MX2008010515A - Material refractario con fibras de acero inoxidable y organicas. - Google Patents

Material refractario con fibras de acero inoxidable y organicas.

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Abstract

Un material refractario incluye un cemento, un enlazante y una matriz. La matriz comprende fibras de acero inoxidable y fibras orgánicas. El material refractario puede ser fácilmente moldeado sin refuerzo de acero adicional en grandes paneles de muro cortafuego capaces de cumplir con los requerimientos de las pruebas llevadas a cabo de conformidad con ASTM E-1 19, Métodos de Prueba Estándar para Pruebas contra Fuego en la Construcción y Materiales de un Edificio como soporte de IEEE Std. 979-1994, Guía para la Protección contra el Fuego de una Subestación. El montaje de muro cortafuego soportó la prueba de resistencia al fuego sin que pasaran flamas y gases lo suficientemente calientes para prender desperdicios de algodón durante cuatros horas de exposición al fuego. El montaje también soportó una corriente de agua de 45 psi por cinco minutos inmediatamente después del periodo de cuatro horas de exposición al fuego. Éste es un requerimiento mecánico exigente, ya que los muros cortafuego deben mantener su integridad antes, durante y después de un incendio, según la definición del Código de Construcción Universal de un verdadero muro cortafuego.

Description

MATERIAL REFRACTARIO CON FIBRAS DE ACERO INOXIDABLE Y ORGÁNICAS CAMPO DE LA INVENCIÓN Esta invención se refiere generalmente a materiales refractarios y grandes muros cortafuego hechos de dichos materiales refractarios.
ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN Los grandes muros cortafuego, tales como los muros cortafuego capaces de proporcionar protección contra incendios en refinerías de aceite y grandes transformadores eléctricos están tradicionalmente hechos de concreto ordinario. El problema con los muros cortafuego construidos de concreto ordinario es que deben ser extremadamente gruesos para soportar adecuadamente las altas temperaturas creadas de grandes incendios de charcos de hidrocarburo con largas duraciones (típicamente a 1 ,093°C y que duran seis horas o más).
Por consiguiente, existe una necesidad de tener nuevos materiales de los cuales se puedan crear grandes muros cortafuego que proporcionen suficiente protección contra grandes incendios de muy larga duración sin requerir de un espesor excesivo para cumplir simultáneamente con estrictos requerimientos mecánicos.
SUMARIO DE LA INVENCIÓN La invención satisface esta necesidad. Esta invención es una composición refractaria que comprende un cemento, un enlazante y un material matriz, en donde el material matriz comprende tanto fibras de acero inoxidable como fibras orgánicas. El material refractario puede ser fácilmente moldeado sin refuerzo de acero adicional en grandes paneles de muro cortafuego capaces de cumplir con los requerimientos de las pruebas llevadas a cabo de conformidad con ASTM E-119, Métodos de Prueba Estándar para Pruebas contra Fuego en la Construcción y Materiales de un Edificio como soporte de IEEE Std. 979-1994, Gula para la Protección contra el Fuego de una Subestación. El montaje de muro cortafuego soportó la prueba de resistencia al fuego sin que pasaran flamas y gases lo suficientemente calientes para prender desperdicios de algodón durante cuatro horas de exposición al fuego. El montaje también soportó una corriente de agua de 45 psi por cinco minutos inmediatamente después del período de cuatro horas de exposición al fuego. Éste es un requerimiento mecánico exigente, ya que todos los muros cortafuego deben mantener su integridad antes, durante y después de un incendio, según la definición del Código de Construcción Universal de un verdadero muro cortafuego.
BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS Éstas y otras características, aspectos y ventajas de la presente invención serán mejor entendidas con referencia a la siguiente descripción, reivindicaciones adjuntas y dibujos que las acompañan, donde: La Figura 1 es una vista lateral de un muro cortafuego que tiene características de la invención.
La Figura 2 es una vista en perspectiva de un muro cortafuego parcialmente terminado que tiene características de la invención.
La Figura 2A es una vista transversal de una viga vertical de la Figura 1 , que muestra la inserción de dos muros colocados en lados opuestos de la viga vertical.
La Figura 2B es una vista transversal de una primera alternativa de una viga vertical, que muestra la inserción de dos muros colocados en ángulos rectos con respecto uno al otro.
