Футеровочные работы

Общие понятия о футеровке

Что же кроется под термином «футеровка»?

Футеровка — это облицовка внутренних поверхностей камер печи, постоянно контактирующих с открытым огнем. Задача этого облицовочного слоя — осуществлять защитные функции, предохранять внешние стенки от всевозможных термических, механических, химических и физических повреждений. Футеровку делают для защиты не только бытовых отопительных приборов — в горно-металлургической промышленности такая технология широко используется в мощных плавильных печах различной конструкции.

Кроме защитной функции, жаростойкие материалы, которыми облицованы внутренние поверхности топки, значительно снижают тепловые потери

Однако, здесь есть и «обратная сторона медали» — очень важно правильно рассчитать толщину футеровки, иначе стенки печи будут плохо прогреваться. А тепло будет просто уходить в дымовую трубу, а не в комнаты дома. Коэффициент полезного действия печи может существенно понизиться, что приведет к ощутимому возрастанию затрат на топливо, так как его потребуется слишком много, чтобы прогреть толстые стенки топочной камеры

Коэффициент полезного действия печи может существенно понизиться, что приведет к ощутимому возрастанию затрат на топливо, так как его потребуется слишком много, чтобы прогреть толстые стенки топочной камеры.

Способы футеровки и материалы для ее выполнения

Футеровка топок может производиться различными способами. Наиболее подходящий из них выбирается в зависимости от материала, из которого построена печь, и от того, когда решено произвести операцию укладки защитного материала.

Итак, методы создания защитной облицовки заключаются в следующем:

• Облицовка внутренних поверхностей кирпичом или панелями из жаропрочного материала, имеющими низкую теплопроводность. Этим способом процесс футеровки может быть проведен как при постройке печи, так и уже в готовом отопительном сооружении.
• Нанесение на внутренние поверхности стенок топки различных жаростойких растворов. Этот способ применяют тоже в уже готовых приборах отопления или же в кирпичных — при их постройке.
• Установка теплоотражающих экранов — этот способ футеровки эффективен для банных металлических печей-каменок. Если же использовать экраны в других моделях печей, то это может привести к снижению их эффективности, так как выработанное тепло не будет прогревать стенки, а, отражаясь внутрь топки, уйдет в дымоходную трубу.

Защитные материалы для футеровки печей, каминов и котлов изготавливаются из глины или измельченных или переработанных горных пород. Они подразделяются на классы, в зависимости от их основы.

— «А» — это материалы, изготовленные на основе кремнезема.

— «В» — для основы этих футеровочных составов, кирпичей или панелей используется специально подобранная глина.

— «С» — комбинированная футеровка, изготавливаемая из нескольких компонентов, не подходящих под класс «А» или «В».

Используемые материалы

Узнав, что такое футеровка, необходимо подробней рассмотреть материалы для ее возведения. Поделить материалы, используемые для футеровки печей и котлов, можно на три основных класса:

• Класс А – искусственные или естественные материалы, основой которых является кремнезем
• Класс В – классические материалы, в основе которых лежит глина

Класс С – к нему относят все оставшиеся варианты и различные огнеупорные растворы

Конкретные примеры

Защищать внутреннюю поверхность топочной можно самыми различными методами:

• Кладка из шамотного кирпича
• Нанесения негорючих смесей
• Установка защитных экранов

К установке экранов рекомендуется прибегать в случае установки металлических банных печей. В других случаях он не эффективен, так как приведет к напрасной утечке тепловой энергии.

Выбрав кирпичную кладку, не рекомендуется использовать классический кирпич – он быстро разрушается и требует замены. До появления шамотных материалов использовались изделия марки М-300. Они сравнительно надежны и прочны, но все равно уступают в эффективности.

Рекомендуется применять шамотный кирпич, попадающий под ГОСТ 390-96.

