Огнеупорные и теплоизоляционные материалы в металлургии

 
 
 
В. М. ПАВЛОВЕЦ 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
ОГНЕУПОРНЫЕ  
И ТЕПЛОИЗОЛЯЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ  
В МЕТАЛЛУРГИИ 
 
 
 
 
 
 
 
Допущено учебно-методическим объединением по образованию  
в области металлургии в качестве учебного пособия  
для студентов высших учебных заведений, обучающихся  
по направлению подготовки «Металлургия» 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Москва    Вологда 
«Инфра-Инженерия» 
2022 

УДК 666.76/669 
ББК 34.3 
П12 
 
Р е ц е н з е н т ы :  
кафедра металлургии цветных металлов  
Иркутского государственного технического университета 
(заведующая кафедрой доктор технических наук,  
профессор Н. В. Немчинова); 
доктор технических наук, профессор кафедры экологии и техносферной 
безопасности Новокузнецкого института (филиала) Кемеровского 
государственного университета  
Р. А. Гизатулин 
 
 
 
 
 
 
Павловец, В. М. 
П12  
Огнеупорные и теплоизоляционные материалы в металлургии: 
учебное пособие / В. М. Павловец. – Москва ; Вологда : ИнфраИнженерия, 2022. – 268 с. : ил., табл. 
ISBN 978-5-9729-0934-6 
 
Представлена характеристика минерального сырья для производства 
огнеупорных и теплоизоляционных материалов. Изложены основы теории 
формования и термической обработки огнеупорных материалов. Приведены 
основные структурные, термомеханические, теплофизические и специальные свойства огнеупорных и теплоизоляционных материалов. Раскрыты теоретические основы технологии важнейших огнеупорных и теплоизоляционных материалов, используемых в металлургической промышленности.  
Для студентов, обучающихся по направлению подготовки «Металлургия». 
 
УДК 666.76/669 
ББК 34.3 
 
 
 
 
 
 
 
ISBN 978-5-9729-0934-6 
” Павловец В. М., 2022 
 
” Издательство «Инфра-Инженерия», 2022 
 
” Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2022 
2 

ОГЛАВЛЕНИЕ 
Предисловие .......................................................................................................... 
5 
Введение 
................................................................................................................. 
6 
1. Информация о практике использования
и производстве огнеупорных материалов  ................................................. 
9 
1.1. Значение огнеупорных материалов в промышленном производстве ....... 
9 
1.2. Продукция предприятий огнеупорной промышленности  
Российской Федерации 
................................................................................ 
13 
1.3. Классификация огнеупорных материалов ................................................. 
19 
2. Минеральное сырье для производства огнеупорных
и теплоизоляционных материалов 
............................................................. 
24 
2.1. Характеристика огнеупорных глин 
............................................................. 
24 
2.2. Характеристика каолинов ............................................................................ 
37 
2.3. Кварциты и песчаники ................................................................................. 
40 
2.4. Высокоглиноземистые материалы .............................................................. 
46 
2.5. Доломиты 
....................................................................................................... 
52 
2.6. Магнезиты 
...................................................................................................... 
55 
2.7. Брусит 
............................................................................................................. 
64 
2.8. Сырье для производства форстеритовых огнеупоров .............................. 
66 
2.9. Хромиты 
......................................................................................................... 
71 
2.10. Графит…… .................................................................................................. 
74 
3. Технологические основы производства огнеупорных материалов 
..... 
77 
3.1. Формование огнеупорных материалов 
....................................................... 
77 
3.2. Основы термообработки огнеупоров 
........................................................ 
100 
3.3. Теплотехническое оборудование для сушки и обжига... 
........................ 
117 
4. Свойства огнеупорных материалов 
......................................................... 
136 
4.1. Структурные сойства 
.................................................................................. 
136 
4.2. Теплофизические свойства ........................................................................ 
142 
4.3. Эксплуатационные свойства 
...................................................................... 
150 
4.4. Термомеханические свойства 
.................................................................... 
155 
5. Технологические основы производства важнейших
огнеупорных материалов ........................................................................... 
164 
5.1. Основы технологии шамотных огнеупоров 
............................................. 
164 
5.2. Основы технологии динасовых изделий .................................................. 
168 
5.3. Основы технологии магнезиальных огнеупоров 
..................................... 
170 
5.4. Основы технологии углеродистых огнеупорных изделий ..................... 
175 
6. Основы технологии производства и свойства
теплоизоляционных материалов .............................................................. 
179 
6.1. Классификация теплоизоляционных материалов ................................... 
179 
3 

