Топочная печь. Футеровка печей: материалы, технология. Футеровка шамотным кирпичом печи


Топочная печь. Футеровка печей: материалы, технология

В проектировании топочных печей основное внимание уделяется конструкционному исполнению, работе отдельных компонентов сооружения и обеспечению дымоотводящей функции. Изначально рассчитываются и материалы для изготовления конструкции, поскольку специфика ее эксплуатации обуславливает жесткие требования к характеристикам агрегата. При этом далеко не всегда основной материал способен справиться с тепловыми воздействиями, на которые рассчитывается конкретная печь. Футеровка, как технологическая операция дополнительной обработки, позволяет и минимизировать термические негативные факторы, и предотвратить механические повреждения конструкции.

В каких случаях выполняется футеровка?

Первоначальный выбор стройматериала для технической реализации конструкции делается с учетом его способности справляться с эксплуатационными нагрузками. Как отмечалось выше, базовых характеристик бывает недостаточно. Использовать дополнительные термоизоляционные материалы необходимо в отдельных случаях, связанных с увеличением температурных нагрузок на поверхности конструкции. В частности, это относится к печам, рассчитанным на работу в режимах длительной топки. Также повышенные температуры дает высококалорийное топливо, хотя такие агрегаты используются редко и преимущественно на предприятиях.

Что касается бытовых печных сооружений, то они, как правило, не требуют выполнения дополнительных защитных покрытий, но только если речь идет о конструкциях малых и средних размеров. Иначе дело обстоит, если рассматривается массивная русская печь. Футеровка в данном случае позволяет обеспечить защитой функциональные области, которые также могут использоваться для приготовления пищи.

Основные материалы для футеровки

Классическим материалом для футеровки печники считают огнеупорный шамотный кирпич. С его помощью формируется внешняя экранированная защита. Такой вариант подходит для банных печей, которым требуется в некотором роде полная тепловая изоляция. В обычном исполнении огнеупорная футеровка шамотом представляет собой обкладку топочной части с целью защиты от повышенных температур.

По мере развития технологий появились и другие средства обеспечения защиты печных сооружений. Так, если раньше готовили бетонные растворы, из которых в дальнейшем укладывалась обычная штукатурка, то в современном виде этот же способ выглядит несколько иначе. Главное отличие заключается в том, что смесь наносится на раскаленную поверхность по технологии торкретирования. То есть жаростойкий бетон наносят на целевую поверхность послойно, используя пневматические средства на основе сжатого воздуха.

Рулонная футеровка

Принципиальным отличием от классических обмазок и кладок с теплоизоляционной функцией обладают рулонные покрытия. Во-первых, они отличаются легкостью нанесения. Во-вторых, покрытие отнимает минимум пространства, увеличивая толщину конструкции не более чем на 1 см. Для сравнения, жаростойкий бетон в виде штукатурки наращивает толщину стен печной конструкции на 1-2 см, а кирпич по этому показателю может достигать 10 см. Рулонный материал представлен в нескольких видах, как правило, на бумажной огнестойкой основе.

Наибольшее распространение в этом сегменте получила муллитокремнеземистая каолиновая вата, которую получают в результате плавления кремния и оксида в электропечи. На практике использования отмечается, что данный материал обладает низкой теплопроводностью и в то же время повышенной теплоустойчивостью. Также каолиновые термоизоляционные материалы не подвергаются разрушению под действием химических веществ, за что их ценят на промышленных производствах.

Особенности защиты индукционной печи

Для начала надо отметить, что необходимость в выполнении футеровки индукционных печей возникает не по причине слабости конструкции перед термическими ударами, а в силу специфики их применения. Такие агрегаты используются для плавки металлов под высокими температурами, поэтому для их защиты применяются специальные средства в виде сухих смесей. В сущности, это классическая обмазка, но состав для массы кардинально отличается от бетонных растворов. Так, футеровка индукционных печей, которые плавят низколегированную и углеродистую сталь, предусматривает использование шпинелеобразующих масс. Последние, к слову, отличаются стойкостью к образованию шлака. Агрегаты для плавки чугуна обрабатывают кварцитовыми составами, а если к этому металлу добавляются и цветные марки со сталью, то технологи вносят в рецепт футеровки и муллитообразующие компоненты.

Технология выполнения

Существуют разные техники и подходы к выполнению футеровки, которые отличаются охватом поверхностей и способом нанесения изоляционного материала. Защитная облицовка может быть наружной и внутренней. Внешняя футеровка обычно наносится по всей высоте – от дна до венчающих краев. Внутренняя отделка может предусматривать защиту рабочих поверхностей, контактирующих как с пламенем напрямую, так и с дымом в виде отходящих высокотемпературных газов. Наибольший эффект дают схемы защиты, которые комплексно изолируют печь. Футеровка выполняется только на очищенных поверхностях. Подготовка материала, как правило, предусматривает разбавление активных веществ в растворителях. Таким образом, формируется смесь для обмазки, которая посредством традиционных облицовочных инструментов наносится на поверхности сооружения. Кирпич, в свою очередь, укладывается по типовым схемам в соответствии с требованиями к защите конструкций.

Заключение

Внешние покрытия печей должны не только обеспечивать стойкость перед тепловыми воздействиями, но и предусматривать защиту от других факторов. К примеру, в условиях производственных помещений возрастает риск механических воздействий, которым может подвергаться печь. Футеровка в данном случае предполагает и выполнение задач физической защиты конструкции. Поэтому в смеси могут добавляться специальные пластификаторы, модифицирующие прочностные качества состава. Но это относится только к средствам создания внешней тепловой изоляции, а внутренние покрытия полностью ориентируются на формирование эффективных температурных экранов.

fb.ru

Футеровка печей: что это такое

Печи возводят из огнеупорных материалов. Но из-за того, что при сжигании топлива образуется очень высокая температура, достигая несколько сотен градусов, этот материал не в силах ей противостоять. Для защиты наружных стенок внутри печи обустраивают футеровку.

Что такое футеровка

Футеровка - это оболочка из кирпича, которая обустраивается внутри топки. Она очень устойчива к воздействию даже самых высоких температур. Это позволяет печке служить многие годы, потому что она защищена от перегрева.

Футеровку нельзя рассматривать как самостоятельный элемент, потому что она тесно взаимодействует и с материалами, из которых выложена печь, и с внутренней средой топки, в которой осуществляется процесс горения.

Футеровка может представлять собой не только выкладку из кирпича, но и из других материалов. В качестве таких материалов выделяют три вида огнеупорных веществ, различающиеся по своим химическим свойствам:

  • Кислые.
  • Основные.
  • Нейтральные.

У них происходит разная реакция на вещества, которые возникают в процессе горения топлива.

Футеровку производят только тогда, когда будут проведены все инженерные расчеты и будет выбран материал для нее. С помощью этого расчета добиваются максимального эффекта, учитывая особенности материала и самой печи. Кроме того, футеровка защищает различные элементы печи от химического и механического воздействия.

Способы теплозащиты печи

Поверхность внутри топки можно защитить двумя способами:

  • Используя материал с низкой проводимостью тепла, которым обрабатывают внутреннюю поверхность топки.
  • Используя защитные экраны, отражающие тепловое излучение. В этом случае тепло от излучения выводится из печи вместе с дымом.

Стоит обратить внимание, что первый способ предусматривает не теплоизоляцию, а теплозащиту. При теплоизоляции тепло, которое выделяет печь, остается внутри нее. А теплозащита предохраняет от излучения определенный участок печной конструкции, выводя из нее тепло. Поэтому при футеровке применяются теплоизоляционные материалы.

Использование шамотного кирпича

В недалеком прошлом печи делались в основном из обычных кирпичей, которые под воздействием высоких температур очень быстро приходили в негодность. Потом довольно продолжительное время вместо них стал использоваться кирпич с более плотной структурой. В настоящее время набирает популярность шамотный кирпич. Делается он из глины, которую смешивают с порошком из обожженной глины и затем обжигают при высоких температурах.

Шамотный кирпич является идеальным вариантом для футеровки печных сооружений. Отличается он от обычных кирпичей отличными теплозащитными свойствами. Футеровка подразумевает обкладывание внутренней поверхности печи именно таким кирпичом.

Футеровка кирпичной печи

Футеровка кирпичной печи обладает некоторыми особенностями. Ее нельзя укладывать слишком близко к кирпичам, которые являются элементами наружных стенок. Дело в том, что печка раскаляется очень сильно и возникает растрескивание под воздействием высоких температур. Горячие внутренние слои выталкивают со своих мест холодные наружные. Внешние стенки, сохраняющие форму печи, начинают расходиться в стороны из-за воздействия расширенных внутренних слоев. Кирпичи покрываются трещинами, а отдельные могут даже разрушаться. Это может способствовать проникновению угарного газа в помещение.

Ситуация может усугубиться тем, что применяемая для соединения наружного слоя кирпичей глина обладает небольшой адгезией и при нагревании расширяется сильнее, чем сам кирпич. В результате перегревания шов разрушается.

Именно поэтому при постройке печной конструкции применяют пластичный раствор с последующим его испытанием. Для этого два кирпича соединяют друг с другом с помощью этого раствора и обжигают при большой температуре. Этим проверяется адгезия раствора, расширение и растрескивание. Если все нормально, раствор можно использовать для всей конструкции.

