Служба огнеупоров

Министерство образования и науки Российской Федерации 

Уральский федеральный университет 

имени первого Президента России Б. Н. Ельцина 

К. Г. Земляной

СЛУЖБА ОГНЕУПОРОВ

Учебно-методическое пособие 

Рекомендовано методическим советом 
Уральского федерального университета 

для студентов вуза, обучающихся 

по направлениям подготовки 

18.03.01, 18.04.01 — Химическая технология

Екатеринбург 

Издательство Уральского университета 

2018 

УДК 666.76:669.1(075.8)
ББК 35.41я73+34.32я73

    З-53 

Рецензенты:
канд. техн. наук, ст. науч. сотр. лаборатории электрохимического 

материаловедения Института высокотемпературной электрохимии 
УрО РАН Э. Г. Вовкотруб;

канд. техн. наук, завлабораторией испытаний и исследований огнеу
порных и теплоизоляционных материалов ОАО «ВНИИМТ» Л. В. Узберг

Научный редактор — д-р техн. наук, проф. И. Д. Кащеев 

З-53

Земляной, К. Г.
Служба огнеупоров : учеб.-метод. пособие / К. Г. Земляной. — 
Екатеринбург : Изд-во Урал. ун-та, 2018. — 172 с.
ISBN 978-5-7996-2398-2

В учебно-методическом пособии систематизированы общие сведения о класси
фикации, конструкциях и элементах футеровки основных видов тепловых агрегатов 
черной металлургии и промышленности строительных материалов. 

Рассмотрены действующие правила и технологии производства огнеупорных ра
бот. Предложен алгоритм и правила разработки дизайна огнеупорной футеровки теплового агрегата под конкретные условия технологического процесса. Представлены 
методики оценки активности разрушающих факторов, действующих на огнеупорную 
футеровку, тепловой эффективности и раскладки огнеупорных изделий в рабочем 
слое футеровки. Приведены примеры расчетов и необходимые справочные данные.

Библиогр.: 49 назв. Табл. 8. Рис. 55. Прил. 2.

УДК 666.76:669.1(075.8)
ББК 35.41я73+34.32я73

ISBN 978-5-7996-2398-2
© Уральский федеральный 
     университет, 2018

Предисловие

Ц

елью изучения дисциплины «Служба огнеупоров» является 
формирование у студента профессиональных компетенций, 
позволяющих эффективно осуществлять профессиональную 

деятельность как в области производства и сбыта высокотемпературных конструкционных и теплоизоляционных материалов, так и в области их практического применения во всех отраслях промышленности.

В ходе освоения курса обучающийся должен приобрести навыки 

анализа условий эксплуатации выбранного теплового агрегата и его 
футеровки, теоретического и физико-химического выбора конструкционных и теплоизоляционных материалов, адекватных условиям эксплуатации, инженерного расчета конструкции футеровки теплового 
агрегата и ее технологических параметров — номенклатуры используемых материалов и изделий, веса, эффективной теплопроводности, 
штатных графиков разогрева и охлаждения футеровки.

Настоящее учебное пособие позволит закрепить и упорядочить зна
ния и навыки, полученные при изучении базовых дисциплин, а также 
быстро и квалифицированно решать аналогичные задачи в выпускной 
квалификационной работе (см. приложение 2) и дальнейшей трудовой деятельности.

1. Тепловые агрегаты в промышленности

1. Тепловые агрегаты 

в промышленности

Т

епловая энергия применяется практически во всех отраслях 
хозяйственной деятельности в самых разнообразных целях 
во множестве специальных сооружений, получивших общее 

название «тепловые устройства».

Согласно принятым в теплотехнике понятиям, наиболее часто встре
чающиеся промышленные тепловые устройства делятся на следующие 
характерные группы: тепловые генераторы, теплообменники, тепловые аппараты.

Тепловые генераторы представляют собой устройства, в которых ос
новным теплотехническим процессом является процесс получения 
теплоты в результате превращения химической, электрической, солнечной, атомной и других видов энергий. Примерами тепловых генераторов являются конвертеры, индукционные и нагревательные 
электрические печи, различные топки, реакторы химической промышленности, отличающиеся тем, что в них генерация (превращение) теплоты органически сочетается с тем или иным технологическим процессом, а покрытие потребности в теплоте для осуществления 
технологического процесса может выполняться двумя принципиально различными путями: за счет теплоты, выделяющейся в самом материале, подвергающемся тепловой обработке, и за счет теплоты, поступающей извне.

