Для уменьшения тепловых потерь печи необходимо, чтобы кладка ее обладала большим тепловым сопротивлением. Но огнеупорная часть кладки должна быть механически прочной, а следовательно выполнена из материала с большой средней плотностью и достаточно большой теплопроводностью. Поэтому футеровки печей, как правило, выполняются составными, внутренняя часть выкладывается из огнеупора, а наружная часть из теплоизоляционных материалов. В соответствии с этим электропечестроение предъявляет к теплоизоляционным материалам следующие требования: малая теплопроводность; малая удельная теплоемкость; достаточная огнеупорность; некоторая механическая прочность; дешевизна и доступность.
Теплоизоляционные материалы работают в печи в более легких условиях, чем огнеупоры. Температура, действию которой они подвергаются, всегда меньше, так как огнеупорный слой берет на себя часть температурного перепада и предохраняет их от размывающего действия шлаков, всякого рода ударных и истирающих усилий, разгружает от механических напряжений. Поэтому их огнеупорность может быть меньше, требуется лишь весьма относительная механическая прочность, например способность, выдерживать свой собственный, но зато требование малой теплопроводности является для них основным. Требование дешевизны и доступности определяется опять таки тем обстоятельством, что тепло изоляционные материалы потребляются в больших количествах.
Теплоизоляционные материалы применяются в виде кирпичей, плит, фасонных изделий, в виде засыпки (порошок, вата), мастики, которой покрываются горячие части печей, картона, матрацев, матов.
Одними из наиболее распространенных теплоизоляционных материалов являются диатомит и трепел. Диатомит представляет собой скопление скелетов мельчайших водорослей диатомей, состоящих из кремнекислоты и пронизанных мельчайшими порами. Трепел имеет тот же состав, но в нем в микроскоп нельзя различить отдельные скелеты водорослей.
Для получения пористого диатомитового кирпича применяется главным образом способ выгорающих добавок. В качестве последних: наилучшие результаты дает пробка (негигроскопична, малая зольность, округлая форма пор), затем древесный уголь, худшие результаты дают опилки и торф. Диатомитовый кирпич выполняется трех классов, средней плотностью 500, 600 и 700 кг/м3, и может применяться до 900 °С. Для теплоизоляции электрических печей желательно применять диатомитовые кирпичи марки 500.
Целый ряд теплоизоляционных материалов приготавливается на базе асбеста. Асбест представляет собой минерал волокнистого строения, крупнейшие залежи которого имеются, у нас на Урале. Он состоит из тончайших, нитей, очень прочных на растяжение, но легко перетирающихся. Если асбест распушить, то он принимает вид волокнистой массы со средней плотностью 250-800 кг/м3 в зависимости от сорта асбеста и степени его распуши. В таком виде он может быть использован как теплоизоляционная засыпка (асбестит), способная работать до 600 °С. Температура плавления асбеста значительно выше, около 1500°С но при 700°С асбест теряет всю содержащуюся в нем воду и рассыпается, лишаясь своих теплоизоляционных свойств. Недостатком асбеста является его высокая гигроскопичность.
При склеивании асбестовых волокон белой глиной с органическими добавками и прессовании под высоким давлением получаются, асбестовый картон бумага, а сплетением волокон асбеста с хлопчатобумажными нитями изготавливается асбестовый шнур. Картон и шнур также используются в качестве теплоизоляции.
Асбестовая засыпка является малоэффективной изоляцией, и поэтому она применяется в настоящее время в чистом виде лишь в редких случаях, но входит составляющей, частью в ряд других теплоизоляционных материалов.
Для обмазки горячих поверхностей применяются так называемые мастичные материалы. Такими материалами являются асбозурит (70 % диатомита или трепела и 30% асбеста пятого и седьмого сортов), новоасбозурит (70 % диатомита или трепела, 15% шиферных отходов 15% асбеста пятого и шестого сортов) и др.
К высокоэффективным теплоизоляционным материалам относятся асбомагнезиальные массы например совелит (85 % смеси двойной углекислой соли кальция и магния и 15% распушенного асбеста). Они применяются в виде изделий (плитки, сегменты и т.п.), накладываемых на защищаемые поверхности. Материалы эти, обладая весьма низкой вредней плотностью и хорошими теплоизоляционными свойствами, являются в то же время малопрочными и могут быть использованы до 350 - 500 0С. Основным же недостатком их является высокая стоимость, ограничивающая их применение.
Широкое применение получили в последнее время стеклянная и минеральная ваты, а также стеклянное волокно.
Стеклянная и минеральная ваты и волокно применяются в форме засыпки для заполнёния пространства между, огнеупорной кладкой и кожухом печи, а также в виде матрацев и матов. Стеклянное волокно лучше выносит вибрацию (вата от вибрации уплотняется, в целях уменьшения этого явления ее несколько уплотняют при укладке, лучше ее применять в виде матов), кроме того, оно менее вредно. Мелкие волокна ваты, попадая на слизистые оболочки, раздражают их, вызывая воспаление, тогда как длинные нити стеклянного волокна не вызывают этих явлений. Однако стеклянное волокно значительно дороже ваты.
Стеклянные волокна и нити начинают спекаться при 500-6000С, поэтому их можно применять лишь до 450-500 0С, шлаковая (минеральная) вата выдерживает более высокую температуру - до 650оС.
Хорошей тепловой изоляцией, особенно для высокотемпературных печей, является зонолит или обожженный вермикулит.
Зонолит применяется пока главным образом в виде насыпной изоляции, он имеет малую среднюю плотность (120-250 кг/м3) и, следовательно, является прекрасным теплоизоляционным материалом, но главное его преимущество заключается в его стойкости. В последнее время из зоколита начали изготовлять формованные изделия, плитки, кирпичи и т.п.
Жароупорные материалы
Для изготовления внутренних деталей электрических печей, подвергающихся значительным механическим воздействиям, применяются жароупорные материалы, обладающие достаточной механической прочностью при высоких температурах.
Эти материалы используются для изготовления в пенах таких деталей как подовые плиты, тигли, крепления стен и свода, защитные устройства внутри печей, экраны, муфели, загрузочные устройства, крепления нагревателей, детали всякого рода транспортирующих устройств, служащих для перемещения в печах нагреваемых изделий. В соответствии с этим жароупоры применяются как в виде литья, так и в виде проката листа, проволоки, прутков и профилей.
Электропечное производство предъявляет к жароупорам следующие требования:
Достаточная жаростойкость - материалы должны достаточно долго работать при высокой температуре и должны не окисляться или очень мало окисляться при этой температуре.
Достаточная жаропрочность - в пределах рабочих температур материалы должны сохранять достаточную механическую прочность, для того чтобы без значительных деформаций выдерживать - механическую нагрузку.
Достаточная крипоустойчивость - стали, длительно работающие при высоких температурах, обладают свойством ползучести (крип), т.е. они очень медленно претерпевают необратимые деформаций под нагрузкой, намного меньшей нагрузки, соответствующей пределу упругости материала. Крипоустойчивость материала характеризуется его пределом ползучести, представляющим, собой напряжение, соответствующее при данной температуре определенному удлинению материала в условленное время. Крипоустойчивость жароупорных материалов является весьма важным для, них показателем, так как они должны работать в печах длительное время при высокой температуре и наступающие при этом необратимые деформации могут достигнуть недопустимого значения.
Достаточная обрабатываемость - необходимо иметь возможность изготавливать из жароупорных материалов различные детали и механизмы печей, поэтому необходимо, чтобы эти материалы можно было катать и волочить, подвергать механическое обработке, чтобы их можно было сваривать, отливать из них разнообразные детали.