La Figura 2C es una vista transversal de una segunda alternativa de una viga vertical, que muestra la inserción de tres muros en la viga vertical.
La Figura 2D es una vista transversal de una tercera alternativa de una viga vertical, que muestra la inserción de cuatro muros en la viga vertical.
La Figura 3 es una vista detallada en plano de una viga vertical que se puede usar en la invención.
La Figura 4 es una vista lateral que muestra una varilla de refuerzo colocada dentro de la viga vertical ilustrada en la Figura 3.
La Figura 5 es una vista frontal que muestra la varilla de refuerzo colocada dentro de la viga vertical ilustrada en la Figura 3.
La Figura 6 es un diagrama de atado de varilla para refuerzo de varilla que se puede usar en una viga vertical dentro de la invención.
La Figura 7 es una vista en plano de una viga vertical que se puede usar en la invención que muestra la unión de la viga vertical a la placa base.
La Figura 8 es una vista transversal de la viga vertical ilustrada en la Figura 7, tomada a lo largo de la línea 8-8.
La Figura 9 es una vista transversal de la viga vertical ilustrada en la Figura 8, tomada a lo largo de la línea 9-9.
La Figura 10 es una vista detallada de la unión de la placa base al refuerzo de varilla dentro de la viga vertical ilustrada en la Figura 8.
La Figura 11 es una vista frontal que ilustra la instalación de una viga vertical que se puede usar en la invención en un cimiento.
La Figura 12 es una vista lateral que ilustra la instalación de la viga vertical ilustrada en la Figura 11.
La Figura 13 es una vista en plano de la viga vertical que muestra un cerramiento para la protección de su placa base.
La Figura 14 es una vista transversal de la viga vertical ilustrada en la Figura 13, tomada a lo largo de la línea 14-14.
La Figura 15 es una vista lateral de la viga vertical ilustrada en la Figura 13.
La Figura 16 es una segunda vista en plano de una viga vertical que tiene una placa base protegida por un cerramiento protector.
La Figura 17 es una vista transversal de la viga vertical ilustrada en la Figura 16, tomada a lo largo de la línea 17-17.
La Figura 18 es una vista frontal de la viga vertical ilustrada en las Figuras 13 y 16.
La Figura 19 es una vista posterior de la viga vertical ilustrada en la Figura 13.
La Figura 20 es una vista lateral de una fibra de acero inoxidable que se puede usar en la invención.
DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LA INVENCIÓN La siguiente discusión describe en detalle una modalidad de la invención y diversas variaciones de esa modalidad. Sin embargo, esta discusión no debe ser interpretada como limitante de la invención a esas modalidades particulares. Los practicantes con habilidad en la técnica también reconocerán otras numerosas modalidades.
La invención es un material refractario que comprende un cemento, un enlazante, agua y un material matriz. El material matriz comprende tanto fibras de acero inoxidable como fibras orgánicas.
El cemento puede ser cualquier cemento apropiado, tal como el cemento Portland. El enlazante puede ser cualquier enlazante apropiado, tal como silicato de calcio o silicato de aluminio.
Cuando el material refractario comprende silicato de calcio y cemento Portland, el contenido de agua típicamente está entre aproximadamente 10% y aproximadamente 15% del peso combinado del silicato de calcio, el cemento Portland y el agua, más típicamente entre aproximadamente 11% y aproximadamente 12%.
Además de las fibras de acero inoxidable y fibras orgánicas, la matriz típicamente comprende una variedad de otros rellenadores minerales. Una pre-mezcla típica de cemento, enlazante y la porción de no acero inoxidable y no orgánica de la matriz contiene 40% a 60% (en peso) de óxido de aluminio, 0% a 20% (en peso) de silicato de aluminio, hasta 30% de cemento, cantidades menores de sílice de cristobalita y sílice de cuarzo y agua.