При футеровке металлических печей следует обратить внимание на тот факт, что металл под воздействием высоких температур расширяется сильнее кирпича. Поэтому обязательно делают зазор для теплового расширения между слоем футеровки и печными металлическими стенками, иначе при нагревании металла футеровка часто разрушается. Чтобы уплотнить зазор, используют базальтовую вату в виде полотна или жгутов. При расположении печки не в жилом доме вместо базальтовой ваты можно использовать асбест.

Металлические печи часто обкладывают кирпичом как снаружи, так и внутри, чтобы улучшить прогрев печи и ее безопасность. Однако такой способ считается ошибочным, потому что:

  • Кирпич характеризуется низкой теплопроводностью и высокой теплоемкостью, в результате чего тепло, возникающее от сгорания топлива, остается внутри топки и уходит вместе с дымом.
  • В таком случае печная поверхность лишается доступа воздуха для отведения тепла, что приводит к прогару стенок. В результате этого в помещение может проникнуть угарный газ, что опасно для жизни.

Таким образом, футеровка печи делается для того, что она не разрушилась из-за воздействия высоких температур. Самое главное - использовать качественный материал, чтобы печь могла прослужить еще долго.

pechi.guru

Футеровка печей своими руками

Печи, предназначенные для отопления жилых помещений, могут иметь разные формы, размеры, другие конструктивные особенности. Исходя из назначения и технических характеристик, принимают решение о необходимости облицовки топливников.

Когда требуется

Топливники малых бытовых печей, которые работают в обычном режиме, облицовывать не рекомендуют – так они лучше справляются с задачами обогрева помещения при небольшом расходе топлива.

Футеровка печей может потребоваться для следующих типов изделий:

  1. Печи, предназначенные для эксплуатации в режиме длительного использования.
  2. Печи, в которых используется высококалорийное топливо.
  3. Большие бытовые печи.
  4. Жаровые камеры русских печей, которые используются для приготовления пищи.
  5. Печи, в которых дымовые каналы располагаются вдоль стенок топливника.

Топливники жаровых камер русских печей облицовывают красным кирпичом, для остальных видов печей используют огнеупорный кирпич.

Способы

Облицовка печи может быть внутренней и наружной. Внутренняя служит защитой топливника печи от перегрева, наружная предназначается для придания достойного внешнего вида.

Внутренняя отделка выполняется из огнеупорных материалов, способных противостоять высокотемпературным воздействиям в течение длительного времени. Кирпич выкладывают на ребро вдоль стенок топливника, при этом кладка из огнеупорного кирпича стыкуется с основной кладкой топливника одним вертикальным швом, но не перевязывается. Такой способ позволяет защитить стенки топливника от перегрева и существенно продлевает срок эксплуатации печи.

В зависимости от назначения печи для отделки могут использоваться защитные экраны, способные поглощать лучистые потоки. Если печь используется для приготовления пищи, такие экраны устанавливаются внутри топливника, где они способствуют быстрому прогреву дымовых газов или воздуха, подаваемого в топку. С этой же целью внутренние стенки топливника могут облицовываться огнестойкими материалами с низкой теплопроводностью. Экраны, установленные снаружи, предназначаются для создания необходимого уровня теплозащиты. Иными словами, такая отделка гарантирует сохранение тепла внутри печи, не допуская перегрева внешней поверхности.

Для наружной отделки бытовых печей используются самые различные материалы. Самый простой и практичный способ наружной облицовки – штукатурка печи. Именно этот вид отделки чаще всего используется для облицовки стенок печей бытового назначения.

Нередко для оформления наружной стороны печки используют кирпич или декоративные панели из натуральных или искусственных материалов. Традиционно печи отделывают изразцами, но это один из самых дорогих способов. Готовые изразцы можно приобрести в специализированных магазинах, но для правильной установки такого оформления потребуется специалист. Без определенных навыков довольно сложно правильно сделать обрамление для бытовой печи.

Советы

Футеровка печи своими руками практически невозможна, если нет определенных навыков и умений. Для правильного оформления требуется наличие опыта и знаний основ кладки печей, а также знание основных основ физики. Кладка печи требует ответственного подхода, что невозможно без наличия специальных навыков. Правильно сложенная печь может служить не только предметом интерьера, но и гарантией уюта и комфорта в доме.

Видео

Предлагаем вам посмотреть видеосюжет, посвященный облицовке печи снаружи.

www.stroitelstvosovety.ru

• Футеровка печей шамотным кирпичем и каолиновой ватой | ImhoDom.Ru

Футеровка печей — это конструкция , предназначенная для защиты рабочей камеры печи от воздействий окружающей среды. Выполнена из огнеупорных (защита от жара камеры), кислотоупорных (защита от агрессивных реагентов), теплоизоляционных (защита от перепада температур) и облицовочных материалов и изделий.

Обеспечивая нужную газоплотность в печи, она создает полную герметизацию, даже в условиях повышенного давления, или достаточную газоплотность, если давление в печи близко к атмосферному.

Футеровка печи позволяет продлить срок службы печи и улучшает строительную, механическую и геометрическую стойкость.

Реализация футеровки

Фасонный шамотный кирпич

Огнеупорность

1730 “С- класс А;1670 °С — класс Б;1580 “С- класс В.Основной минус конструкций из шамотного кирпича - большое количество видов огнеупорных кирпичей (до 80 типоразмеров), что очень усложняет монтаж обмуровки. Поэтому в современных печах стали в настоящее время стали в основном применять блочные обмуровки, состоящие из железобетона и жаростойкого бетона.

Сейчас все чаще используют не тяжелый кирпич, а облегченные теплоизоляционные и жаропрочные блоки.

Такой блок состоит из сборных теплоизоляционных плит, покрытых со стороны печки слоем жаростойкого бетона. Такие конструкции намного легче и дают возможность строить печи с более легким каркасом.

Требования к обмуровки:

  • работоспособность печей: 6-8 лет;
  • маленькие теплопотери, хорошие санитарно-гигиеничесике условия окружающей среды;
  • не допустить присосы воздуха в топку, а также боров печи и газоходы, камеру конвекции;
  • термостойкость и прочность;
  • минимальная масса, легко ремонтироватьс, низкая стоимость ремонта;
  • дешевые материалы.

Жаропрочный бетон используется, если среда не агрессивна, нет истирающих частиц в топорных газах. Температура в топке не более 1200 “С.

Жаропрочный бетон не обладает высокой механической прочностью. Применяются, как однослойные, так и многослойные панели, при этом толщина одного слоя не более 250 мм. 

Чтобы раствор не выподал из швов :

  1. сужают шов
  2. делают пазы в торце бетонной панели
  3. К основанию жаропрочных бетонных панелей крепят анкеры (шаг 350…500 мм). При этом привариват к металлоконструкции печи.

Весь вес и все температурные нагрузки футеровки, доплнительных конструкций передается именно на металлоконтсрукцию каркаса и кожуха. Трещины армируют сеткой.Несущим элементом являются консольные бетонные пояса.

Подвесная футеровка

Монтируется на стержнях и горизонтальных балках.

Неподвесная футеровка

Выполнена в виде стены. 

 

обратите внимание так же:

Каолиновая вата МКРР-130 выпускается в виде рулонов, цвет белый, легко рвется, теплопроводность очень низкая, применяется для набивки закрытых со всех сторон объемов.

Каолиновая вата и изделия на ее основе относятся к высокотемпературной теплоизоляции. Температура применения 1100-1250°С. Известны высоко глиноземистые и циркониевые волокна с температурой применения 1400 и 1600°С соответственно.

Сырьем для производства каолиновой ваты служат технический глинозем, содержащий 99% Al2O3 и чистый кварцевый песок. Расплав получают в пятиэлектродной руднотермической печи (tпл = 1750°С). Рабочее пространство печи состоит из зон плавления и выработки. Зона плавления оборудована тремя графитированными электродами, зона выработки - двумя. Струя расплава раздувается паром под давлением 0,6-0,8 МПа при помощи эжекционного сопла.

Средняя плотность каолиновой ваты 130 кг/куб.м. Теплопроводность каолиновой ваты зависит от температуры и уплотнения волокна при его монтаже. С уплотнением ваты, т.е. с уменьшением размера пор, теплопроводность при высоких температурах снижается за счет уменьшения теплопередачи лучеиспусканием и конвекцией.

В качестве связующих применяют силикатное (жидкое) стекло, глиноземистый цемент, огнеупорные глины, кремнеорганические связующие.

Каолиновая вата достаточно устойчива к вибрации, инертна к воде, водяному пару, маcлам и кислотам, обладает высокими электроизоляционными показателями, мало изменяющимися с повышением температуры до 700-800°С, не смачивается жидкими металлами. На основе каолиновой ваты выпускают рулонный материал и штучные изделия в виде плит и других изделий сложной формы.

Область применения каолиновой ваты.Огнеупорные волокна используют в виде комовой ваты и изделий. Изделия из огнеупорных волокон широко применяются в различных отраслях промышленности: для теплоизоляции миксеров, конверторов и воздухонагревателей металлургических производств, отжигательных печей и т. д.; для футеровки желобов и труб ; для набивки термокомпенсационных швов в печах и других тепловых агрегатах; для тепловой изоляции газовых турбин, современных энергетических установок с высокими тепловыми параметрами, трубопроводов перегретого пара, высокотемпературных печей, топок, паровых котлов, камер сжигания и теплообменников и т. п.

imhodom.ru

Футеровка печи кирпичом: как делают, срок службы

Практически все печи под действием большой температуры сильно разрушаются. Материалы для футеровки печей бывают разнообразные, но чаще всего для постройки рекомендуется воспользоваться огнеупорным кирпичом. Чтобы уменьшить разрушения конструкций от термических действий, проводятся футеровочные работы.

