Mattoni refrattari: cosa sono e quando si usano

Forno con mattoni refrattari


Mattone refrattario è il termine usato per mattoni termoisolanti e copre quei materiali termoisolanti che vengono utilizzati per sopportare temperature fino a 1000 gradi C.

Alla famiglia dei mattoni refrattari appartengono diverse tipologie di materiali, ciascuna delle quali trova un suo utilizzo psecifico.

Sarebbe opportuno distinguere tra due specie principali di mattoni:

  1. Quelli refrattari
  2. Quelli isolanti

Facciamo un po' di chiarezza:

Il mattone refrattario

È un blocco di materiale ceramico refrattario utilizzato nel rivestimento di forni, fornaci, focolari e caminetti. 

Un mattone refrattario è progettato principalmente per resistere al calore elevato, ma di solito dovrebbe anche avere una bassa conduttività termica per risparmiare energia. 

Solitamente i mattoni densi vengono utilizzati in applicazioni con sollecitazioni meccaniche, chimiche o termiche estreme, come l'interno di un forno a legna o di una fornace, soggetto all'abrasione del legno, al flussaggio della cenere o delle scorie e alle alte temperature. I mattoni refrattari densi hanno un'elevata massa termica che a volte è una proprietà utile in quanto trattengono il calore, ad esempio in un forno per pizza dopo che il fuoco è stato spento. 

I mattoni del forno sono realizzati cuocendo una composizione a base di argilla nel forno fino a quando non è parzialmente vetrificata e per scopi speciali possono anche essere smaltati. I mattoni refrattari contengono solitamente il 30-40% di allumina e la materia prima primaria è solitamente chamotte con altri materiali. La temperatura massima di servizio aumenta con l'aumentare del contenuto di allumina e si possono ottenere mattoni da forno con un contenuto di allumina dell'80% e oltre.

forno mattoni refrattari

I mattoni refrattari sono leggeri, a bassa conduttività termica e tuttavia sufficientemente resistenti alla temperatura per essere utilizzati con successo sul lato caldo della parete del forno, consentendo così pareti sottili a bassa conduttività termica e basso contenuto di calore. 

Il basso contenuto di calore è particolarmente importante per risparmiare combustibile e tempo per il riscaldamento, consente rapidi cambiamenti di temperatura e consente un rapido raffreddamento. 

Il mattone refrattario è caratterizzato dalla presenza di una grande quantità di porosità al suo interno. I pori sono per lo più chiusi. La presenza di porosità diminuisce la conducibilità termica dei mattoni isolanti.

Mattoni isolanti

In altre situazioni meno difficili, come un forno a gas naturale, i mattoni più porosi sono una scelta migliore, solitamente indicati come mattoni isolanti. 

Sono più deboli, ma sono molto più leggeri, più facili da formare e isolano molto meglio dei mattoni densi. 

In questo caso hanno una massa termica ridotta e quindi non possono essere utilizzati per accumulare calore. I mattoni isolanti hanno una migliore resistenza agli shock termici rispetto ai mattoni refrattari densi, ma lo svantaggio principale è la loro bassa resistenza. 

La proprietà isolante di questi mattoni di solito deriva dalla perlite o dalla vermiculite. Come per i mattoni refrattari densi, esiste una gamma di gradi corrispondente a diverse temperature massime di servizio. Il più comune è il grado 23 – 1260 o C.

Le origini del mattone refrattario

I mattoni refrattari sono stati sviluppati negli anni '30 e sono stati la forma predominante di isolamento fino allo sviluppo dei materiali refrattari in fibra e calcinabili isolanti. 

Esistono due tipi di mattoni e cioè i mattoni a base di argilla e gesso che utilizzano la combustione della segatura per creare un'elevata porosità (e quindi fornire un migliore valore isolante) e i mattoni a base di aggregati leggeri e argille. Come tutti i mattoni di allumina-silice, i mattoni refrattari hanno una classificazione di servizio (limite di servizio).

