BRPI0707747A2 - composiÇÕes refratÁrias e parede corta-fogo - Google Patents

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BRPI0707747A2
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Abstract

Composições Refratárias e Parede Corta-Fogo Um refratário inclui um cimento, um ligante e uma matriz. matriz compreende tanto fibras de aço inoxidável como fibras orgânicas. O refratário pode ser facilmente fundido, sem reforço de aço dicional, em grandes painéis 16 parede corta-fogo 10 capaz de satisfazer os requisitos de teste conduzidos de acordo com a ASTM E-119, métodos de Testes Padrões para Testes de Fogo de Construção de dificios e Materiais em suporte do Padrão IEEE 979-1994, Guia para roteção contra Fogo em Subestações. A montagem da parede corta-fogo 16 resistiu ao teste de resistência ao fogo sem passagem de chama gases quentes suficiente para incendiar desperdícios de algodão durante uma exposição ao fogo de quatro horas. A montagem também resistiu a um fluxo da água de 0,31 Nmm2 por cinco minutos imediatamente a seguir ao período de exposição ao fogo por quatro horas. Isto um requisito mecânico estrito, visto que todas as paredes corta-fogo 16 devem manter a sua integridade antes, durante e depois de um incêndio, pela definição de Código Universal de Edifícios de uma verdadeira parede corta-fogo 16.

Description

"Composições Refratárias e Parede Corta-Fogo"
Relatório Descritivo
Referência Remissiva a Pedido Correlato
O presente Pedido reivindica a prioridade dos PedidosProvisórios de Patente US 60/773,055, depositado em 15 de fevereiro de2006, intitulou uRemovable Fire Walls", cujo conteúdo é aqui incorpora-do por referência na sua totalidade.
Campo da Invenção
Esta invenção relaciona-se em geral com materiais refratá-rios e paredes corta-fogo grandes feitas desses materiais refratários.
Antecedentes da Invenção
As paredes corta-fogo grandes, tais como paredes corta-fogocapazes de proporcionar proteção contra fogos em refinarias de óleo egrandes transformadores elétricos são tradicionalmente feitas deconcreto ordinário. O problema com paredes corta-fogo construídas deconcreto ordinário é que devem ser extremamente espessas para resistiradequadamente às altas temperaturas criadas a partir de fogos degrandes reservatórios de hidrocarbonetos com durações longas (tipica-mente 1.093°C e durando seis horas ou mais).
Conseqüentemente, existe uma necessidade de novosmateriais a partir dos quais possam ser criadas grandes paredes corta-fogo que proporcionem proteção suficiente contra grandes fogos, deduração muito longa e de elevadas temperaturas sem exigir espessuraexcessiva de modo a simultaneamente satisfazer exigências mecânicasseveras.
SumárioA invenção satisfaz esta necessidade. A invenção é umacomposição refratária que compreende um cimento, um ligante e ummaterial de matriz, em que o material de matriz compreende tantofibras de aço inoxidável como fibras orgânicas. O refratário pode serfacilmente fundido, sem reforço de aço adicional, em grandes painéis deparede corta-fogo capazes de satisfazer os requisitos de teste conduzi-dos conforme a ASTM E- 119, Standard Methods for Fire Tests ofBuilding Construction and Materials em suporte da IEEE Std. 979-1994,Guide for Substation Fire Protection. A montagem da parede corta-fogoresistiu no teste de resistência a fogo sem passagem de chama e gasesquentes suficiente para rejeitos de algodão durante uma exposição dequatro horas ao fogo. A montagem também resistiu a jato de 45 psiágua de 3,15 kgcnr2 durante cinco minutos imediatamente a seguir aoperíodo de quatro horas exposição ao fogo. Isto é um requisito mecâni-co severo, visto que todas as paredes corta-fogo devem manter a suaintegridade antes, durante e depois de um incêndio, pela definição doUniversal Building Code de uma verdadeira parede corta-fogo.
