Теплофизические и рабочие свойства огнеупорных и теплоизоляционных материалов

МИНИСТЕРСТВО ОБРА ЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОмНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ 
ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ 
«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ «мИСиС»

№ 2196

Кафедра теплофизики и экологии металлургического 
производства

Ю.М. Янюшкин

Теплофизические и рабочие 
свойства огнеупорных 
и теплоизоляционных материалов

 
Учебное пособие

Допущено учебно-методическим объединением 
по образованию в области металлургии в качестве 
учебного пособия для студентов высших учебных заведений, 
обучающихся по направлению 150400 – Металлургия

Москва  2014 

УДК 66.043.1 
 
Я67

Р е ц е н з е н т 
канд. техн. наук, доц. В.Л. Гусовский 
(зам. технического директора ООО «Институт Стальпроект») 

Янюшкин, Ю.М.
Я67  
Теплофизические и рабочие свойства огнеупорных и теплоизоляционных материалов : учеб. пособие / Ю.М. Янюшкин. – 
М. : Изд. Дом МИСиС, 2014. – 91 с.
ISBN 978-5-87623-767-5

Изложены общие сведения, понятия, определения, положения, посвященные огнеупорным и теплоизоляционным материалам. Рассмотрены классификация огнеупоров по химико-минералогическому составу и химическим 
свойствам, их структура, свойства, характеристика; применение огнеупорных 
и теплоизоляционных материалов в различных печах металлургического производства.
Предназначено для студентов, обучающихся по всем специальностям бакалавриата направления «Металлургия».

УДК 66.043.1

ISBN 978-5-87623-767-5
 Янюшкин Ю.М., 2014

Оглавление

Предисловие ..............................................................................................4
Введение ....................................................................................................5
1. Классификация огнеупорных материалов ..........................................6
1.1. Общие сведения ................................................................................ 6
1.2. Классификация по химико-минералогическому составу ............. 8
1.3. Классификация по химическим свойствам и другим  
признакам ................................................................................................ 12
2. Структура, свойства, характеристика огнеупорных материалов ....15
2.1. Макроструктура .............................................................................. 15
2.2. Термомеханические свойства ........................................................ 19
2.3. Тепло- и электрофизические свойства ......................................... 27
2.4. Термические свойства .................................................................... 34
2.5. Химическая стойкость .................................................................... 39
3. Применение огнеупорных материалов в металлургии ....................45
3.1. Служба огнеупоров в черной металлургии ................................. 45
3.2. Огнеупорные материалы в производстве чугуна ........................ 46
3.3. Огнеупоры для воздухонагревателей доменных печей .............. 52
4. Огнеупорные материалы в производстве стали ...............................55
4.1. Огнеупоры для мартеновских печей ............................................. 55
4.2. Огнеупоры для футеровки сталеплавильных конвертеров ........ 57
4.3. Огнеупоры для дуговых электросталеплавильных  
печей (ДСП) ............................................................................................ 60
4.4. Торкретирование футеровок тепловых агрегатов ....................... 67
4.5. Огнеупоры для индукционных электрических печей ................ 69
4.6. Футеровка нагревательных и термических печей ....................... 73
5. Теплоизоляционные материалы ........................................................82
5.1. Основные сведения ......................................................................... 82
5.2. Характеристики теплоизоляционных материалов ...................... 83
Библиографический список ...................................................................90

ПРеДиСлОвие

Настоящее учебное пособие предназначено для студентов металлургических специальностей вузов. Информация по огнеупорным и 
теплоизоляционным материалам, представленная в различных литературных источниках, монографиях, справочниках, библиографический список которых приведен в пособии, весьма значительна, что 
вызывает у студентов определенные трудности при изучении дисциплины. Поэтому автор поставил перед собой задачу написать учебное 
пособие в достаточно сжатой форме, небольшое по объему, включающее в себя в соответствии с учебным планом основные разделы по 
курсу. В пособии достаточно кратко описаны основные теоретические и прикладные вопросы по классификации, структуре, свойствам, 
характеристикам огнеупорных и теплоизоляционных материалов и их 
использованию в различных печах металлургического производства с 
учетом современных достижений. Учебное пособие должно помочь 
студентам в их самостоятельной работе по изучению курса и подготовке к экзаменам и зачетам.