Un ejemplo de dicha pre-mezcla típica contiene 44.5% (en peso) de dióxido de sílice, 34.1% (en peso) de óxido de aluminio, 16.5% (en peso) de óxido de calcio, 1.8& (en peso) de óxido férrico y 13% de agua. Esta pre-mezcla ejemplar es capaz de formar un concreto que tiene las siguientes características típicas: Cambio Lineal Permanente Después de calentar a: 110°C -0.10 425°C -0.15 650°C -0.30 Densidad g/cm kg/mJ pcf Después de calentar a 110°C 2.12 2120 132 425°C 2.10 2100 131 650°C 2.08 2080 130 Módulo de Ruptura MPa kg/cm psi Como fue curado: 8.00 81.58 1160 Después de calentar a 1 10°C 8.62 87.91 1250 425°C 6.55 66.81 950 650°C 4.48 45.71 650 Fuerza de Aplastamiento en Frío MPa kg/cm psi Como fue curado: 1 día 31.0 316.46 4500 3 días 37.9 386.78 5500 7 días 39.3 400.84 5700 28 días 50.0 499.30 7100 Conductividad Térmica W/m °K (Método de Hilo Caliente ASTM C-1113) Después de calentar a: 100°C 1.17 250°C 1.15 450°C 1.26 600°C 1.27 Coeficiente de Expansión Térmica De 38°C - 871°C 6.72 x I OVC En la matriz, se usa el acero inoxidable en lugar de acero ordinario debido a la mayor resistencia a la temperatura, mayor fuerza, características de no-corrosión y propiedades no-magnéticas del acero inoxidable.
Las fibras de acero inoxidable pueden ser fibras de acero inoxidable tipo 304. Otros tipos de acero inoxidable de la Serie 300 también pueden ser usados para hacer las fibras, tales como: 301 , 302, 303, 309, 316, 321 y 347. Típicamente, el porcentaje de peso de las fibras de acero inoxidable dentro de la mezcla refractaria seca (antes de que se añada el agua) está entre aproximadamente 1.2% y aproximadamente 1.6% (en peso) de la mezcla refractaria seca.
Las fibras de acero inoxidable son preferiblemente corrugadas para incrementar el área de superficie efectiva de las fibras y para facilitar su enlace y unión dentro de la matriz. En una modalidad de la invención, cada una de las fibras de acero inoxidable tiene una longitud de aproximadamente 2.54 cm, un ancho de aproximadamente 0.11 cm y un espesor de aproximadamente 0.05 cm. Estas fibras de acero inoxidable ejemplares son corrugadas tal como la fibra de acero inoxidable 2 ilustrada en la Figura 20. Cada partícula de acero inoxidable 2 tiene una sección base 4 que tiene una longitud de aproximadamente 0.46 cm, seguida nueve corrugaciones alternadas positivas y negativas 6. Cada corrugación 6 tiene una altura h de aproximadamente 0.0191 cm y una longitud I de aproximadamente 0.20 cm de largo. Después de la serie de 9 corrugaciones, la partícula termina con una segunda sección base 8 colocada de manera opuesta que tiene una longitud de aproximadamente 0.25 cm. Dichas fibras de acero inoxidable se pueden adquirir con Fibercon International de Evans City, Pennsylvania.
Las fibras orgánicas son importantes en el material refractario para proporcionar diminutos canales (al derretirse durante un incendio) para facilitar la ventilación de gas sin fracturar el material refractario. Estas fibras también mitigan la formación de grietas durante el curado.
Las fibras orgánicas pueden comprender fibras de polipropileno, preferiblemente más de 90% de fibras de polipropileno. Típicamente, al menos aproximadamente 90% de las fibras orgánicas tienen una longitud entre aproximadamente 0.50 cm y aproximadamente 0.76 cm y un diámetro entre aproximadamente 0.002 cm y aproximadamente 0.005 cm.
Típicamente, las fibras orgánicas son aproximadamente 1% en peso de la mezcla refractaria seca. Las fibras tienen una variedad de formas y no son necesariamente lineales. La longitud de cada una de las fibras orgánicas es más típicamente de 0.63 cm. Típicamente, las fibras tienen una sección transversal circular relativamente constante con un diámetro entre aproximadamente 0.002 cm y aproximadamente 0.010 cm. En una modalidad típica de la invención, las fibras orgánicas de menor diámetro superan por mucho a las fibras orgánicas de mayor diámetro, por ejemplo por al menos una proporción de 50:1. Dichas fibras orgánicas se pueden adquirir con Allied Mineral de Columbus, Ohio.