Desenhos
Estas e outras características, aspectos e vantagens dapresente invenção ficarão melhor entendidos com referência à descri-ção, reivindicações anexadas e desenhos anexos seguintes em que:
a Figura 1 é uma vista lateral de uma paredecorta-fogo tendo características da invenção;
a Figura 2 é uma vista em perspectiva de umaparede corta-fogo parcialmente completada tendo características dainvenção;
a Figura 2A é uma vista em seção reta de umaviga vertical da Figura 1, que mostra a inserção de duas paredesdispostas nos lados opostos da viga vertical;a Figura 2B é uma primeira vista alternativa deuma seção reta de uma viga vertical, que mostra a inserção de duasparedes dispostas em ângulos retos uma com a outra;
a Figura 2C é uma segunda vista alternativa deuma seção reta de uma viga vertical, que mostra a inserção de trêsparedes na viga vertical;
a Figura 2D é uma terceira vista alternativa deuma seção reta de uma viga vertical, que mostra a inserção de quatroparedes na viga vertical;
a Figura 3 é uma vista plana de um detalhe deuma viga vertical utilizável na invenção;
a Figura 4 é uma vista lateral rebar que mostraum reforço de barra disposto dentro da viga vertical ilustrado na Figura 3;
a Figura 5 é uma vista frontal que mostra umreforço de barra disposto dentro da viga vertical ilustrada na Figura 3;
a Figura 6 é um diagrama de amarração debarra de reforço utilizável numa viga vertical dentro da invenção;
a Figura 7 é uma vista plana de uma vigavertical utilizável na invenção que mostra a ligação da viga vertical auma placa de base;
a Figura 8 é uma vista em seção reta da vigavertical ilustrada na Figura 7, tomada ao longo da linha 8-8;
a Figura 9 é uma vista em seção reta da vigavertical ilustrada na Figura 8, tomada ao longo da linha 9-9;a Figura 10 é uma vista de detalhe da ligaçãoda placa de base à barra de reforço dentro da viga vertical ilustrada naFigura 8;
a Figura 11 é uma vista frontal que ilustra ainstalação de uma viga vertical utilizável na invenção para uma funda-ção;
a Figura 12 é uma vista lateral que ilustra ainstalação da viga vertical ilustrada na Figura 11 ;
a Figura 13 é uma vista plana da viga verticalque mostra um recinto para a proteção da sua placa de base;
a Figura 14 é uma vista em seção reta da vigavertical ilustrada na Figura 13 tomada ao longo da linha 14-14;
a Figura 15 é uma vista lateral da viga verticalilustrada na Figura 13;
a Figura 16 é uma segunda vista plana de umaviga vertical que tem uma placa de base protegida por um recintoprotetor;
a Figura 17 é uma vista em seção reta da vigavertical ilustrada na Figura 16 tomada ao longo da linha 17-17;
a Figura 18 é uma vista frontal da viga verticalilustrada nas Figuras 13 e 16;
a Figura 19 é uma vista posterior da vigavertical ilustrada na Figura 13; e
a Figura 20 é uma vista lateral de uma fibra deaço inoxidável utilizável na invenção.Descrição Detalhada
A discussão seguinte descreve em detalhe uma modalidadeda invenção e várias variações dessa modalidade. Esta discussão nãodeve ser interpretada, porém, como limitando a invenção àquelasmodalidades particulares. Os especialistas qualificados na técnicareconhecerão numerosas outras modalidades também.
A invenção é um refratário que compreende um cimento,um ligante, água e um material de matriz. O material de matriz com-preende tanto fibras de aço inoxidável como fibras orgânicas.
O cimento pode ser qualquer cimento apropriado, tal comoCimento Portland. O ligante pode ser qualquer ligante apropriado, talcomo silicato de cálcio ou silicato de alumínio.
Nos casos em que o refratário compreende silicato de cálcioe Cimento Portland, o conteúdo de água está tipicamente entre cerca de10% e mais ou menos 15% do peso combinado do silicato de cálcio,Cimento Portland e água, mais tipicamente entre cerca de 11% eaproximadamente 12%.
Além de fibras de aço inoxidável e fibras orgânicas, a matrizcompreende tipicamente uma variedade de outras cargas minerais. Umtípico premix de cimento, ligante e a parte que não é de aço inoxidável enão orgânica da matriz contém de 40% a 60% (em peso) de óxido dealumínio, de 0% a 20% (em peso) de silicato de alumínio, até 30%cimento, quantidades menores de sílica de crestobalita e sílica dequartzo e água.
