Огнеупорные, теплоизоляционные и строительные материалы для печей

В. А. УЛЬЯНОВ, М. А. ЛАРИН, В. Н. ГУЩИН 
ОГНЕУПОРНЫЕ, ТЕПЛОИЗОЛЯЦИОННЫЕ 
И СТРОИТЕЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ 
ДЛЯ ПЕЧЕЙ 
Допущено Учебно-методическим объединением по образованию 
 в области металлургии в качестве учебного пособия  
для студентов вузов, обучающихся по направлению «Металлургия» 
Москва    Вологда 
«Инфра-Инженерия» 
2019 

УДК 621.184.7 (035.5): 666.7   
ББК 31.292-5                       
         У51 
Р е ц е н з е н т ы : 
кафедра теплофизики и информатики в металлургии УрФУ; 
главный металлург ПАО «Нижегородский машиностроительный завод» 
В. А. Пряничников 
Ульянов, В. А.
У51     Огнеупорные, теплоизоляционные и строительные материалы для 
печей : учебное пособие / В. А. Ульянов, М. А. Ларин, В. Н. Гущин. - 
Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия,  2019. - 152 с. : ил., табл. 
ISВN 978-5-9729-0350-4 
Рассмотрены основные понятия и закономерности формирования структуры 
огнеупорных и теплоизоляционных материалов. Описаны свойства этих материалов. 
Изложены основы технологии получения наиболее применяемых в промышленности 
материалов, даны критерии выбора рациональных огнеупорных и теплоизоляционных 
материалов. Указаны способы повышения стойкости футеровок печей и эффективности использования применяемых для них материалов. 
Для студентов, обучающихся по направлениям подготовки 22.03.02 и 22.04.02 
«Металлургия» и смежным с ними. 
УДК621.184.7(035.5):666.7 
ББК 31.292-5 
ISBN 978-5-9729-0350-4  ‹ Ульянов В. А., Ларин М. А., Гущин В. Н., 2019 
‹ Издательство «Инфра-Инженерия», 2019 
‹ Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2019

ОГЛАВЛЕНИЕ 
Предисловие ............................................................................................. 5 
Введение. ................................................................................................... 6 
ГЛАВА 1 
Современное состояние производства и промышленного 
применения огнеупоров и теплоизоляционных материалов  
в печных агрегатах  
................................................................................. 9 
1.1. Классификации огнеупоров, теплоизоляционных  
и строительных материалов 
......................................................  9 
1.2. Структура и свойства огнеупоров  .......................................... 15 
1.3. Теплоизоляционные материалы  
.............................................. 25 
1.4. Экономические критерии производства огнеупорных   
и теплоизоляционных материалов и изделий  ....................... 27 
ГЛАВА 2 
Основные технологии производства огнеупорных  
и теплоизоляционных изделий  
........................................................... 29  
2.1. Формование  .............................................................................. 29 
2.2. Спекание  ................................................................................... 31 
2.3. Горячее прессование  ................................................................ 32 
2.4. Электроплавка огнеупоров  
...................................................... 33 
2.5. Волокнистые огнеупоры  
.......................................................... 34 
2.6. Основы технологии огнеупорных бетонов  ............................ 34  
2.7. 3оль-гель процесс  
..................................................................... 35 
ГЛАВА 3 
Огнеупорные изделия и их применение для различных  
печных агрегатов  
.................................................................................. 37 
3.1. Динасовые огнеупоры  
.............................................................. 37 
3.2. Шамотные огнеупоры  
.............................................................. 43 
3.3. Высокоглинозёмистые огнеупоры  
.......................................... 49 
3.4. Магнезитовые огнеупоры  
........................................................ 53  
3.5. Форстеритовые и шпинельные огнеупоры  ............................ 60 
3.6. Доломитовые и тальковые огнеупоры  ................................... 62 
3.7. Хромитовые огнеупоры  
........................................................... 64 
3.8. Цирконийсодержащие огнеупоры  .......................................... 68 
3.9. Углеродосодержащие огнеупоры  ........................................... 71 
3.10. Сверхогнеупорные и окисные материалы  ........................... 74 