введение

Огнеупорные и теплоизоляционные материалы и изделия играют 
определяющую роль в строительстве и работе современных огнетехнических тепловых агрегатов как для выполнения соответствующих 
технологических требований, так и с экономической точки зрения для 
минимизации эксплуатационных затрат, эффективного использования 
топливно-энергетических ресурсов, рационального применения ресурсосберегающих технологий.
Учитывая тенденцию развития крупнотоннажных тепловых агрегатов, а также разработку новых интенсивных технологических процессов, протекающих в условиях все более высоких температур и воздействия агрессивных сред (газов, расплавов, окалины), требования к 
огнеупорным материалам в будущем будут непрерывно повышаться.
Анализ вопросов, связанных с условиями эксплуатации, конструктивными особенностями и процессами разрушения огнеупоров при 
их воздействии с агрессивными средами-газами, расплавами, шлаками, позволил повысить эффективность использования выпускаемых 
огнеупоров, стойкость огнеупорной футеровки в тепловых агрегатах 
и наметить пути к совершенствованию огнеупоров и технологии их 
производства.
В последнее время появились новые огнеупорные и теплоизоляционные материалы общего и специального назначения: ультралегковесные и волокнистые композиционные огнеупоры. Это требует от 
будущих специалистов умения правильно ориентироваться в большом объеме информации, посвященной этим материалам, которую 
можно найти в специальных публикациях, справочниках, периодических изданиях, интернете, рекламных проспектах.
Правильный научно обоснованный выбор огнеупорных и теплоизоляционных материалов и изделий для строительства и ремонта тепловых агрегатов для их рациональной эффективной работы и 
эксплуатации является важнейшей задачей в развитых отраслях промышленности, где применяются огнеупоры и теплоизоляция.

1. КлаССифиКациЯ 
ОгнеУПОРных МатеРиалОв

1.1. Общие сведения

Огнеупорными принято называть неметаллические материалы, используемые в разных тепловых агрегатах, способные сохранять без 
существенных нарушений свои функциональные свойства в разнообразных условиях службы при высоких температурах с огнеупорностью выше 1580 °С (ГОСТ 28874–2004).
В настоящее время без применения огнеупоров пожалуй нет другого 
приемлемого способа получать и поддерживать длительное время высокие температуры в больших объемах и существенно ограничить потери 
тепла в окружающую среду. В одних случаях огнеупоры применяются 
как высокотемпературные теплоизоляторы, в других – как высокотемпературные теплопроводники, т.е. обладающие высокой теплопроводностью. При высоких температурах огнеупоры могут использоваться и как 
электроизоляторы, и как проводники электрического тока.
Огнеупорные материалы нашли применение во многих отраслях 
промышленности: металлургической, химической, энергетической, 
машиностроительной, в ракетно-космической отрасли и в других. 
Распределение огнеупоров по отраслям промышленности в процентном отношении представлено в табл. 1.1.
В связи с многообразием условий службы и эксплуатации огнеупоров в 
различных огнетехнических тепловых агрегатах возникла необходимость 
организации промышленности по производству огнеупорных материалов 
большого непрерывно увеличивающего ассортимента с различными, порой наперед заданными, свойствами. На сегодняшний момент наличие 
огнеупорной промышленности и выпуск качественных огнеупорных материалов в той или иной стране характеризует степень ее индустриализации. 
Из более 212 стран мира огнеупорная промышленность имеется только в 
39 странах. Более половины мирового производства огнеупоров приходится на долю России и других стран СНГ и США.
В промышленно развитых странах доля стоимости огнеупоров составляет около 0,1 % валового национального продукта и составляет 
до 8…10 % в себестоимости металла.
Особенностью производства огнеупоров в отечественной промышленности является сосредоточенность большой производственной мощности на отдельных предприятиях, при этом концентрация 

