Металл для печей и труб в бане

Металлы и сплавы.
Нас будет интересовать только то, что относится к бане.
Чтобы понять, а из какого металла надо делать печи и трубы, проследим теперь историю создания легированных сплавов. Различают три класса сталей и сплавов:
1. КоррозионноСтойкие (нержавеющие) стали и сплавы, обладающие стойкостью против электрохимической и химической коррозии (атмосферной, почвенной, щелочной, кислотной, солевой), межкристаллитной коррозии, коррозии под напряжением и др.;
2. ЖароСтойкие - в смысле окалиностойкие - стали и сплавы, обладающие стойкостью против химического разрушения поверхности в газовых средах (окисление) при температурах выше 550 °С, работающие в ненагруженном или слабонагруженном состоянии;
3. ЖароПрочные стали и сплавы - способные работать в нагруженном состоянии при высоких температурах в течение определенного времени без заметной остаточной деформации и разрушения и обладающие при этом достаточной жаростойкостью (стойкость к коррозии и к образованию окалины). Основными характеристиками жаропрочности являются ползучесть и длительная прочность
Нержавейка - сталь легированная нержавеющая. В 1913 году Гарри Брирли (Harry Brearley), экспериментировавший с различными видами и свойствами сплавов, обнаружил способность стали с высоким содержанием хрома Cr сопротивляться коррозии в кислотной среде. Так началась эра нержавейки - сложнолегированной стали, устойчивой к коррозии в атмосфере и в агрессивных средах. Постепенно выяснилось, что коррозия происходит не только на поверхности металла, но и внутри между кристаллами при нагреве.
Любителя бани, который приобрёл металлическую печь (МП) и металлический дымоход особенно волнует вопрос, как изменяются свойства металла при нагревании его. На сегодня в этом плане утешительного мало. В том диапазоне температур, который наблюдается в топливнике МП (до 800-1000С) и в дымоходе ( до 700- 900С) происходит и высокотемпературная коррозия, и выгорание металла (образование окалины) и деградация прочности (в 8-10 раз). Поэтому желательно не перекаливать печь (не топить сверх меры), но это бывает сложно выполнить неопытному истопнику. Если есть стекло в дверке печи, то через него можно наблюдать за скоростью и завихрениями языков пламени, и слышать характерный его гул. Однако иногда возникает синдром «бешенного истопника» - так назвали на испытаниях в Воронеже ситуацию, когда дымоход раскаляется до верхних пределов. Здесь явно не хватает средств контроля и устройств для подавления «разгона» печи.

Неудивительно, что вероятность возникновения повреждения металла очень высокая. Наиболее распространенной причиной отказов оборудования является старение металла. Под воздействием высоких температур, давления, агрессивных сред, а также с учетом длительной эксплуатации в металле активно протекают процессы старения: деградация структуры и изменение механических свойств, которые отрицательно влияют на работоспособность печи и могут стать причиной его аварийного разрушения.
С форума РусБани: ¦Внесу небольшие наблюдения из своего опыта: На рынках продаётся приблизительно около 90 процентов печей для бань с открытой каменкой (анализ собственных продаж) в ценовом диапазоне 8-20 тыс. руб. Интересная закономерность: такое ощущение, будто печи не прогорают, а прогнивают! Производители обратите внимание на конструкцию дна каменки!!! На неё в среднем идёт нагрузка порядка 100 кг: бак, либо сетка с камнями, да плюс дымоход ! Никто дымоход не разгружает и он всей тяжестью давит на печь. В среднем бюджетная печь служит от 3 до 7 лет, смотря, с какой периодичностью топить. Интересные люди покупатели: у них печь прогорела года через 3, а они всё равно приходят и просят не то что того же производителя, а ещё и хотят ту же модель. Вот и приходится объяснять, что это то же самое только подверглось рестайлингу. Ржаветь в основном начинают либо сварочные швы либо дно каменки, которые в последствии и прогнивают-прогорают!
Кроме массы камней стоит обратить еще на один нюанс. При нагреве печи каменка металлическая увеличивает свой объем больше, чем камни. Камни проваливаются глубже. Затем при охлаждении печи каменка пытается восстановить свой объем, но не получается - камни заклинивает. В результате к следующему нагреву металл приходит в растянутом состоянии. ¦
-----------------------
Выше было написано про нержавейку.
Практика показывает, что при высоких температурах надо решать проблему не только коррозии и окалиностойкости металла для печи и дымохода, но и механической прочности (ползучести). Это задача совсем другая и для неё нужны другие металлы.