ГЛАВА 4 
Взаимодействие огнеупоров с корродиентами  
................................ 75 
4.1. Физическое и химическое взаимодействие  ........................... 75 
4.2. Взаимодействие с жидкими металлами, газами,  
углеродом  ................................................................................. 77 
4.3. Устойчивость огнеупоров в вакууме  
и их взаимодействие  
................................................................ 81 
 
ГЛАВА 5 
Теплоизоляционные материалы и изделия  ..................................... 83 
5.1. Изделия на основе минеральных и стеклянных волокон  ..... 83 
5.2. Асбосодержащиеи материалы и изделия  
из диатомита (трепела)  
............................................................ 84 
5.3. Изделия из вспученных вермикулита и перлита  ................... 86 
5.4. Ячеистые теплоизоляционные материалы  
и изделия из них  
....................................................................... 89  
 
ГЛАВА 6 
Огнеупорные бетоны, растворы, мертели и обмазки  .................... 93 
6.1. Виды и классификация  .......................................................... 93 
6.2. Материалы и способы приготовления бетонов  
огнеупорных растворов, мертелей и обмазок  ..................... 95  
 
ГЛАВА 7 
Строительные и вспомогательные материалы  ............................ 103 
 
Список литературы  
............................................................................ 108  
 
Приложения  
......................................................................................... 109 


ПРЕДИСЛОВИЕ 
При строительстве металлургических печей и агрегатов нагрева- 
тельных и плавильных устройств требуются разнообразные огнеупорные, 
теплоизоляционные и другие строительные материалы. При проведении 
металлургических процессов огнеупорные материалы подвергаются изно- 
су, виды и интенсивность которого бывают различны, это следует учиты- 
вать при их работе. 
Для любого инженера-печника очень важно знать, какие материалы 
необходимо применить для этих целей как на стадии проектирования и со- 
оружения печей, так и во время их эксплуатации и модернизации. Связано 
это в том числе с технико-экономическими возможностями предприятия 
на данный момент, меняющимся ассортиментом на современном рынке 
такого рода материалов, их совместимостью друг с другом. 
Предлагаемое учебное пособие написано на основании курса лек- 
ций, читаемого на кафедре «Металлургические технологии и обору- 
дование» Нижегородского государственного технического университета 
им. Р. Е. Алексеева для специальности «Теплофизика, автоматизация и 
экология промышленных печей», и разделов лекций по печам других 
специальностей. 
Производство и рациональное использование огнеупорных и теплоизоляционных материалов базируется на достижениях многих наук: физической химии силикатов и тугоплавких веществ, физики и химии твёрдого тела, теории металлургических процессов и др., а также на многолетнем производственном опыте различных предприятий. В значительной степени в предлагаемом учебном пособии эти вопросы отражены. 
Все пожелания и замечания по содержанию данного учебного посо- 
бия можно выслать по адресу: 603950. Н. Новгород, ул. Минина, 24, 
НГТУ, кафедра металлургических технологий и оборудования. 
ϱ