Что такое футеровка?

Футеровка печи — внутренняя кладка топочной конструкции, при которой используются футеровочные кирпичи. Главное качество — теплозащита, огнеустойчивость и продление срока службы печи и топки. Футеровка проводится не только из кирпичей, применяются другие материалы. Классификация зависит от веществ, которые вырабатывает топка в процессе своей работы. Различают 3 разновидности огнеупорных веществ:

  • кислые;
  • основные;
  • нейтральные.

Все работы по отделке проводятся только после проектного согласования чертежей и подбора материалов инженером-строителем. Материалы для футеровки изделия являются предохранителями топливной части и самой печи от механического и химического воздействия. Таким образом эта облицовка печи, камина или котла служит для предохранения стенок и свода конструкции от действия высоких температур при работе механизма.

Вернуться к оглавлению

Когда нужна футеровка? Материал использования

Огнеупорный кирпич используют для внутренней кладки.

Футеровка печей предназначена для предохранения материалов, из которых изготовлена сама печь, от деструктивных последствий перегрева конструкции. Проводится рабочими, используемый материал — огнеупорные кирпичи, но применяются и плиты по типу кирпича. При растапливании печи углями идет очень высокий нагрев стенок, особенно это чувствуется внизу топливника. Изделие дольше прослужит, если использовать в области топливника огнеупорный кирпич — у него выше коэффициент теплового расширения. Отступ при футеровке между кирпичной кладкой и стенками топки — не менее 5 мм. Это требуется при расширении материалов под действием температур.

Футерованные работы рекомендуются при использовании старой печи. Для них готовятся огнестойкие смеси, растворы, замазки. Производители сюда добавляют шамотные микроскопические волокна, связующие добавки, которые улучшают огнеупорные свойства футерованной конструкции. Такие смеси используют для затирки появившихся трещин.

Рекомендуется проводить футеровочные работы для таких конструкций:

  • большие бытовые или промышленные виды топочных изделий;
  • жаровые камеры;
  • топливные агрегаты, у которых жаровые проходы построены вдоль стенок топки;
  • при применении высококалорийного вида топлива.
Таким способом обкладывают саму топку.

Футерованные работы проводятся непосредственно внутри топки. Используются и защитные экраны с теплоизолирующим действием, которые влияют на процент нагрева производимых дымовых газов, вбирают в себя часть тепло-лучевых потоков, удаляют часть тепла через дымоход. Так как экраны поглощают часть выделяемого тепла, их не используют в печах, предназначенных для обогревания помещений.

Вернуться к оглавлению

Как делают футеровку печи кирпичом?

Перед стартом отделочных работ, необходимо подготовить поверхность. Ее очищают от грязи (золы, пыли и др.). Затем рабочие выкладывают кирпичную кладку, ставя кирпичики ребром к ребру. Кирпичная выкладка должна быть ровной, без перекосов и сдвигов вдоль стенок. Стыки замазываются заранее изготовленной смесью на основе шамота или специального раствора. Футерованный кирпич кладут с отступом от топки, особенно если сырье, использованное для изготовления топливного отсека — сталь или чугун. Футерованная работа трудоемка и кропотлива. Мастера, которые будут ее выполнять, должны обладать знаниями для чтения технической документации. Работы проводятся на основе рассчитанного и подготовленного под объект технического проекта, где прописаны требуемые материалы и нормы работ.

Глиняный кирпич не подходит для футеровочных работ, он быстро разрушится под действием высокой температуры.

Вернуться к оглавлению

Срок службы

Футерованное изделие — конструкция со специфической отделкой, продлевающей срок службы печи и отдельных деталей. Особенность барьера — защита от высоких температур и перепадов. Чем качественнее изначально была проведена футеровка, тем дольше долговечность конструкции. Хорошим сроком работы считается от 50 лет и выше. Все покрытия с течением времени изнашиваются, поэтому прочность и герметичность футеровки рекомендуют проверять 2—3 раза в год. Если образовались трещины и другие повреждения, мастера проводят реконструкцию футерованной печи. Монтаж футеровки печи — задача сложная, поэтому проектировать и подготавливать документацию к ней должен специалист в этой области.

etokirpichi.ru

Футеровка и облицовка печей | Дровяные печи | Отопительный модуль | Принципы конструирования бань

Защитить внутренние стенки топливников от чрезмерных тепловых нагрузок можно по-разному. Во-первых, их можно загородить изнутри экранами, поглощающими лучистые потоки. Если защитные экраны, нагревающиеся лучистым теплом, установлены снаружи топливника, то нагревают воздух в помещении. А если защитные экраны установлены внутри топливника, то нагревают дымовые газы (или специально подаваемый в зазор воздух). Во-вторых, стенки топливников можно облицевать изнутри низкотеплопроводным огнестойким материалом (обмуровать).

Имеется разница между теплоизоляционным и теплозащитным принципами. Теплоизоляция не выпускает тепло из нагретой зоны. А теплозащита защищает от воздействий тепла, исходящего из нагретой зоны. Экранировка представляет собой теплоизоляцию, если она установлена внутри топливника, и теплозащиту, если она установлена вне топливника. Теплозащита может не сберегать тепло, накопленное в нагретой зоне. Так, внешнее экранирование печей буквально «высасывает» тепло из печи, преобразуя его в нагретые потоки воздуха, но защищает человека от тепла, образующегося в печи. Причём внешний экран (кожух) защищает и от лучистого тепла, и от тепла прикосновения (ожога при касании).

В промышленности и технике футеровкой называют облицовку с целью защиты стенок аппаратов от тепловых нагрузок и/или от химических взаимодействий и/или от радиационных воздействий и/или от биологического разрушения и т. д. Для защиты топливников используется теплозащитная футеровка. При этом наибольший интерес представляет величина рабочей температуры материала футеровки (жаростойкость). Она определяется двумя факторами — огнеупорностью и термостойкостью. Огнеупорность — это способность материала противостоять, не расплавляясь, действию температуры. Термостойкость — способность материала противостоять, не разрушаясь, резким изменениям температуры (термоударам), то есть резким деформациям материала от быстрого неоднородного нагрева или охлаждения (И.А. Гузман, Химическая технология керамики, М.: РХТУ, 2003 г.). Термин же «огнестойкость» характеризует способность конструкций противостоять огневому воздействию пожара.

Массовому российскому дачнику ранее долгие годы был совсем не знаком иной кирпич для печей, кроме как обычный строительный по ГОСТ 530-95, предназначенный только для возведения строений и никак не нормируемый по жаростойкости. Используется этот строительный красный кирпич (глиняный обожжённый мокрого формования) для постройки печей и сейчас, но высоких марок от M150 до М300 (часто называемый в народе «печным»), хорошо показавший себя при возведении дымовых труб ввиду высокой морозостойкости (не ниже Мрз35). Этот кирпич уже вплотную приближается к кирпичу глиняному пластического прессования по ГОСТ 8426-75 для кладки промышленных дымовых труб с морозостойкостью от Мрз25 до Мрз50, прочностью от М125 до М300 и рабочей температурой до 700°С. В последние годы появился специальный «каминный» кирпич с повышенными декоративными свойствами, но менее морозостойкий и нетермостойкий («Lode» Латвия, «Terca» Эстония и Финляндия). Стал доступным дачникам и самый дешёвый огнеупор — шамотный кирпич для футеровки топок по ГОСТ 390-96. Его изготавливают из глин, содержащих не менее 28% AI2O3, методом брикетирования (окусковывания) исходной глины, сушки и обжига глиняных брикетов (крупки), размола обожженной глины (собственно и называемой шамотом) и отсева целевой фракции по ГОСТ 23037-99 (обычно с размером частиц 1-3 мм около 50% и менее 1 мм тоже около 50%), смешивания целевой фракции с исходной глиной, полусухого прессования в изделия необходимой формы, сушки и обжига при температуре (1350-1400)°С.

Вообще говоря, шамотные материалы — это обожжённые изделия из глины, смешанной с предварительно обожжёнными частицами (порошком) той же глины. Вследствие однородности химического состава шамотные изделия термостойки и не образуют трещин, в отличие от строительного кирпича, изготавливаемого обжигом смеси разнородных материалов: глины (т. е. каолина), песка (т. е. окиси кремния), шлаков, отходов угледобычи и углеобогащения и т. п.). Шамотный кирпич был известен ещё в Древней Греции задолго до появления обычного кирпича (с песком). Порошок шамота смешивали также с известью, получая первый в мире цементный состав «опус микстум». Шамотный пресованный кирпич выносит термоудары, износостоек, не усаживается, применяется в доменных печах в условиях истирания шихтой, имеет достаточно высокую для кладки печей пористость. Свойства других огнеупоров приведены в таблице 22. Обращает на себя внимание очень высокая теплопроводность корундовых блоков (на уровне стали).

Таблица 22. Теплофизические свойства огнеупорных и изоляционных материалов (СВ. Василькова и др., Расчёт нагревательных и термических печей, М.: Металлургия, 1983 г.)