Кирпич для футеровки: шамот — идеальное решение

Шамотный кирпич

Шамотный кирпич

Если устанавливается внешняя защита в виде экрана в котлах обогрева, применение такого метода будет очень расточительным, так как большая часть тепла будет расходоваться совершенно напрасно. Но этот метод прекрасно подходит для установки банных печей.

Ранее, при СССР, частникам в основной массе был известен простой строительный кирпич ГОСТ 530-95. Данный кирпич предназначен для возведения промышленных, жилых строений и никоим образом для использования в печах и котлах отопления. Кстати, многие до сих пор используют его для строительства печей и котлов.

Многим умельцам в то время удавалось раздобыть кирпич данного ГОСТ, но более высокой марки М – 300, в простонародном выражении «печной». Этим кирпичом обкладывалась топочная часть печей для защиты от высоких температур.

Позже для массового применения стал доступен шамотный кирпич ГОСТ 390 – 96.

Использование шамота и есть футеровка

Из-за того, что все фракции имеют однородный химический состав, все шамотные изделия имеют высокую степень термостойкости и не растрескиваются от воздействия высоких температур.

Обкладывание топочной части шамотным материалом для защиты теплового агрегата от воздействия высокой температуры в топочной части называется футеровкой.

КОНСТРУКЦИЯ ФУТЕРОВКИ СВОДА:

Один из наиболее сложных и ответственных участков футеровки топки котла. Футеровка однослойная, толщина слоя 200 мм. Свод набирается согласно предварительной раскладке из фасонного кирпича. В качестве огнеупора используется уплотненный шамотный кирпич марки ШЦУ-4,5. Данный вид кирпича имеет повышенные прочностные характеристики, а также большее содержание Al₂O₃ по отношению к ША-I, что является важным фактором при выборе огнеупора для сводовой конструкции котла.

Наличие детального инжиниринга, необходимого количества фасонных изделий, высококвалифицированного персонала – необходимые условия для успешного проведения футеровочных работ по устройству свода топки котла. Этапы работ по устройству свода котла показаны ниже:

• Для обеспечения дополнительной прочности свода, каждый сегмент/арка свода опирается на индивидуальные суппорта, устанавливаемые с двух сторон (суппорта изготовлены из высоколегированной жаропрочной стали AISI 310S / 20Х23Н18). В зольной части котла, свод имеет наклонную конструкцию. Наклонная часть формируется за счет смещения последующей арки свода по высоте на ряд кирпича (на 65 мм) по отношению к предыдущему. Итого, наклонный свод – 10 арочных рядов со смещением по высоте.
• Изготовление опалубки / кружал – важный этап работы. Необходимо заранее убедиться в правильности размеров и прочности конструкции – должна многократно выдержать нагрузки при кладке свода, а также многократное передвижение при проведении футеровочных работ.
• Необходимо заранее проверить правильность раскладки и соответствие ее на фактическое исполнение, «на сухую» выложить арку из фасонного кирпича на площадке и, при необходимости, внести необходимые корректировки в раскладку.
• Кладка сводового кирпича, как и основная кладка стен топки ведется с применением химического раствора ФОСКОН, используемого в качестве воды затворения для приготовления кладочного раствора на основе мертеля МШ-28. Применение данного раствора позволяет обеспечить твердение раствора в короткие сроки без воздействия высоких температур, что значительно ускоряет процесс футеровочных работ в целом.
• При переходе наклонного участка свода в горизонтальный, в качестве разгрузочного суппорта / консоли используется один общий сегмент на 6-7 арочных рядов свода.
• Для того чтобы не нарушать конструкцию свода, первый ряд кладки свода смещен вверх на 4 ряда, из-за наличия коробов подачи воздуха горения. Фурменные отверстия оставили в вертикальной части стен свода. Для формирования форсуночных отверстий использовали пластиковые трубки и пластичную консистенцию кладочного раствора на базе мертеля и химического раствора воды затворения. Пространство между пластиковыми трубками и кирпичом было заполнено пластичной массой, которая после твердения и выгорания труб образует фурменное отверстие для подачи воздуха в зону горения.
• Участки вертикальных стен в зоне загрузки топлива были подняты до уровня перекрытия арки свода №2.

