Rivestimenti per Forni

Le prestazioni del forno dipendono dall’intero rivestimento

Il rivestimento di un forno è un sistema coordinato composto da strato a contatto con il calore, isolamento secondario, giunti, ancoraggi o supporti, aperture, tenute e mantello esterno. Ogni strato svolge una funzione diversa. Il refrattario denso resiste ai carichi, all’abrasione e agli attacchi chimici localizzati, ma aumenta il calore accumulato. Mattoni leggeri, calcestruzzi refrattari isolanti e fibre riducono le dispersioni termiche e la massa termica, ma devono essere protetti nei punti in cui i manufatti, gli arredi del forno, i gas di combustione o la movimentazione meccanica possono danneggiarli.

La progettazione deve partire dal processo di cottura, non dalla sola temperatura nominale di un prodotto. Occorre registrare la fonte di calore, le temperature massime e continue, le velocità di riscaldamento e raffreddamento, l’atmosfera ossidante, riducente o di altro tipo, i vapori rilasciati dai manufatti, la disposizione dei bruciatori o degli elementi riscaldanti, la velocità dei gas, il regime di pressione e l’accessibilità per la manutenzione. Un forno da laboratorio per ceramica, un forno industriale a navetta e un forno a tunnel a funzionamento continuo non possono essere dimensionati sulla base degli stessi presupposti.

Funzioni del rivestimento di un forno

Strati a contatto con il calore in mattoni densi e refrattari monolitici

I refrattari densi sono indicati per suole dei forni, piani dei carrelli, blocchi bruciatore, bordi di carico e altre aree in cui sono necessarie resistenza meccanica o resistenza all’usura. Non sono materiali isolanti soltanto perché tollerano temperature elevate. La loro massa termica può essere vantaggiosa in un processo continuo stabile, ma può aumentare il consumo di combustibile o di energia elettrica nei frequenti cicli di cottura discontinua.

Il contenuto di allumina dei mattoni e la composizione chimica del calcestruzzo refrattario devono essere compatibili con l’atmosfera di cottura, i vapori condensabili, gli alcali, i componenti degli smalti e gli arredi del forno. La sola resistenza alla temperatura non dimostra la resistenza a uno specifico contaminante. È necessario prevedere una tessitura muraria verificata, un sistema di supporto, uno spazio adeguato per la dilatazione e una strategia di riparazione; la malta non deve essere utilizzata per correggere geometrie instabili o cedimenti della carpenteria metallica strutturale.

Mattoni refrattari isolanti e calcestruzzi refrattari leggeri

I mattoni isolanti porosi riducono la massa termica e normalmente consentono riscaldamento e raffreddamento più rapidi rispetto ai mattoni densi. Sono tuttavia più sensibili agli urti, all’abrasione e alla penetrazione di liquidi o vapori condensati. Sulle superfici di carico più esposte occorre utilizzare un materiale denso o sacrificale e proteggere i bordi attorno a porte, spioncini, bruciatori e carrelli del forno.

Per il calcestruzzo refrattario isolante è dichiarata una conducibilità termica di 0,4 W/mK, ma la pagina pubblica non indica la temperatura di prova. Un unico valore di conducibilità non è sufficiente per calcolare completamente le dispersioni termiche. Occorre ottenere i dati relativi a densità installata, conducibilità nell’intervallo operativo, variazione lineare permanente e proprietà meccaniche, quindi calcolare la parete multistrato e verificare la temperatura del mantello durante la messa in servizio.

Moduli, materassini e pannelli in fibra

Un modulo in fibra non può essere specificato in base alla sola temperatura. Le pagine pubbliche dei moduli non indicano dimensioni, densità, orientamento della fibra piegata, compressione dopo l’installazione, materiale e temperatura degli ancoraggi, interasse dei fissaggi, ritiro o conducibilità termica. Prima di utilizzare i moduli nella volta di un forno, in un forno a tunnel o in una zona di combustione ad alta velocità è necessario ottenere uno schema di posa progettato.

Materassini e pannelli richiedono un supporto sicuro e una protezione dai manufatti, dagli arredi del forno, dagli utensili di pulizia e dai flussi di gas dannosi. I giunti devono essere sfalsati e le discontinuità devono essere controllate in corrispondenza di attraversamenti, porte e raccordi. È necessario considerare il ritiro permanente alla temperatura di esercizio: un giunto aperto può creare un percorso diretto del calore verso il mantello anche quando lo spessore nominale dell’isolamento è adeguato.