Теплообменники представляют собой устройства, где происходит 

процесс теплопередачи от одного теплоносителя другому. Здесь мы 
имеем дело только с теплотой. Процесс получения теплоты из энергии другого вида практически отсутствует. К теплообменникам также 
относятся тепловые устройства, в которых кроме передачи теплоты 
материалу, подвергаемому тепловой обработке, совершается в определенной мере превращение переданной теплоты в тот или иной вид 
энергии для осуществления технологического процесса. Примерами 
теплообменников могут служить печи риформирования в химической 

1. Тепловые агрегаты в промышленности

промышленности, регенераторы, рекуператоры, котлы-утилизаторы, 
экономайзеры. Теплообменники могут работать как самостоятельные 
устройства или представлять собой элемент более сложного теплового устройства, например конвективную поверхность парового котла 
или воздухонагреватель комплекса доменной печи.

Тепловые аппараты представляют собой устройства, в которых те
плота получается из какого-либо вида энергии и передается материалу, подвергающемуся тепловой обработке, причем переданная теплота может быть полностью или частично опять превращена в другой 
вид энергии (например, химическую) при совершении того или иного 
технологического процесса. Примерами тепловых аппаратов являются разнообразные сушила, паровые котлы, нагревательные и плавильные печи, дистилляционные аппараты. В тепловых аппаратах процессы 
получения и использования теплоты нередко переплетаются. Однако 
основное назначение тепловых аппаратов заключается в целенаправленной передаче полученной теплоты, и именно этот процесс является для них определяющим.

В современной технике процессы получения, передачи и использо
вания теплоты требуют соединить в единое целое десятки наименований оборудования, конструкций, материалов, приборов контроля и регулирования, трубопроводов подачи топлива, окислителя и эвакуации 
продуктов сгорания и многих других компонентов, т. е. сегрегировать 
их. Исходя из изложенного, сооружения, служащие для использования 
и передачи теплоты, принято называть теплотехническими агрегатами.

Понятие «промышленная печь» следует определять как теплотех
нический агрегат, в котором происходит образование теплоты из того 
или другого вида энергии и передача ее материалу, подвергаемому тепловой обработке в тех или иных технологических целях. Определяющими теплотехническими процессами в печах являются процессы 
теплообмена.

Таким образом, современная промышленная печь представляет со
бой конструкцию, предназначенную для осуществления соответствующего высокотемпературного технологического процесса, основным 
структурным элементом которой является рабочее пространство, изолированное в тепло- и массообменных отношениях от окружающей 
среды, в котором формируется необходимое пространственно-временное температурное поле за счет рационального режима взаимодействия тепловой энергии с обрабатываемым материалом, а также 

1. Тепловые агрегаты в промышленности

структуры, обеспечивающие контролируемые и управляемые процессы генерации тепловой энергии, движение твердых, жидких и газообразных сред, а кроме того, утилизацию энергетических и материальных отходов производственного процесса.

Современная печь — сложный агрегат, создание и успешная рабо
та которого немыслима без соответствующей расчетной базы и высокого уровня автоматизации технологических процессов. В настоящее 
время разработаны принципиально новые подходы к математическому моделированию их тепловой работы и созданию автоматизированных систем управления, благодаря чему технический уровень печей 
соответствует мировым стандартам.

Однако срок службы большинства печей определяется стойкостью 

их футеровки. Учитывая, что количество действующих печей различного назначения в России измеряется несколькими десятками тысяч, 
ясно, что даже незначительное увеличение их межремонтного срока, 
уменьшение материалоемкости, повышение энергоэффективности 
даст ощутимый экономический эффект. Следовательно, важнейшие 
направления развития печестроительного производства — совершенствование конструкций, технологии возведения и устройства футеровок, а также улучшение организации огнеупорных работ.