Общая характеристика условий применения

Передача теплоты трубчатым экранам водогрейных котлов определяется в основном лучистым теплообменом между высокотемпературными газами факела и наружной поверхностью труб, покрытых слоем загрязнений.

Условия сжигания природного газа и мазута имеют много общего, что позволяет выполнять котлы для этих видов топлива одинаковой конструкции. Горение природного газа и мазута происходит в парогазовом состоянии (гомогенная среда). Интенсивность горения в обоих случаях определяется условиями перемешивания, а максимальные тепловые напряжения котлового объема имеют близкие значения (300 кВт/м3 — для мазута, и 350 кВт/м3 — для природного газа). Поэтому при одинаковой нагревательной способности котлы, как правило, предназначаются для двух видов топлива (газ — основной, мазут — резервный). Это характерно для котлов серии ПТВМ.

Данные котлы выполняются с вертикальными, горизонтальными или с частично наклонными тепловоспринимающими трубчатыми экранами. Интенсивное горение топлива приводит к образованию относительно небольшой по размерам зоны ядра факела вблизи горелок, которая характеризуется высоким уровнем температур и значительной интенсивностью теплового потока на тепловоспринимающие экраны. Это создает опасность перегрева металла труб и развития высокотемпературной коррозии.

Встречное расположение горелок, установленных в два яруса, обеспечивает оптимальные условия работы экранов. При этом факел концентрируется в центральной части высокотемпературной области котла. Встречное движение факелов горелок способствует турбулизации при догорании топлива в концевых участках факела, и при прочих равных условиях приводит к повышению теплового напряжения в зоне ядра факела на 20-30%. Наличие пережима потока способствует его турбулизации в зоне ядра факела и в зоне дожигания топлива на выходе из котла.

Эффективное излучение тепловоспринимающих поверхностей в водогрейных котлах может достигать 50-60% от величин падающих тепловых потоков. Разность между падающим и эффективным тепловыми потоками представляет воспринятый экранными поверхностями тепловой поток излучения, который передается рабочей среде. Доля восприятия тепла элементом трубчатого экрана характеризуется коэффициентом тепловой эффективности экрана (ψ_з). Чем выше значение ψ_з, тем выше эффективность работы экранной поверхности, т.е. тем большую долю теплоты экран воспринимает. Значения т|)_э достаточно стабильны для конкретных конструкций котлов при сжигании однородного топлива и могут достигать значений до 0,55 — для мазутов и 0,65 — для природных газов. При этом по высоте котла степень тепловой эффективности экранов неодинакова: она выше в зоне ядра факела и снижается по высоте.

Для футерованных поверхностей экранов в зоне горелок величина ψ_з снижается до значений приблизительно 0,2-0,25, а для футерованных зон пода она может снижаться до величин приблизительно 0,1.

Расчетные оценки показывают, что при уровне падающих радиационных тепловых потоков с учетом теплопроводности через слой футеровки (q_пад._max) до 350 кВт/м3, равновесные температуры на внешней поверхности минеральных термостойких материалов не превышают 1850 К (1577 ОС). Это предельное максимальное оценочное значение температуры поверхности.

Следует отметить, что реальные значения равновесной температуры внешней поверхности минеральных материалов футеровки в различных зонах экранов реализуются в диапазоне 1200-1800 К (927-1527 ОС).

В объеме котла формируется акустическое поле, генерируемое газовым факелом. Максимальный уровень акустического воздействия оценивается до 120 Дб (результаты измерений звукового давления, проведенные измерительным микрофоном в зоне смотрового люка в котле ПТВМ-60 при работе 12 горелок, показали уровень акустического фона в 105 Дб — прим. авт.). Акустические воздействия генерируют в элементах экранных поверхностей и футеровочных покрытиях поле высокочастотных колебаний.

Трубы экранов, при движении в них теплоносителя, генерируют низкочастотные колебания (вибрации). При этом максимальные значения вибраций реализуются в местах изгиба труб.