Um exemplo desse premix típico contém 44,5% (em peso) dedióxido de silício, 34,1% (em peso) de óxido de alumínio, 16,5% (empeso) de óxido de cálcio, 1,8% (em peso) de óxido férrico e 13% de água.Este premix exemplificativo é capaz de formar um concreto tendo asseguintes características típicas:
Mudança Linear Permanente
Depois de aquecimento a:
<table>table see original document page 7</column></row><table>
Depois de aquecimento a:
<table>table see original document page 7</column></row><table>
Módulo de Ruptura MPa
Conforme curado:
Depois de aquecimento a:
<table>table see original document page 7</column></row><table>
Resistência de Bsmagamento MPaao frio
Conforme curado:<table>table see original document page 8</column></row><table>
Na matriz, é usado aço inoxidável em vez de aço ordinárioem razão da resistência mais elevada do aço inoxidável a alta tempera-tura, maior resistência, características de não corrosão e propriedadesnão magnéticas.
As fibras de aço inoxidável podem ser fibras de aço inoxidá-vel do tipo 304. Também podem ser usados outros tipos de aço inoxi-dável da série 300 para fazer as fibras, tais como: 301, 302, 303, 309,316, 321 e 347. Tipicamente, a porcentagem em peso das fibras de açoinoxidável dentro da mistura refratária seca (antes de ser adicionadaágua) está entre aproximadamente 1,2% e cerca de 1,6% (em peso) damistura refratária seca.
As fibras de aço inoxidável são, de preferência, corrugadaspara aumentar a área de superfície efetiva das fibras e facilitar a sualigação e amarração dentro da matriz. Numa modalidade da invenção,as fibras de aço inoxidável têm cada uma um comprimento de cerca de2,54 cm, uma largura de cerca de 1,14 milímetros e uma espessura decerca de 0.5 milímetros. Estas fibras exemplificativas de aço inoxidávelsão corrugadas tal como a fibra de aço inoxidável 2 ilustrada na Figura20. Cada partícula de aço inoxidável 2 tem uma seção de base 4 comum comprimento de cerca de 4,58 milímetros, seguida de nove corruga-ções alternadas positivas e negativas 6. Cada corrugação 6 tem umaaltura h de cerca de 0.19 milímetros e um comprimento 1 de cerca de 2milímetros de comprimento. Depois da série de nove corrugações, apartícula termina com uma segunda seção de base disposta opostamen-te 8 tendo um comprimento de cerca de 2,5 milímetros. Essas fibras deaço inoxidável podem ser compradas a partir de Fibercon Internacionalde Evans City, Pensilvânia.
As fibras orgânicas são importantes nos refratários paraproporcionar canais diminutos (após fusão durante um incêndio) parafacilitar a ventilação de gás sem fraturar o refratário. Estas fibrastambém mitigam a formação de rachaduras durante a cura.
As fibras orgânicas podem compreender fibras de polipropi-Ieno, de preferência, mais de 90% de fibras de polipropileno. Tipica-mente, pelo menos cerca de 90% das fibras orgânicas têm um compri-mento entre aproximadamente 5 milímetros e cerca de 7,6 milímetros eum diâmetro entre mais ou menos 0.02 milímetros e cerca de 0.05milímetros.
As fibras orgânicas são tipicamente de cerca de 1% em pesoda mistura refratária seca. As fibras têm uma variedade de formatos enão são necessariamente lineares. O comprimento de cada uma dasfibras orgânicas é mais tipicamente de 6,35 milímetros. De modocaracterístico, as fibras têm uma seção reta circular relativamenteconstante com um diâmetro entre aproximadamente 0.025 milímetros emais ou menos 0.1 milímetros. Numa modalidade típica da invenção,fibras orgânicas de menor diâmetro ultrapassam em muito as fibrasorgânicas de maior diâmetro, por exemplo, em pelo menos uma relaçãode 50:1. Essas fibras orgânicas podem ser compradas a partir de AlliedMineral de Columbus, Ohio.
Ambas as fibras de aço inoxidável e as fibras orgânicasestão aleatoriamente orientadas dentro dos refratários.
Os painéis refratários 10 podem ser convenientementefundidos a partir do refratário da invenção. O tempo de cura paramesmo painéis muito grandes 10 é tão pequeno quanto 12 horas atemperaturas ambientes. Não é exigida e secagem em forno.
