constructia metalica a agregatelor termice

Generalitati

Agregatele termice a caror spatiu de lucru este delimitat in general de materiale ceramice refractare si termoizolatoare, sunt incluse intr-o constructie metalica de o anumita configuratie si componenta, ce poate indeplini unul sau mai multe din urmatoarele roluri:

rol de etansare - agregatele termice care contin faze gazoase sub presiune (furnale, caupere, cuptoare de tratament termic cu gaz de protectie, conducte de aer cald, preincalzitoare etc.) sunt incluse intr-o carcasa metalica etansa pentru a reduce pierderile de fluid. De asemenea, toate agregatele termice in prezent se realizeaza etanse pentru a interzice circulatia fazei gazoase din interior prin zidarie, spre exterior, pentru a reduce temperatura la suprafata exterioara si a diminua pierderile de caldura;

rol de stabilitate a zidariei - materiale refractare si termoizolatoare care compun zidaria, in procesul incalzirii si racirii se dilata, respectiv se contracta. Daca nu ar exista reactiunea constructiei metalice, rosturile dintre caramizi s-ar deschide si ar permite fazei gazoase din interior sa paraseasca spatiul de lucru cu efecte defavorabile atat asupra stabilitatii mecanice a zidariei cat si asupra randamentului termic;

rol de sustinere - pe constructia metalica se monteaza diferite elemente ale agregatului termic (usi, rame de usi, orificii, arzatoare-injectoare, mecanisme etc.) sau ale zidariei acestuia (ancorele peretilor din fibra ceramica, ale peretilor inalti din caramida sau a celor executati din beton, masa stampata, grinzile de sustinere ale boltilor in arc sau plane etc.).

Elementele componente ale constructiei metalice

În functie de configuratia, particularitatile si solutiile constructive adoptate pentru realizarea zidariei, constructia metalica a agregatelor termice se compune din mai multe elemente care au rolul de a prelua actiunile fortelor si eforturilor generate de zidarie.

Astfel, avem urmatoarele elemente principale: blindaj, stalpi, grinzi, elemente de legatura intre stalpi, elemente de vatra, rame, usi.

Blindaj

Este elementul constructiei metalice care vine in contact direct cu zidaria agregatului termic. Dupa rolul pe care-l indeplineste, blindajul poate fi:

autoportant - preia toate actiunile, fara sa existe o structura compusa din stalpi si grinzi pentru consolidare. În general se compune din corpuri de rotatie (cilindru, con, trunchi de con, sfera, calota sferica etc.) marginite de suprafete plane, circulare sau inelare. Pentru rigidizare se folosesc flanse, nervuri si brauri. Acest tip de blindaj se intalneste la caupere, conducte, cuptoare electrice cu arc, cubilouri, convertizoare, cicloane, saci de praf, scrubere etc. Se realizeaza din tabla roluita, imbinata prin sudura, tevi sudate pe generatoare sau elicoidal;

obisnuit - are rolul de a asigura etansarea spatiului de lucru si din grinzi care preiau toate eforturile si stabilitatea zidariei. Colturile, marginile si orificiile se rigidizeaza prin nervuri din tabla sau cornier, pentru a evita deformarea blindajului sub actiunea temperaturii. Blindajele obisnuite se utilizeaza la cuptoarele tip camera si cele cu actiune continua (propulsie, cu role, cu vatra pasitoare, cu vagoneti, cu vatra rotativa etc.).

Fixarea blindajului, ca si a intregii constructii metalice se face pe fundatie in doua feluri:

rigid - in cazul agregatelor de dimensiuni mici blindajul se sprijina pe un pat rigid din profile fixat prin suruburi pe fundatia de beton;

mobil - in cazul agregatelor de dimensiuni mari, unde dilatarea termica are valori mari, suportul este fixat la unul din capete pe axa longitudinala si se sprijina pe grinzi longitudinale incadrate in betonul fundatiei.

Stalpi

Se amplaseaza pe lungimea cuptorului si au rolul de a prelua eforturile transmise de la zidarie, de la utilaje si instalatii auxiliare care se monteaza pe agregatul termic. Se realizeaza fie din profile I sau U, fie din constructii sudate din profile U in general, legate cu placi din tabla pentru na permite asamblarea cu tirantii fara perforare(anexa 45).

