§ 3. Строительные материалы и металлы, применяемые для печей и их элементов

Строительные материалы

Обычные строительные материалы широко используют при сооружении печей наряду с рассмотренными выше огнеупорными и теплоизоляцион­ными изделиями. К ним относятся строительный кирпич, бутовый ка­мень, бетон, гидроизоляционные материалы, лаки и краски.

Строительный (красный) кирпич. Размеры кирпича те же, что и у нормальных огнеупорных изделий. Его применяют для строительства фундаментов, боровов, сушил, стволов дымовых труб и для наружной изоляции некоторых печей. Предельная температура применения кирпи­ча 500—650°С. Его средний коэффициент теплопроводности 0,8 Вт/(м·К), а плотность 1800 кг/м³. Для дымовых труб изготовляют кирпичи специальной формы и размеров (лекальный кирпич).

При сооружении элементов печей из строительного кирпича клад­ку выполняют на цементном или известковом растворе.

Клинкерный кирпич, изготовленный из тугоплавких глин, применя­ют для футеровки боровов и дымовых труб при температуре до 900 °С.

Бутовый камень. Он представляет собой куски горных пород непра­вильной формы массой до 15—40 кг. В печестроении применяют песча­никовые и известняковые камни. При этом предпочтение отдают песча­никовым, способным выдерживать температуру до 600°С в то время как известняковые могут использоваться только до 200 °С. Бутовую кладку ведут на строительных растворах. Из бутового камня строят фундаменты печей, подпорные стены, стены различных коммуникацион­ных туннелей в цехах и т. п.

Бетон. Им называют искусственный камень, полученный в резуль­тате твердения рационально подобранной смеси вяжущего вещества (це­мента), воды и заполнителей (песка и щебня или гравия). Цемент при добавлении к смеси образует связующую массу, которая, обволакивая частицы песка и гравия и при затвердевании удерживая их вместе, фор­мирует монолит с высокими механическими свойствами.

В строительстве печей наиболее широко распространен портланд­цемент, в состав которого входят 60—70 % СаО, 19—24 % SiO₂, 4— 8 % Аl₂O₃, 2—6 % Fe₂O₃, до 4,5 % MgO.

Эти оксиды при обжиге цемента образуют соединения, способные взаимодействовать с водой (гидратироваться), перекристаллизовываться и обеспечивать срастание кристаллов. Процесс схватывания (пре­вращения массы в монолит) протекает довольно быстро (до 12 ч), а процессы окончательного твердения (приобретение прочности) длятся месяцами, а иногда годами. Цементы (как и бетоны) маркируют по прочности на сжатие, приобретенной ими в течение 28 сут. Применяют портландцемент следующих марок: 200, 250, 300, 400, 500 и 600. Для ускорения схватывания в растворы добавляют хлористый кальций СаСl₂ (1—3 % массы цемента).

В портландцемент вводят также кремнеземистые активные добав­ки (трепел, диатомит и др.), которые способствуют твердению цемента и одновременно связывают известь в устойчивые соединения, повышая прочность и равномерность структуры бетона.

На базе портландцемента приготовляют шлакопортландцемент для выполнения быстросхватывающегося бетона, получаемый добавлением к цементу 30—50 % доменного шлака; этот бетон прочно сцепляется со стальной арматурой и не вызывает ее коррозию.

Расход цемента на 1 м³ бетона составляет не менее 200 кг, а запол­нителей около 2 т.

Глиноземистый цемент (быстротвердеющий), тоже широко исполь­зуемый в печестроении, имеет следующий состав: 35—48 % СаО, 45— 55 % Аl₂O₃, 7—8 % SiO₂. В составе этого цемента основным минералом, способным гидратироваться, является алюминат кальция СаО·Аl₂O₃.

В печестроении в качестве связующего вещества часто применяют растворимое (жидкое) стекло, состоящее из силикатов натрия и калия. Его используют в виде водного раствора, твердеющего на воздухе вслед­ствие высыхания и выделения аморфного водного кремнезема.

Гидроизоляционные материалы. При сооружении печей эти мате­риалы применяют для защиты от грунтовых вод фундаментов печей и дымовых труб, боровов, газоходов и кессонов регенераторов. Для этой цели широко применяют толь и рубероид (картон, пропитанный смолой и битумом, выпускаемый промышленностью в рулонах), а также гидрозол (асбестоцеллюлозный картон, пропитанный битумом с температу­рой размягчения не ниже 50 °С. Используют также борулин-асбестовое волокно с температурой размягчения не ниже 65 °С, пропитанное би­тумом, а затем прокатанное в полотно толщиной 3—4 мм.