Um refratário típico da invenção tem as seguintes caracte-rísticas:
1 - Propriedades mecânicas à temperatura ambiente:
a. massa específica: 2,146 gcnr3
b. Módulo de elasticidade, E, ksi:
2.500 - 5.000 não reforçado (UR);15.000 - 25.000 Aço Reforçado (SR)
c. Resistência ao corte, Fv, ksi (relatado como Módulo deRuptura para cerâmica e refratários):
1,1 (UR);
14,4 (SR)
d. Resistência ao encurvamento Fb, ksi:
Não aplicável para matriz UR;
34,8 (SR)
3. resistência à tensão compressão, Ft e Fc ksi:
5,25 (UR - compressão; Ft < 20,3 kgcrrr2, conseqüentemen-te, não usado normalmente para caracterizar materiais não elásticos);52 tensão e 48 compressão (SR)
2 - Condutividade elétrica e outras propriedades elétricas (UR):
Resistência dielétrica = 90 v/mil; Dielétrico constante maisou menos 5; Resistividade = 52 χ IO10 ohm-cm
3 - Propriedades térmicas:
a. Condutividade térmica (Método do Arame Quente ASTMC- 1113)
<table>table see original document page 11</column></row><table>649°C 4,69
996°C 4,90
b. Coeficiente de expansão térmica
Desde 538°C até 1,093°C 3.75 χ 10-6/°F
Desde 380°C até 1.093°C 6,72 χ 10-6/°C
c. Exigência de velocidade de fogo1.205°C de temperatura de trabalho
d. Resistência mecânica a altas temperaturas:Módulo de Ruptura (não reforçado) MPa kg/cm"2 psi
Conforme curado:
7,58 77,36 1.100
Após aquecimento a:
110°C (230°F) 8,27 84,39 1.200
540°C (1.000°F) 4,48 45,71 650
1.205°C (2.200°F) 7,58 77,36 1.100
Resistência ao Esmagamento a Frio MPa kgcm 2 psi(não reforçado)
Conforme curado:
1 dia 36,20 369,2 52,50<table>table see original document page 13</column></row><table>
A composição refratária da invenção pode ser conveniente-mente fundida numa variedade infinita de formas. Por exemplo, acomposição refratária da invenção pode ser fundida em grandes painéis10 apropriados para uso na construção de paredes corta-fogo deelevada temperatura. Esses grandes painéis 10 estão tipicamente entreaproximadamente 1,5 metros e mais ou menos 3 metros de comprimen-to, entre aproximadamente 50 centímetros e cerca de 2,5 metros delargura e entre mais ou menos 2,5 centímetros e cerca de 7,5 centíme-tros de espessura. Esses painéis 10 pesam tipicamente entre aproxi-madamente 181 quilogramas e cerca de 320 quilogramas.
O refratário da invenção pode ser misturado conveniente-mente dentro de uma betoneira ordinária. Depois da mistura adequadade todos os ingredientes, a mistura molhada pode ser, então, vazada emmoldes. Os moldes são, de preferência, suavemente vibrados paraeliminar bolsas de ar e para distribuir uniformemente as fibras de açoinoxidável.
Surpreendentemente, mesmo esses painéis grandes 10 nãoexigem reforço de aço adicional dentro do painel, tais como armações deaço e gaiolas de barras de reforço. De fato, o uso desse reforço de açoadicional foi achado em muitos casos ser prejudicial para a integridadedo painel 10, quando sujeito para a elevado calor seguido de um rápidoarrefecimento. Podem ocorrer rachaduras durante o arrefecimento dospainéis 10 com reforço de aço adicional devido à disparidade doscoeficientes de expansão entre o reforço de aço adicional e a composiçãorefratária.
As paredes corta-fogo 16 feitas desses painéis grandes 1010 podem compreender uma pluralidade de painéis 10 dispostos entrevigas verticais 12, como ilustrado nas Figuras 1 e 2. Ambos os painéise as vigas verticais 12 podem ser fundidos a partir do refratário dainvenção.