Nel corso degli anni, i mattoni refrattari sono stati realizzati in vari modi, come la miscelazione di materia organica con l'argilla e la successiva combustione per formare i pori; oppure una struttura a bolle inglobata nell'impasto argilla-acqua che viene poi conservata nel cotto.

Caratteristiche dei mattoni refrattari

I mattoni refrattari sono caratterizzati dalla presenza di una grande quantità di porosità (45% -90%). 

I pori sono per lo più chiusi. Questi mattoni a causa di una struttura altamente porosa presentano bassi valori di conducibilità termica. 

La conducibilità termica non dipende solo dalla porosità totale, ma anche dalle dimensioni e dalla forma dei pori, nonché dalla composizione chimica e mineralogica. 

I mattoni hanno anche una bassa capacità termica. A causa della presenza di un'elevata porosità in questi mattoni, la densità apparente e la resistenza dei mattoni sono basse. 

La temperatura di applicazione di questi mattoni dipende dai costituenti. Ad esempio, i mattoni isolanti a base di cianite possono essere utilizzati a una temperatura superiore a 1250 gradi C. Mentre i refrattari isolanti a base di argilla refrattaria vengono solitamente utilizzati a basse temperature.

I mattoni refrattari sono prodotti refrattari leggeri sagomati con una porosità totale superiore al 45% e una temperatura di applicazione di almeno 800 gradi C. 

Proprietà importanti dei refrattari isolanti

Diversi tipi di mattoni refrattari sono principalmente prodotti utilizzando materie prime come diatomite, perlite, vermiculite espansa, silicato di calcio, argilla refrattaria, caolino, quarzo, allumina e aggregati refrattari leggeri con il metodo convenzionale. 

Ai materiali menzionati sopre si aggiungono altri tipi di materiali destinati a generare la porosità dei mattoni come segatura, polistirene espanso, coke fine, leganti e schiume organiche o materiali granulari come microsfere cave e allumina a bolle sono comunemente usati per ottenere una densità ridotta o per produrre corpi porosi negli mattoni refrattari.

La materia prima dei prodotti di farina fossile sono gusci microscopici derivati ​​dalle diatomee. L'isolamento termico deriva dal gran numero di piccoli pori all'interno dei gusci di varie forme con dimensioni da 5 a 500 micrometri. I mattoni di diatomite sono prodotti da presse per estrusione. Si possono aggiungere argilla legante, materiali brucianti e fibre. La struttura a pori fini di questi mattoni ha un migliore isolamento termico rispetto ai prodotti in vermiculite con la stessa densità apparente.

La vermiculite è un minerale a 3 strati che si espande come una fisarmonica quando viene riscaldato rapidamente sopra i 700 gradi C. Attraverso la pressione dell'acqua in evaporazione nello strato intermedio, il volume originale si allarga da 20 a 30 volte. Questa cosiddetta vermiculite esfoliata (densità da 60 a 200 kg/cum) serve come materia prima per la produzione di mattoni, tavole e parti sagomate di vermiculite. Come legante si utilizzano cemento, vetro d'acqua e fosfati.

La perlite è acqua contenente roccia vulcanica, solidificata in una forma di vetro. L'acqua è stata assorbita dal magma ad alta pressione durante la litogenesi e può evaporare se riscaldata rapidamente. La perlite espansa si forma con una densità stabilizzata di 35-150 kg/cum. Il processo di produzione di mattoni, tavole e pezzi sagomati è quasi lo stesso di quello della vermiculite. Il limite di applicazione di questa gamma di prodotti va da 750 gradi C a 1000 gradi C a causa del ritiro intensivo a temperature più elevate.

Lolla di riso/paglia di segatura o biomateriale a basso costo sono usati come combustibili o formatori di pori nella produzione di mattoni isolanti. Tuttavia naftalene, amido sono utilizzati anche per la formazione di pori in mattoni isolanti ad alto carico. 

Questi combustibili evaporano o bruciano durante la fase iniziale della cottura e creano pori nel mattone. La dimensione e la forma del formatore di pori controllano la morfologia dei pori nel mattone isolante. 