În cazul in care se monteaza la usile de descarcare a metalului incalzit la peste 1000⁰C stalpii se asambleazaa prin suruburi.

La cuptoarele fixate rigid pe fundatie stalpii se sprijina la partea inferioara pe o tabla fixata pe suruburi de fundatie, iar la partea superioara sunt legati de stalpii de pe partea opusa prin elemente de legatura (tiranti sau grinzi). În cazul cuptoarelor cu fixare elastica, stalpii la partea inferioara sunt fixati cu suruburi de partea vetrei si se deplaseaza impreuna cu acesta.

Numarul de stalpi la partea frontala a cuptorului este de cate 2 la fiecare extremitate a acestuia, iar la partea laterala se stabileste tinand seama de pozitia si numarul arzatoarelor, usilor de incarcare, orificiilor de vizitare. Numarul de stalpi se stabileste astfel incat:

distanta dintre doi stalpi, pasul l, sa fie un multiplu de caramizi (tabela 5.1) si sa aiba valoarea 1 = 700 ÷ 1500 mm;

stalpii externi sa se gaseasca plasati in proiectia zidurilor transversale si sa aiba valorile din tabela 5.2.

calculul se face conform schemei din figura 5.1, de unde:

in care :

L - lungimea totala a spatiului de lucru, in [m];

δ - grosimea zidariei (refractar si izolator), in [m];

δ' - grosimea blindajului conform tab. 5,3, in [m];

n - numarul de stalpi.

Valoarea produsului L₁ la zidarie cu rost de 2mm

Valoarea distantei L₁ in functie de constructia stalpilor

Grinzi

Grinzile, in functie de constructia boltii cuptorului, pot indeplini urmatoarele roluri:

grinzi de sprijin, la boltile in arc sau arc multiplu (fig. 5.2);

grinzi de sustinere la boltile plane, figura 5.3 sau in cazul boltilor in arc multiplu pentru sustinerea grinzilor intermediare de sprijin (fig. 5.2.g);

grinzi de legatura, in cazul boltilor in arc sau plan pentru legarea stalpilor in locul tirantilor (fig. 5.2. g sau fig. 5.3).

Elemente de legatura intre stalpi (tiranti, grinzi de legatura)

În cazul boltilor in arc reglarea tensiunii din bolta se poate realiza prin reglarea deschiderii stalpilor laterali (fig. 5.2.a.), prin intermediul unei bare filetate la capete (tiranti); in unele cazuri la extremitati se prevad si elemente elastice. Cu ajutorul piulitelor se poate regla tensiunea din bolta pentru a mentine rosturile si forma zidariei boltii la valorile optime.

În prezent, din cauza greutatilor in exploatare si a slabei eficacitati, mai ales la boltile realizate din materiale refractare de calitate superioara cu coeficienti de dilatare si contractie foarte scazuti sau nuli, s-a ajuns la inlocuirea tirantilor cu grinzi de legatura sudate sau fixate prin suruburi de stalpi.

Tirantii se executa din bare de otel rotund la dimensiunea filetelor metrice standardizate pentru a se utiliza piulite uzuale.

Elemente vatra

La cuptoarele cu propulsie si cu vatra pasitoare, elementele vetrei fac parte din constructia metalica.

În cazul cuptoarelor cu propulsie in zonele de incalzire bilaterala vatra este realizata din grinzi racite cu apa, executate din tevi izolate cu materiale refractare. Aceeasi solutie se aplica si la cuptoarele cu vatra pasitoare cu incalzire bilaterala.

Rame, usi

Se realizeaza in constructie sudata la agregatele termice cu temperaturi scazute sau in cazul racirii cu apa. La temperaturi ridicate se folosesc constructii turnate din fonta sau otel.

Fortele care actioneaza asupra constructiei metalice

Asupra constructiei metalice pot actiona urmatoarele forte:

presiunea interioara datorata fazei gazoase sau lichide din spatiul de lucru. Aceasta forta actioneaza asupra blindajului autoportant la preincalzitoare de aer (caupere) pentru furnale, conducte, convertizoare etc., fiind uniform distribuita pe toata suprafata;

forta datorata dilatarii zidariei. Aceasta forta are valori foarte mari, mai ales la zidarii care lucreaza la temperaturi inalte. Pentru a contracara aceste forte, constructia metalica ar deveni exagerat de mare si scumpa, dar fortele care s-ar transmite zidariei ar depasi eforturile unitare admisibile in materialul refractar. Din aceasta cauza zidaria se proiecteaza astfel incat dilatarea sa fie preluata de rosturi de dilatare corespunzator dimensionate si amplasate;

forta datorata greutatii boltii in arc; dilatarea zidariei este preluata de rosturile dintre caramizi si de deformarea arcului de bolta.