Лаки и краски. Для горячих металлических поверхностей приме­няют специальные лаки и краски с целью их защиты от атмосферной коррозии.

Широко применяют масляный печной лак, состоящий из битума, смолы, масла и растворителя. Температура сушки лака около 120 °С и он надежно защищает металлические поверхности, хорошо сцепляясь с ними и не разрушаясь до 200 С.

Снижению тепловых потерь излучением в окружающую среду (на­ряду с защитой от коррозии), способствует окраска горячих элементов металлоконструкций печей (кожухи, каркасы и т. п.) в серебристый цвет с помощью краски, составленной на основе масляного лака и смо­лы с тонким алюминиевым порошком в качестве наполнителя.

Металлы и сплавы

Расход металла для изготовления арматуры железобетонных кон­струкций, каркаса и кожуха печей очень велик и достигает сотен и ты­сяч тонн на печь в зависимости от ее типа и производительности. Для этих целей применяют сталь рядовых марок. Ее используют в виде стального листа и сортового проката. Применяют стальной лист тол­щиной от 4 (небольшие нагревательные печи) до 36 мм (доменные печи) для выполнения кожухов печей. Сортовой прокат используют для вы­полнения, каркасов, рам, заслонок и дверей и других элементов кон­струкций, причем все соединения выполняют посредством сварки.

Стальные и чугунные отливки используют в виде плит оконных рам, холодильников, иногда подпятовых балок и т. д. Для глиссажных и опорных труб методических печей применяют цельнотянутые трубы.

Следует иметь в виду, что рядовые стали и чугуны удовлетвори­тельно служат при температурах не выше 350—400 °С. При более вы­соких температурах снижается механическая прочность стали, а в чу­гунах начинается процесс распада карбидов, сопровождающийся изме­нением размера изделий. Кроме того, чем выше температура, тем интенсивнее происходит окисление металла. Поэтому для того, чтобы конструкции, изготовленные из рядовых сталей и чугунов, не нагрева­лись выше 400 °С, их защищают от воздействия высоких температур с помощью теплоизоляции или выполняют водоохлаждаемыми.

Некоторые металлические элементы конструкций и деталей печей работают при температурах, превышающих 400 °С. Их изготовляют из жаростойких и жаропрочных сплавов. К этим элементам и деталям от­носятся: металлические рекуператоры, радиационные трубы, муфели термических печей для светлого отжига, штанги толкателей, ролики в печах с роликовым подом, цепи в конвейерных печах, вентиляторы и вы­сокотемпературные дымососы, а также многие другие узлы. Одни из этих элементов предназначены для службы при высоких температурах практически без внешней нагрузки, а другие подвергаются при этом воз­действию иногда очень значительных нагрузок.

Для выполнения деталей, работающих под небольшой нагрузкой или вообще без нее, используют жаростойкие стали и сплавы. Жаро­прочные стали и сплавы применяют для изготовления тех деталей и узлов, которые предназначены для длительной службы при высокой температуре под нагрузкой.

Жаростойкой (окалиностойкой) называют сталь (сплав), обладаю­щую стойкостью к окислению при высокой температуре. Окалиностойкость сплаву придают легирующие добавки, окисляющиеся легче, чем железо, и образующие на поверхности изделия прочную тонкую пленку оксидов, защищающую его от воздействия окружающей среды. К таким добавкам относят хром, алюминий, кремний, марганец, титан, бор и др. Очень эффективным оказывается одновременное легирование несколь­кими из перечисленных элементов. Это позволяет обеспечить значи­тельное повышение жаростойкости.

Жаропрочной называют сталь (сплав), сохраняющую достаточную прочность в нагруженном состоянии, а также стойкую к окислению при высокой температуре. Жаропрочность стали обеспечивается при боль­шом содержании в ней хрома и никеля с добавками вольфрама, кобаль­та, молибдена, ванадия и других легирующих элементов. В ряде слу­чаев, когда предъявляются особо высокие требования к условиям служ­бы отдельных деталей и узлов печей при высоких температурах (например, рейтеры для глиссажных труб современных методических пе­чей, электрические нагревательные элементы и т. д.), используются не сплавы на основе железа (стали), а сплавы на основе кобальта, нике­ля, молибдена и хрома.