Материал Коэф. теплопроводности, Вт/(м•град) Удельная теплоёмкость Дж/(кг•град) Плотность, кг/м³ Макс. рабоч. температура, °С
Кирпич глиняный 0,46+0,00051t (880) 1600 (700)
Шамот 28<Al2O3<45% 0,7+0,00064t 865+0,210t 1800-2000 1300
Жаростойкие бетоны от 0,5 до 1,5 840 300-2400 1800
Каолин плотный Al2O3+2SiO2 1,75+0,00086t 865+0,210t 2400-2500 1400
Магнезит (периклаз) MgO>85% 6,28-0,0027t 1050+0,145t 2600-2800 1580
Динас SiO2>93% 0,815+0,00067t 870+0,193t 1900-2000 1620
Стекло кварцевое 1,0 730 2200 1500
Муллит 62<Al2O3<72% 28-0,023t 835+0,210t 3300 1700
Корунд, Al2O3>90% 58-0,029t 880+0,210t 3800 1850
Карборунд SiС рефракс 37,1-0,034t 960+0,145t 2100 2500
карборефракс 2,62-0,0011t 1100 2100 2000
Углерод графитизированный 7,9+0,014t 835 1350-1650 2500
Асбестовый картон 0,157+0,00014t 835 1000-1250 450
Вермикулит 0,072+0,00026t 950 150-250 1100
Перлит 0,06+0,00012t 920 150 900
Каолиновая вата 0,04+0,0002t 870+0,21t 100 1100
Базальтовая вата 0,04+0,0002t 920 100 750
Стекловата 0,04+0,0003t 670 100 450
Герметик Penofix 1600 1500

Большой интерес представляют жаростойкие бетоны по ГОСТ 20910-90 разнообразных составов с температурой эксплуатации от 900°С (с жидким стеклом и портландцементом) до 1800°С (с высокоглинозёмистым цементом), позволяющие изготавливать изделия произвольных форм. Жаростойкие бетоны отличаются от обычных строительных бетонов тем, что песок и щебень заменены на молотый шамот.

Промышленные синтетические огнеупоры более жаростойки, чем натуральные. Так, например, тальк 3MgO•4SiO₂•H₂O  и хлорит Mg6-x-y•Fey²+•Alx•Si4-x•O10•(OH)8 отдают воду только при нагреве до 1000-1300°С, а огнеупорную керамику из них (стеатитовую, клиноэнстатитовую) изготавливают обжигом при температурах 1300-1600°С. Горная порода магнезит MgCO₃, преобразуясь в периклаз MgO, начинает необратимо выделять СО₂ при 350-640°С, а периклазная керамика на основе окиси магния MgО (а также магнезитовый кирпич, который также называют магнезитом) производится спеканием при 1700°С. Отметим, что магнезитовый кирпич широко используется в бытовых теплоаккумуляторах (в том числе и электрических) как теплоёмкий элемент, поскольку основной компонент оксид магния MgO обладает повышенной плотностью и удельной теплоёмкостью. Для ориентировки приведём свойства основных химических компонентов огнеупорных материалов — плавленных (стеклообразных) окисей кремния, магния и алюминия:

Компонент Окись кремния Окись алюминия Окись магния
Формула SiO₂ Al2O3 MgO
Промышленное наименование кварц корунд периклаз
Температура плавления, °С 1728 2200 2800
Удельная теплоёмкость, Дж/(кг•град) 730 920 (100°С) 975(100°С)
(20-1000°С) 1250 (1000°С) 1220 (1000°С)
Плотность, кг/м³ 2200 4000 3580
Коэффициент линейного термического расширения, 1/град 0,5•10⁻⁶ 8•10⁻⁶ 11,7•10⁻⁶ (20°С)
(20-1000°С) (20-1000°С) 14,2•10⁻⁶ 1000°С)
Коэффициент теплопроводности, Вт/ (м•град) 1,0 29 (100°С) 40 (100°С)
9 (1000°С) 7(1000°С)

Плавленный кварц (в отличие от природного β-кварца) имеет исключительно малые коэффициенты линейного термического расширения, особенно по сравнению с периклазом (окисью магния) при повышенных температурах (технический периклаз имеет коэффициент линейного расширения 9•10⁻⁶град⁻¹ при 100°С; 12•10⁻⁶град⁻¹ при 500°С; 13•10⁻⁶град⁻¹ при 1000°С и 17•10⁻⁶град⁻¹ при 2000°С). Чем больше коэффициент расширения, тем сильней изгибается (коробится) слой материала при неоднородном нагреве, тем сильней он разрушается (трескается). Именно поэтому для изготовления термостойких окон в печах используется плавленое кварцевое стекло (или боросиликатное). Окись алюминия и окись магния при повышении температуры снижают коэффициент теплопроводности, а окись кремния, наоборот, повышает (правда слабо). Для теплоаккумулирующих аппаратов целесообразней использовать корундовые и периклазовую керамики, нежели кварцевые (ввиду повышенной удельной теплоёмкости и плотности).

В повседневном быту дачнику приходится решать чаще всего простейшие житейские задачи. Например, низ металлической печи перегревается порой докрасна (особенно на этапе догорания углей). Поэтому дачник принимает решение обложить кирпичом перегревающуюся стенку изнутри (рис. 158). Но даже в этом простейшем случае приходится решать, облицевать ли стенку до верха или до более низкого уровня, сделать ли отступку (зазор) от стенки и как при этом закрепить кирпичи. Чаще всего, если позволяет ширина металлического топливника, по периметру топливника устанавливаются стандартные шамотные кирпичи (250х 120x65 мм) плашмя к стенке вертикально высотой 250 мм (или даже горизонтально высотой 120 мм). Для надёжной фиксации кирпичи лучше скрепить, выполнив при помощи алмазного круга, например, пазы в кирпичах и вставив в эти разрезы шипы (перемычки между кирпичами) из металлической полосы. Ещё раз напомним, что коэффициент линейного термического расширения у стали 12•10⁻⁶град⁻¹ больше, чем у кирпича (9-10)•10⁻⁶град⁻¹. Поэтому все металлические элементы (трубы, задвижки, дверки, духовки) должны иметь возможность беспрепятственно расширяться, не разрушая печную кладку и футеровку. Зазоры уплотняются асбестом (в том числе пропитанными каолином), каолиновой или базальтовой ватой (в виде жгутов, шнуров, картона, полотна).

Если же дачник хочет повысить теплоемкость своей металлической печи не во вред скорости прогрева воздуха бани и стен, то сохраняют высокую температуру топливника, обкладывая его с зазорами кирпичом снаружи. Для предотвращения перегревов стенок топливника наружная кирпичная кладка должна выполнять роль экрана и должна отстоять от стенки топливника хотя бы на 30 мм с обеспечением доступа воздуха снизу в калориферный зазор. Но в повседневном быту зачастую ошибочно обкладывают металлические печи кирпичом на глиняном растворе без зазоров якобы для обеспечения пожарной безопасности для лучшего прогрева кирпичей. Но ведь кирпич не только теплоёмкий элемент, он ещё и низкотеплопроводный: выполняя снаружи роль утеплителя, он не выпускает тепло из печи и нагревает металлические стенки топливника, способствуя их прогару (что характерно и при утеплении песком в обечайке). Печи со стенками в четверть кирпича желательно (а переводимые на газ обязательно) выкладывать во внешнем стальном футляре.

Рис. 158. Простейшие схемы облицовок печи: а — внутренняя футеровка, б — внутреннее экранирование, в — внешняя облицовка (приводит к перегреву металлического корпуса), г — внешнее экранирование. Справа на рисунках — полная облицовка (на всю высоту), слева — частичная облицовка.

В банях представительского и декоративного назначения, особый интерес стали представлять «лепные» печи самых причудливых «сказочных» форм. Изготавливаются такие печи (очаги) старинными глинобитными методами с последующим обжигом изнутри дровами, а снаружи паяльной лампой (вплоть до образования поверхностной корочки расплава-глазури). Очень перспективны с этой точки зрения готовые сухие смеси шамотного, муллитового и корундового составов для изготовления на месте огнеупорных изделий (в том числе футеровок) из жаростойких бетонов (Союзогнеупор, СПб). Как ни странно, сплошные монолитные футеровки жаростойким бетоном показывают в промышленности намного лучшие результаты, чем шовные футеровки шамотным кирпичём.

Существуют технологии нанесения огнеупорных покрытий прямо на раскаленную защищаемую поверхность (в том числе и на восстанавливаемую футеровку без остановки печи) обмазкой, набрызгом, набрасыванием, торкретированием. В состав огнеупорных покрытий (торкрет-масс) входит огнеупорный наполнитель (в частности, шамот) с размером зёрен не более 2 мм в количестве до 50%, пластификатор (огнеупорные глины, в том числе бентонит) в количестве 5-10%, связка (жидкое стекло, хроматы, фосфаты, соли магния, шлаки) в количестве 1-15%, остальное вода. Толщина торкрет-слоёв может достигать 20-30 мм.