В процессе запуска котла и выходе его на рабочий режим, а также в процессе отключения, в футеровочных покрытиях формируется поле термомеханических напряжений. Характер вибрационного и термомеханического воздействий на футеровочное покрытие расчетным путем оценить невозможно. Эту оценку можно провести лишь по практическим наблюдениям в процессе эксплуатации конкретных котлов.

Особенности футеровки для различных типов печей

Для каждого типа печей или отопительных котлов футеровка имеет определенные особенности. Рассмотрим наиболее распространенные варианты:

• Футеровка металлических печей
• Футеровка кирпичный печей
• Футеровка парового котла

Футеровка металлических печей

Если топочная печи делается металлической, необходимо принимать во внимание различное тепловое расширение материалов. Между футеровкой и сталью следует обязательно оставлять небольшой зазор, иначе постоянное колебание размеров железных стенок разрушит кладку. Оставленная полость должна быть не пустой

Ее наполняют одним из негорючих материалов, например, базальтовой ватой. Иногда используют асбест, но печь при этом должна располагаться в нежилом помещении

Оставленная полость должна быть не пустой. Ее наполняют одним из негорючих материалов, например, базальтовой ватой. Иногда используют асбест, но печь при этом должна располагаться в нежилом помещении.

Делая футеровку металлических печей, кирпич иногда укладывают с обеих сторон. Ответ на вопрос о целесообразности подобного решения обосновывается следующим образом: улучшается прогревание печи и увеличивается уровень безопасности. Однако подобный подход ошибочный:

• Кирпич обладает низкой теплопроводностью
• Кирпич теплоемок

Анализируя вышеназванное, можно прийти к выводу, что футеровка металлических печей с обеих сторон приведет не к теплозащите, а теплоизоляции. Более того, внутрь топочной не будет поступать охлажденный воздух, что может привести к прогару поверхностей.

Читайте так же о том как сделать печь шведку своими руками

Кирпичной печи

Мнение о том, что обустройство футеровки кирпичной печи значительно проще, чем металлической, ошибочно. Подобные работы также обладают некоторыми особенностями, не учтя которые рассчитывать на продолжительную службу конструкции не придется.

Укладывать футеровку вплотную к кирпичам, являющимся элементами наружных стенок, нельзя. Причиной подобных последствий является выталкивание наружных слоев расширяющимися внутренними. Усугублять растрескивание способен тот факт, что глина обладает низкими показателями адгезии и расширяется больше, чем кирпич.

Если футеровка будет некачественной, это приведет к неприятным последствиям:

• Перегрев наружных поверхностей станет следствием растрескивания швов и образования трещин
• Последние, в свою очередь, послужат причиной утечек угарного газа внутрь помещения, но не в дымоходную трубу

Помимо качественной футеровки, выкладываемой из шамотного кирпича, особое внимание уделяется качеству швов и используемой глине. Необходимо склеить между собой 2-3 кирпича и обжечь высокими температурами. Данное действие позволит наглядно определить, как будет вести себя собранная конструкция

Если результаты не удовлетворительны – придется поэкспериментировать с составом и провести повторные испытания

Данное действие позволит наглядно определить, как будет вести себя собранная конструкция. Если результаты не удовлетворительны – придется поэкспериментировать с составом и провести повторные испытания.

Парового котла

Иногда футеровку необходимо выкладывать не для классических каминов и печей, а топочных паровых котлов. В этом случае выбирают одну из 3-х ее разновидностей:

• Тяжелая
• Облегченная
• Натрубная

Тяжелая футеровка и что это значит – один из волнующих вопросов. К ней прибегают, когда котлы имеют слабое экранирование. Иногда внутри топочной температура может превышать 1200 градусов, становясь причиной возгораний внешних материалов. Выкладывать тяжелую футеровку необходимо из 2-3 слоев шамотного кирпича. Подобная защита позволяет снизить температуру снаружи до безопасных 60-80 градусов.