При определении конструкций элементов теплотехнических агрега
тов, защищенных от высоких температур, шлаков или расплавов слоем из огнеупорных изделий или жаростойкого бетона, параллельно 
употребляют термины огнеупорная кладка, футеровка и обмуровка. Однако несмотря на то, что эти термины — синонимы, существуют следующие оттенки, определяющие отличие одного понятия от другого:

• огнеупорная кладка — система печного ограждения из отдель
ных (штучных) огнеупорных изделий;

• футеровка — защитная внутренняя облицовка тепловых агре
гатов (металлургических, химических, энергетических) и их 
элементов (печей, топок, ковшей, боровов, труб и др.), а также 
химических аппаратов, травильных ванн, помольного оборудования и т. п. из всех видов материалов;

• обмуровка — система теплоизоляционного ограждения теплово
го агрегата с температурой эксплуатации не более 1000 °C, чаще 
применяемая при тепловой защите котлов и в ряде других случаев (например, обмуровка кессона мартеновской печи и т. п.).

1.1. Классификация промышленных печей

1.1. Классификация промышленных печей

Промышленные печи можно классифицировать по различным при
знакам: назначению, характеру протекающих процессов, виду топлива, способу выделения тепла, устройству рабочего пространства, способу обслуживания, способу использования тепла отходящих газов и т. д. 
Наиболее просто для характеристики печей классифицировать их по четырем основным признакам.

По технологическому назначению
1. Плавильные печи, служащие для плавки материалов (металлов, 

минералов, стекла и т. д.). К ним относятся доменные и мартеновские печи, вагранки, печи для плавки цветных металлов, стекловаренные и др.

2. Нагревательные, служащие для нагрева материала перед обра
боткой давлением: прокаткой — печи прокатных цехов, ковкой или 
штамповкой — кузнечные печи.

3. Термические, служащие для нагрева материалов с целью их тер
мической обработки — закалки, отпуска, отжига, нормализации и т. д. 
К ним относятся печи для термической обработки стали, чугуна, стекла и т. д.

4. Обжиговые, служащие для обжига материалов. К ним относят
ся печи для обжига керамики, извести, цементного клинкера, серного колчедана, углеродистых блоков и др.

5. Сушила, служащие для удаления из материала влаги или орга
нических летучих компонентов, высушивания окрашенных изделий. 
Это сушила для сушки форм и стержней в литейных цехах, для сушки сырца в керамической промышленности, для сушки дерева и малярные сушила.

6. Печи для перегонки продуктов, служащие для получения из од
ного продукта другого путем его перегонки. К ним относятся печи 
нефтеперерабатывающих заводов, печи для получения искусственного жидкого топлива, коксовые батареи, ряд печей химической промышленности.

7. Печи химической промышленности, служащие для нагрева ма
териалов с целью проведения химических процессов.

8. Парогенераторы.

1. Тепловые агрегаты в промышленности

По источнику тепловой энергии
1. Пламенные печи, в которых тепловая энергия получается путем 

сжигания топлива. В зависимости от вида топлива, на котором они работают, в свою очередь, подразделяются на печи, работающие на твердом, жидком и газообразном топливе.

2. Электрические, в которых нагрев происходит за счет электроэ
нергии. По виду использования электроэнергии различают электрические печи сопротивления, дуговые, индукционные, контактные, 
электронные, инфракрасного нагрева.

По конфигурации рабочего пространства
1. Камерные печи, в которых материал в процессе нагрева непод
вижно лежит на поду. Температура рабочего пространства камерных 
печей во всех точках почти одинакова.

2. Проходные, в которых материал постепенно по мере нагрева про
двигается от загрузочного конца к выгрузочному. Температура на всем 
протяжении рабочего пространства поддерживается примерно одинаковой.

3. Методические, в которых рабочее пространство вытянуто в длину. 

Нагрев материалов в них происходит по принципу противотока. Тепло в печь подается с одного конца, а материал, поступающий с противоположного торца, непрерывным потоком движется навстречу продуктам горения, отводимым у места загрузки материалов. При этом 
по мере продвижения по печи материал нагревается, а продукты горения, отдавая свое тепло материалу, охлаждаются.

4. С выдвижным подом, представляющие собой камерную печь, 

у которой для удобства загрузки и выгрузки материалов под выдвигается.

5. С вращающимся подом — кольцевые и карусельные, в которых 

нагреваемый материал неподвижно лежит на поду, а под, вращаясь, 
передвигает его по рабочему пространству.

6. Шахтные, рабочее пространство которых расположено вертикаль
но. Материал загружается в них сверху, а удаляется снизу.

