Unirol: Ceramika REFRABOX

System ochronnego wyłożenia ogniotrwałego komory spalania wkładu kominkowego

Powstanie systemu REFRABOX jest rezultatem przeprowadzonych przez firmę Unirol poszukiwań materiału pozwalającego na długookresowe użytkowanie wkładów kominkowych bez konieczności kłopotliwych napraw i wymiany płyt stanowiących wyłożenie ogniotrwałe paleniska. Współczesna wiedza na temat wyłożeń wysokotemperaturowych daje możliwości lepszego, niż to się dzieje w powszechnej praktyce, doboru tworzywa i sposobu zabudowy elementów spełniających tego typu kryterium. Przede wszystkim przeanalizowano przyczyny zniszczeń.

Można tutaj wyróżnić dwa podstawowe mechanizmy. Pierwszy to skutek naprężeń mechanicznych i termicznych. W materiale płyt pojawiają się siły, których przyczyna tkwi w rozszerzalności cieplnej. Prawie każdy podlega tej prawidłowości. Z nielicznymi wyjątkami, każdy powiększa swoje wymiary wraz ze wzrostem temperatury. Nie jest to proces niszczący, jeżeli ogrzewanie odbywa się z małą prędkością i nie występuje różnica temperatur w różnych miejscach elementu. Jest to jednak sytuacja idealna i, najczęściej, niespotykana. Nie następowałoby wtedy przenoszenie ciepła, co jest właściwie jednym z podstawowych założeń konstrukcji. Element w realnych warunkach nie jest nagrzany równomiernie, nie jest nagrzewany nieskończenie wolno i nie na każdej z powierzchni zapewniona jest idealnie taka sama temperatura. Zawsze istnieje jakiś "transport" ciepła, który może zachodzić właśnie tylko dzięki różnicom temperatur. Skutkuje to tym, że poszczególne warstwy różnie się rozszerzają. Ceramika nie zareaguje nam na to obciążenie sprężystym odkształceniem, a właśnie stopniowym rozluźnianiem struktury i powstaniem mikropęknięć. Te łączą się i pojawia się widoczna już rysa. Zatem: im materiał będzie miał wyższą przewodność i im mniejszy współczynnik rozszerzalności, tym lepiej się zachowa. Dzieje się tak, bo optymalny poziom tych własności zapewni mniejszy poziom naprężeń cieplnych. Będą występować mniejsze różnice temperatur na przekroju, a przy mniejszej rozszerzalności, "dobrotliwość" elementu się zwiększy. Doskonałym przykładem może być tu szkło żaroodporne. Jego odporność na ciepło polega właśnie na bardzo niskiej (właściwie zerowej) rozszerzalności – tu naprężenia się nie pojawią – brak im źródła. Materiały o dużej rozszerzalności i nawet dobrej przewodności, będą na wstrząsy cieplne mało odporne. Odpowiedź na zasadnicze pytanie: czy wyrób ceramiczny musi pękać, jest zaskakująco prosta. Jeżeli pojawią się w jego wnętrzu naprężenia przekraczające wytrzymałość mechaniczną – na pewno pęknie. Przy projektowaniu systemu REFRABOX nie zakładano sytuacji przeciwnej. Istnieją jednak sposoby na to, żeby materiał nie ulegał zniszczeniu.

Przez pęknięcie rozumiemy widoczną gołym okiem utratę ciągłości materiału, doprowadzającą stopniowo do jego pofragmentowania. Materiał "próbuje" w ten sposób zmienić swój kształt, ponieważ odkształcenie sprężyste o takiej wielkości nie jest możliwe – ceramika jest tworzywem o bardzo wysokim tzw. module sprężystości i dużej różnicy pomiędzy wytrzymałością na ściskanie i na rozciąganie, co oznacza, że każda próba odkształcenia wywołuje ogromne naprężenia, naprężenia przekraczając znacznie wytrzymałość, tym bardziej, że chłodniejsze warstwy są rozciągane, a na takie obciążenie, w przeciwieństwie do ściskania, żaden z materiałów mineralnych nie jest odporny, nawet w niewielkim zakresie. Jeżeli jednak duże pęknięcie zastąpimy setkami czy tysiącami mikrorys, których wielkość i forma są z góry przewidziane, a droga rozchodzenia ograniczona, struktura materiału stanie się wystarczająco "elastyczna" aby znieść obciążenia bez widocznych zniszczeń przy ciągłym zachowaniu wysokiej zwartości. Główny materiał użyty w systemie REFRABOX zawiera w swojej strukturze sieć porów w formie bardzo małych kanalików o przypadkowej orientacji, dokładnie okrągłym przekroju i idealnie gładkiej powierzchni (brak karbów). Zamykają one drogę mikropęknięciom, które nie mają możliwości łączenia się. Kanaliki ułatwiają także odprowadzanie z wnętrza materiału nagromadzonej wilgoci, która także może powodować zniszczenia (rozsadzanie materiału) w czasie intensywnego podgrzewania.