К настоящему времени разработано очень много марок жаростой­ких и жаропрочных сталей. Некоторые, наиболее употребляемые из них при сооружении печей приведены ниже:

для элементов конструкций печей, работающих без нагрузок до 600—650 °С: Х6С, Х9С2, Х12ЮС;

для крепежных деталей печей, работающих при небольших нагруз­ках до 600—650 °С: 15Х5М, 15X11МФ;

для узлов и деталей, работающих при небольших нагрузках до 700—750 °С (теплообменники, муфели, крепеж): 12X13, 20X13, Х12НВМФ, 13Х11Н2В2МФ;

для деталей печей, работающих при существенных нагрузках до 750 °С (ролики, цепи и ленты печных конвейеров, штанги толкателей, опорные элементы футеровки): 10Х14Г14Н4Т, 17Х18Н9, 08Х18Н12Б;

для деталей и узлов, работающих при небольших нагрузках до 1050—1100 °С (радиационные трубы, рекуператоры, детали горелок, му­фели): 15Х25Т, 15X28;

для деталей и элементов, работающих при значительных нагрузках до 1050—1100 °С (штанги толкателей, элементы конвейеров и роликов, опорные плиты и брусья): 20Х23Н13; 20Х25Н20С2Л;

для деталей печных роликов, работающих под нагрузкой до 1050 °С: 20Х25Н20С2.

Из жаростойких чугунов широкое применение для выполнения ли­тых элементов конструкций печей нашел кремнистый чугун (силал). Из этого чугуна отливают игольчатые и блочные рекуператоры. При вы­полнении их из чугуна марки ЖЧС-5,5 они служат до температуры стен­ки 600 °С, а при использовании модифицированного магнием кремнисто­го чугуна марки ЖЧС-5,5-0,1 рабочая температура достигает 950 °С.

Разработаны и применяются также жаростойкие хромистые чугуны ЖЧХ-9, ЖЧХ-1,5 и ЖЧХ-2,5, допускающие использование изготовлен­ных из них деталей до 600—700 °С в окислительной среде.

Материалы для нагревательных элементов электропечей сопротивления

Нагревательные элементы электрических печей сопротивления рабо­тают в очень тяжелых условиях и поэтому они прежде всего должны быть жаростойкими с тем, чтобы не окисляться при высокой темпера­туре, и достаточно жаропрочными с тем, чтобы не деформироваться при высокой температуре под действием, по крайней мере, собственно­го веса.

Нагреватели не должны расти со временем, так как это приводит к необходимости предусматривать конструктивные меры для предотвра­щения их удлинения. Из металлических материалов для нагревателей обычно изготовляют ленту и проволоку различных сечений, навивают спирали и т. д. Отсюда следует, что материалы для нагревателей долж­ны быть механически обрабатываемыми к хорошо соединяться посред­ством сварки.

Определенным требованиям должны отвечать и электрические свой­ства материалов для нагревательных элементов: они должны обладать большим электрическим сопротивлением, чтобы обеспечить небольшие размеры нагревателей и их удобное размещение в печи; малым темпе­ратурным коэффициентом увеличения электрического сопротивления. Поэтому большинство материалов для нагревателей представляет собой сплавы, так как их электрическое сопротивление увеличивается с ростом температуры гораздо меньше, чем сопротивление чистых металлов.

Металлические материалы

Основными металлическими материалами для нагревательных эле­ментов, специально разработанными для этой цели и поэтому в макси­мальной степени удовлетворяющими предъявляемым к ним требовани­ям, являются хромоникелевые сплавы, известные под названием двой­ные и тройные нихромы. В состав двойных сплавов входят в основном никель и хром, содержание железа в них очень мало (до 3 %).

Добавление железа в сплав несколько улучшает его обрабатывае­мость и существенно снижает стоимость, но повышает температурный коэффициент увеличения электрического сопротивления и значительно снижает жаростойкость. Двойные сплавы могут работать при темпера­турах до 1150—1200°С, тройные до 1000 °С. Нихром обладает хороши­ми механическими свойствами и довольно легко обрабатывается. Элек­трические свойства нихрома вполне удовлетворительные: его удельное сопротивление велико, температурный коэффициент увеличения электри­ческого сопротивления мал, ему не присущи явления старения и роста. Так,, электрическое сопротивление различных нихромов возрастает на 3—10 % при нагреве до максимальной рабочей температуры.

