw , – zgodno ci u ytych materia ów i formatów z dokumentacj wy o enia.

Odbiór ko cowy przeprowadzany jest komisyjnie przy uwzgl dnieniu odbiorów cz ciowych.

�������

375

14. 6. Suszenie i rozgrzewanie obmurzy do temperatury pracy

Wymurówki wszystkich pieców, zarówno nowo wybudowanych, remontowanych, jak i pieców po d u szym przestoju, przed wprowadzeniem do normalnej eksploatacji musz by wcze niej poddane procesowi obróbki cieplnej, maj cej na celu ich wysuszenie oraz nagrzanie do temperatury eksploatacyjnej. Przebieg i czas trwania tych operacji b dzie zale a od zakresu wcze niejszych prac budowlanych i oczywi cie od rodzaju materia u wymurowania.

Naturaln d no ci u ytkowników pieców jest maksymalne skracanie tych operacji dla szybkiego wprowadzenia ich do eksploatacji. Dzia ania takie s celowe i mo liwe, ale tylko w okre lonych granicach.

Wilgo w obmurzach pochodzi g ównie z wody dodawanej do zapraw oraz w niewielkim stopniu z wilgotno ci w asnej wyrobów (poni ej ,0%). Pomin nale y tu oczywi cie zawilgocenie materia ów innymi drogami, które jest nieprawid owo ci .

Do zapraw, dla uzyskania odpowiedniej ich konsystencji, wprowadza si do 30% wody. Cz z niej ulegnie odparowaniu z obmurza, zw aszcza gdy prace budowlane prowadzone s d ugo. Jednak przewa aj ca jej ilo pozostanie w obmurzu, wch oni ta przez wyroby, oraz w samych spoinach.

Wilgo ta musi by usuni ta z obmurza przed w a ciw eksploatacj pieca, a nawet jeszcze przed rozpocz ciem jego nagrzewania do temperatury eksploatacyjnej. Nagrzewanie wilgotnych obmurzy mo e doprowadzi do ich uszkodze , których zewn trznymi objawami s rysy i p kni cia. Powodem ich powstawania s zbyt szybkie kurczenie si zaprawy i towarzysz ce mu osiadanie obmurza oraz nadmierny wzrost ci nienia pary wodnej w porach materia u obmurza.

Suszenie wilgotnych obmurzy, podobnie jak i suszenie wyrobów ceramicznych, prowadzone musi by tak, aby szybko ci dyfuzji wilgoci z wn trza obmurza i szybko ci jej parowania z jego powierzchni, by y do siebie zbli one. W przeciwnym przypadku mo e doj albo do nadmiernego wzrostu ci nienia pary wodnej w porach, albo do wykraplania si wody na powierzchni obmurza. Obie sytuacje sprzyjaj szybszemu zu ywaniu obmurzy.

Ze wzgl du na zwykle znaczne mi szo ci obmurzy, a wi c i utrudnion i czasoch onn dyfuzj wilgoci z ich wn trza, okres suszenia musi by odpowiednio d ugi. Przy suszeniu obmurzy, jak to ju wcze niej wspominano przy omawianiu rozruchu niektórych pieców, obowi zuje generalna zasada: ma y ogie – du y ci g. Warunki te zapewniaj stopniowe i równomierne wysuszenie ca ego obmurza. Zewn trzn oznak zako czenia etapu suszenia jest zaprzestanie unoszenia si bia ych dymów z komina.

Suszenie wymurówek pieców, w których przeprowadzano tylko cz ciow wymian wy o enia lub pieców po przestoju, mo e by ze zrozumia ych wzgl dów znacznie krótsze.

�������

376

W drugim etapie rozruchu nast puje nagrzanie wysuszonej ju wymurówki do temperatury pracy. Równie i tu szybko nagrzewania ograniczona jest szeregiem czynników, z których najwa niejsze to:

– rodzaj zastosowanych materia ów ogniotrwa ych, – grubo obmurza, – rodzaj i wielko pieca.

Podgrzewanie obmurzy do temperatury pracy nale y prowadzi tak, aby nie dopu ci do zjawiska wstrz su cieplnego (ograniczona odporno wyrobów na nag e zmiany temperatury) ani do nadmiernego gradientu temperatury, prowadz cych do sp ka wymurówki.

Przy zbyt szybkim nagrzewaniu (zwykle jednostronnym) przypowierzchniowe warstwy wymurówki nagrzewaj si silniej i silniej si te rozszerzaj ni warstwy wewn trzne. W warstwach tych, wskutek wzajemnego oddzia ywania kszta tek na siebie, powstaj lokalnie wysokie napr enia, prowadz ce do sp ka i uszczenia. Napr enia powstaj ce w wymurówkach i ich skutki s tym mniejsze, im powolniejszy i bardziej równomierny jest przyrost ich temperatury przy rozgrzewaniu. Ograniczenia w szybko ci nagrzewania powoduj te procesy spiekania zachodz ce w wymurówkach z wyrobów niewypalanych oraz mas i betonów ogniotrwa ych.