Если кирпич укладывается всего в один слой, футеровку называют облегченной. Однако каждый из поясов необходимо опирать на промежуточную балку или каркас котла. Затем поверхность отопительной установки окутывается негорючими материалами и накрывается металлическим листом. Благодаря такому сочетанию удается уменьшить наружную температуру и увеличить КПД котельной.

Самой простой считается натрубная футеровка. Для ее обустройства необходимо приготовить вязкую негорючую массу и нанести на трубы в 2-4 слоя. Чтоб конструкция лучше противостояла тепловому расширению, укладывается армирующая сетка.

О клее и растворе

На долговечность и эффективность футеровки печи кроме качества и технических характеристик материалов оказывает влияние их правильная укладка. Любые нарушения в технологии внутренних облицовочных работ топки могут привести к изменению свойств и структуры окружающих стройматериалов, выходу угарных газов в жилые комнаты.

Раствор

При обмазке топки термостойкими растворами на стенках образуется монолитный очень тонкий защитный слой, являющейся лучшим ограждением рабочей поверхности от воздействия огня. Однако такому монолиту быстрее потребуется ремонт, чем для кладки из штучных изделий.

Для изготовления футеровки по такой технологии существует несколько правил:

1. Готовят раствор из сухих смесей шамотного, муллитового или корундового типа, разбавляемых водой до консистенции густой сметаны. Реализуются они обычно в бумажной упаковке, на которой нанесена информация о пропорциях компонентов, характеристиках смеси, инструкция производителя о применении.

   Консистенция раствора для футеровки

2. Нанесённый слой раствора вначале обжигается паяльной лампой или при кратковременном нагреве печи до образования твёрдой корки.
3. При футеровке печи шамотным кирпичом стыковочные швы должны заполняться на всю высоту кладки.

Расход готового раствора на 1 м³ кирпичной кладки ориентировочно составляет 100 кг.

Огнеупорный клей

Продажа огнеупорного клея для футеровки осуществляется в пластиковых ёмкостях весом 2 — 50 кг. До начала работ по футеровке ведро с клеем нужно вскрыть и перемешать содержимое до полной однородности.

Далее:

• Клеевая масса наносится только на предварительно увлажнённую поверхность шпателем. Толщина слоя не должна превышать 3-х мм.
• Если планируется обмазывать клеем всю полость топки, то обмазку выполняют слоями с временным промежутком между нанесением не менее 15 минут.

• Для приклеивания базальтового картона на горизонтальные участки клеевой состав можно разбавить водой на 15%, но не позднее, чем за 12 ч до начала работы с клеем.
• В зависимости от структуры обрабатываемой поверхности и толщины клеевого слоя на 1 м² расходуется от 1 до 4 кг клея.
• Время полного застывания слоя клеевой массы с толщиной в 3 мм при температуре выше 25ºС составляет 24 часа, при температуре свыше 90ºС — 6 часов.

Производственная футеровка и свойства материалов

На производстве, в металлургии, футеровка индукционной печи выполняется с использованием особых, прессованных шамотных кирпичей. Они очень износостойкие, не дают усадки и хорошо выдерживают термоудары. Применение шамотного кирпича позволило добиться большой экономии средств и намного удешевить процесс производства металлов.

Индукционная печь

Индукционная печь

В таблице приведены свойства некоторых огнеупорных материалов

Материал	Плотность кг/м3	Максимальная рабочая температура °С
Шамот	1800-2000	1300
Кирпич глиняный	1600	700
Вермикулит	150-250	1100
Базальтовая вата	100	750
Каолин плотный	2400-2500	1400

Бытовые проблемы – футеровка как решение

В быту людям обычно приходится решать более простые задачи. На самом последнем этапе, догорание углей, происходит перегрев низа металлической печки, иногда докрасна. Человек решает  своими руками обложить изнутри перегревающуюся стенку.

Но и в этом случае приходится решать вопрос, до какого уровня выполнить футеровку, оставить ли зазор и как при этом закрепить кирпичи?