Tanto las fibras de acero inoxidable como las fibras orgánicas están orientadas aleatoriamente dentro del material refractario.
Los paneles refractarios 10 pueden ser convenientemente moldeados a partir del material refractario de la invención. El tiempo de curado incluso para paneles muy grandes 10 es tan corto como 12 horas a temperatura ambiente. El secado en horno no es requerido.
Un material refractario típico de la invención tiene las siguientes características: 1. Propiedades mecánicas a temperatura ambiente: a. Gravedad específica: 134 pcf b. Módulo de elasticidad, E, ksi: 2,500 - 5,000 Sin reforzar (UR); 15,000 - 25,000 Acero Reforzado (SR) c. Resistencia al corte, Fv, ksi (reportado como Módulo de Ruptura para cerámicas y materiales refractarios): 1.1 (UR); 14.4 (SR) d. Resistencia a la flexión Fb, ksi: No aplica para matriz UR; 34.8 (SR) e. Fuerza de tensión y compresión, F, y Fe ksi: 5.25 (UR - compresión; F, < 290 psi, por lo tanto no se usa normalmente para caracterizar materiales no elásticos); 52 tensión y 48 compresión (SR) . Conductividad eléctrica y otras propiedades eléctricas (UR): Rigidez dieléctrica = 90 v/mil; Constante dieléctrica aproximadamente 5; Resistividad = 52 x 1010 ohm-cm . Propiedades térmicas: a. Conductividad térmica (Método de Alambre Caliente ASTM C-1 113) Después de calentar a . W/m °K 204°C 0.6' 426°C 0.63 648°C 0.68 996°C 0.71 b. Coeficiente de expansión térmica De 38°C a 1093°C 6.72 x 10"6 / °C c. Requerimiento de resistencia al fuego 1 ,205°C temperatura de trabajo d. Fuerza mecánica a altas temperaturas: Módulo de Ruptura (no reforzado) MPa kq/cm2 psi Como fue curado: 7.58 77.36 1 100 Después de calentar a: 1 10°C 8.27 84.39 1200 540°C 4.48 45.71 650 1205°C 7.58 77.36 1100 Resistencia al Aplastamiento en Frío (no reforzado) MPa kg/cm2 psi Como fue curado: 1 día 36.20 369.2 5250 3 días 39.92 407.2 5790 7 días 39.78 405.8 5770 28 días 39.30 400.0 5700 Después de calentar a: 110°C 38.61 393.8 5600 540°C 29.17 297.5 4230 1205°C 38.27 390.3 5550 La composición refractaria de la invención puede ser convenientemente moldeada en una variedad infinita de formas. Por ejemplo, la composición refractaria de la invención puede ser moldeada en grandes paneles 10 apropiados para su uso en la construcción de muros cortafuego de alta temperatura. Dichos grandes paneles 10 típicamente tienen entre aproximadamente 1.5 5 metros y aproximadamente 3.05 metros de longitud, entre aproximadamente 0.60 metros y aproximadamente 1.5 metros de ancho y entre aproximadamente 2.54 centímetros y aproximadamente 7.62 centímetros de espesor. Dichos paneles 10 típicamente pesan entre aproximadamente 181 kilogramos y aproximadamente 363 kilogramos. 10 El material refractario de la invención puede ser convenientemente mezclado dentro de una mezcladora de cemento ordinaria. Después de mezclar adecuadamente todos los ingredientes, la mezcla húmeda se puede entonces verter en moldes. Los moldes son preferiblemente vibrados suavemente para eliminar las bolsas de aire y para distribuir uniformemente las fibras de acero inoxidable. ?5 Sorprendentemente, incluso dichos grandes paneles 10 no requieren un refuerzo de acero adicional dentro del panel, tal como marcos de acero y jaulas de varilla. De hecho, se ha encontrado que el uso de dicho refuerzo de acero adicional puede ser perjudicial para la integridad del panel 10 cuando se somete a un alto calor seguido de un rápido enfriamiento. Los paneles 10 20 que tienen refuerzo de acero adicional se pueden agrietar fácilmente durante el enfriamiento debido a la disparidad en coeficientes de expansión entre el refuerzo de acero adicional y la composición refractaria.
