Футеровка печей и котлов своими руками

Чтобы понять, что представляет из себя футеровка печи, необходимо разобраться в физических процессах, происходящих в печи при горении топлива. Высокие температуры, которые образуются при сгорании, могут привести к изменениям свойств и структуры окружающих материалов. Несмотря на то что материалы, из которых изготавливают печи, обычно огнеупорны, они нуждаются в защите от перегрева.

Схема печи с преимущественным нижним прогревом.

Именно футеровка предназначена для защиты материалов печи от нежелательных последствий перегрева.

Футеровкой печи называют кирпичную оболочку, которая обустраивается на внутренней поверхности топки. Она характеризуется высокой огнестойкостью, что позволяет использовать оборудование более долгое время.

Футеровка печи является одним из главных элементов химико-термической системы «материал-футеровка-среда» и должна рассматриваться только в комплекте с остальными компонентами. Она тесно взаимодействует как с материалами, из которых изготовлена печь, так и со средой внутри топки, где происходит сам процесс горения.

Схема порядовки печи.

Футеровка может быть представлена не только кирпичной выкладкой, но и другими видами. В зависимости от химических свойств выделяют три вида огнеупорных веществ, которые могут использоваться в качестве футеровочных материалов: кислые, нейтральные и основные. Разделение обусловлено различной реакцией разных веществ на вещества, образуемые в процессе горения топлива.

Футеровка печи выполняется только после проведения инженерного расчета и выбора материалов для нее. Расчет позволяет добиться наибольшего эффекта при всех особенностях материалов и самой печи. Еще одной функцией футеровки, кроме теплозащиты, является защита элементов печи от механического и химического воздействий.

Обеспечение теплозащиты печи

Защитить внутреннюю поверхность топки можно двумя способами:

• обработать внутреннюю поверхность материалом с низкой тепловой проводимостью;
• использовать защитные экраны, которые будут отражать тепловое излучение. При этом тепло от этого излучения будет уходить из печи вместе с дымом.

При первом способе не стоит путать теплоизоляцию и теплозащиту. При теплоизоляции тепло, выделяемое в печи, остается в рабочей зоне. Теплозащита же только предохраняет определенный участок поверхности от теплового излучения, не задерживая при этом тепло внутри рабочей зоне. Именно для этого при футеровке печи используются теплозащитными, а не теплоизоляционными материалами.

Использование шамотного кирпича при футеровке

Схема печи-каменки.

Как уже говорилось ранее, внутреннюю поверхность можно защищать не только теплозащитными материалами, но и защитными экранами, что зависит от назначения печи. Если в колах отопления экран не нужен, так как произойдет напрасное расходование тепла, то в банных печах они вполне могут быть применимы.

Раньше для создания печей использовались обычные кирпичи, которые быстро разрушались под тепловым воздействием высоких температур. На смену им пришли кирпичи с более плотной структурой (М-300), которые использовались долгое время, пока не появились шамотные материалы. Они изготавливаются из глины, которая смешана с порошком из обожженной глины с последующим обжигом при высоких температурах.

Шамотный кирпич (ГОСТ 390-96) в настоящее время является оптимальным материалом для футеровки тепловых котлов и печей. Основным его отличием от обычных кирпичей являются ярко выраженные теплозащитные свойства. Технология обкладывания шамотным кирпичом внутренней поверхности топки и называется, в большинстве случаев, футеровкой.

Футеровка паровых котлов

По типу конструкции футеровка котлов разделяется на:

• натрубную;
• облегченную;
• тяжелую.

Натрубная футеровка производится специальной теплоизоляционной массой, наносимой на трубы котлов в несколько слоев. Армирование этой массы металлической сеткой обеспечит прочность и надежность всей конструкции.

Облегченная футеровка производится в один слой шамотного кирпича с разделением на пояса. Каждый пояс опирается на каркас котла или промежуточные балки. Наружную поверхность котла при этом обшивают железным листом с помещением между ним и котлом теплоизоляционных плит. Данный способ повысит эффективность котла, снижая при этом температуру внешней поверхности.

Наконец, тяжелая футеровка применяется в котлах, где обеспечена слабая экранировка. Температура внутри топки таких котлов достигает 1300°С, что весьма небезопасно для внешних материалов. Футеровка призвана снизить температуру внешней поверхности котла до приемлемых 70-80°С. Тяжелая футеровка производится в несколько слоев шамотным кирпичом, который не боится воздействия высоких температур.

Сложности бытовой футеровки

Схема твердотопливного отопительного котла.

В большинстве случаев при проектировании печей, котлов или мангалов закладывается слой из шамотного кирпича. Однако неискушенному в строительстве человеку сложно определиться с технологическими особенностями футеровки:

• сколько слоев необходимо;
• остается ли зазор между шамотным кирпичом для их расширения при нагреве, и каковы размеры зазоров;
• каким способом крепить шамот.

Если размеры топки позволяют, то для обкладки лучше использовать шамотный кирпич стандартного размера (250*150*65 мм), уложенный вертикально. Горизонтальная укладка улучшит теплозащитные свойства, однако «съест» внутренний объем топки. Зазоры между кирпичами не оставляются, так как шамотный кирпич практически не расширяется при нагреве. Не стоит использовать цементный раствор для скрепления кирпича, так как он разрушится от температурных перепадов, проще сделать пропил в местах соединения кирпичей друг с другом и соединить их металлическим шипом.