Polistirene espanso che viene dissipato durante il processo di cottura e lascia dietro di sé una cavità che può migliorare le proprietà di isolamento termico del mattone. Il polistirene espanso viene, quindi, utilizzato come materiale formante i pori nel corpo del mattone. A tale corrispondenza dovrebbe essere indirizzata la riduzione della conduttività termica. La segatura è un materiale combustibile, che produce canali e porosità ad alta temperatura.

Normalmente i leganti a base di argilla plastica vengono utilizzati nella produzione di mattoni isolanti. Altri leganti sono l'etilcellulosa, l'amido e la melassa. La calce legante a base di ossido di calcio o talvolta il gesso viene utilizzata durante la produzione di mattoni isolanti tramite il processo di fusione e impostazione.

I mattoni refrattari sono prodotti prevalentemente in dimensioni rettangolari o forme ad arco per creare camere di combustione a cupola. Gli archi terminali e gli archi laterali per le forme rotonde possono essere tagliati dalle dimensioni rettangolari e adattati al raggio.

La dimensione massima dei mattoni mattoni refrattari è limitata dal processo di fabbricazione, poiché le proprietà uniformi possono essere realizzate solo fino a determinate dimensioni. Le dimensioni maggiori (es. blocchi sospesi e boccole a rulli) sono prodotte incollando le dimensioni più piccole con malte refrattarie ad alta temperatura. In generale, la forza del giunto di incollaggio è maggiore rispetto alla forza dei mattoni refrattari stessi. 

È importante prestare attenzione alle istruzioni per l'uso della malta adesiva, poiché le malte sono sensibili alle condizioni meteorologiche e climatiche estreme.

Se si considera la struttura chimica, i mattoni refrattari sono classificati in

  • mattoni refrattari leggeri in silicato di alluminio;
  • mattoni refrattari leggeri in silice;
  • mattoni refrattari leggeri in zircone;
  • mattoni leggeri in corindone. 

Il gruppo degli mattoni refrattari in silicato di alluminio (mattoni refrattari e mullite) è il gruppo più importante e comune.

Materie prime come argilla, caolino, argilla refrattaria, sillimanite, andalusite, cianite, mullite, allumina, idrato di allumina e corindone vengono utilizzati come supporti di allumina. Oltre alle materie prime a grana fine, vengono applicate anche materie prime a grana grossa e porose. Questi includono argilla refrattaria leggera e sfere cave (palle) costituite da corindone o mullite.

Il processo di decomposizione termica è la tecnica più conosciuta e più applicata per produrre pori nei mattoni refrattari isolanti. 

La polvere di segatura fine, il coke di petrolio, l'abrasione della lignite, le palline di polistirolo, i prodotti di scarto fini dell'industria della cellulosa e del cartone (cartone) vengono utilizzati come materiali brucianti. 

Sono necessari materiali di decomposizione a basso contenuto di ceneri per evitare effetti negativi sulle proprietà a caldo (ad es. alcalini). Il cosiddetto processo di schiumatura è un altro ulteriore metodo per la produzione di pori nei mattoni refrattari isolanti. 

mattoni resistenti al fuoco

Saponi speciali, saponine e solfonati vengono utilizzati per produrre schiume stabili. L'impasto liquido per il corpo ceramico viene spesso prodotto separatamente da un'emulsione schiumosa. Schiuma e liquame vengono omogeneizzati in un miscelatore intensivo. La densità apparente richiesta viene regolata mediante miscelazione controllata di schiuma e liquame.

I mattoni refrattari leggeri che sono prodotti miscelando sostanze evaporanti (naftalene) hanno differenze distintive nelle loro proprietà rispetto ad altre qualità di mattoni. È possibile produrre mattoni a bassa densità e ad alta resistenza. I pori molto fini garantiscono bassi valori di conducibilità termica.

La modellatura dei mattoni refrattari leggeri viene eseguita mediante fusione, metodo dell'imbracatura o pressatura. Durante la colata, gli stampi metallici forati (forme) vengono rivestiti con carta da filtro prima di essere riempiti. Liquore solfito, gesso o cemento possono essere aggiunti per migliorare la miscelazione della materia prima e per velocizzare la presa.