6.2. Основы производства алюмосиликатных легковесных огнеупоров  
по способу выгорающих добавок ............................................................. 
182 
6.3. Основы производства легковесных изделий пеновым способом 
.......... 
183 
6.4. Основы производства корундовых легковесных изделий 
...................... 
186 
6.5. Основы производства пустотелых огнеупорных сфер ........................... 
188 
6.6. Основы производства шамотно-волокнистых  
легковесных огнеупоров ............................................................................ 
189 
6.7. Основы производства волокнистых теплоизоляционных 
огнеупорных материалов ........................................................................... 
191 
6.8. Основы производства каолиновой ваты 
................................................... 
193 
6.9. Основы производства поликристаллических волокон  
оксида алюминия ........................................................................................ 
201 
6.10. Способы производства изделий из алюмосиликатных  
огнеупорных волокон ............................................................................... 
204 
6.11. Гидроспособ производства плит ............................................................. 
205 
6.12. Производство картона, бумаги и текстильных изделий ....................... 
207 
6.13. Свойства и применение волокнистых материалов 
................................ 
208 
 
7. Применение и служба огнеупоров в металлургии ................................ 
219 
7.1. Принципы выбора огнеупорных материалов для футеровки  
металлургических агрегатов 
..................................................................... 
219 
7.2. Огнеупорные материалы в производстве чугуна .................................... 
222 
7.3. Огнеупорные материалы для выплавки конвертерной стали ................ 
228 
7.4. Огнеупорные материалы для производства электростали ..................... 
231 
7.5. Огнеупоры для ковшевого хозяйства ....................................................... 
233 
7.6. Торкретирование футеровок тепловых агрегатов ................................... 
236 
Контрольные вопросы и задания ................................................................. 
241 
Самостоятельная работа студентов ............................................................. 
244 
Заключение........................................................................................................ 
248 
Библиографический список 
........................................................................... 
249 
Приложение А. Теплофизические свойства огнеупоров 
.............................. 
252 
4 

ПРЕДИСЛОВИЕ 
Федеральным государственным образовательным стандартом по направлению подготовки «Металлургия» предусмотрено изучение специальных дисциплин профессионального цикла, которые являются базовыми для подготовки 
бакалавров металлургических профилей. В этом ряду находится дисциплина 
«Огнеупорные материалы», которая посвящена изучению основ технологии 
производства и эксплуатации огнеупорных и теплоизоляционных материалов. 
Настоящее учебное пособие является познавательно-практическим источником 
для решения теоретических и практико-ориентированных задач в области промышленного производства и практического использования огнеупоров и теплоизоляторов для металлургических технологий. В учебном пособии представлены теоретические положения производства огнеупорных материалов, 
включающие характеристику сырьевой базы огнеупорной промышленности, 
теорию формования сырья и термической обработки изделий. Раскрыты основные свойства огнеупорных и теплоизоляционных материалов. Уделено 
внимание теплотехническим аспектам сушки, спекания и охлаждения огнеупоров. Раскрыты технологические особенности производства основных видов огнеупорных и теплоизоляционных материалов, используемых в металлургии. Представлен справочный материал по теплофизическим свойствам 
огнеупорных и теплоизоляционных изделий, который можно использовать 
для выполнения курсовой научно-исследовательской работы, курсовых проектов и выпускных квалификационных работ.  
Учебное пособие написано с учетом компетентностного подхода к 
подготовке выпускников. Согласно требованиям федерального государственного образовательного стандарта выпускник должен обладать общекультурными компетенциями: владеть культурой общения, обобщать и анализировать информацию, ставить цель и выбирать пути ее достижения, самостоятельно приобретать новые знания, используя современные образовательные и информационные технологии; и профессиональными компетенциями: уметь использовать фундаментальные общеинженерные знания, уметь 
осознавать социальную значимость своей будущей профессии, владеть знаниями современных технико-экономических требований к технологическому 
оборудованию металлургической теплотехники.  
5 