Конкретно в данной ситуации вопрос можно решить следующим образом:

• Если позволяет ширина топливника, по его периметру укладываются шамотные кирпичи стандартного размера – 250Х150Х65 мм. При этом кирпич укладывается к стенке плашмя. Можно уложить вертикально, с высотой 250 мм или горизонтально на 120 мм.
• Для того чтобы кирпичи надежно зафиксировать между собой, используется простой способ. С помощью шлифовальной машинки делается пропил в части соединения, и кирпичи скрепляются с помощью вставленного металлического шипа подходящего размера.

Устройство футеровки: температура и металл

Особое внимание стоит обратить на то, что термическое линейное расширение металла намного больше, чем у кирпича. Поэтому все металлические части, подверженные нагреву, должны иметь свободное пространство для расширения. При устройстве данной футеровки зазор уплотняется базальтовой или каолиновой ватой, скрученной в жгуты, шнуры или виде спрессованного полотна

Можно для этой цели использовать асбест

При устройстве данной футеровки зазор уплотняется базальтовой или каолиновой ватой, скрученной в жгуты, шнуры или виде спрессованного полотна. Можно для этой цели использовать асбест.

Ошибочная защита. Последствия

Очень часто встречается такая картина. Металлическая печь обкладывается кирпичом с применением глинистого раствора, да еще и без зазора. Мотивируется это обеспечением безопасности и улучшением прогрева печи.

Металлическая печь с кирпичной обкладкой

Это совершенное заблуждение!

• Во-первых, кирпич очень теплоемок.
• Во-вторых, у кирпича низкая теплопроводность. Что происходит во время работы такой печи?

Кирпич просто исполняет роль теплозащиты. Основное тепло, вырабатываемое печью, из-за переизбытка в топке просто вылетает в трубу.Ко всему прочему, отсутствие зазора мешает проникновению охлаждающего воздуха к металлическим стенкам печи, что однозначно приводит к их прогару, а расширение металла приведет к растрескиванию кирпичной защиты.

Как итог, угарные газы начнут поступать в помещение.

Не всегда кирпич: смеси для футеровки

В последнее время большой популярностью стали пользоваться банные «лепные» печи различных форм. В основном такие печи устанавливаются в банях, выполненных в стилизованном «сказочном стиле». Изготавливают такие печи, используя старинный метод, называемый – глинобитным.

После естественной просушки глины производится обжиг печи изнутри с применением дров. Наружная часть обжигается с помощью паяльных ламп до образования корочки. Очень удобно выполнить футеровку таких печей, применяя специальные составы.

Это могут быть сухие смеси:

• Шамотные.
• Муллитовые.
• Корундовые.

Данные составы можно прекрасно использовать для изготовления прямо на месте различных огнеупорных изделий, футеровок в том числе. Сплошная, монолитная футеровка, изготовленная из данных материалов, намного превосходит по своим качествам шовные футеровки печи, выполненные с помощью шамотного кирпича.

Футеровка без отрыва от производства

В настоящее время существует ряд технологий, при которых футеровка или восстановление футеровки производится без остановки печи. Составы наносятся с помощью «набрызга» прямо на раскаленную поверхность или методом торкретирования.

Данный способ в основном применяется на производстве, что позволяет без остановки процесса производства выполнить при необходимости футеровочные работы.

История ткани

Остается секретом, где и кем была изобретена ткань, на фабриках какой страны зародилось ее производство. Она могла появиться в странах, где выращивают хлопок и специализируются на создании хлопковых изделий. На ум приходят Индия, Турция. Эту теорию ставит под сомнение отсутствие в указанных государствах на момент появления полотна необходимого оборудования и технологий высокого уровня.

Современные методы производства футера начали применяться в первой половине 20 века в Европе и в послевоенное время в СССР. Благодаря натуральному составу и улучшенным качественным характеристикам футер быстро приобрел популярность, стал востребован во всем мире.