Prima di tagliare, installare o rimuovere la fibra, consultare la scheda di dati di sicurezza aggiornata dello specifico grado. Il lavoro deve essere organizzato in modo da ridurre al minimo il materiale aerodisperso, prevedere un’aspirazione efficace e utilizzare metodi di pulizia controllati. La composizione chimica e la classificazione del prodotto sono importanti: la definizione commerciale di biosolubile non significa che si possano omettere il controllo delle polveri o i dispositivi di protezione individuale.

Malte e adesivi per fibre ceramiche

La malta deve essere scelta in base alla composizione chimica del mattone, allo spessore del giunto, alla temperatura di esercizio, all’atmosfera e ai movimenti, non soltanto in base alla temperatura massima dichiarata. Vitset 80 è destinata principalmente ad applicazioni metallurgiche ad alto tenore di allumina e a contatto con scorie; non è automaticamente la malta preferibile per ogni forno ceramico. Silcas M è indicata per mattoni isolanti leggeri bianchi, mentre Silcas A è destinata a mattoni densi ed elementi prefabbricati compatibili.

La malta a presa all’aria deve asciugarsi prima dell’applicazione del calore e non deve riempire un giunto di dilatazione progettato. L’adesivo per fibre è un materiale per incollaggi localizzati, non un sostituto universale degli ancoraggi meccanici. Attualmente il catalogo CFA presenta un’incongruenza tra i 1260 °C indicati negli attributi e i 1400 °C riportati nella descrizione; utilizzare il valore pubblicato più basso finché una documentazione tecnica controllata non chiarirà la differenza.

Rigidizzanti e rivestimenti allo zirconio

Il rigidizzante indurisce soltanto la superficie della fibra; non trasforma il materassino in un refrattario portante e non consente alla superficie trattata di superare i 1000 °C. I rivestimenti allo zirconio richiedono un supporto integro e compatibile. La loro temperatura nominale più elevata non aumenta la temperatura d’impiego dei mattoni, dei calcestruzzi refrattari, delle fibre, degli adesivi o degli ancoraggi sottostanti.

Per il rivestimento in polvere sono indicati 300 ml di acqua per chilogrammo e l’applicazione su una superficie refrattaria tiepida, mentre la versione premiscelata è fornita pronta all’uso. Occorre verificare temperatura della superficie, diluizione, spessore, essiccazione, prima accensione e limiti di contaminazione. Un rivestimento utilizzato all’interno di un forno ceramico deve inoltre essere compatibile con i manufatti, i vapori degli smalti, l’atmosfera e gli elementi riscaldanti; una generica resistenza ad alluminio, vetro o scorie non ne dimostra l’idoneità per qualsiasi processo di cottura.

Forni intermittenti e continui

• Forni intermittenti, discontinui e a navetta: una bassa massa termica può ridurre i tempi di riscaldamento e raffreddamento, ma i cicli ripetuti rendono importanti il ritiro, il movimento dei giunti e il comportamento agli shock termici.
• Forni a tunnel e continui: le dispersioni termiche costanti, la stabilità dimensionale nel lungo periodo, i supporti, l’atmosfera e l’accessibilità per la manutenzione sono spesso più importanti del raffreddamento rapido.
• Forni elettrici: mantenere elementi riscaldanti e terminali lontani da contaminanti conduttivi e rivestimenti incompatibili. Preservare le scanalature degli elementi, le distanze di sicurezza elettriche e la ventilazione specificata dal produttore.
• Forni a combustibile: proteggere i rivestimenti più vulnerabili dalla fiamma diretta e dall’elevata velocità dei gas. Blocchi bruciatore, regolazione aria-combustibile, scarico ed equilibrio della pressione devono essere progettati come parti integranti del sistema di combustione.
• Carrelli e suole dei forni: calcolare il carico, i ponti termici, l’esposizione di ruote e carpenteria metallica, la geometria delle tenute e l’abrasione dovuta alle operazioni di carico, senza applicare i criteri previsti per l’isolamento delle pareti.

Installazione, essiccazione e ispezione

Prima di sostituire il rivestimento, isolare le fonti di energia elettrica, a gas, idraulica e meccanica; raffreddare, ventilare e collaudare l’impianto secondo le procedure del sito. Ispezionare mantello, telaio, supporti della volta, ancoraggi, bruciatori, elementi riscaldanti, terminali, condotti, carrelli e tenute. Verificare se un forno di grandi dimensioni rientra nella definizione di spazio confinato e, ove applicabile, predisporre un piano sicuro di accesso e soccorso.