 
ВВЕДЕНИЕ 
 
Промышленные печи сооружают, используя огнеупорные и теплоизоляционные материалы, строительный кирпич, огнеупорные и строительные бетоны, металлопрокат. Основными строительными компонентами печей являются 
огнеупоры – неметаллические материалы, способные выдерживать тепловые, 
физикохимические воздействия расплавленных металлов, шлаков, агрессивных 
газов и обладающие огнеупорностью более 1580 °С. Неметаллические материалы, используемые для получения огнеупоров, представлены оксидами, карбидами, нитридами, керметами, боридами, углеродосодержащими и композитными составами. Первые формованные огнеупоры в виде кирпичей использовались при строительстве доменных печей. Первое специализированное производство формованных шамотных изделий появилось в Германии в 1810 г.  
В России первый шамотный завод был построен в 1865 г. в г. Боровичи (Новгородская обл.). Динасовые огнеупоры были изготовлены впервые в 1822 г.  
в Уэльсе (Англия). В России производство динаса было организованно в  
80-х годах XIX в. на Обуховском заводе в Петербурге и на Златоустовском металлургическом заводе на Урале. Доломитовые огнеупоры впервые были применены в Англии в 1878 г., а первые магнезиальные огнеупоры появились  
в Австрии в 1860 г. В России первый магнезитовый завод построен на Урале  
в г. Сатка в 1900 г. Хромитовые огнеупоры появились в конце XIX в., а хромомагнезитовые изделия стали применять в начале XX в. Первые безобжиго- 
вые огнеупоры появились в 1913 г. в США. Научно-техническая революция  
в XX веке в металлургической промышленности и в области огнеупоров привела к созданию большой гаммы новых видов огнеупоров специального и ответственного назначения, сортамент которых постоянно расширяется. Количество всех видов огнеупорных изделий в настоящее время превышает более  
40 тыс. наименований и непрерывно растет. Причем доля неформованных материалов в общем объеме изделий постоянно увеличивается. 
Основные воздействия, которые должны выдерживать огнеупоры – это 
термические нагрузки, осложненные физикохимическими явлениями, протекающими на границах огнеупора, со стороны металлов, шлаков и газов. Вся 
гамма указанных явлений развивается в металлургических агрегатах, выплавляющих черные и цветные металлы. В начале технологического процесса получения металлов находится стадия подготовки сырья к плавке, использующая ряд теплотехнических установок. Это обжиговые агрегаты вращающегося типа, применяемые для магнетизирующего обжига железорудного сырья 
при температуре 1000–1200 °С. Производство окускованного железорудного 
сырья осуществляется на агломерационных лентах и на обжиговых машинах, 
горны которых футерованы специальными видами огнеупоров. На многих 
участках стадии подготовки сырья к металлургическому переделу установлены сушильные агрегаты, топки и барабаны, рабочее пространство которых 
футеровано огнеупорами в совокупности с тепловой изоляцией. К металлур6 

гическому сырью относится кокс, который производят в коксовых печах, футерованных особоплотным (шпунтовым) динасом. Камеры устоновок сухого 
тушения кокса теплоизолируют плотными шамонтными изделиями. Обжиг 
известняка с получением извести осуществляют в шахтных печах, максимальная рабочая температура в которых составляет 1250 °С. Первым металлургическим переделом является доменный процесс. Футеровка доменной печи высотой до 60 м выкладывается из нескольких десятков видов огнеупоров 
ответственного назначения. Сложным теплотехническим агрегатом является 
воздухонагреватель доменной печи, для постройки которого используются 
высокотемпературные огнеупорные и теплоизоляционные материалы. К первому металлургическому переделу относятся шахтные печи металлизации, 
футерованные шамотными изделиями. В сталеплавильном производстве, потребляющем более 60 % всего объема выпускаемых изделий, работают мартеновские и электрические печи, кислородные конвертеры, температура отходящих газов в которых достигает 1700–1750 °С. В этом переделе самый 
большой парк металло- и шлаковозных ковшей, миксеров, желобов. Эксплуатируются графитошамотные изложницы. Здесь работают машины непрерывного литья заготовок, для которых применяются огнеупорные изделия специального назначения (погружаемые стаканы, шиберы, элементы сифонной разливки, термопары и др.). Камеры внепечного вакуумирования стали футерованы огнеупорами спецального назначения. Агрегаты свременных технологий 
жидкофазного восстановления металлических руд футерованы, как правило, 
термостойкими и шлакоустойчивыми огнеупорами. Для сталеплавильного 
производства выпускают продукцию ферросплавные электропечи, футерованные огнеупорами с высокой шлакоустойчивостью. В структуру прокатного 
производства входит большое количество нагревательных и термических печей, футерованных специальными видами огнеупоров. Керамические рекуператоры и регенераторы с современной зернистой или шаровой насадкой в регенеративногорелочных системах являются неотъемлемой частью современных нагревательных печей нового поколения. В ряде тепловых агрегатов 
применяют горелки с керамической излучающей насадкой. Следует подчеркнуть, что дымоходы (борова), воздуховоды горячего дутья, дымовые трубы 
промышленных печей сооружают из шамотных изделий или огнеупорных бетонов. Большое количество печей цветной металлургии: электролизеры алюминиевого производства, отражательные медеплавильные печи, хлораторы  
и агрегаты для выплавки редких металлов футерованы специальными видами 
огнеупоров. Порошковая металлургия, литейное, сварочное и метизное производство также используют значительный сортамент огнеупорных и теплоизоляционных материалов для футеровки спекательных, термических печей, 
камер высокотемпературного распыления металлов и сплавов. Можно перечислить практически все отрасли промышленности, где используется тепловая энергия, эксплуатируются теплотехнические агрегаты, для футеровки которых применяют огнеупорные и теплоизоляционные материалы. Это теплоэнергетика, машиностроение, строительное производство, химическая и перерабатывающая промышленность. Тепловая изоляция металлических воздухо7 