Constructia metalica a cuptoarelor cu bolta in arc

Cuptoarele cu bolta in arc sunt cele mai raspandite tipuri de cuptoare din industrie si sunt prevazute la exterior cu armatura metalica, al carui rol principal este de a contracara efectul fortei de impingere laterala a boltii F_c. În functie de modul de realizare a boltii cuptoarelor, exista doua tipuri constructive de armaturi metalice.

Armatura metalica pentru bolti in arc longitudinale

În functie de intensitatea solicitarii termice aceste armaturi se construiesc, la randul lor, dupa doua variante

Armatura metalica extensibila

Aceasta solutie constructiva se adopta in special la cuptoarele cu regim de temperaturi ridicat, la care se adopta de regula si masura racirii vetrelor. Denumirea se justifica prin faptul ca franarea dilatarii termice este evitata atat prin rosturi de dilatare cat si prin marirea deschiderii armaturii pe masura incalzirii zidariei. Elemente componente (fig 3.39)

a.      Mantaua metalica sau blindajul cuptorului are rolul de a preveni interactiunea intre zidarie si mediul inconjurator si de sprijinire sau fixare pentru diverse instalatii auxiliare ale agregatului. Se confectioneaza din tabla de otel, la grosimi recomandate in functie de capacitatea cuptorului. Este prevazuta cu orificii pentru eliminarea umiditatii zidariei la uscarea acesteia.

b.     Grinda longitudinala, confectionata in majoritatea cazurilor din profil "U" are rolul de a prelua efortul dat de sarcina uniform distribuita, F_OC , [N/m]. Fiind sprijinita in punctele N si M (aflate la distanta intre doi stalpi, l = 1,1 - 1,4 m), ea este solicitata la incovoiere de un moment M_i·max, pe baza caruia se stabileste modulul de rezistenta W_nec utilizat la alegerea profilului.

c.      Stalpii, sau montantii dispusi pe lungimea cuptorului la distante l constituie puncte de reazem pentru grindina longitudinala. Ei sunt solicitati la incovoiere de un moment M_i.max, dat in punctul de reazem al grinzii de o forta concentrata F_C = F_OC ·1

Relatiile utilizate sunt:

in care:

R₁, R₂ sunt rectiunile in punctele fixare a tirantilor

F_c - forta concentrata de impingere laterala a boltii la cald

a - distanta de la tirantul superior la punctul de aplicatie al fortei concentrate F (centrul caramizii de reazem; ), in [m]

b - distanta de la tirantul inferior la punctul de aplicatie al fortei concentrate F (centrul caramizii de reazem; ), in [m]

d - distanta de la punctul de aplicatie al fortei concentrate F la linia inferioara a boltii unde se sprijina pe caramida de reazem (),in [m]

d.     Tirantii au rolul de a consolida stalpii. Sunt confectionati din otel rotund. Sunt filetati la capete si asamblati cu ajutorul piulitelor de strangere. Fiind solicitati la tractiune, se dimensioneaza pe baza relatiilor:

Armatura metalica rigida

La partea de sus tirantul superior tirantul superior se confectioneaza di profile "U" sau "I" si se asambleaza pe stalpi prin sudare (fig. 3)

La partea de jos, vatra fiind asezata direct pe fundatie lipseste tirantul inferior; consolidarea stalpilor se face prin incastrarea lor in fundatie.

Armatura metalica pentru cuptoare cu bolti transversale

În unele situatii se apeleaza la constructia de boltite transversale cu deschidere D_b = 1,1 ÷ 1,4 m. În acest caz armatura metalica sufera unele modificari (Fig. 3.).

Grinda de capat: rezemata pe stalpii de capat este solicitata la incovoiere de forta de desfacere calculata pentru distanta dintre stalpii de capat.

Grinda intermediara este solicitata la incovoiere in plan vertical de o forta egala cu suma dintre greutatea unei boltite si greutatea caramizilor de reazem.

Stalpul intermediar este suport exterior pentru grinda intermediara