В заключение остановимся на явлениях термических растрескиваний стенок и футеровок печей при чрезмерных неоднородных перегревах (так называемых «перетопах» печей), которые могут выступать комбинированно в форме разрушений материалов и в форме разрушения конструкций. Внутренние стороны стенок печей, контактируя с горячими дымовыми газами, нагреваются и, расширяясь, распирают холодные части стенок печи. Наружные холодные стороны стенок печей выполняют роль «бандажа» (обхватывающего кольца-обруча, препятствующего расширению печи), сохраняя неизменными наружные размеры печи и поддерживая целостность печи при протопках. В ходе протопки печи, «бандаж» (холодный наружный слой стенки), испытывающий колоссальные разрывные нагрузки, становится (из-за прогрева стенки изнутри) все более тонким, а потому все менее прочным, и «при перетопе» начинает «разъезжаться» под напором изнутри (с появлением трещинковатости) или даже «рваться» (с образованием одиночных крупных сквозных трещин-щелей). Чем медленней прогрев печи (чем меньше тепловой поток на стенку), то есть чем ниже температура внутренней стороны стенки, чем более упруг (как резина) и пластичен (как пластилин) материал стенок печи, то есть чем легче он обратимо или необратимо деформируется (растягивается или сжимается без разрушения) под действием внешних сил, чем более однородно прогреваются стенки, то есть чем тоньше и теплопроводней стенки печи, тем меньшие термомеханические напряжения испытывают стенки печи и тем меньше вероятность их хрупкого разрушения.

Для предотвращения разрушений используются многослойные стенки с пустотными зазорами между слоями, термокомпенсирующие разрывы (сквозные разрезы стенки или поверхностные пропилы или рассыпавшиеся швы со стороны прогрева), гибкие вставки и др. Напомним, что при нагреве свободная плоская стенка коробится (выгибается как кирпич над пламенем) в сторону нагрева («стремится к огню»), но замкнутые (например, цилиндрические) стенки «стремятся от огня». В прямоугольных топках плоские стенки вначале пытаются выпирать вовнутрь к огню, но зоны в угловых стыках (в вертикальных ребрах) раскрываются (притупляются, тоже стремясь к огню) «цветком-васильком». В результате конкуренции противонаправленных сил, топки рвутся при перетопе, как правило, наружу с образованием вертикальной сквозной трещины-щели по середине топки. Такие разорвавшиеся топливники «дышат» при каждой топке (с раскрытием сквозной трещины) точно так же, как «гуляет» дом весной на разорвавшемся фундаменте, и требуют ремонта в зоне трещины путем обязательной перекладки кирпича вперевязку на новом растворе (а не просто зачеканивания щели раствором, поскольку замазывание трещины не выдерживает больших нагрузок на разрыв).

Обратим внимание, что кирпичная печь состоит фактически из глиняных швов (в которые вмурованы кирпичи). Поэтому рвутся при перетопе либо сами глиняные швы (вместе с кирпичами), либо поверхности контакта швов (и горизонтальных, и вертикальных) с кирпичами. Последнее случается чаще всего из-за низкой адгезии (слабой клейкости) тощего раствора или перекаленного (остекленевшего снаружи) кирпича. Клеющие вещества (желатин, яичный желток, эмульсии полимеров — КМЦ, ПХВ, БС и др.), жидкое стекло, цемент, известь повышают адгезию и прочность швов на разрыв и улучшают тем самым качество печи, но затрудняют (из-за неразмокаемости швов) последующие ремонты печи (считающиеся в быту неизбежными и штатными). Поэтому клеящие вещества в швах зачастую не применяются вовсе.

Ситуация усложняется, если коэффициенты термического расширения у швов и у кирпичей различаются между собой. А это имеет место практически всегда, поскольку глиняный раствор для швов печники готовят зачастую на месте по своему разумению, добиваясь лишь пластичности массы наощупь или отсутствия растрескиваний при сжатии (А.М.Шепелев, Как построить сельский дом. М.: Россельхозиздат, 1984г.). Было бы правильней оценивать качество раствора закладкой его между двух кирпичей, просушкой, прокаливанием в печи с последующим контролем прочности шва и адгезии, отсутствия трещин и отслаиваний. Так или иначе, шов при большом содержании песка обычно расширяется сильней, чем кирпич. Только поэтому в нашей стране и стараются делать швы тонкими (не более 5 мм), а в иных странах (с более высокой печной культурой) швы, наоборот, делают не тоньше 10 мм. Все отечественные бытовые печники знают, что глиняная обмазка (штукатурка) не держится на внутренних сторонах кирпичной кладки не только в топке, но и в трубах, а это указывает на разницу термических расширений кирпича и раствора. Именно расширяющиеся швы и выдавливают кирпичи из кладки (что особенно заметно в углах топливников). При нагреве кладки кирпичи «выезжают» наружу (или «разъезжаются» в стороны) «сами по себе» за счет расталкиваний, а вот вернуться обратно на прежнее место «сами по себе» при охлаждении кладки порой уже не могут из-за утери сил сцепления (из-за растрескиваний). Наглядно оценить последствия перетопа можно прорисовкой кладки с кирпичами трапецеидальной формы — становится ясной возможность раздавливания и выкрашивания швов на огневой стороне кладки (что и наблюдается зачастую при хорошей адгезии) или появления вертикальных трещин шва между кирпичами на наружной холодной стороне кладки (при недостаточной адгезии).

При изготовлении печных материалов (в том числе кладочных растворов) необходимо согласовывать свойства всех трех составных частей рецептуры смеси: пластификатора (формообразователя), наполнителя (телообразователя) и связующего (связки), причем один и тот же компонент может иметь разные функции (например, быть и пластификатором, и связующим одновременно). Пластификатор сцепливает частицы компонентов рецептуры, придает изделию необходимую форму и удерживает ее (как пластилин) до тех пор, пока форма не будет фиксирована связкой. Простейшим пластификатором является вода. Наполнитель (крупнозернистый порошок или упрочняющие арматурные «иголки») вводят в состав рецептуры для придания «объемности» материалу, для упрочнения и удешевления изделия , а также для того, чтобы материал при сушке не растрескивался (чтобы частицы наполнителя приходили между собой в контакт и не давали бы материалу неоднородно усаживаться). Для снижения растрескиваний (и для повышения механической прочности) вместо увеличения содержания наполнителя можно применить прессование, например, «бить» глину (трамбовать, уплотнять ударами, виброукладывать). Наиболее термостойкие кирпичи — прессованные.

Глиняные рецептуры для изготовления кирпича и кладочных растворов содержат натуральную глину «из оврага» (в качестве пластификатора и связующего) и натуральный песок (в качестве наполнителя), который также может содержаться (а может и не содержаться в достаточном количестве) в глине «из оврага». Причем карьерный песок с ломаными частицами более предпочтителен, нежели речной песок с окатанными частицами, поскольку обеспечивает большую прочность материалу. Несмотря на кажущуюся «простоту» рецептуры, физхимия глиняных материалов весьма сложна и далеко не всегда известна печникам.

Пластификатором в натуральной глине выступает каолинит  Al₂O₃•2SiO₂•2H₂O в форме мелких тонких пластинок (чешуек типа слюды), придающих размоченной глине «свойства пластилина». При сушке размоченной глины, чешуйки каолинита скрепляются (слипаются) с образованием весьма прочного материала — «сырого» кирпича, вновь «распускающегося» при повторных увлажнениях. Каолинит обезвоживается при 450-550°С, превращаясь в каолин Al₂O₃•2SiO₂ с плотностью ρ=2,6 г/см³ и коэффициентом термического расширения α=8 •10⁻⁶ град⁻¹. Каолин только при очень высокой температуре 1100-1250°С (шамотный обжиг) переходит в муллит 3Al₂O₃•2SiO₃ (ρ=3,1 г/см³ , α=3•10⁻⁶ град⁻¹ при 100°С и α=3•10⁻⁶ град⁻¹ при 1000°С). Таким образом, каолинит характерен для швов кирпичных печей (состоящих фактически из сырого кирпича), каолин — для обожженного глиняного (красного) кирпича, а муллит — для шамотного кирпича.

Связкой в натуральной глине являются плавни: легкоплавкие щелочи (окиси натрия и кальция) и более тугоплавкие окиси кальция (известь) и железа (ржавчина). Такие связки вступают в действие лишь при обжиге и упрочняют материал за счет «спекания» — слипания в объеме изделия образующихся расплавов («стекол»). Очень важно то, что плавни, как правило, не реагируют с каолином и кварцем (песком) до температуры 1000°С. В глинах встречаются и легкоплавкие плавни с температурами плавления 700-900°С (фарфоровые системы с большим содержанием щелочей, α=3 •10⁻⁶ град⁻¹), и более тугоплавкие плавни с температурами плавления 900-1100° С (цементные системы с большим содержанием извести, α=8 •10⁻⁶ град⁻¹). Содержание щелочей в кирпичных глинах обычно составляет 1,5-4,2%, содержание извести не более 7-8%. При недостатке плавней в глину вводят жидкое стекло Na₂SiO₃, известь, портландцемент, соду и др. Кирпичные глины не должны содержать более 6-8% окиси железа (придающей глине коричневый цвет), поскольку в процессе обжига при 1000°С образуется легкоплавкий фаелит 2FeO•SiO₂, являющийся основной причиной образования остекленевшего красного кирпича (бардово-фиолетового «железняка»). Шамотный кирпич содержит окись железа в минимальных количествах и поэтому имеет желтый или серый цвет, а не красный или коричневый.