водов, паро-, водо- и мазутопроводов в металлургии позволяет сохранить тепловой потенциал теплоносителей. Возрастает роль тепловой изоляции в жилищно-коммунальном хозяйстве, позволяя снизить тепловые потери из зданий 
и сооружений в окружающюю среду. В качестве тепловой изоляции используют специальные виды огнеупоров для космических и летательных аппаратов. Особые виды огнеупоров используют в атомной энергетике, нефтехимии, 
фарфорофаянсовом и стекловаренном производствах, в технологиях, требующих высокой стойкости к высокотемпературным химическим расплавам. 
Применяют огнеупорные материалы для топок морских судов. За рубежем известны попытки использования огнеупорной керамики для построения двигателей внутреннего сгорания. Часть электротехнических изделий изготавливают из высокотемпературной керамики. Большое количество огнеупорных изделий выпускается для высокотемпературной измерительной техники: лабораторных печей, тиглей, реакторов, датчиков газоанализаторов, трубок термоэлектрических преобразователей, кювет, изоляторов, корундовых бус и др. 
Огнеупорные материалы – это своеобразные технические посредники, без которых невозможен выпуск металлургической и других видов промышленной 
продукции. Поэтому с расширением числа металлургических технологий появляется необходимость в производстве новых, более качественных видов огнеупоров, в расширении спектра огнеупорной продукции. Проследить за решением современных проблем в этой области знаний можно по публикациям 
в специализированных журналах: «Огнеупоры и техническая керамика»,  
«Новые огнеупоры», «Стекло и керамика». Нередко можно встретить публикации по актуальным проблемам огнеупорной промышленности в журналах 
«Сталь», «Металлург», «Известия вузов. Черная металлургия», «Известия вузов. Цветная металлургия», «Черные металлы». Научные публикации по использованию вторичного техногенного сырья для производства огнеупоров 
можно найти в журналах «Металлургическая и горнорудная промышленность», «Рециклинг отходов». Производство огнеупоров является сложным 
техническим процессом, сочетающим многообразные технологии формообразования и термообработки. Термообработка сопряжена с физическим нагревом, сушкой, спеканием, охлаждением и многими физико-химическими явлениями, существенно влияющими на производительность теплового агрегата  
и качество огнеупорной продукции. Поэтому в настоящее время в производстве огнеупоров актуальны проблемы ресурсо- и энергосбережения. Современному инженеру-металлургу знания теоретических основ огнеупорных материалов необходимы для квалифицированного решения производственных 
проблем. Эти проблемы могут возникнуть в производстве огнеупоров и в 
конкретном металлургическом переделе, для решения которых необходимы 
знания всего многообразия свойств огнеупоров и закономерностей применения и эксплуатации этих материалов в теплотехнических агрегатах.  
Настоящее учебное пособие предназначено для студентов, обучающихся по направлению подготовки «Металлургия» и изучающих технологию промышленного производства и использования онеупорных и теплоизоляционных материалов в металлургии.  
8 