Ogólnie, obmurza z tworzyw o du ej rozszerzalno ci cieplnej, np. z wyrobów zasadowych, nale y rozgrzewa wolniej. Wolno i równomiernie nale y te rozgrzewa obmurza grube i obmurza o du ej obj to ci przestrzeni roboczej (trudno jest je równomiernie nagrza – mo liwo powstawania sp ka na granicy rejonów o ró nej temperaturze).

Szczególne warunki w zakresie rozgrzewania narzucaj obmurza zbudowane z wyrobów krzemionkowych, w których, w okre lonych przedzia ach temperaturowych, zachodz przemiany polimorficzne SiO2. Towarzysz ce im zmiany obj to ci mog doprowadzi do uszkodze wymurówki. W zakresach tych temperatur nale y zmniejszy szybko wzrostu temperatury lub nawet zatrzyma na pewien czas jej wzrost, aby umo liwi w bezpieczny sposób zaj cie tych przemian.

Suszenie i rozgrzewanie pieców odbywa si mo e przy ró nych sposobach dostarczania ciep a: spalanie stosu drewna u o onego wewn trz pieca, spalanie paliwa w pomocniczych paleniskach zewn trznych, spalanie gazu doprowadzonego do palników wieczkowych lub grzebieniowych, wprowadzanych do wn trza pieca. Ilo spalanego paliwa reguluje si tak, aby uzyska za o ony post p temperatury we wn trzu pieca i jego wymurówki. Niekiedy dla kontroli przebiegu suszenia i nagrzewania montuje si w piecu specjalne, dodatkowe czujniki temperatury. Po osi gni ciu przez obmurze temperatury oko o 700°C, dopuszczalne jest stopniowe w czanie w a ciwych palników piecowych.

�������

377

Metody ustalania w a ciwych szybko ci suszenia i rozgrzewania obmurzy nie s jeszcze dostatecznie opracowane. Najcz ciej korzysta si z do wiadcze eksploatacyjnych pieców o zbli onej konstrukcji.

Przyk adowe szybko ci rozgrzewania pieców wypa owych z wymurówk szamotow przedstawiono w tablicy 4. 7, a dla pieców obrotowych i szklarskich wcze niej, na rysunkach 7. 29 i 8. 22–8. 23. Praktyczne szybko ci nagrzewania mog si od nich ró ni , w zale no ci od indywidualnych do wiadcze lub zalece producenta materia ów ogniotrwa ych.

Tablica 14.7. Szybko ci nagrzewania pieców z wymurówk szamotow .

Przybli one

wymiary powierzchni trzonu

Wzrost temperatury w °C/godz. w zakresie temperatur w °C

Przybli ony czas nagrzewania w

zakresie temperatur,°C

pieca, m2 20 ÷ 50 50 ÷ 300 300 ÷ 700 ponad 700 20 ÷ 200 4 8 8 35 80 40 5 6 2 22 30 56

35 4 9 5 0 80 60 3 7 2 80 02

Bezpiecze stwo pracy oraz wzgl dy techniczno-ekonomiczne wymagaj , aby

czynno ci zwi zane z rozruchem pieców by y okre lone przepisami, które powinny by zawarte w instrukcji rozruchu i eksploatacji danego pieca. Dla unikni cia b dów i pomy ek, które mog yby spowodowa zagro enia wypadkowe lub awarie urz dze , instrukcja rozruchu powinna dok adnie i jednoznacznie okre la sposób i kolejno przeprowadzania wszelkich czynno ci rozruchowych, przy czym powinna wyczerpuj co okre la wszystkie przypadki, jakie podczas rozruchu i eksploatacji mog wyst pi . Z tego wzgl du instrukcje rozruchu opracowuje si indywidualnie dla ka dego pieca. Instrukcja taka powinna mi dzy innymi okre la czynno ci:

– kontroli stanu pieca przed uruchomieniem, – odpowietrzania i odgazowania przewodów, – zapalania, suszenia i rozgrzewania, – obs ugi pieca podczas jego normalnej eksploatacji, – obs ugi wymienników ciep a, – post powania w przypadku przerw w dop ywie paliwa, energii elektrycznej

lub awarii osprz tu, – gaszenia i unieruchamiania pieca, – bie cej konserwacji i dozoru urz dze piecowych.

Nieodzown cz ci instrukcji rozruchu i eksploatacji jest schemat instalacji piecowej.