Натуральный песок представляет собой кристаллическую окись кремния в форме β-кварца (ρ=2,65 г/см³, α=5•10⁻⁶ град⁻¹ параллельно оси кристалла и α= 13•10⁻⁶ град⁻¹ перпендикулярно оси кристалла), который при 573°С скачком расширяется (обратимо!) в α-кварц (ρ=2,6 г/см³ , а=20•10⁻⁶ град⁻¹!!), затем при 870°С очень сильно расширяется необратимо в α-тридимит ( ρ=2,3 г/см³), при 1470°С переходит необратимо в α-кристобалит ρ=2,3 г/см³) и, наконец, при 1728°С образуется расплав, застывающий в кварцевое стекло ( ρ=2,2 г/см³, α=0,5•10⁻⁶ град⁻¹!!).

Красный кирпич мокрого формования обычно содержит примерно 40% каолина, 30% кварца и 30% плавней. Высокое содержание кварца (резко расширяющегося, начиная с 573°С) обуславливает низкую термостойкость такого кирпича 700°С (даже для лучших сортов трубопечного класса по ГОСТ 8426-75) при огнеупорности (появлении ползучести под механической нагрузкой из-за расплавов) более 900°С. Керамический кирпич полусухого прессования содержит намного больше кварца до 40-70% и хрупкого стекла, что делает этот кирпич не пригодным для кладки топок печей. Обычные же кладочные растворы содержат до 70-80% кварца, что и обуславливает неизбежное «разъезжание» кладок печей при перетопах.

Поэтому для кладки топок лучше использовать глиняный раствор (на самой обычной глине из «оврага») не на кварцевом песке, а на шамоте (а лучше на молотом кирпиче). Использование же специальных, так называемых «шамотных» глин (содержащих в основном каолинит и очень малые количества плавней и кварца) для бытовых печей целесообразно лишь при топке углем, поскольку при топке дровами температуры в топке недостаточны для спекания каолина в муллит.

Отметим, что в жаростойких бетонах обычная кристаллогидратная цементная связка заменяется при высоких температурах на связку расплавами портландцемента, обычно содержащего 64-67% окиси кальция (извести), 21-25% кварца, 4-8% окиси алюминия и 2-4% окисей железа (Л.М.Сулименко, Технология минеральных вяжущих материалов и изделий на их основе, М.: Высшая школа, 2000г.).

Источник: Дачные бани и печи. Принципы конструирования. Хошев Ю.М. 2008

health.totalarch.com

Футеровка и облицовка печей | Справочник

Защитить внутренние стенки топливников от чрезмерных тепловых нагрузок можно по-разному. Во-первых, их можно загородить изнутри экранами, поглощающими лучистые потоки. Если защитные экраны, нагревающиеся лучистым теплом, установлены снаружи топливника, то нагревают воздух в помещении. А если защитные экраны установлены внутри топливника, то нагревают дымовые газы (или специально подаваемый в зазор воздух). Во-вторых, стенки топливников можно облицевать изнутри низкотеплопроводным огнестойким материалом (обмуровать).

Имеется разница между теплоизоляционным и теплозащитным принципами. Теплоизоляция не выпускает тепло из нагретой зоны. А теплозащита защищает от воздействий тепла, исходящего из нагретой зоны. Экранировка представляет собой теплоизоляцию, если она установлена внутри топливника, и теплозащиту, если она установлена вне топливника. Теплозащита может не сберегать тепло, накопленное в нагретой зоне. Так, внешнее экранирование печей буквально «высасывает» тепло из печи, преобразуя его в нагретые потоки воздуха, но защищает человека от тепла, образующегося в печи. Причём внешний экран (кожух) защищает и от лучистого тепла, и от тепла прикосновения (ожога при касании).

В промышленности и технике футеровкой называют облицовку с целью защиты стенок аппаратов от тепловых нагрузок и/или от химических взаимодействий и/или от радиационных воздействий и/или от биологического разрушения и т. д. Для защиты топливников используется теплозащитная футеровка. При этом наибольший интерес представляет величина рабочей температуры материала футеровки (жаростойкость). Она определяется двумя факторами — огнеупорностью и термостойкостью. Огнеупорность — это способность материала противостоять, не расплавляясь, действию температуры. Термостойкость — способность материала противостоять, не разрушаясь, резким изменениям температуры (термоударам), то есть резким деформациям материала от быстрого неоднородного нагрева или охлаждения (И.А. Гузман, Химическая технология керамики, М.: РХТУ, 2003 г.). Термин же «огнестойкость» характеризует способность конструкций противостоять огневому воздействию пожара.

Массовому российскому дачнику ранее долгие годы был совсем не знаком иной кирпич для печей, кроме как обычный строительный по ГОСТ 530-95, предназначенный только для возведения строений и никак не нормируемый по жаростойкости. Используется этот строительный красный кирпич (глиняный обожжённый мокрого формования) для постройки печей и сейчас, но высоких марок от M150 до М300 (часто называемый в народе «печным»), хорошо показавший себя при возведении дымовых труб ввиду высокой морозостойкости (не ниже Мрз35). Этот кирпич уже вплотную приближается к кирпичу глиняному пластического прессования по ГОСТ 8426-75 для кладки промышленных дымовых труб с морозостойкостью от Мрз25 до Мрз50, прочностью от М125 до М300 и рабочей температурой до 700°С. В последние годы появился специальный «каминный» кирпич с повышенными декоративными свойствами, но менее морозостойкий и нетермостойкий («Lode» Латвия, «Terca» Эстония и Финляндия). Стал доступным дачникам и самый дешёвый огнеупор — шамотный кирпич для футеровки топок по ГОСТ 390-96. Его изготавливают из глин, содержащих не менее 28% AI2O3, методом брикетирования (окусковывания) исходной глины, сушки и обжига глиняных брикетов (крупки), размола обожженной глины (собственно и называемой шамотом) и отсева целевой фракции по ГОСТ 23037-99 (обычно с размером частиц 1-3 мм около 50% и менее 1 мм тоже около 50%), смешивания целевой фракции с исходной глиной, полусухого прессования в изделия необходимой формы, сушки и обжига при температуре (1350-1400)°С.

Вообще говоря, шамотные материалы — это обожжённые изделия из глины, смешанной с предварительно обожжёнными частицами (порошком) той же глины. Вследствие однородности химического состава шамотные изделия термостойки и не образуют трещин, в отличие от строительного кирпича, изготавливаемого обжигом смеси разнородных материалов: глины (т. е. каолина), песка (т. е. окиси кремния), шлаков, отходов угледобычи и углеобогащения и т. п.). Шамотный кирпич был известен ещё в Древней Греции задолго до появления обычного кирпича (с песком). Порошок шамота смешивали также с известью, получая первый в мире цементный состав «опус микстум». Шамотный пресованный кирпич выносит термоудары, износостоек, не усаживается, применяется в доменных печах в условиях истирания шихтой, имеет достаточно высокую для кладки печей пористость. Свойства других огнеупоров приведены в таблице 22. Обращает на себя внимание очень высокая теплопроводность корундовых блоков (на уровне стали).

Таблица 22. Теплофизические свойства огнеупорных и изоляционных материалов (СВ. Василькова и др., Расчёт нагревательных и термических печей, М.: Металлургия, 1983 г.)

Материал Коэф. теплопроводности, Вт/(м•град) Удельная теплоёмкость Дж/(кг•град) Плотность, кг/м³ Макс. рабоч. температура, °С
Кирпич глиняный 0,46+0,00051t (880) 1600 (700)
Шамот 28<Al2O3<45% 0,7+0,00064t 865+0,210t 1800-2000 1300
Жаростойкие бетоны от 0,5 до 1,5 840 300-2400 1800
Каолин плотный Al2O3+2SiO2 1,75+0,00086t 865+0,210t 2400-2500 1400
Магнезит (периклаз) MgO>85% 6,28-0,0027t 1050+0,145t 2600-2800 1580
Динас SiO2>93% 0,815+0,00067t 870+0,193t 1900-2000 1620
Стекло кварцевое 1,0 730 2200 1500
Муллит 62<Al2O3<72% 28-0,023t 835+0,210t 3300 1700
Корунд, Al2O3>90% 58-0,029t 880+0,210t 3800 1850
Карборунд SiС рефракс 37,1-0,034t 960+0,145t 2100 2500
карборефракс 2,62-0,0011t 1100 2100 2000
Углерод графитизированный 7,9+0,014t 835 1350-1650 2500
Асбестовый картон 0,157+0,00014t 835 1000-1250 450
Вермикулит 0,072+0,00026t 950 150-250 1100
Перлит 0,06+0,00012t 920 150 900
Каолиновая вата 0,04+0,0002t 870+0,21t 100 1100
Базальтовая вата 0,04+0,0002t 920 100 750
Стекловата 0,04+0,0003t 670 100 450
Герметик Penofix 1600 1500

Большой интерес представляют жаростойкие бетоны по ГОСТ 20910-90 разнообразных составов с температурой эксплуатации от 900°С (с жидким стеклом и портландцементом) до 1800°С (с высокоглинозёмистым цементом), позволяющие изготавливать изделия произвольных форм. Жаростойкие бетоны отличаются от обычных строительных бетонов тем, что песок и щебень заменены на молотый шамот.

