Хромистый чугун для банных печей

Натуральные камни природного происхождения, прошедшие обработку или не обработанные, являются самым распространённым материалом, массово применяемым в банных печах любого типа как теплонакопительный элемент. Натуральный камень используется как в металлических или чугунных банных печах, так и в кирпичных банных печах с прямым или косвенным нагревом камней.

Однако всем, кто пользуется баней давно известно, что век натуральных природных камней не долог. И если в случае с металлическими или чугунными банными печами, где камни лежат на закрытом корпусе самой печи, срок службы камней несколько выше, то в кирпичной печи каменке с прямым нагревом камней камни служат не больше года. Потом их приходится менять практически полностью, а это не так уж легко и сделать, учитывая тот факт, что в печи средних размеров лежит около 500 кг камней. При этом, стоимость камней достаточно высокая, что существенно, можно даже сказать, неприемлемо, повышает эксплуатационные расходы на саму банную печь.

Прекрасной альтернативой природным камням для банных печей является чугун, точнее, изделия из чугуна.

Чугун, как и сталь, является сплавом железа (Fe) и углерода (С). Классический чугун, помимо железа и углерода также содержит Si до 3.5%, Mn до 1%, S до 0.12%, P до 0.3%. Углерод в чугуне находится в виде графита или цементита, Si и Mn в виде растворов. При нагреве чугуна до высоких температур происходит интенсивное окисление металлической основы чугуна, выгорание углерода и выделение CO₂. Также возможно выделение оксида серы SO₂. Si и Мn не выделяются, т.к. превращаются в нелетучие твердые оксиды. P в виде оксида P₂O₅ также не выделяется. Таким образом, при нагреве чугуна происходит выделение лишь летучих оксидов СO₂ и SO₂. В жаростойких чугунах высоких марок (ЧХ16, ЧХ32) содержание S крайне низкое и выделение SO₂ либо не происходит вовсе, либо пренебрежительно мало.

Однако не стоит забывать, что большинство производителей в качестве исходного сырья используют чугунный лом и при выплавке чугуна не контролируют химический состав. Именно поэтому при изготовлении ответственных изделий из чугуна следует обращаться к проверенным производителям, которые готовы предоставить сертификат соответствия либо результат химического анализа.

Чугунная болванка является наиболее оптимальным теплоносителем в банных печах. Особенно в банных печах каменках с прямым нагревом камней. По сравнению с традиционными камнями чугун имеет ряд неоспоримых преимуществ:

• Долговечность – как следствие экономичность
• Высокая прочность
• Высокая теплоемкость

Чугун - это сплав железа с углеродом с содержанием углерода более 2.14%. Наиболее распространённой маркой чугуна является СЧ10-СЧ20. Большинство отливок печного и художественного литья отливаются именно из этих марок.

СЧ – расшифровывается как серый чугун (ГОСТ1412-85) – чугун, с ферритной металлической основой (СЧ10) и графитовыми включениями в виде пластин. Он обладает высокой жидкотекучестью, малой усадкой, хорошими механическими свойствами и может быть выполнен в любых плавильных агрегатах. СЧ10-СЧ20 широко применяется в машиностроении для отливки станин станков и механизмов, поршней, цилиндров.

Однако серый чугун при высоких температурах имеет повышенную склонность к окислению.

Дело в том, что углерод в сером чугуне находится в виде графита (рисунок 1), который имеет крайне низкую плотность и является каналом для проникновения окислительного газа. Графит может вступать во взаимодействие с окислительным газом или вовсе выгорать.

На практике происходит следующее: болванки из серого чугуна разогревают до температур порядка 500 – 700 °С, и затем обильно поливают водой. Взаимодействие с водой приводит к сильному термическому удару. Пары воды, являясь агрессивной средой, и, взаимодействуя с болванкой из серого чугуна – разрушают болванку изнутри.

Подавляющее большинство чугунных изделий для бани, точнее, для банных печей (бруски, ядра), представленных сегодня на российском рынке, выполнены именно из самого дешевого серого чугуна. Поэтому так много негативных отзывов о результатах его использования. Но марок чугуна огромное количество и, как будет показано ниже, крайне важен правильный выбор изделий именно определенных марок для достижения наилучшего результата!

Крайне не рекомендуется использовать болванки из серого чугуна в качестве теплоносителей в бане!