Pęknięcia nie zawsze też wynikają z różnego rodzaju udarów mechanicznych i cieplnych. Jeżeli nadmierne obciążenie nie występowało, a materiał uległ zniszczeniu, wynika to najczęściej z przemian korozyjnych, które są drugim podstawowym mechanizmem niszczącym. Zarówno szamot jak i wermikulit są tworzywami bardzo porowatymi i zawierają w swoim składzie sporą ilość niepożądanych zanieczyszczeń sprzyjających reakcjom korozyjnym. Wywołuje to powstawanie w ich wnętrzu dodatkowych naprężeń, które wraz z naprężeniami cieplnymi mogą i przekraczają wytrzymałość mechaniczną tych materiałów. Najprostszym przykładem reakcji korozyjnej są przemiany tlenków żelaza zawartych w szamocie (widocznych w postaci rdzawych plamek), którym towarzyszą znaczne zmiany objętości ich wtrąceń – nawet ponad 100%. Następują one na skutek bardzo małej trwałości termicznej tego typu związków oraz w wyniku osadzania się w porach materiału sadzy, powodującej rozpad dwutlenku węgla na tlenek, którego obecność z kolei powoduje wydzielanie się żelaza metalicznego (proces doskonale znany i wykorzystywany w hutnictwie), ulegającego później ponownemu utlenianiu. Taki proces zachodzi cyklicznie przy każdym rozpaleniu kominka. Sam ten mechanizm wystarczy już do zniszczenia płyty szamotowej, a przecież nie jest jedyny. Na domiar złego metaliczne żelazo staje się silnym katalizatorem reakcji wydzielania się sadzy. Materiał zastosowany w systemie REFRABOX jest pozbawiony znaczących zanieczyszczeń związkami żelaza i innymi szkodliwymi składników, takimi, jak: mangan, alkalia oraz zawiera bardzo mało związków wapnia i to w nieszkodliwej, bardzo rozdrobnionej postaci. Przy wyeliminowaniu zanieczyszczeń jednym z podstawowych problemów problemów pozostają naprężenia cieplne.

Materiał płyt ochronnych REFRABOX jest pozbawiony większości wad tradycyjnych tworzyw. Oprócz wielokrotnie mniejszego udziału szkodliwych zanieczyszczeń, zawiera dużo więcej związków zwiększających ogniotrwałość, w tym głównie tlenku glinu Al2O3, który jest tu dominującym składnikiem (>80%). Ma mniejszą porowatość, kilkukrotnie większą wytrzymałość mechaniczną, kilkadziesiąt procent większą masę jednostkową (gęstość). Około dwukrotnie wyższa przewodność cieplna zastosowanego materiału także ma duży wpływ na zmniejszanie naprężeń cieplnych dzięki mniejszym różnicom temperatur (szybszemu rozprowadzaniu ciepła) w różnych miejscach elementu.

Duża gęstość i przewodność powoduje też znaczny wzrost pojemności cieplnej wyłożenia ceramicznego paleniska, a tym samym ilości zakumulowanej energii.

Efekt równomiernego nagrzewania płyt jest dodatkowo powiększony przez zastosowanie warstwowej budowy. W warstwie od strony stalowych ścian korpusu zastosowany jest ogniotrwały izolator. Powoduje on zmniejszenie przepływu ciepła w kierunku prostopadłym do powierzchni płyty, energia ma wtedy możliwość szybszego rozchodzenia w kierunkach równoległych. Zwiększa się tu jeszcze dodatkowo pojemność cieplna, bo przy bardziej równomiernych nagrzaniu średnia temperatura, a więc i zgromadzona ilość ciepła jest większa niż wynikało by to z samego faktu zwiększenia gęstości materiału. Rodzaj zastosowanego materiału izolującego płyty pozwala na ich „inteligentne” zachowanie w czasie palenia, wspomagające utrzymanie wysokiej temperatury w palenisku, ułatwiające oczyszczanie cieplne płyt i transport ciepła na zewnątrz ścian wkładu. W początkowym okresie palenia, przy jeszcze niskiej temperaturze, materiał hamuje przepływ ciepła – jego przewodność jest bardzo niska, a płyty i całe palenisko mają możliwość szybszego nagrzania. Wraz ze wzrostem temperatury i po ustabilizowaniu spalania przewodność dodatkowej warstwy maleje i ciepło jest przekazywane intensywniej, niż to się dzieje w przypadku tradycyjnych płyt szamotowych (prawie dwukrotnie wyższa przewodność), o wermikulicie nie wspominając. Pomaga to także w osiągnięciu mniejszej ilości zanieczyszczeń w spalinach, których zwiększoną zawartość obserwuje się zawsze podczas fazy rozpalania i tę należy możliwie skrócić. Podsumowując: system w niskich temperaturach zachowuje się, jeżeli chodzi o przewodzenie ciepła, podobnie do szamotu, w wyższych temperaturach powoduje znacząco większą emisję ciepła przez korpus wkładu. Ceramiczny deflektor, będący elementem systemu, wykorzystuje dużą pojemność cieplną zastosowanego materiału. Stanowi stabilizator temperatury gazów opuszczających komorę spalania i pomaga podtrzymać dopalanie gazów umożliwiając wydłużenie płomieni. Podnosi znacząco temperaturę w komorze i pomaga w utrzymaniu w czystości szyby wkładu. Z racji tego, że nie jest schładzany z zewnętrznej strony, ten element wyłożenia ma znacznie wyższą temperaturę niż pozostałe. W przypadku chwilowego zachwiania procesu spalania, powodowanego na przykład dołożeniem świeżego drewna, umożliwia zapłon opływających go gazów.

źródło i zdjęcia: Unirol