Промышленные синтетические огнеупоры более жаростойки, чем натуральные. Так, например, тальк 3MgO•4SiO₂•H₂O  и хлорит Mg6-x-y•Fey²+•Alx•Si4-x•O10•(OH)8 отдают воду только при нагреве до 1000-1300°С, а огнеупорную керамику из них (стеатитовую, клиноэнстатитовую) изготавливают обжигом при температурах 1300-1600°С. Горная порода магнезит MgCO₃, преобразуясь в периклаз MgO, начинает необратимо выделять СО₂ при 350-640°С, а периклазная керамика на основе окиси магния MgО (а также магнезитовый кирпич, который также называют магнезитом) производится спеканием при 1700°С. Отметим, что магнезитовый кирпич широко используется в бытовых теплоаккумуляторах (в том числе и электрических) как теплоёмкий элемент, поскольку основной компонент оксид магния MgO обладает повышенной плотностью и удельной теплоёмкостью. Для ориентировки приведём свойства основных химических компонентов огнеупорных материалов — плавленных (стеклообразных) окисей кремния, магния и алюминия:

Компонент Окись кремния Окись алюминия Окись магния
Формула SiO₂ Al2O3 MgO
Промышленное наименование кварц корунд периклаз
Температура плавления, °С 1728 2200 2800
Удельная теплоёмкость, Дж/(кг•град) 730 920 (100°С) 975(100°С)
(20-1000°С) 1250 (1000°С) 1220 (1000°С)
Плотность, кг/м³ 2200 4000 3580
Коэффициент линейного термического расширения, 1/град 0,5•10⁻⁶ 8•10⁻⁶ 11,7•10⁻⁶ (20°С)
(20-1000°С) (20-1000°С) 14,2•10⁻⁶ 1000°С)
Коэффициент теплопроводности, Вт/ (м•град) 1,0 29 (100°С) 40 (100°С)
9 (1000°С) 7(1000°С)

Плавленный кварц (в отличие от природного β-кварца) имеет исключительно малые коэффициенты линейного термического расширения, особенно по сравнению с периклазом (окисью магния) при повышенных температурах (технический периклаз имеет коэффициент линейного расширения 9•10⁻⁶град⁻¹ при 100°С; 12•10⁻⁶град⁻¹ при 500°С; 13•10⁻⁶град⁻¹ при 1000°С и 17•10⁻⁶град⁻¹ при 2000°С). Чем больше коэффициент расширения, тем сильней изгибается (коробится) слой материала при неоднородном нагреве, тем сильней он разрушается (трескается). Именно поэтому для изготовления термостойких окон в печах используется плавленое кварцевое стекло (или боросиликатное). Окись алюминия и окись магния при повышении температуры снижают коэффициент теплопроводности, а окись кремния, наоборот, повышает (правда слабо). Для теплоаккумулирующих аппаратов целесообразней использовать корундовые и периклазовую керамики, нежели кварцевые (ввиду повышенной удельной теплоёмкости и плотности).

В повседневном быту дачнику приходится решать чаще всего простейшие житейские задачи. Например, низ металлической печи перегревается порой докрасна (особенно на этапе догорания углей). Поэтому дачник принимает решение обложить кирпичом перегревающуюся стенку изнутри (рис. 158). Но даже в этом простейшем случае приходится решать, облицевать ли стенку до верха или до более низкого уровня, сделать ли отступку (зазор) от стенки и как при этом закрепить кирпичи. Чаще всего, если позволяет ширина металлического топливника, по периметру топливника устанавливаются стандартные шамотные кирпичи (250х 120x65 мм) плашмя к стенке вертикально высотой 250 мм (или даже горизонтально высотой 120 мм). Для надёжной фиксации кирпичи лучше скрепить, выполнив при помощи алмазного круга, например, пазы в кирпичах и вставив в эти разрезы шипы (перемычки между кирпичами) из металлической полосы. Ещё раз напомним, что коэффициент линейного термического расширения у стали 12•10⁻⁶град⁻¹ больше, чем у кирпича (9-10)•10⁻⁶град⁻¹. Поэтому все металлические элементы (трубы, задвижки, дверки, духовки) должны иметь возможность беспрепятственно расширяться, не разрушая печную кладку и футеровку. Зазоры уплотняются асбестом (в том числе пропитанными каолином), каолиновой или базальтовой ватой (в виде жгутов, шнуров, картона, полотна).

Если же дачник хочет повысить теплоемкость своей металлической печи не во вред скорости прогрева воздуха бани и стен, то сохраняют высокую температуру топливника, обкладывая его с зазорами кирпичом снаружи. Для предотвращения перегревов стенок топливника наружная кирпичная кладка должна выполнять роль экрана и должна отстоять от стенки топливника хотя бы на 30 мм с обеспечением доступа воздуха снизу в калориферный зазор. Но в повседневном быту зачастую ошибочно обкладывают металлические печи кирпичом на глиняном растворе без зазоров якобы для обеспечения пожарной безопасности для лучшего прогрева кирпичей. Но ведь кирпич не только теплоёмкий элемент, он ещё и низкотеплопроводный: выполняя снаружи роль утеплителя, он не выпускает тепло из печи и нагревает металлические стенки топливника, способствуя их прогару (что характерно и при утеплении песком в обечайке). Печи со стенками в четверть кирпича желательно (а переводимые на газ обязательно) выкладывать во внешнем стальном футляре.

Рис. 158. Простейшие схемы облицовок печи: а — внутренняя футеровка, б — внутреннее экранирование, в — внешняя облицовка (приводит к перегреву металлического корпуса), г — внешнее экранирование. Справа на рисунках — полная облицовка (на всю высоту), слева — частичная облицовка.

В банях представительского и декоративного назначения, особый интерес стали представлять «лепные» печи самых причудливых «сказочных» форм. Изготавливаются такие печи (очаги) старинными глинобитными методами с последующим обжигом изнутри дровами, а снаружи паяльной лампой (вплоть до образования поверхностной корочки расплава-глазури). Очень перспективны с этой точки зрения готовые сухие смеси шамотного, муллитового и корундового составов для изготовления на месте огнеупорных изделий (в том числе футеровок) из жаростойких бетонов (Союзогнеупор, СПб). Как ни странно, сплошные монолитные футеровки жаростойким бетоном показывают в промышленности намного лучшие результаты, чем шовные футеровки шамотным кирпичём.

Существуют технологии нанесения огнеупорных покрытий прямо на раскаленную защищаемую поверхность (в том числе и на восстанавливаемую футеровку без остановки печи) обмазкой, набрызгом, набрасыванием, торкретированием. В состав огнеупорных покрытий (торкрет-масс) входит огнеупорный наполнитель (в частности, шамот) с размером зёрен не более 2 мм в количестве до 50%, пластификатор (огнеупорные глины, в том числе бентонит) в количестве 5-10%, связка (жидкое стекло, хроматы, фосфаты, соли магния, шлаки) в количестве 1-15%, остальное вода. Толщина торкрет-слоёв может достигать 20-30 мм.

В заключение остановимся на явлениях термических растрескиваний стенок и футеровок печей при чрезмерных неоднородных перегревах (так называемых «перетопах» печей), которые могут выступать комбинированно в форме разрушений материалов и в форме разрушения конструкций. Внутренние стороны стенок печей, контактируя с горячими дымовыми газами, нагреваются и, расширяясь, распирают холодные части стенок печи. Наружные холодные стороны стенок печей выполняют роль «бандажа» (обхватывающего кольца-обруча, препятствующего расширению печи), сохраняя неизменными наружные размеры печи и поддерживая целостность печи при протопках. В ходе протопки печи, «бандаж» (холодный наружный слой стенки), испытывающий колоссальные разрывные нагрузки, становится (из-за прогрева стенки изнутри) все более тонким, а потому все менее прочным, и «при перетопе» начинает «разъезжаться» под напором изнутри (с появлением трещинковатости) или даже «рваться» (с образованием одиночных крупных сквозных трещин-щелей). Чем медленней прогрев печи (чем меньше тепловой поток на стенку), то есть чем ниже температура внутренней стороны стенки, чем более упруг (как резина) и пластичен (как пластилин) материал стенок печи, то есть чем легче он обратимо или необратимо деформируется (растягивается или сжимается без разрушения) под действием внешних сил, чем более однородно прогреваются стенки, то есть чем тоньше и теплопроводней стенки печи, тем меньшие термомеханические напряжения испытывают стенки печи и тем меньше вероятность их хрупкого разрушения.

Для предотвращения разрушений используются многослойные стенки с пустотными зазорами между слоями, термокомпенсирующие разрывы (сквозные разрезы стенки или поверхностные пропилы или рассыпавшиеся швы со стороны прогрева), гибкие вставки и др. Напомним, что при нагреве свободная плоская стенка коробится (выгибается как кирпич над пламенем) в сторону нагрева («стремится к огню»), но замкнутые (например, цилиндрические) стенки «стремятся от огня». В прямоугольных топках плоские стенки вначале пытаются выпирать вовнутрь к огню, но зоны в угловых стыках (в вертикальных ребрах) раскрываются (притупляются, тоже стремясь к огню) «цветком-васильком». В результате конкуренции противонаправленных сил, топки рвутся при перетопе, как правило, наружу с образованием вертикальной сквозной трещины-щели по середине топки. Такие разорвавшиеся топливники «дышат» при каждой топке (с раскрытием сквозной трещины) точно так же, как «гуляет» дом весной на разорвавшемся фундаменте, и требуют ремонта в зоне трещины путем обязательной перекладки кирпича вперевязку на новом растворе (а не просто зачеканивания щели раствором, поскольку замазывание трещины не выдерживает больших нагрузок на разрыв).