ВВЕДЕНИЕ 

Без огнеупоров и теплоизоляционных материалов нет другого прак- 
тически приемлемого способа удерживать жидкий металл, ограничить 
распространение тепла в окружающую среду и поддержать длительное 
время высокие температуры в больших объёмах. Огнеупоры в этом случае 
используют как высокотемпературные теплоизоляторы. В ряде случаев, 
наоборот, огнеупоры должны обладать высокой теплопроводностью. Ог- 
неупоры могут применяться при высоких температурах и как проводники 
электрического тока, и как электроизоляторы. И лишь в ряде процессов, 
например спецэлектрометаллургии, огнеупоры могут не применяться, но 
используются теплоизоляционные материалы, тем не менее огнеупоры и 
теплоизоляционные материалы применяются почти во всех отраслях про- 
мышленности. 
Многообразие условий службы обусловило необходимость органи- 
зации промышленности по производству огнеупорных и теплоизоляцион- 
ных материалов, создания большого и непрерывно увеличивающегося ас- 
сортимента с различными свойствами. Наличие такой промышленности и 
качество огнеупоров и теплоизоляционных материалов в той или иной 
стране характеризует степень её индустриализации и самостоятельности. 
Основная задача - выпускать в необходимом количестве и ассортименте 
такие огнеупорные и теплоизоляционные материалы и изделия из них, 
расход которых на единицу основной продукции был бы наименьшим, 
чтобы стоимость огнеупоров была экономически приемлемой. 
Чёрная металлургия - основной потребитель огнеупоров, она расхо- 
дует 60-75 всех изделий из этих материалов, причём до 80 этого ко- 
личества расходуется при выплавке стали: в кислородных конверторах -  
2-5 кг/т расплава; в электропечах - 8-20 кг/т; в мартеновских печах  
25-30 кг/т; в вагранках при производстве чугуна - около 3 кг/т. 
В последнее время наблюдается снижение удельного расхода огне- 
упоров путём замены традиционных на новые, более качественные, уве- 
личения применения теплоизоляционных материалов, неформованных огнеупоров: огнеупорных бетонов в виде масс, порошков и т.п. 
Огнеупоры в виде кирпичей, изготовляемых из огнеупорных глин или 
каолинов, начали производить после появления доменных печей. 
Первое специализированное производство шамотных огнеупоров 
было организовано в Германии в 1810 г. В России первый шамотный завод 
был основан в 1865 году в г. Боровичи (Новгородская область), затем в 
Часов-Яре (1887 г.) и др. 
Динасовые огнеупоры были впервые изготовлены в 1822 году  
в Уэльсе. В России производство динаса было организовано в 80-х годах 
XIX в., тогда его изготовляли на Обуховском заводе в Петербурге, на 
ϲ


Пермских пушечных заводах, на Златоустовском металлургическом заводе 
и др. Первый специализированный завод - Деконский динасовый завод в 
Донбассе - был построен в 1889 г. 
Доломитовые огнеупоры впервые были применены в Англии  
в 1878 году. 
Первые магнезитовые огнеупоры появились в Австрии (Штирни) в 
1860 году, а промышленное их производство началось в 1882 году. В Рос- 
сии первый магнезитовый завод построен на Урале в г. Сатка в 1900 году - 
завод «Магнезит». 
Хромитовые огнеупоры появились в конце XIX в. Естественный 
хромиткак огнеупор впервые применён в России на Александровском ста- 
лелитейном заводе в Петербурге в 1879 году. 
Хромомагнезитовые огнеупоры появились в начале XX в. Безобжи- 
говые хромомагнезитовые изделия были изготовлены в 1913 году в США. 
Другие виды огнеупоров - карбидкремниевые, цирконовые и цирко- 
ниевые, огнеупоры из чистых оксидов, углеродистые и т.п. - начали про- 
изводить и применять только во второй половине XX в. 
Для кладки первой русской доменной печи на Городнищенском за- 
воде в районе Тулы в 30-е годы XVII в. был применён песчаник. Естест- 
венные огнеупорные материалы затем длительное время использовали для 
кладки различных металлургических печей. Искусственные огнеупоры, 
получаемые из смеси огнеупорной глины или каолина с отощителем, на- 
чали изготовлять в России приблизительно с середины XVII в. При Петре I 
шамотные кирпичи изготовляли в заметном количестве из гжельских 
подмосковных глин. ХVIII век характеризуется интенсивным развитием 
уральской металлургии. Расход огнеупоров на 1 т железа в это время со- 
ставлял до 400 т. 
Начиная со второй половины XIX в., основное производство огне- 
упоров переместилось с Урала на Украину и в центр России. Первые спе- 
циализированные заводы по производству огнеупоров: заводы Нобеля на 
реке Крупе Боровичского уезда (1865 г.); огнеупорный завод акционерного 
общества «Вахтер и Кž» тоже на Боровичском месторождении (1880 г.); 
заводы Плещеева и Ковальского Часов-Яре (1887 г.) и Деконский динасо- 
вый завод (1889 г.); обществом «Горн и Кž» начата эксплуатация место- 
рождения огнеупорных глин вблизи станции Латная (1894 г.) и строитель- 
ства завода шамотных изделий; завод Франко-Русского общества при 
станции Красногоровка (1896 г.) и др. Строительство огнеупорных заво- 
дов, начатое в XIX в. продолжалось и в начале XX в. Особое место в раз- 
витии металлургии России занимает завод «Магнезит» (1900 г.) в г. Сатка 
(Челябинская обл.).  
ϳ