производства огнеупоров в России выше, чем в промышленно развитых странах. Так, например, более 85 % получаемой огнеупорной 
продукции России производится на 16 специализированных заводах, 
при этом 11 металлургических предприятий, комбинатов имеют собственные огнеупорные заводы.
Современная огнеупорная промышленность развивается в направлении повышения качества, стойкости и прочности огнеупоров, в результате чего снижается их удельный расход и материалоемкость производств, использующих огнеупорные материалы.
Повышение качества и эффективности современных огнеупорных 
материалов возможно на основе разработки принципиально новых 
технологий и огнеупоров: огнеупоров на основе волокнистых материалов, периклазоуглеродистых; огнеупоров из чистых оксидов и бескислородных соединений ( карбиды, нитриды, бориды); каолиновая 
вата, плиты, ткани; титановые огнеупоры и магнезиальные, изготовленные на основе новой СВС-технологии (самораспространяющегося высокотемпературного синтеза, сущность технологии которого 
заключается в использовании внутренней теплоты выделяемой при 
происхождении алюмотермических процессов); изделий из стеклокристаллических волокон; конструкционных и порошкообразных материалов на основе корундовых микросфер, композиционных материалов систем Si–C–O–N, Si–Al–O–N (сиалоны); органоминеральные 
эластичные огнеупорные материалы (ЭЛОМ). Кроме того, решается 
проблема расширения ассортимента и повышения качества традиционных огнеупоров за счет использования высококачественного сырья, 
разработкой неформованных огнеупоров (бетонов) вместо кирпичных материалов, формированием эффективной структуры изделий с 
прямой связью кристаллов, с низкой оптимальной пористостью.
Целесообразность создания огнеупоров нового поколения обусловлена возрастающими требованиями потребителей, а также необходимостью улучшения условий службы огнеупоров.

Таблица 1.1
Распределение огнеупоров по отраслям промышленности

Страна
Черная 
металлургия

Цветная 
металлургия

Машиностроение

Строительные 
материалы

Химическая 
промышленность

Прочие 
потребители

Экспорт

Россия
60,1
4,0
10,3
8,1
4,7
10,9
1,9
США
62,0
9,0
–
13,5
5,5
1,0
9,0
Япония
71,7
2,2
3,0
8,9
6,1
4,1
4,0

В настоящее время тенденция мирового развития современной огнеупорной промышленности характеризуется переходом к производству ресурсосберегающих технологий.

1.2. Классификация по химико-минералогическому 
составу

Классификация всех огнеупоров производится по основным признакам: огнеупорные изделия (по способу формования), имеющие 
определенную геометрическую форму и размеры; неформованные 
огнеупоры, выпускаемые в виде порошков и употребляемые после 
смешения с другими компонентами; огнеупорности, химико-минералогическому составу, пористости, термической обработки. Она определяется по ГОСТ 28874–2004.
Огнеупоры должны иметь следующие свойства: высокую огнеупорность (выше 1580 °С); не разрушаясь выдерживать колебания температур; значительную механическую прочность при температуре 1100 °С; 
химическую стойкость по отношению к компонентам технологического процесса; постоянство форм и объема при нагреве и охлаждении; 
определенные физические свойства (плотность, пористость, термомеханические, теплофизические, электрофизические свойства).
Все огнеупоры классифицируют по химико-минералогическому 
составу, подразделяя их на типы и группы (табл. 1.2).

Таблица 1.2
Классификация огнеупорных изделий

Тип
Группа
Доля определяющих химических 
компонентов на прокаленное 
вещество, %
Кремнеземистые
Из кварцевого стекла
SiO2 ≥ 97
Динасовые
SiO2 ≥ 93
Динасовые с добавками
80 ≤SiO2 < 93
Кварцевые
SiO2 ≥ 85
Алюмосиликатные
Полукислые
SiO2 ≥ 95, Al2O3 < 28
Шамотные
28 ≤ Al2O3 ≤ 45
Муллитокремнеземистые
45 ≤ Al2O3 ≤ 62
Муллитовые
62 <Al2O3 ≤ 72
Муллитокорундовые
72 <Al2O3 ≤ 90
Из глинокремнеземистого 
стекла
40 ≤ Al2O3 ≤ 90

Глиноземистые
Корундовые
Al2O3 >90

Глиноземизвестковые
Алюминатокальциевые
Al2O3 > 65, 10 < CaO < 35

Магнезиальные
Периклазовые
MgO ≥ 85
Магнезиальноизвестковые
Периклазоизвестковые
50 < MgO < 85, 10 ≤ CaO ≤ 45
Периклазоизвестковые 
стабилизированные
35 < MgO < 75, 15 < CaO ≤ 40, 
CaO:SiO2 > 2
Известковопериклазовые
10 < MgO ≤ 50, 45 ≤ CaO ≤ 85
Известковые
Известковые
CaO ≥ 85
Магнезиальношпинелидные
Периклазохромитовые
MgO ≥ 60, 5 ≤ Cr2O3 ≤ 20
Хромитопериклазовые
40 ≤ MgO < 60, 15 ≤ Cr2O3 ≤ 35