Обратим внимание, что кирпичная печь состоит фактически из глиняных швов (в которые вмурованы кирпичи). Поэтому рвутся при перетопе либо сами глиняные швы (вместе с кирпичами), либо поверхности контакта швов (и горизонтальных, и вертикальных) с кирпичами. Последнее случается чаще всего из-за низкой адгезии (слабой клейкости) тощего раствора или перекаленного (остекленевшего снаружи) кирпича. Клеющие вещества (желатин, яичный желток, эмульсии полимеров — КМЦ, ПХВ, БС и др.), жидкое стекло, цемент, известь повышают адгезию и прочность швов на разрыв и улучшают тем самым качество печи, но затрудняют (из-за неразмокаемости швов) последующие ремонты печи (считающиеся в быту неизбежными и штатными). Поэтому клеящие вещества в швах зачастую не применяются вовсе.

Ситуация усложняется, если коэффициенты термического расширения у швов и у кирпичей различаются между собой. А это имеет место практически всегда, поскольку глиняный раствор для швов печники готовят зачастую на месте по своему разумению, добиваясь лишь пластичности массы наощупь или отсутствия растрескиваний при сжатии (А.М.Шепелев, Как построить сельский дом. М.: Россельхозиздат, 1984г.). Было бы правильней оценивать качество раствора закладкой его между двух кирпичей, просушкой, прокаливанием в печи с последующим контролем прочности шва и адгезии, отсутствия трещин и отслаиваний. Так или иначе, шов при большом содержании песка обычно расширяется сильней, чем кирпич. Только поэтому в нашей стране и стараются делать швы тонкими (не более 5 мм), а в иных странах (с более высокой печной культурой) швы, наоборот, делают не тоньше 10 мм. Все отечественные бытовые печники знают, что глиняная обмазка (штукатурка) не держится на внутренних сторонах кирпичной кладки не только в топке, но и в трубах, а это указывает на разницу термических расширений кирпича и раствора. Именно расширяющиеся швы и выдавливают кирпичи из кладки (что особенно заметно в углах топливников). При нагреве кладки кирпичи «выезжают» наружу (или «разъезжаются» в стороны) «сами по себе» за счет расталкиваний, а вот вернуться обратно на прежнее место «сами по себе» при охлаждении кладки порой уже не могут из-за утери сил сцепления (из-за растрескиваний). Наглядно оценить последствия перетопа можно прорисовкой кладки с кирпичами трапецеидальной формы — становится ясной возможность раздавливания и выкрашивания швов на огневой стороне кладки (что и наблюдается зачастую при хорошей адгезии) или появления вертикальных трещин шва между кирпичами на наружной холодной стороне кладки (при недостаточной адгезии).

При изготовлении печных материалов (в том числе кладочных растворов) необходимо согласовывать свойства всех трех составных частей рецептуры смеси: пластификатора (формообразователя), наполнителя (телообразователя) и связующего (связки), причем один и тот же компонент может иметь разные функции (например, быть и пластификатором, и связующим одновременно). Пластификатор сцепливает частицы компонентов рецептуры, придает изделию необходимую форму и удерживает ее (как пластилин) до тех пор, пока форма не будет фиксирована связкой. Простейшим пластификатором является вода. Наполнитель (крупнозернистый порошок или упрочняющие арматурные «иголки») вводят в состав рецептуры для придания «объемности» материалу, для упрочнения и удешевления изделия , а также для того, чтобы материал при сушке не растрескивался (чтобы частицы наполнителя приходили между собой в контакт и не давали бы материалу неоднородно усаживаться). Для снижения растрескиваний (и для повышения механической прочности) вместо увеличения содержания наполнителя можно применить прессование, например, «бить» глину (трамбовать, уплотнять ударами, виброукладывать). Наиболее термостойкие кирпичи — прессованные.

Глиняные рецептуры для изготовления кирпича и кладочных растворов содержат натуральную глину «из оврага» (в качестве пластификатора и связующего) и натуральный песок (в качестве наполнителя), который также может содержаться (а может и не содержаться в достаточном количестве) в глине «из оврага». Причем карьерный песок с ломаными частицами более предпочтителен, нежели речной песок с окатанными частицами, поскольку обеспечивает большую прочность материалу. Несмотря на кажущуюся «простоту» рецептуры, физхимия глиняных материалов весьма сложна и далеко не всегда известна печникам.

Пластификатором в натуральной глине выступает каолинит  Al₂O₃•2SiO₂•2H₂O в форме мелких тонких пластинок (чешуек типа слюды), придающих размоченной глине «свойства пластилина». При сушке размоченной глины, чешуйки каолинита скрепляются (слипаются) с образованием весьма прочного материала — «сырого» кирпича, вновь «распускающегося» при повторных увлажнениях. Каолинит обезвоживается при 450-550°С, превращаясь в каолин Al₂O₃•2SiO₂ с плотностью ρ=2,6 г/см³ и коэффициентом термического расширения α=8 •10⁻⁶ град⁻¹. Каолин только при очень высокой температуре 1100-1250°С (шамотный обжиг) переходит в муллит 3Al₂O₃•2SiO₃ (ρ=3,1 г/см³ , α=3•10⁻⁶ град⁻¹ при 100°С и α=3•10⁻⁶ град⁻¹ при 1000°С). Таким образом, каолинит характерен для швов кирпичных печей (состоящих фактически из сырого кирпича), каолин — для обожженного глиняного (красного) кирпича, а муллит — для шамотного кирпича.

Связкой в натуральной глине являются плавни: легкоплавкие щелочи (окиси натрия и кальция) и более тугоплавкие окиси кальция (известь) и железа (ржавчина). Такие связки вступают в действие лишь при обжиге и упрочняют материал за счет «спекания» — слипания в объеме изделия образующихся расплавов («стекол»). Очень важно то, что плавни, как правило, не реагируют с каолином и кварцем (песком) до температуры 1000°С. В глинах встречаются и легкоплавкие плавни с температурами плавления 700-900°С (фарфоровые системы с большим содержанием щелочей, α=3 •10⁻⁶ град⁻¹), и более тугоплавкие плавни с температурами плавления 900-1100° С (цементные системы с большим содержанием извести, α=8 •10⁻⁶ град⁻¹). Содержание щелочей в кирпичных глинах обычно составляет 1,5-4,2%, содержание извести не более 7-8%. При недостатке плавней в глину вводят жидкое стекло Na₂SiO₃, известь, портландцемент, соду и др. Кирпичные глины не должны содержать более 6-8% окиси железа (придающей глине коричневый цвет), поскольку в процессе обжига при 1000°С образуется легкоплавкий фаелит 2FeO•SiO₂, являющийся основной причиной образования остекленевшего красного кирпича (бардово-фиолетового «железняка»). Шамотный кирпич содержит окись железа в минимальных количествах и поэтому имеет желтый или серый цвет, а не красный или коричневый.

Натуральный песок представляет собой кристаллическую окись кремния в форме β-кварца (ρ=2,65 г/см³, α=5•10⁻⁶ град⁻¹ параллельно оси кристалла и α= 13•10⁻⁶ град⁻¹ перпендикулярно оси кристалла), который при 573°С скачком расширяется (обратимо!) в α-кварц (ρ=2,6 г/см³ , а=20•10⁻⁶ град⁻¹!!), затем при 870°С очень сильно расширяется необратимо в α-тридимит ( ρ=2,3 г/см³), при 1470°С переходит необратимо в α-кристобалит ρ=2,3 г/см³) и, наконец, при 1728°С образуется расплав, застывающий в кварцевое стекло ( ρ=2,2 г/см³, α=0,5•10⁻⁶ град⁻¹!!).

Красный кирпич мокрого формования обычно содержит примерно 40% каолина, 30% кварца и 30% плавней. Высокое содержание кварца (резко расширяющегося, начиная с 573°С) обуславливает низкую термостойкость такого кирпича 700°С (даже для лучших сортов трубопечного класса по ГОСТ 8426-75) при огнеупорности (появлении ползучести под механической нагрузкой из-за расплавов) более 900°С. Керамический кирпич полусухого прессования содержит намного больше кварца до 40-70% и хрупкого стекла, что делает этот кирпич не пригодным для кладки топок печей. Обычные же кладочные растворы содержат до 70-80% кварца, что и обуславливает неизбежное «разъезжание» кладок печей при перетопах.

Поэтому для кладки топок лучше использовать глиняный раствор (на самой обычной глине из «оврага») не на кварцевом песке, а на шамоте (а лучше на молотом кирпиче). Использование же специальных, так называемых «шамотных» глин (содержащих в основном каолинит и очень малые количества плавней и кварца) для бытовых печей целесообразно лишь при топке углем, поскольку при топке дровами температуры в топке недостаточны для спекания каолина в муллит.

Отметим, что в жаростойких бетонах обычная кристаллогидратная цементная связка заменяется при высоких температурах на связку расплавами портландцемента, обычно содержащего 64-67% окиси кальция (извести), 21-25% кварца, 4-8% окиси алюминия и 2-4% окисей железа (Л.М.Сулименко, Технология минеральных вяжущих материалов и изделий на их основе, М.: Высшая школа, 2000г.).

Источник: health.totalarch.com. Дачные бани и печи. Принципы конструирования. Хошев Ю.М. 2008

es.novosibdom.ru


Смотрите также