Dosare con precisione l’acqua del calcestruzzo refrattario, miscelare entro il tempo di lavorabilità del prodotto e compattare evitando la segregazione. Far maturare i materiali monolitici e lasciare asciugare malte e adesivi secondo le istruzioni. Un rivestimento apparentemente asciutto può trattenere acqua sotto la superficie. Applicare un ciclo controllato di prima accensione, definito in base a materiale, spessore, geometria e volume totale installato; un riscaldamento troppo rapido può pressurizzare l’umidità residua e provocare crepe o il distacco violento del refrattario.

Durante la messa in servizio, misurare temperature rappresentative sullo strato a contatto con il calore, sulle interfacce e sul mantello. Controllare eventuali impatti diretti della fiamma, contatti con gli elementi, punti caldi anomali, giunti aperti, fibre allentate, perdita del rivestimento e movimenti attorno a porte, aperture dei bruciatori e spioncini. Per un forno di produzione, registrare il consumo di combustibile o energia elettrica, la curva di cottura, la pressione, la qualità del prodotto e la temperatura del mantello, così da stabilire un riferimento per la manutenzione.

Ispezionare il forno dopo il primo ciclo e a intervalli programmati. Variazioni dei tempi di cottura, dell’uniformità della temperatura, del consumo energetico, della temperatura del mantello, della contaminazione del prodotto o dell’atmosfera possono indicare un deterioramento del rivestimento prima che il guasto diventi visibile. Riparare la causa dell’erosione, delle crepe o dei movimenti anziché coprirla con un rivestimento o una malta incompatibili.

Domande frequenti

Quali strati vengono normalmente utilizzati nel rivestimento di un forno?

Un rivestimento può comprendere uno strato denso o a bassa massa termica a contatto con il calore, uno o più strati isolanti secondari, giunti compatibili, ancoraggi o supporti e un mantello esterno. La configurazione necessaria dipende dalla temperatura di processo, dall’atmosfera, dal carico, dal ciclo e dalla temperatura obiettivo del mantello.

Qual è la differenza tra mattoni refrattari densi e isolanti?

I mattoni refrattari densi offrono maggiore resistenza meccanica e all’usura, ma accumulano più calore. I mattoni refrattari isolanti sono porosi e riducono la massa termica e il flusso di calore, ma sono più vulnerabili agli urti, all’abrasione e alla penetrazione di sostanze chimiche.

Un forno a tunnel richiede lo stesso rivestimento di un forno intermittente?

Non necessariamente. Un forno a tunnel funziona in modo continuo e richiede maggiore attenzione alle dispersioni termiche costanti, alla stabilità nel lungo periodo e ai supporti. Un forno intermittente si riscalda e si raffredda ripetutamente, quindi la bassa massa termica, i movimenti e il comportamento durante i cicli hanno un’influenza maggiore.

Come si sceglie la classe di temperatura del rivestimento di un forno?

Individuare la temperatura massima del materiale, l’esposizione locale alla fiamma o agli elementi riscaldanti, l’atmosfera e il ciclo, quindi verificare la temperatura raccomandata per l’impiego continuo, il ritiro e un adeguato margine di progettazione. Una classificazione o una temperatura massima nominale non equivale a un impiego continuo senza limitazioni.

Quale grado di mattone refrattario isolante è adatto?

Il catalogo indica il grado 23 a 1260 °C, il grado 26 a 1430 °C, il grado 28 a 1530 °C e il grado 30 a 1650 °C. La scelta deve basarsi sull’esposizione effettiva, sulla conducibilità, sul ritiro, sul carico, sull’atmosfera e sulla durata richiesta, anziché specificare automaticamente il numero più alto.

Il calcestruzzo refrattario isolante 1300 può essere utilizzato come strato a contatto con il calore?

Solo quando resistenza meccanica, resistenza all’abrasione, composizione chimica e dati applicativi pubblicati sono adeguati all’impiego. La sua funzione principale è l’isolamento leggero o secondario. Utilizzare uno strato denso compatibile a contatto con il calore quando i manufatti, gli arredi del forno, il flusso dei gas o i carichi meccanici potrebbero danneggiarlo.

Quando è opportuno utilizzare moduli in fibra ceramica anziché materassini?

I moduli possono formare un rivestimento precompresso a bassa massa termica con un sistema di fissaggio integrato. Il materassino è flessibile ed è utile per isolamento multistrato, giunti e riparazioni. È necessario specificare densità, compressione, orientamento, ancoraggi e disposizione dei moduli; la sola temperatura nominale non è sufficiente.