Los muros cortafuego 16 fabricados con dichos grandes paneles 10 pueden comprender 5 una pluralidad de paneles 10 colocados entre las vigas verticales 12, tal como se ¡lustra en las Figuras 1 y 2. Tanto los paneles 10 como las vigas verticales 12 se pueden moldear a partir del material refractario de la invención.
Las vigas verticales 12 típicamente pesan más de 2.3 toneladas. Cada viga vertical 12 preferiblemente comprende una ranura 14 en la cual una pluralidad de paneles 10 pueden ser apilados uno sobre el otro para formar muros cortafuego 16 de diversas formas (ver Figuras 2A-2B y 3).
A diferencia de los paneles 10 moldeados a partir del material refractario de la invención, las vigas verticales 12 moldeadas a partir del material refractario están típicamente reforzadas con jaulas de varilla 18 en la misma manera que las varillas de concreto ordinarias están reforzadas con jaulas de varilla (ver Figuras 4, 5, 6, 8 y 9).
Las vigas verticales 12 típicamente están unidas a un cimiento de concreto tradicional 20 usando una placa base 22 que está soldada a las barras de refuerzo de acero 24 colocadas dentro de las vigas verticales 12 (ver Figura 10). La placa base 22 está hecha de acero y está unida al cimiento usando tornillos de acero 26 y por lo tanto debe estar protegida en caso de incendio. Dicha protección puede ser proporcionada mediante la instalación de una cubierta de placa base 28 hecha del material refractario de la invención alrededor de cada una de las placas base 22 (ver Figuras 13-17).
Alternativamente, las vigas verticales 12 pueden ser vigas I o vigas H estándar (no mostradas) que han sido revestidas con el material refractario de la invención.
Se puede crear una puerta opcional (no mostrada) dentro del muro cortafuego 16. Dicha puerta puede ser usada como acceso para el personal de mantenimiento. La puerta puede estar hecha de paneles cortos del presente material refractario y puede estar hecha para que se deslice en un marco de puerta. Típicamente, la puerta está localizada junto a una viga vertical 12 con bisagras para la puerta unidas a la viga 12.
Dicho muros cortafuego modulares 16 proporcionan un fácil montaje y desmontaje en el sitio y son completamente removibles. Las características modulares del muro cortafuego 16 simplifican la especificación, montaje y desmontaje y minimizan los costos de fabricación y aislamiento sin comprometer el desempeño térmico o mecánico.
Se ha encontrado que los grandes muros cortafuego 16 de la invención cumplen con los estándares para una clasificación de cuatro horas de conformidad con ASTM E-119, como se menciona anteriormente.
El material refractario de la invención proporciona muchas ventajas sobre la mayoría de. los materiales refractarios de la técnica anterior. La invención proporciona un material refractario de gran fuerza que tiene excelente resistencia al fuego. La expansión y contracción entre las temperaturas inferiores al punto de congelamiento y las temperaturas superiores a 900°C son relativamente pequeñas. El material refractario es resistente a la corrosión, al moho, la podredumbre y la infestación; es impermeable a la humedad, el aire y otros gases. El agrietamiento durante el curado es mínimo, así como el agrietamiento durante el incremento inicial de la temperatura (hasta aproximadamente 150°C) y cuando se somete a altas temperaturas (temperaturas superiores a los 150°C). El material refractario tiene incorporada la habilidad de liberar los gases atrapados en temperaturas medias y altas. El material refractario puede ser curado completamente a temperatura y presión ambiente.

Claims (20)

  1. REIVINDICACIONES 1. Una composición refractaria que comprende: (a) un cemento, (b) un enlazante y (c) un material matriz que comprende fibras de acero inoxidable y fibras orgánicas.
  2. 2. La composición refractaria de conformidad con la reivindicación 1 , en donde la composición refractaria comprende un silicato y cemento Portland.
  3. 3. La composición refractaria de conformidad con la reivindicación 1 , en donde la composición refractaria comprende además agua, el porcentaje de peso del agua siendo entre aproximadamente 10% y aproximadamente 15% del peso combinado del cemento, enlazante y agua.
  4. 4. La composición refractaria de conformidad con la reivindicación 1 , en donde las fibras de acero inoxidable y las fibras orgánicas están orientadas aleatoriamente.