1. ИНФОРМАЦИЯ О ПРАКТИКЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ
И ПРОИЗВОДСТВЕ ОГНЕУПОРНЫХ МАТЕРИАЛОВ
1.1. ЗНАЧЕНИЕ ОГНЕУПОРНЫХ МАТЕРИАЛОВ  
В ПРОМЫШЛЕННОМ ПРОИЗВОДСТВЕ 
Огнеупорные материалы применяют при сооружении промышленных 
тепловых агрегатов, отделяя их рабочее пространство от окружающего пространства футеровкой (огнеупорной кладкой) и создавая термическое сопротивление на пути теплового потока в окружающую среду. Огнеупоры в этом 
случае используют как высокотемпературные теплоизоляторы. Без огнеупоров 
нет другого практически приемлемого способа ограничить распространение 
тепла в окружающую среду из рабочего пространства печей и поддерживать 
длительное время высокие температуры в больших объемах. Теплоизоляционные материалы позволяют дополнительно увеличить тепловое сопротивление 
многослойной футеровки печей, котлоагрегатов, других тепловых агрегатов  
и сократить потери тепла в окружающую среду до минимального значения.  
Огнеупоры относятся к неметаллическим материалам, изготовленным на 
основе минерального сырья. Как правило, это тугоплавкие оксиды, бориды, 
карбиды, углеродсодержащие материалы. При сооружении некоторых элементов промышленных печей (фундаментов, приямков, каркасов, маршей и др.) 
применяют обычные строительные материалы (красный кирпич, бетон, щебень, металлы и их сплавы). Металл используется в виде проката литья, сварочных конструкций и в ряде случаев требует охлаждения или специальных 
огнеупорных защитных покрытий и обмазок. Огнеупорная футеровка тепловых 
агрегатов, зажатая металлическим кожухом и каркасом печи, придает конструкции повышенную прочность, устойчивость и долговечность. 
При конструировании печи следует учитывать, что в процессе эксплуатации огнеупорная кладка испытывает негативные физико-химические воздействия, приводящие к образованию раковин, эрозии, микротрещин, раскрытию швов между изделиями и повышению нежелательной газопроницаемости, особенно для печей с защитной и контролируемой атмосферой. Механическое воздействие на футеровку плавильных печей оказывает расплавленный металл и шлак, а на кладку пода некоторых нагревательных печей – 
загружаемые заготовки. При этом на изделия, расположенные в нижней части огнеупорной кладки, воздействует статическая нагрузка всей вышележащей футеровки или регенеративной насадки. Это особенно актуально для 
шахтных печей и тепловых агрегатов большой высоты. 
Условия эксплуатации огнеупоров в промышленных печах можно условно разделить на несколько групп. Огнеупоры первой группы работают при высоких температурах, но не подвергаются механическому и химическоу воздействию. Огнеупоры второй группы испытывают термические воздействия и 
подвергаются химическому воздействию от металлической окалины, образу9 

ющейся в процессе нагрева металла. Это условия службы нагревательных и 
термических печей. Огнеупоры третьей группы наряду с высокой температурой испытывают механические воздействия. Для четвертой группы огнеупоров 
характерно тепловое, механическое и химическое воздействие расплавов  
в прцессе их эксплуатации. В таких условиях работает более 40 % всех огнуепоров, используемых для плавильных печей. Сложность эксплуатации огнеупоров обсусловила необходимость производства широкого ассортимента огнеупоров с различными рабочими и физическими свойствами. 
Практически все основные элементы и узлы промышленных печей выполняют из огнеупоров [1–11]. Это горелочные амбразуры, блоки для установки термопар, керамические столбики, элементы подовых труб и многие 
другие. В качестве примера на рисунке 1.1 показано распределение огнеупоров в футеровке камерной печи кузнечного производства [4, с. 9]. Рабочее 
пространство печи ограничено стенами, сводом и подом. Стены, как правило, выполняют двух или трехслойными (рабочий огнеупорный, промежуточный огнеупорный и теплоизоляционный слой). Свод выполняют двухслойным. Для арочных сводов рабочий огнеупорный слой выкладывают из клиновых изделий. Подвесные своды выполняют из подвесных блоков. Теплоизоляция сводов обязательна. 
  
Рисунок 1.1 – Схема камерной печи кузнечного производства  
производительностью до 1,5 т/ч: 
1 – стены; 2 – арочный свод; 3 – под; 4 – водоохлаждаемая заслонка; 5 – дымоотборный 
канал; 6 – боров (горизонтальный дымоход); 7 – вертикальный дымоход; 8 – ось горелки; 
9 – радиационный рекуператор; 10 – дымоход, идущий к дымовой трубе;  
11 – аспирационный зонт; 12 – каркас; 13 – фундамент 
10