В настоящее время производство огнеупоров в России и на террито- 
рии СНГ сосредоточено в трёх основных промышленных районах: Южном 
(Часов-Яр, Пантелеймоновка, Запорожье и др), Центральном (Семи- луки, 
Подольск, Боровичи и др.) и Уральском (Сатка, Первоуральск, Нижний 
Тагил, Богданович, Магнитогорск и др.). Кроме того, на востоке дей- 
ствовали огнеупорный завод под Иркутском, «Казогнеупор» в г. Рудном  
и др. Всего 35 специализированных заводов имели годовую мощность  
от 15 до 500 тыс. т каждый и производили до 85 всех необходимых огнеупоров. Остальная часть огнеупоров производилась в металлургических, 
стекольных и других цехах заводов. 
Начало научно-технической революции в производстве огнеупоров 
можно отнести к периоду производства нового их вида - смолодоломито- 
вых, смолодоломитомагнезитовых изделий для кислородно-конверторного 
способа производства стали, что резко сократило удельный расход этого 
рода материалов. Налажен выпуск электроплавленных огнеупоров на 
основе MgO, Аl2О3, Сr2О3, ZrO2, Y2O3 и др. В 1970 г. появилась каолиновая 
вата и изделия на её основе. В настоящее время предлагаются огне- 
упорные и теплоизоляционные материалы и изделия на основе базальто- 
вого, шамотного волокна, вспученного перлита и т.д. 
Основная цель настоящего учебного пособия - дать студентам пол- 
ный комплекс сведений, необходимых для проектирования и эксплуатации 
различного рода печных агрегатов, нагревательных и плавильных устройств 
в области металлургии, литейных, смежных и вспомогательных производств. 
ϴ