Футеровка кирпичной печи

Проблемы при футеровке топочной части возникают не только у металлических печей, кирпичные печи также обладают некоторыми особенностями. При больших температурах в печи может произойти термическое растрескивание, когда нагретые внутренние слои выталкивают холодные наружные со своих мест. Наружные стенки, которые сохраняют форму печи и играют роль «бандажа», под воздействием расширенных внутренних слоев расходятся в стороны. При этом образуются трещины и разрушение отдельных кирпичей, что также может привести к выходу угарных газов в помещение.

Растрескивание усугубляется тем, что глина, применяемая для соединения наружного слоя кирпичей, обладает низкой адгезией и расширяется при нагреве значительнее, чем сами кирпичи. Соответственно, при перегреве шов разрушается. Правильнее использовать более пластичный раствор при создании печи с отдельным его испытанием, когда два кирпича соединяются между собой полученным раствором и обжигаются при высокой температуре. После испытания проверяется адгезия раствора, его расширение и растрескивание. И уже на основании полученных результатов либо изменяется состав раствора, либо, если результат испытания удовлетворителен, раствор используется для создания всей печи.

Технология приготовления оптимального раствора

Схема керамической футеровки.

До тех пор пока не будет получен оптимальный состав раствора, необходимо провести много экспериментов. Для того чтобы свести временные затраты на испытания к минимуму, следует заранее заготовить несколько испытательных кирпичных блоков с различными составами раствора. Главное, обозначить блоки, чтобы после испытания определить оптимальное сочетание.

Довольно хорошим вариантом для приготовления раствора является смесь глины с перемолотой кирпичной пылью.

Если печь будет использоваться только для сжигания дров, то применение в качестве раствора шамотных материалов нецелесообразно. Оптимальнее их использовать при применении в качестве топлива каменного угля.

Футеровка металлических печей

Особое внимание на устройство футеровки стоит обращать, если печь металлическая, так как тепловое расширение металла гораздо больше, чем кирпича, что необходимо учитывать. Между слоем футеровки и металлическими стенками печи должен оставаться зазор для теплового расширения, иначе футеровка может просто разрушиться при нагреве металла. Зазор уплотняется базальтовой ватой в виде жгутов или полотна. Если печь расположена не в жилой зоне, для тех же целей может быть использован асбест.

Еще одной ошибкой при использовании металлических печей является обкладка их кирпичом не только внутри, но и снаружи, объясняя это улучшением безопасности и прогрева печи. Однако данный подход ошибочен, так как:

• кирпич обладает высокой теплоемкостью и низкой теплопроводностью, а значит, все тепло от сгорания топлива останется внутри топки и уйдет с дымом;
• поверхность печи будет лишена доступа воздуха для теплоотвода, что приведет к их прогару. Прогар стенок, в свою очередь, способствует проникновению в помещение угарных газов, что опасно для здоровья.

Дополнительные смеси для футеровки

Схема устройства кирпичной печи.

В последние годы большую популярность в строительстве бань приобрели не кирпичные или металлические печи, а лепные печи различных форм. Они придают бане неповторимый интерьер, делая его менее индустриальным. Для создания таких печей используется глинобитный метод.

Данный метод заключается в изготовлении всей печи из сырой глины с приданием ей необходимой формы. В дальнейшем внутренняя часть обжигается дровами. После затвердевания топки обжигается уже наружная часть печи с помощью паяльных ламп. Разные этапы обжига помогают избежать трещин.

Футеровку подобной печи сложно выполнить с помощь шамотного кирпича, поэтому применяют специальные сухие смеси:

• корундовые;
• шамотные;
• муллитовые.

Эти составы разводятся водой прямо на месте. Готовыми растворами обмазывается как топка, так и другие необходимые огнеупорные изделия. Так как футеровка при использовании сухих смесей получается монолитной, это влияет на ее качество. С ролью теплозащитного покрытия она справляется лучше, чем слой шамотного кирпича.

Промышленная футеровка

Если для домашних печей и котлов шамотный кирпич является оптимальным, то для промышленных печей он не всегда удобен в использовании. Для промышленных целей используются прессованные шамотные кирпичи, которые выдерживают не только высокие тепловые нагрузки, но и термоудары.

Кроме шамотного прессованного кирпича используют также другие огнеупорные материалы, свойства которых зависят от сжигаемого топлива и рабочей температуры:

Схема футеровки промышленной печи.

Нанесение же футеровочного слоя в условиях промышленного производства может быть произведено без остановки печей. Футеровочные составы наносятся на внутреннюю часть печи с помощью впрыскивания на раскаленную поверхность или торкретирования. Торкретирование – процесс нанесения футеровочного материала на поверхность топки с помощью сжатого воздуха и специальной торкретной установки. Послойное нанесение смесей позволяет добиться высокого качества футеровки.

Таким образом, футеровка домашней печи необходима, для того чтобы защитить печь от разрушения под действием высоких температур. Обкладка топки шамотным кирпичом препятствует тому, чтобы тепловой поток от горения топлива влиял напрямую на стенки печи.

В промышленных масштабах футеровка предназначена для уменьшения теплопотерь в печах и защиты их элементов от прямого воздействия высоких температур. В отдельных случаях, например, в индукционных печах, футеровка предохраняет стенки печи от контакта с расплавленным металлом или химическими соединениями, образующимися при переплавке металлов.