Железохромоалюминиевые сплавы, не содержащие дорогого и дефи­цитного никеля, обладают достаточно высокой жаропрочностью и их удельное сопротивление почти не зависит от температуры. Сплав Х23Ю5 имеет максимальную рабочую температуру 1200 °С, а сплав Х27Ю5Т 1300 °С. Но железохромоалюминиевые сплавы очень непрочны и хрупки, особенно после нескольких нагревов, а в процессе службы они удлиняются (иногда на 30—40 %) и деформируются. При температурах свыше 1100 °С эти сплавы чувствительны к оксидам железа и кремнезему, разрушающим защитную пленку из оксидов алюминия и хрома. Поэтому футеровка печей в местах соприкосновения с нагревателями из этих материалов должна быть выполнена из чистых высокоглиноземистых материалов.

Хромоникелевые и железохромоалюминиевые сплавы для изготовле­ния нагревательных элементов выпускают в виде холоднотянутой и горячекатаной проволоки диаметром 0,5—14 мм, а также в виде ленты с размерами поперечного сечения от 110 до 440 мм.

Металлические нагревательные элементы для высокотемпературных Промышленных печей выполняют из чистого молибдена (до 1700 °С) и вольфрама (до 2500°С). Эти материалы могут работать только в ва­кууме или в аргоне и водороде. Нагревательные элементы из молиб­дена допускают контакт только с чистыми высокоглиноземистыми огне­упорами, а элементы из вольфрама используются исключительно в ва­куумных печах с экранной теплоизоляцией.

Молибден и вольфрам для электронагревателей выпускают в виде проволоки, листов и сетки. Электрическое сопротивление вольфрама и молибдена возрастает почти в 10 раз при нагреве до максимальной ра­бочей температуры. Основной трудностью в связи с применением этих металлов является их плохая обрабатываемость и свариваемость.

Неметаллические материалы

К неметаллическим нагревателям относят карборундовые стержня и трубки диаметром б—30 мм, известные под названием силит и глобар. Они отличаются друг от друга конструктивным исполнением и тех­нологией изготовления. Карборундовые нагреватели выдерживают тем­пературу до 1500 °С в окислительной среде.

Силитовые и глобаровые стержни в нагретом состоянии очень хруп­ки и малопрочны. Они чувствительны к быстрому нагреву, с изменени­ем температуры заметно уменьшают удельное сопротивление (практи­чески в два раза при нагреве до 1400°С). Эти нагреватели стареют в процессе работы, причем их сопротивление при этом увеличивается на 20—25%. Поэтому печи с карборундовыми нагревателями должны обязательно снабжаться ступенчатыми трансформаторами, позволяю­щими регулировать подводимое к ним напряжение. Срок службы кар­борундовых нагревателей составляет 1000—1200 ч при 1400°С и воз­растает в 2—3 раза при снижении рабочей температуры до 1300—1350 °С.

Неметаллическим материалом для нагревателей является также ди-силицид молибдена МоБіг, нагреватели из которого могут работать до 1680 °С в окислительной среде или атмосфере углекислого газа. При­менять эти нагреватели для работы в вакууме или атмосфере водорода не рекомендуется. Нагревательные элементы из дисилицида молибдена выпускают в виде стержней и U-образных элементов с диаметром ра­бочей части 6 мм. Удельное электрическое сопротивление этих нагрева­телей также сильно зависит от температуры и возрастает примерно в 12 раз при нагреве до 1600 °С. Поэтому питание печей с такими нагре­вателями осуществляют только через ступенчатые трансформаторы, до­пускающие регулирование вторичного напряжения в очень широких пределах.

Графит широко применяется для изготовления нагревательных эле­ментов, особенно для работы в вакууме или аргоне. Из графита выпол­няют нагреватели в форме стержней диаметром 5, 20 и 40 мм, пластин и трубок. Этот материал сравнительно дешев, хорошо обрабатывается и.надежно и долго служит при температуре до 2100°С в вакууме. Его удельное сопротивление сравнительно мало изменяется с температурой, возрастая на 10—12 % при нагреве до 2100°С.