Печи для нагрева заготовок служат ключевым оборудованием для предварительного нагрева металлических заготовок перед ковкой. Их рабочая среда характеризуется высокими температурами (обычно 800–1300 °C, в некоторых случаях свыше 1400 °C), значительными тепловыми колебаниями, регулярными механическими воздействиями со стороны заготовок, а также сложной атмосферой внутри печи (содержащей окалину, дымовые газы, пыль и др.). В связи с этим к огнеупорным материалам предъявляются строгие требования, акцентированные на таких ключевых свойствах, как высокая термостойкость, устойчивость к термическим ударам, механическая прочность, стойкость к эрозии и низкая теплопроводность. Квалифицированные огнеупорные материалы для печей должны иметь следующие характеристики:

I. Высокая термостойкость (термическая структурная стабильность)
Печи для нагрева заготовок работают в непрерывном режиме при высоких температурах. Огнеупорные материалы должны сохранять стабильность химической и физической структуры на протяжении всего срока службы, без признаков размягчения, плавления или существенных фазовых превращений.

• Основные требования: огнеупорность должна превышать максимальную рабочую температуру печи (как правило, ≥1500 °C, а для высокотемпературных зон футеровки — ≥1700 °C); температура размягчения под нагрузкой (T₀,₆) при рабочих температурах (например, 1200–1400 °C) должна быть выше фактической, чтобы исключить деформацию или разрушение футеровки под действием нагрузок (собственного веса или давления заготовок).

• Типичные решения: для пола и высокотемпературных участков стен рекомендуется применять материалы с высоким содержанием оксида алюминия (Al₂O₃ ≥ 60%), муллитовые или корундовые составы, поскольку их термическая стабильность значительно превышает показатели материалов на основе глины.

II. Стойкость к термическим ударам (устойчивость к резким перепадам температуры)
В процессе загрузки (холодные заготовки), выгрузки (нагретые заготовки) и циклического нагрева/охлаждения футеровка подвергается частым и резким перепадам температуры (до 200–500 °C за цикл). Это может приводить к растрескиванию и отслоению материала вследствие возникновения термических напряжений.

• Основные требования: материалы должны характеризоваться низким коэффициентом линейного расширения (например, муллитовые материалы — порядка 5–6 × 10⁻⁶/℃), высокой теплопроводностью или повышенной эластичностью для минимизации тепловых напряжений. Стойкость к термическому удару (например, количество циклов охлаждения «вода–воздух») должна составлять ≥15 циклов (для высокоглинозёмных материалов) или ≥30 циклов (для композитов на основе муллита и корунда).

• Технические меры: введение микродефектов (например, путём добавления карбида кремния или циркониевого песка) или оптимизация гранулометрического состава позволяют локализовать тепловые напряжения в зонах микротрещин, предотвращая макроскопическое разрушение.

III. Механическая прочность (ударная стойкость и износостойкость)
Операции погрузки, разгрузки и перемещения раскалённых заготовок оказывают прямое механическое воздействие на под и стены печи. Одновременно происходит эрозионный износ материала вследствие воздействия окалины (FeO, Fe₂O₃ и др.). Поэтому огнеупоры должны сохранять высокую прочность как при комнатной, так и при повышенной температуре.

• Прочность при комнатной температуре: предел прочности на сжатие в холодном состоянии должен быть не менее ≥50 МПа (для бетонов) или ≥30 МПа (для кирпича), чтобы исключить повреждения при монтаже и обслуживании.

• Прочность при высоких температурах: при 1000 °C прочность на сжатие должна составлять ≥30 МПа для сопротивления ударам заготовок; прочность на изгиб — ≥5 МПа для противодействия локальным сдвиговым нагрузкам.

• Износостойкость: на участках прямого контакта с заготовками (например, пол печи) рекомендуется введение SiC (5–15%) или корундовых частиц. Их высокая твёрдость (≥9 по Моосу) significantly повышает сопротивление истиранию.