¦Жаропрочные сплавы — металлические материалы, обладающие высоким сопротивлением пластической деформации и разрушению при действии высоких температур и окислительных сред. Начало систематических исследований жаропрочных сплавов приходится на конец 1930-х годов — период нового этапа в развитии авиациии, связанного с появлением реактивных и газотурбинных двигателей (ГТД).
Жаропрочные сплавы могут быть на алюминиевой, титановой, железной, медной, кобальтовой и никелевой основах. Наиболее широкое применение в авиационных двигателях получили никелевые жаропрочные сплавы, из которых изготавливают рабочие и сопловые лопатки, диски ротора турбины, детали камеры сгорания и т. п. В зависимости от технологии изготовления никелевые жаропрочные сплавы могут быть литейными, деформируемыми и порошковыми. Наиболее жаропрочными являются литейные сложнолегированные сплавы на никелевой основе, способные работать до температур 1050—1100C в течение сотен и тысяч часов при высоких статических и динамических нагрузках.
История. Первые жаропрочные стали для газотурбинных двигателей были разработаны в Германии фирмой Krupp в 1936—1938 годах. Высоколегированная аустенитная сталь Тинидур создавалась как материал рабочих лопаток турбины на температуры 600—700С. Тинидур — аустенитная сталь с дисперсионным твердением (Ni3Ti) и карбидным упрочнением. В 1943-44 годах годовое производство Тинидур составляло 1850 тонн. Институтом DVL и фирмой Heraeus Vacuumschmelze были разработаны аустенитые стали DVL42 и DVL52 (названия в Англии) на более высокие рабочие температуры 750—800C.
Длительная прочность жаропрочных сплавов при трёх температурах, МПа[8]
Например, сплав MAR-M246 имеет длительную прочность 124 МПа после 1000 часов выдержки при 982 °C.
Т° и часы

В Германии 1940-х годов среди разработчиков авиационных ГТД существовало стремление повысить температуру газа перед турбиной до 900C. С этой целью институт DVL совместно с рядом фирм экспериментировал с аустенитными сложнолегированными сплавами. В ходе войны была признана невозможность подобного решения по причине острого дефицита в Германии легирующих элементов. В результате исследования приняли два направления:
1) создание полых охлаждаемых воздухом лопаток (рабочих и сопловых) при соответствующем снижении легирования используемых материалов;
2) исследование возможностей керамических материалов.
К 1942 году в Великобритании создан жаропрочный сплав нимоник-80 — первый в серии высокожаропрочных дисперсионно-твердеющих сплавов на никель-хромовой основе. Создатель сплава — сэр Уильям Гриффитс (Griffiths W.T.) Основа сплава нимоник-80 — нихром (80 %Ni — 20 %Cr), известный своей высокой жаростойкостью и высоким электрическим сопротивлением. Ключевыми легирующими элементами сплава нимоник-80 являлись титан (2,5 %) и алюминий (1,2 %), образующие упрочняющую фазу.
Основу жаропрочных сплавов, как правило, составляют элементы Fe, Co, Ni (VIII группа табл. Менделеева). До 1940-х годов основу жаропрочных сплавов составляли железо или никель. Добавлялось значительное количество хрома для увеличения коррозионной стойкости. Добавки алюминия, титана или ниобия увеличивали сопротивление ползучести. В некоторых случаях образовывались хрупкие фазы из-за образования карбидов. В конце 40-х годов почти прекратили использование железа как основы жаропрочных сплавов. Предпочтение начали отдавать сплавам на основе никеля и кобальта. Это позволило получить более прочную и стабильную гранецентрированную матрицу.
В конце 1940-х годов была обнаружена возможность дополнительного упрочнения жаропрочных сплавов путём легирования молибденом. Позже для этой же цели начали применять добавки таких элементов, как вольфрам, ниобий, тантал, рений и гафний.