Il materassino in fibra ceramica può rimanere esposto all’interno di un forno?

Solo come parte di un rivestimento progettato, dopo aver valutato velocità dei gas, ritiro, fissaggio e rischi di contaminazione. Deve essere protetto dai danni meccanici e, durante l’installazione e la rimozione, occorre utilizzare la scheda di dati di sicurezza aggiornata e adeguate misure di protezione sul lavoro.

Quale malta deve essere utilizzata per i mattoni di un forno?

La malta deve essere compatibile con mattoni densi o isolanti, spessore del giunto, temperatura, composizione chimica e atmosfera. Silcas A è destinata ai mattoni densi compatibili, Silcas M ai mattoni leggeri e i prodotti Vitset ai sistemi refrattari per temperature superiori, entro i rispettivi campi d’impiego documentati.

Vitset 80 è la malta migliore perché ha la temperatura nominale più elevata?

No. Vitset 80 è una malta specializzata ad alto tenore di allumina destinata anche ad applicazioni metallurgiche. Una malta con temperatura nominale inferiore può essere la scelta corretta per uno specifico mattone e una determinata temperatura di esercizio. La compatibilità e il comportamento del giunto sono più importanti della scelta del numero più alto.

Un rivestimento allo zirconio può riparare il rivestimento crepato di un forno?

Può trattare una superficie integra e compatibile, ma non può ripristinare lo spessore mancante, ancoraggi guasti, murature instabili o crepe strutturali. Prima di applicare un rivestimento sottile, individuare e riparare il difetto sottostante.

Qual è la differenza tra un rivestimento allo zirconio in polvere e uno pronto all’uso?

La versione in polvere viene miscelata con 300 ml di acqua per chilogrammo ed è indicata per l’applicazione su una superficie refrattaria tiepida. La versione premiscelata viene fornita come rivestimento liquido. Verificare resa, diluizione, spessore dello strato, essiccazione e istruzioni per la prima accensione della variante scelta.

Il rigidizzante per fibre ceramiche sostituisce un rivestimento refrattario?

No. Il rigidizzante forma uno strato superficiale indurito di profondità limitata e, nella documentazione attuale, è limitato a 1000 °C. Non offre lo spessore, la resistenza meccanica o la composizione per temperature superiori di uno strato refrattario a contatto con il calore scelto appositamente.

Perché l’essiccazione controllata è essenziale per il calcestruzzo refrattario del forno?

Dopo la maturazione, l’acqua d’impasto rimane all’interno del calcestruzzo refrattario. Un riscaldamento rapido può generare vapore più velocemente di quanto riesca a fuoriuscire, causando crepe o distacchi. Il ciclo deve tenere conto del prodotto, dello spessore, della geometria, del volume e del metodo di riscaldamento.

Perché si formano fessure nel rivestimento in fibra di un forno?

Le possibili cause includono compressione insufficiente durante l’installazione, ritiro permanente della fibra, disposizione inadeguata dei giunti, cedimento degli ancoraggi, movimenti termici o sollecitazioni meccaniche. Occorre riparare il sistema di fissaggio e correggere la progettazione dei giunti, anziché riempire ogni fessura con una malta rigida non correlata.

È possibile utilizzare lo stesso rivestimento nei forni elettrici e in quelli a gas?

Non automaticamente. I forni elettrici richiedono compatibilità con elementi riscaldanti, scanalature, terminali e distanze di sicurezza elettriche. Nei forni a gas occorre considerare velocità della fiamma, atmosfera di combustione, blocchi bruciatore e pressione di scarico. Il progetto termico e meccanico deve tenere conto della fonte di calore.

Come si controlla la polvere durante la sostituzione del rivestimento di un forno?

Utilizzare le schede di dati di sicurezza aggiornate e una valutazione COSHH specifica per l’attività. Privilegiare metodi di rimozione e taglio a basse emissioni, sistemi di aspirazione adeguati e procedure di pulizia controllate; scegliere protezioni respiratorie e cutanee idonee per l’esposizione residua.

Quali informazioni servono per specificare il rivestimento di un forno?

Fornire tipo di forno, settore e processo, fonte di calore, dimensioni della camera, funzionamento continuo o ciclico, curva di cottura, temperature massime e normali, atmosfera, manufatti e relativi vapori, carico, velocità dei gas, struttura esistente, modalità dei guasti, temperatura obiettivo del mantello, spessore disponibile e vincoli di manutenzione.