Глава 1
1 
СОВРЕ
ЕМЕНН
ОЕ СОС
СТОЯН
НИЕ ПРО
ОИЗВО
А  
И П
ПРОМЫ
ЫШЛЕН
ННОГО 
ПРИМЕ
ОДСТВА
НЕУПОР
РОВ 
И ТЕ
ЕПЛОИЗ
ЗОЛЯЦ
ЦИОННЫ
ЕНЕНИ
ЫХ МА
ИЯ ОГН
АТЕРИА
АЛОВ 
В 
ПЕЧНЫ
ЫХ АГР
РЕГАТА
АХ 
1.1.
Класс
ификац
ции огнеу
упоров,
, теплои
золяцио
онных 
и ст
троител
льных м
материал
лов 
Ог
гнеупорн
ные матер
риалы по
одразделя
на ог
гнеупорн
ные изде
лия (фор
рмованны
яются: 
ые огнеу
поры), и
имеющие
е опреде- 
лённ
ную геоме
етрическ
му и разм
меры; 
нефо
ормованн
ные огне
кую форм
еупоры, в
емые без
з определ
лённой ф
формы в
в 
порошк
ков, употр
ребляемы
выпускае
ые после
е смешен
ния с дру
угими ко
омпонен- 
и, в том ч
числе с з
затворит
елями, и
или в вид
де масс, 
непосред
дственно
о 
виде 
тами
готов
вых к при
именени
ю (табл. 
1.1). 
Т
Таблица 1.1
1. Класси
ификация
я огнеупор
ров по хим
мико-мин
нералогич
ческому 
составу 
Тип 
а 
Масс
совая доля
я опреде- 
Группа
ляю
ющих хими
компонент
ических 
ов на 
к
прок
каленное в
вещество 
1 
2 
3 
1. Кремн
ноземисты
ые 
цевого стек
кла 
7 
3 
ые 
ые с добав
вками 
SiО2•9
SiО2•9
80”SiO2<
ые (бетонн
ные, без- 
<93 
5 
SiО2•8
Алюмос
иликатны
е 
SiО
О2<85; Al2
2О3<28 
ые) 
лые 
3”45 
ые 
28”A12О3
45<A12О3
мистые 
ые 
3”62 
”72 
<90 
”90 
62<A1203
72<Al2O3
40”Al2O3
о стекла 
земистые 
земо-изве
3. Глино
4. Глиноз
стковые 
Al2O3!9
Из кварц
Динасовы
Динасовы
Кварцевы
обжиговы
Полукисл
Шамотны
Муллито
Муллито
Муллито
Из глино
(волокни
Корундов
Алюмина
окремнозем
овые 
окорундовы
оземистого
истые) 
вые 
аткальцев
вые 
10<CaO<
90 
<35 
65 
Al2О3!6
MgO!8
85 
Перклазовые 
Периклазо-известковые
50<MgO<
<85 
5. Магне
6. Магне
известко
езиальные 
езиально- 
овые 
10<CaO<
<45 
35<MgO”
”75 
Периклазо-известковые
стабилиз
зированны
ые 
15<CaO”
”40 
ϵ



Известковопереклазовые 
(доломитовые) 
Известковые 
Периклазохромитовые 

Хромитопериклазовые 
Хромитовые 
Периклазошпинелидные 
Периклазошпинельные 
Шпинельные 
Периклазофорстеритовые 
Форстеритовые 
Форстеритохромитовые 
Окончание табл. 1.1 



7.Известковые 
8.Магнезиальношпинелидные 












9.Магнезиальносиликатные 






10.Хромистые 
11.Цирконистые 





12.Оксидные 


13.Графитированные 
14.Карбидкремниевые 

15. Бескислородные 

Хромикислые 
Бадделентовые 
Бадделентокорундовые 

Цирконовые 

Специальные из огнеупор- 
ных оксидов: ВеО, MgO, 
CaO, Al2O3, Cr2O3, оксиды 
РЗЭ, Y2O3,Sc2O3, SnO2, ZrO2, 
HfO2,ThO2,UO2, Cs2O и др. 
Графитированные 
Угольные 
Углеродосодержащие 
Карбидкремниевые 
Карбидкремнийсодержащие 
Из нитридов, боридов, кар- 
бидов, силицидов и другие 
бескислородных соединений 
(кроме углеродистых) 
CaO: SiО2!2 
10<MgO<50 
45”CaO”85 CaO•85 
MgO•60 
5”Cr2O3”20 
40”MgO”60 
15<Сr2О3<35 
MgO<40 
Cr2O3!30 
50”MgO”85 
5<Cr2O3<20 
Аl2О3”25 
MgO!40 
5”Аl2О3”55 
25”MgO”40 
55< Аl2О3<70 
65<MgO<85 
SiО2•7 
50”MgO”65 
25”SiO2”40 
45”MgO”60 
20” SiО2”30 
5”Cr2О3”15 
Cr2O3•90 
ZrO2!90 
20”ZrO2”90 
Аl2О3”65 
ZrO2!50 
SiО2!25 
Максимально 
достижимое содежание 
перечисленных оксидов, 
соединений и твердых 
растворов на основе этих 
оксидов (не ниже 98 ) 
 по сухой массе 
С!98  
С!85  
8”С”82  
SiС!70  
15<С”70 
Максимально  
достижимое содержание  
бескислородных 
соединений 
ϭϬ