Mattoni, pezzi cilindrici grezzi o blocchi vengono cotti in forni a camera, forni a suola mobile o forni a tunnel. La temperatura di cottura corrisponde approssimativamente alla temperatura di classificazione indicata dai produttori. Il taglio o la molatura è necessario per la maggior parte delle qualità di mattoni per ottenere le forme standard a causa dell'elevata essiccazione e ritiro in cottura.

I mattoni refrattari con forme complicate sono prodotti mediante processi di formatura, vibrazione o stampaggio a mano.

Possibili inconvenienti con i mattoni refrattari

Per esposizioni a lungo termine vicine alla temperatura di servizio nominale, può verificarsi un ritiro tale da consentire l'apertura del giunto. Per questo motivo, può essere importante utilizzare mattoni refrattari con un grado di servizio più elevato di quanto sembri richiesto dalla sola temperatura di processo.

I mattoni refrattari sono suscettibili all'attacco degli alcali. I prodotti realizzati con gesso e materiale calcinabile di segatura possono subire una reazione di espansione in un ambiente di servizio contenente alcali. In alcuni casi, questa reazione è stata deleteria e riduce la durata. Al contrario, i mattoni refrattari realizzati con aggregato leggero possono subire una smaltatura superficiale in un ambiente alcalino.

Quando si usano i mattoni refrattari

Gli usi degli mattoni refrattari vanno dai forni da laboratorio ai forni da fonderia e ai grandi forni a tunnel. 

I requisiti dei mattoni refrattari sono diversi e in alcuni casi persino contraddittori. Da un lato, l'elevata capacità di isolamento termico e la bassa densità apparente sono le proprietà desiderabili degli mattoni refrattari, dall'altro i mattoni devono avere una sufficiente resistenza meccanica ma anche una buona lavorazione. Inoltre, le proprietà necessarie a questi mattoni sono un'elevata resistenza termica in una moltitudine di condizioni atmosferiche, nonché la resistenza agli shock e ai cambiamenti di temperatura.

I mattoni refrattari vengono utilizzati per i seguenti scopi:

  • Per il rivestimento superficiale interno di forni, fornaci, camini, ecc.
  • Per costruire strutture resistenti al fuoco riducendo così il danno della struttura contro gli incidenti di fuoco.
  • Per rivestimento interno di forni a legna.
  • Come materiale isolante per forni, a causa della loro minore conduttività termica.

I mattoni refrattari rimangono una scelta per la costruzione e la riparazione quando i prodotti colabili o in fibra potrebbero non essere la scelta ideale. 

I mattoni refrattari costituiscono il rivestimento di lavoro di molte strutture di forni. La costruzione è solitamente conveniente poiché la maggior parte degli mattoni refrattari può essere tagliata con un seghetto. È necessario prestare attenzione nella selezione degli mattoni refrattari quando è richiesta resistenza all'abrasione o resistenza agli urti.

Giunti in malta e giunti adesivi sono i punti deboli della muratura. A causa dell'elevata porosità e quindi della rapida rimozione dell'acqua, è necessario considerare i seguenti due fattori importanti.

  • La malta deve essere 'plastica' e deve avere un'elevata capacità di legare l'acqua. In caso contrario, i mattoni non possono essere posati con precisione secondo le misure e il legame dei singoli mattoni si perde quando viene corretto in seguito.
  • La malta dovrebbe avere un basso contenuto di alcali. I mattoni refrattari isolanti vengono infiltrati con il liquido legante con conseguente maggiore concentrazione alcalina nelle aree di confine. Ciò provoca punti di fusione più bassi/aumento della sinterizzazione del materiale e un aumento dello scorrimento alle alte temperature. Anche la resistenza agli shock termici è ridotta dalle impurità alcaline. Quindi le malte senza vetro d'acqua sono preferite per applicazioni ad alta temperatura.