Наиболее целесообразно использование чугунов именно с добавлением хрома – хромистых чугунов (ГОСТ 7769-82) в качестве теплоносителей бани.

По своей структуре хромистый чугун принципиально отличается от серого. В чугунах с добавлением хрома углерод выделяется в виде цементита. Цементит является очень твёрдой и плотной структурой, за счёт чего не снижается общая плотность чугуна и не происходит внутреннего окисления (разрушения) чугуна.

Легирование чугуна малыми добавками хрома (не более 4%) повышает окалиностойкость за счёт измельчения графита и уменьшения его количества в структуре.

Низкохромистые чугуны марки ЧХ1, ЧХ2, ЧХ3 содержат от 0.4 до 3% хрома и характеризуются более высокой жаростойкостью, чем обычные серые чугуны. Эти чугуны должны иметь перлитную структуру металлической основы с пластинчатым графитом. Однако по мере повышения содержания хрома в чугунах появляются включения эвтектического цементита. Для предотвращения образования цементита увеличивают содержание кремния и углерода, модифицируют чугун.

Чугуны с содержанием свыше 4-7% Cr – белые чугуны. Большая часть хрома входит в состав цементита, а при нагреве чугуна - металлическая основа окисляется с образованием оксидов типа Fe₂О₃, не препятствующих дальнейшему окислению чугуна.

Существенное повышение жаростойкости хромистых чугунов достигается при содержании в них хрома свыше 15%. При высоком содержании хрома при нагреве чугуна на поверхности образуется оксидная пленка (FeO Cr₂О₃), имеющая высокую плотность и прочное сцепление с металлической основой. В результате существенно повышается окалиностойкость чугуна. По мере повышения содержания хрома возрастает температура, при которой чугун сохраняет высокую жаростойкость (рисунок 2).

Таблица 1 – Влияние хрома на жаростойкость чугуна

Высокохромистые чугуны ЧХ16, ЧХ28, ЧХ32 имеют существенно более высокую жаростойкость чем низкохромистые благодаря стабильной структуре легированного белого чугуна и высокой окалиностойкости матрицы. В таблице 2 приведены химический состав и механический свойства чугунов низких и высоких марок.

Таблица 2 – Хим. состав и механические свойства жаростойких чугунов

Область применения изделий из хромистого чугуна

Низкохромистые чугуны ЧХ1,2,3 жаростойки в воздушной окислительной среде при температуре до 700°C. Высокохромистые до 1200°C. Помимо высокой жаростойкости, высокохромистые чугуны износостойки, поэтому применяются для деталей, работающих в условиях абразивного изнашивания при высоких температурах окислительных газовых сред.

Таблица 3 – Область применения хромистых чугунов

По сравнению с серым чугуном, хромистый имеет низкую теплопроводность и теплоёмкость, т.е. хромистый чугун прогревается чуть медленнее серого.

Хромистые чугуны высоких марок также применяются для изготовления усиленных колосников.

Массивные болванки из хромистого чугуна являются идеальной заменой камням в банных печах. Фактически их срок службы в бытовых условиях не ограничен. Разовое приобретение комплекта гарантирует отсутствие проблем на долгие годы. Быстрее развалится печь, нежели выйдут из строя болванки из хромистого чугуна.

Накапливая тепло в процессе топки, чугунные изделия впоследствии отдают его ровно также, как и камни, создавая мелкодисперсный пар и не требуя ни обслуживания, ни частой замены. Стоимость разовой закладки болванок из хромистого чугуна несколько выше стоимости разовой закладки камней. Однако в случае с хромистым чугуном – это разовая покупка на всю жизнь. А в случае с камнями – покупка на год!

Следовательно, для кирпичных банных печей с прямым нагревом камней альтернативы брускам из хромистого чугуна фактически нет! Это надежные, долговечные, экологически безопасные изделия!

Это давно поняли в банях промышленного масштаба (общественных банях) где давно камни были заменены именно на болванки из хромистого чугуна.

В кирпичных банных печах каменках с опосредованным нагревом камней (где камни лежат в металлическом ящике), а также для металлических или чугунных банных печей шары или кубы из хромистого чугуна можно использовать в комбинации с натуральным камнем. Это в разы увеличит износостойкость закладки.