  5. 5. La composición refractaria de conformidad con la reivindicación 1 , en donde las fibras de acero inoxidable comprenden entre aproximadamente 1.2% y aproximadamente 1 .6% en peso de la composición refractaria menos su contenido en agua.
  6. 6. La composición refractaria de conformidad con la reivindicación 1 , en donde las fibras de acero inoxidable tienen una longitud entre aproximadamente 2.03 centímetros y 3.05 centímetros, un ancho entre aproximadamente 0.10 centímetros y aproximadamente 0.15 centímetros y un espesor entre aproximadamente 0.045 centímetros y aproximadamente 0.055 centímetros.
  7. 7. La composición refractaria de conformidad con la reivindicación 1 , en donde las fibras de acero inoxidable son corrugadas.
  8. 8. La composición refractaria de conformidad con la reivindicación 1 , en donde las fibras orgánicas son fibras de polipropileno.
  9. 9. La composición refractaria de conformidad con la reivindicación 1 , en donde las fibras orgánicas tienen una longitud entre aproximadamente 0.50 centímetros y 0.76 centímetros y un diámetro entre aproximadamente 0.0025 centímetros y aproximadamente 0.0051 centímetros.
  10. 10. Una composición refractaria que comprende: (a) un cemento Portland, (b) un silicato de calcio y (c) un material matriz que comprende: (i) fibras cilindricas de acero inoxidable que tienen una longitud entre aproximadamente 2.03 centímetros y aproximadamente 3.05 centímetros, un ancho entre aproximadamente 0.10 centímetros y aproximadamente 0.15 centímetros y un espesor entre aproximadamente 0.045 centímetros y aproximadamente 0.056 centímetros y (ii) fibras de polipropileno que tienen una longitud entre aproximadamente 0.50 centímetros y aproximadamente 0.76 centímetros y un diámetro entre aproximadamente 0.005 centímetros y aproximadamente 0.010 centímetros.
  11. 11. Un muro cortafuego que comprende una pluralidad de paneles colocados entre vigas verticales, tanto los paneles como las vigas verticales estando moldeados a partir de una composición refractaria que comprende: (a) un cemento, (b) un enlazante y (c) un material matriz que comprende fibras cilindricas de acero inoxidable y fibras de polipropileno.
  12. 12. El muro cortafuego de conformidad con la reivindicación 11 , en donde los paneles tienen un par de orillas de extremo opuesto y en donde las vigas verticales comprenden una ranura en la cual una orilla de cada panel es colocada.
  13. 13. El muro cortafuego de conformidad con la reivindicación 11 , en donde los paneles no contienen un refuerzo de acero adicional.
  14. 14. El muro cortafuego de conformidad con la reivindicación 11 , en donde las vigas verticales comprenden una placa base de acero y en donde la placa base de acero está encapsulada por un molde de caja de la composición refractaria.
  15. 15. El muro cortafuego de conformidad con la reivindicación 11 , en donde la composición refractaria comprende un silicato y un cemento Portland.
  16. 16. El muro cortafuego de conformidad con la reivindicación 11 , en donde la composición refractaria comprende además agua, el porcentaje de peso del agua estando entre aproximadamente 10% y aproximadamente 15% del peso combinado del cemento, enlazante y agua.
  17. 17. El muro cortafuego de conformidad con la reivindicación 11 , en donde las fibras de acero inoxidable están orientadas aleatoriamente.
  18. 18. El muro cortafuego de conformidad con la reivindicación 11 , en donde las fibras de acero inoxidable tienen una longitud entre aproximadamente 2.03 centímetros y aproximadamente 3.05 centímetros, un ancho entre aproximadamente 0.10 centímetros y aproximadamente 0.15 centímetros y un espesor entre aproximadamente 0.045 centímetros y aproximadamente 0.056 centímetros.
  19. 19. El muro cortafuego de conformidad con la reivindicación 11 , en donde las fibras de acero inoxidable son corrugadas.
  20. 20. El muro cortafuego de conformidad con la reivindicación 11 , en donde las fibras orgánicas son fibras de polipropileno y en donde las fibras orgánicas tienen una longitud entre aproximadamente 0.50 centímetros y aproximadamente 0.76 centímetros y un diámetro entre aproximadamente 0.005 centímetros y aproximadamente 0.010 centímetros.
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