7. Барабанные вращающиеся, представляющие собой расположен
ный под небольшим углом вращающийся цилиндр. Материал в процессе нагрева в нем, непрерывно перемешиваясь, постепенно проходит от верхнего загрузочного конца к нижнему, где и выдается из печи.

8. Туннельные, с рабочим пространством в виде длинного канала; 

материал передвигается по печи на вагонетках.

1.2. Конструктивные элементы печей.  Общие сведения

9. Муфельные, в которых материал непосредственно не соприкаса
ется с продуктами горения, а помещается в закрытую со всех сторон 
камеру-муфель. Муфель обогревается снаружи и передает тепло нагреваемому материалу.

10. Башенные, в которых металлическая лента, постепенно пере
мещаясь при помощи роликов в ряде вертикальных камер, проходит 
различные стадии термической обработки.

11. Нагревательные колодцы, служащие для нагрева крупногабарит
ных слитков перед прокаткой на блюмингах и слябингах.

12. Колодцы замедленного охлаждения заготовок, в которых про
исходит постепенное охлаждение металлических изделий.

13. Ванные печи-электролизеры, служащие для получения ряда 

цветных металлов методом электролиза.

По способу использования тепла отходящих дымовых газов
1. Рекуперативные печи, в которых тепло отходящих газов исполь
зуется для подогрева воздуха или воздуха и газа в рекуператорах.

2. Регенеративные, в которых для тех же целей вместо рекуперато
ров применяются регенераторы.

3. Печи без использования тепла отходящих газов.
Хотя тепло отходящих газов печей используется часто и для подо
грева воды или получения пара в котлах-утилизаторах, но эти устройства находятся, как правило, вне печи, на конструкции самой печи 
не отражаются и поэтому ее не характеризуют.

В печах с механизированным передвижением материалов часто к ха
рактеристике печи добавляют метод передвижения материала, например термическая проходная конвейерная печь, нагревательная методическая газовая печь с шагающим подом и т. п.

1.2. Конструктивные элементы печей.  

Общие сведения

1.2.1. Фундаменты

Фундаментом называют подземную часть конструкций промыш
ленных печей, предназначенную для равномерного распределения 
на грунт давления, возникающего от статических и динамических на

1. Тепловые агрегаты в промышленности

грузок при их работе. Массив естественного грунта, на который опирается фундамент, называется основанием. Для небольших печей 
фундамент представляет собой простую бетонную плиту, уложенную 
на уплотненный слой щебня.

При проектировании фундаментов руководствуются следующи
ми общими правилами: давление на грунт должно быть равномерным по подошве фундамента; каждый крупный элемент установки 
должен иметь самостоятельный фундамент; непосредственно примыкающие друг к другу фундаменты должны иметь одинаковую 
глубину заложения; глубина заложения должна быть выше уровня 
грунтовых вод.

В эксплуатации фундамент должен давать минимальную и равно
мерную осадку. Осадка фундамента не должна превышать 100 мм, 
а в современных печных комплексах ее оговаривают в пределах 20–
30 мм. Неравномерность осадки не должна превышать 0,001 %, т. е. допустимый перекос — 1 мм на 1 метр длины фундамента.

Фундаменты печей сооружают самостоятельно и не связывают 

с фундаментами зданий и других сооружений. Горизонтальные размеры фундамента определяются допустимым давлением на грунт. 
Оно колеблется от 60 (для плотных грунтов) до 15 Н/см 2 (для песчаных и насыщенных влагой глинистых грунтов). Однако у большинства металлургических печей, за исключением шахтных и барабанных 
вращающихся, давление на грунт не превышает 10 Н/см 2. Поэтому 
горизонтальные размеры фундамента обычно выбираются по конструктивным соображениям, учитывающим габариты печи. Они должны быть больше кладки печи на величину, достаточную для размещения гнезд под стойки каркаса.

Геометрическая форма фундаментов может быть разной, по
скольку она зависит от конструкции печи и ее размеров. Для 
небольших печей достаточно простой бетонной плиты, а для крупных сооружают сплошные, ленточные или столбовые фундаменты  
(рис. 1.1).

Печи с теплым подом, например отражательные, для которых неже
лательно охлаждение подины воздухом, сооружают на сплошном фундаменте. Для печей, у которых желательно иметь «холодный» под, охлаждаемый воздухом и подвергающийся периодическим осмотрам, 
например для электроплавильных, можно использовать ленточный 
или столбовой фундаменты.