As vigas verticais 12 pesam tipicamente mais de 2.265quilogramas. Cada viga vertical 12 compreende, de preferência, umafenda 14 em que uma pluralidade de painéis 10 podem ser empilhadosuns sobre os outros para formar paredes corta-fogo 16 de váriosformatos (ver as Figuras 2A-2B e 3).
Diferentemente dos painéis 10 fundidos a partir do refratá-rio da invenção, vigas verticais 12 fundidas do refratário são tipicamen-te reforçadas com gaiolas de barras de reforço 18 da mesma maneiraque as vigas concretas ordinárias são reforçadas com gaiolas de barrasde reforço (ver as Figuras 4, 5, 6, 8 e 9).
As vigas verticais 12 são tipicamente ligadas a uma funda-ção de concreto tradicional 20 usando uma placa de base 22 que ésoldada em barras de reforço de aço 24 dispostas dentro das vigasverticais 12 (ver a Figura 10). A placa de base 22 é feita de aço e ligadaà fundação usando parafusos de aço 26 e, assim, deve ser protegida, nocaso de um incêndio. Essa proteção pode ser proporcionada instalandouma cobertura de placa de base 28 feita do refratário da invenção aoredor de cada uma das placas de base 22 (ver as Figuras 13-17).
Alternativamente, as vigas verticais 12 podem ser vigas Ipadrão ou H vigas (não mostradas) que foram revestidas com o refratá-rio da invenção.
Uma porta opcional (não mostrada) pode ser criada dentroda parede corta-fogo 16. Essa porta pode ser usada para acesso porpessoal de manutenção. A porta pode ser feita de painéis pequenos dospresentes refratários e pode ser feita de forma a deslizar numa armaçãode porta. Tipicamente, a porta fica localizada próximo a uma vigaverticais 12 com dobradiças para a porta fixada na viga 12.
Essas paredes corta-fogo modulares 16 proporcionammontagem e desmontagem fácil no local e são completamente removí-veis. As características modulares da parede corta-fogo 16 simplificama especificação, a montagem e a desmontagem e minimizam os custosde produção e isolamento sem comprometer o desempenho térmico nemmecânico.
As paredes corta-fogo grandes 16 da invenção foramachadas satisfazer os padrões para uma avaliação de quatro horas soba ASTM E-119 como previamente afirmado.
O refratário da invenção proporciona muitas vantagensacima da maioria de refratários da técnica anterior. A invenção propor-ciona uma elevada resistência refratária tendo excelente resistência aofogo. A expansão e a contração entre temperaturas abaixo de zero etemperaturas acima de 900°C são relativamente pequenas. O refratárioé resistente à corrosão, mofo, apodrecimento e infestação. É impermeá-vel à umidade, ao ar e a outros gases. A rachadura durante a cura émínima, como é a rachadura durante os aumentos de temperaturainicial (até mais ou menos 150°C) e quando sujeito a elevadas tempera-turas (temperaturas mais altas do que 150°C). O refratário tem acapacidade embutida de aliviar gases retidos no meio e temperaturaselevadas. O refratário pode ser completamente curado à temperatura epressão ambiente.
Tendo, deste modo, descrito a invenção, deve ficar evidenteque numerosas modificações e adaptações estruturais podem serusadas sem sair do âmbito e significado claro da presente invenção.

Claims (20)

"Composições Refratárias e Parede Corta-Fogo"
1. - Composição Refratária, caracterizada por que compreende:(a) um cimento;(b) um ligante; e(c) um material de matriz que compreende fibras de açoinoxidável e fibras orgânicas.
2. - Composição Refratária, de acordo com a Reivindicação 1, caracte-rizada por que a composição refratária compreende um silicato ecimento Portland.
3. - Composição Refratária, de acordo com a Reivindicação 1, caracte-rizada por que a composição refratária compreende ainda água, estan-do o peso percentual da água entre aproximadamente 10% e mais oumenos 15% do peso combinado do cimento, ligante e água.
4. - Composição Refratária, de acordo com a Reivindicação 1, caracte-rizada por que as fibras de aço inoxidável e as fibras orgânicas sãoorientadas aleatoriamente.
5. - Composição Refratária, de acordo com a Reivindicação 1, caracte-rizada por que as fibras de aço inoxidável compreendem entre aproxi-madamente 1,2% e mais ou menos 1,6% da composição refratáriamenos o seu conteúdo ponderai de água.