IV. Стойкость к эрозии и химическому воздействию
При высоких температурах окалина, образующаяся в результате окисления металла (в основном FeO, Fe₂O₃, MnO и др.), может плавиться или частично расплавляться и вступать в реакцию с огнеупорами, образуя легкоплавкие фазы (например, алюмоферриты, ферросиликаты), что приводит к химической эрозии. Также дымовые газы (SO₂, CO₂) от сгорания топлива могут реагировать с материалом футеровки.

• Химическая стойкость: предпочтение отдаётся высокоглинозёмным материалам (Al₂O₃ ≥ 70%) и муллитовым составам, демонстрирующим более высокую стойкость к оксидам железа по сравнению с шамотными кирпичами. Следует избегать материалов с высоким содержанием CaO во избежание реакции с SO₂ и образования пористого CaSO₄.

• Стойкость к проникновению: материалы должны иметь низкую открытую пористость (≤20%) для минимизации проникновения расплавленной окалины или газов. Для повышения плотности могут использоваться ультрадисперсные добавки (например, микрокремнезём).

V. Теплоизоляционная способность (снижение тепловых потерь)
Теплопотери в нагревательных печах в основном происходят через ограждающие конструкции. Хорошая теплоизоляция позволяет снизить энергопотребление (на 10–30%) и защитить металлоконструкции печи от перегрева.

• Ключевые параметры: коэффициент теплопроводности λ ≤ 1,0 Вт/(м·К) при комнатной температуре (для подложки рабочего слоя), λ ≤ 2,0 Вт/(м·К) при 1000 °C; объёмная плотность не более 1,5 г/см³ (для лёгких теплоизоляционных материалов).

• Материалы: для внешних стен или низкотемпературных зон применяются лёгкие теплоизоляционные кирпичи (например, высокоглинозёмистые лёгкие кирпичи, муллитовые изоляционные кирпичи) или керамиковолокнистые маты (λ ≤ 0,2 Вт/(м·К), но с обязательной защитой от механических воздействий). Между рабочим и внешним слоем может укладываться теплоизоляционная бетонная смесь (например, лёгкий литой бетон с стеклянными микросферами).

VI. Объёмная стабильность (отсутствие неконтролируемой усадки или расширения при высоких температурах)
Избыточная усадка (например, >1% у шамотных кирпичей) или расширение (например, вследствие гидратации свободного CaO) в процессе эксплуатации может lead к растрескиванию, раскрытию швов или отслоению футеровки.

• Требования: изменение линейных размеров после прогрева при 1400 °C в течение 3 часов должно находиться в пределах ±0,5%. Не допускается использование недожжённого сырья (например, боксита), способного давать дополнительную усадку.

• Меры контроля: для компенсации усадки применяются минеральные добавки, склонные к управляемому расширению при нагреве — кианит, силлиманит.

VII. Технологичность и эксплуатационная надёжность

• Обрабатываемость: для монолитных футеровок литые смеси должны обладать хорошей текучестью (осадка конуса ≥220 мм), легко уплотняться вибрированием и быстро набирать прочность (прочность на сжатие через 24 часа ≥10 МПа). Кирпичи должны иметь точные геометрические размеры (допуск ≤ ±1 мм) для кладки на тонкий шов (≤2 мм).

• Сопротивление отслаиванию: материалы должны сохранять поверхностную прочность при длительных тепловых циклах и механических воздействиях. Добавление стальных волокон (0,3–0,5%) повышает стойкость литых материалов к образованию трещин.

Требования к огнеупорным материалам в печах для нагрева заготовок предусматривают сбалансированное сочетание термической стабильности, механической прочности, химической стойкости и теплоизоляции. Выбор материалов должен учитывать тип печи (камерная, непрерывная, кольцевая), температурные зоны и вид топлива. Комбинированные конструкции (например, «рабочий слой + изоляционная подложка») позволяют оптимизировать срок службы и энергоэффективность. Например, использование корундо-муллитовых бетонов (для пола в высокотемпературной зоне), высокоглинозёмистого кирпича (для стен) и лёгких изоляционных материалов (в низкотемпературных участках) позволяет достичь срока службы футеровки до 1–3 лет и более.