Хромитовые
MgO < 40, Cr2O3 > 30
Периклазошпинелидные
50 ≤ MgO < 85, 5 ≤ Cr2O3 ≤ 20, 
Al2O3 ≤ 25
Периклазошпинельные
MgO >40, 5 ≤ Al2O3 ≤ 55
Шпинельные
25 ≤ MgO ≤ 40, 55 < Al2O3 ≤ 70
Магнезиальныесиликатные
Периклазофорстеритовые
65 ≤ MgO < 85, SiO2 ≥ 7
Фостеритовые
50 ≤ MgO < 65, 25 ≤ SiO2 ≤ 40
Форстеритохромитовые
45 ≤ MgO < 60, 20 ≤ SiO2 ≤ 30, 
5 ≤ Cr2O3 ≤ 15
Хромистые
Хромоксидные
Cr2O3 ≥ 90
Цирконистые
Бадделеитовые
ZrO2 > 90
Бадделеитокорундовые
20 ≤ ZrO2 ≤ 90, Al2O3 ≤ 65
Цирконовые
ZrO2 > 50, SiO2 > 25
Окисные
Специальные из огнеупорных оксидов: BeO, MgO, 
CaO, Al2O3, Cr2O3, SiO2, 
V2O3, Sc2O3, ZnO2, ZrO2 
и др.

Максимально достижимое содержание перечисленных оксидов, 
соединений и твердых растворов на 
основе этих оксидов

Углеродистые
Графитированные
C > 98
Угольные
C > 85
Углеродосодержащие
8 ≤ C ≤ 85
Карбидокремниевые
Карбидокремниевые
SiC > 70
Карбидокремнийсодержащие
15 ≤ SiC ≤ 70

Бескислородные
Из нитридов, боридов, 
карбидов, силицидов и 
других бескислородных 
соединений (кроме углеродистых)

Максимально достижимое содержание бескислородных соединений

В зависимости от огнеупорности материалы подразделяют на 
средней огнеупорности – 1580...1770 °С; высокой – 1770...2000 °С; 
высшей – свыше 2000 °С.
Огнеупорные материалы бывают штучными изделиями (кирпичами с размерами: прямой 230×(114;115)×(65;75) мм; клиновой 
230×(114;115)×(65×55;65×45;75×65;75×55) мм, блоками, отдельными 
изделиями) и неформованными, к которым можно отнести огнеупорные бетонные смеси и массы, мертели, заправочные порошки, материалы для покрытий, волокнистые теплоизоляционные материалы, 
огнеупорные цементы, заполнители и другие специальные набивные 
и формуемые массы, используемые для торкретирования и изготовления огнеупорных бетонов.
Перспективным с точки зрения экономических и социальных факторов является использование неформованных огнеупоров в черной 
металлургии ввиду возможности механизации ремонтных работ при 
одновременном сокращении удельных затрат на производство стали. 
При этом формирование рабочего слоя монолитной футеровки путем 
спекания в ходе технологического процесса обеспечивает значительную экономию энергоресурсов вследствие исключения операции обжига штучных изделий.
Неформованные материалы классифицируют по специальным характеристикам и в зависимости от назначения разделяют на группы 
(табл. 1.3).

Таблица 1.3
Классификация неформованных огнеупоров по специальным признакам

Группа
Характеристика
Назначение
Огнеупорные 
порошки и 
заполнители

Огнеупорные материалы 
определенного зернового 
состава

Для изготовления 
огнеупорных изделий, 
масс, смесей, мертелей, 
изготовления и ремонта 
тепловых агрегатов, 
теплоизоляции и др.
Огнеупорные 
цементы
Микрозернистые, 
тонкодисперсные и 
ультрадисперсные 
огнеупорные материалы, 
твердеющие после 
смешивания со связкой

Для изготовления бетонных 
изделий, смесей, масс, 
покрытий и мертелей