6. - Composição Refratária, de acordo com a Reivindicação 1, caracte-rizada por que as fibras de aço inoxidável têm um comprimento entreaproximadamente 0.8 polegada e mais ou menos 1.2 polegada, umalargura entre cerca de 1 milímetro e mais ou menos 1,5 milímetros euma espessura entre aproximadamente 0.45 milímetros e mais oumenos 0.56 milímetros.
7. - Composição Refratária, de acordo com a Reivindicação 1, caracte-rizada por que as fibras de aço inoxidável são corrugadas.
8. - Composição Refratária, de acordo com a Reivindicação 1, caracte-rizada por que as fibras orgânicas compreendem fibras de polipropile-no.
9. - Composição Refratária, de acordo com a Reivindicação 1, caracte-rizada por que as fibras orgânicas têm um comprimento entre cerca de 5 milímetros e mais ou menos 7,6 milímetros e um diâmetro entreaproximadamente 0.025 milímetros e mais ou menos 0.05 milímetros.
10. - Composição Refratária, caracterizada por que compreende:(a) cimento Portland;(b) silicato de cálcio; e(c) Um material de matriz que compreende:(i) fibras cilíndricas de aço inoxidável tendo umcomprimento entre cerca de 20 milímetros e mais ou menos 30 milíme-tros, uma largura entre aproximadamente 1 milímetro e cerca de 1,5milímetros e uma espessura entre mais ou menos 0,45 milímetros ecerca de 0,56 milímetros e(ii) fibras de polipropileno tendo um compri-mento entre aproximadamente 5 milímetros e cerca de 7,6 milímetros eum diâmetro entre mais ou menos 0,05 milímetros e aproximadamente 0,1 milímetros.
11. - Parede Corta-Fogo, caracterizada por que compreende umapluralidade de painéis dispostos entre vigas verticais, sendo tanto ospainéis como as vigas verticais fundidas a partir de uma composiçãorefratária que compreende:(a) um cimento;(b) Um ligante; e(c) um material de matriz que compreende fibras cilíndricasde aço inoxidável e fibras de polipropileno.
12. Parede Corta-Fogo, de acordo com Reivindicação 11, caracteriza-da por que os painéis têm um par de extremidades opostas e por que asvigas verticais compreendem uma ranhura em que é disposta umaextremidade de cada painel.
13. Parede Corta-Fogo, de acordo com Reivindicação 11, caracteriza-da por que os painéis não contêm nenhum reforço adicional de aço.
14. Parede Corta-Fogo, de acordo com Reivindicação 11, caracteriza-da por que as vigas verticais compreendem uma placa de base de aço eem que a placa de base de aço é encapsulada por uma caixa fundida apartir da composição refratária.
15. Parede Corta-Fogo, de acordo com Reivindicação 11, caracteriza-da por que a composição refratária compreende um silicato e cimentoPortland.
16. Parede Corta-Fogo, de acordo com Reivindicação 11, caracteriza-da por que a composição refratária compreende ainda água, ficando opeso percentual da água entre cerca de 10% e mais ou menos 15% dopeso combinado de cimento, ligante e água.
17. Parede Corta-Fogo, de acordo com Reivindicação 11, caracteriza-da por que as fibras de aço inoxidável e as fibras orgânicas são orienta-das aleatoriamente.
18. - Parede Corta-Fogo, de acordo com Reivindicação 11, caracteriza-da por que as fibras de aço inoxidável têm um comprimento entre cercade 20 milímetros e mais ou menos 30 milímetros, uma largura entreaproximadamente 1 milímetro e cerca de 1,5 milímetros e uma espessu-ra entre mais ou menos 0,45 milímetros e cerca de 0,56 milímetros.
19. - Parede Corta-Fogo, de acordo com Reivindicação 11, caracteriza-da por que as fibras de aço inoxidável são corrugadas.
20. - Parede Corta-Fogo, de acordo com Reivindicação 11, caracteriza-da por que as fibras orgânicas são fibras de polipropileno e em que asfibras orgânicas têm um comprimento entre cerca de 5 milímetros emais ou menos 7,6 milímetros e um diâmetro entre aproximadamente 0,02 milímetros e cerca de 0,05 milímetros.
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