   1. Звезда. Когда-то из крохотного сгустка Вселенной образовалась Звезда, которую впоследствии назвали Солнцем. Это море  и буйство Огня.
 Потом от звезды оторвался кусочек - он  остыл и образовалась Земля, на которой поселилась частица Огня, и его антипод - Вода.  Огонь был очень прожорливым, ибо от этого зависела его жизнь. Но на остывшей Земле Огню было мало что жечь.
  2. Огонь и жизнь на Земле.  Постепенно в далёком прошлом образовались  4  стихии  - Земля (Камень), Вода, Огонь  и Воздух. Долго кроме них не было больше ничего на Земле.  Но предприимчивый и неугомонный Огонь, любил играть в свои огненные игры (часто в виде молний) с Воздухом, Водой и Землёй и случайно какой-то искрой породил жизнь. Так появилась живность в воде, потом  деревья на суше, а потом и люди, которые жили на Земле между деревьями, пили Воду, дышали Воздухом. Для Огня же  самым вкусным блюдом  стало  дерево.  Он его легко сжигал и всюду за ним охотился.  Не брезговал  и всем другим - жёг всё без разбора. А Воздух при этом был вроде приправы - без него невкусно было, и Огонь переставал жечь, даже  дерево. Когда Огонь утолит свою прожорливость, сжигая всё в округе,  он затихает,  становится маленьким и как бы  добрым - перестаёт обжигать и  согревает всё вокруг. Голодный Огонь всё пожирает и уничтожает вокруг себя - жестокость его не знает предела. Лишь Камень мог встать на его пути и остановить его.  И Вода - мягкая, добрая Вода могла усмирить Огонь.

  С  давних времён человек  боялся, но старался понять  окружающие его стихии, жил в них, поклонялся им.  Он научился различать сильные и слабые стороны этих стихий. Огонь боится Воды, но может её нагреть. Камень утонет в Воде, но победит Огонь. Без Воздуха Огонь задохнётся, но воздух не проникает через Камень и Воду  и т.д. Как в детской игре - «камень, ножницы, бумага» - ножницы режут бумагу, но она обёртывает камень -  а тот  тупит ножницы. Каждый силён и слаб по-своему.
  3. Огонь и металл. 5 тыс. лет назад человек случайно заметил, что камень, раскалённый в огне, выделяет какое-то другое вещество, которое впоследствии назвали Металлом. Первым металлом была медь. С помощью каменных и костяных орудий стали добывать медную руду, а  с помощью огня и камня выплавляли медь. Из неё научились получать бронзу, добавляя другие вещества в расплав. 
Начался «Бронзовый век».
Металлические орудия труда помогли освоить ещё один материал - дерево. Металл  и живое дерево - это не стихии - они  вторичны, по отношению к стихиям.
Дерево использовали в качестве топлива для получения огня -  специально  подготовленные поленья пережигали  в уголь, и в каменных формах отливали металл, родителями которого были Огонь и Земля.  Кроме этого дерево    рубили,  тесали, обрабатывали и использовали для постройки жилья.  Хотя во многих более тёплых местах жильё было из камня. Слабым местом дерева является его неспособность противостоять гнили во влажной среде, а также его легко сжигал Огонь.
  4. Человек в бане. Любовь человека к теплу и воде подтолкнули его к тому, что все четыре стихии он перенёс к себе в жильё и построил баню. В каменном очаге горел огонь, в сосуде грелась вода, на раскалённых огнях получали пар - всё это нравилось человеку - любителю бани.  В жарких странах баню строили из камня (деревьев там мало).
А в холодных северных странах строили из дерева, т.к. там много лесов и оно хорошо сохраняет тепло, хоть и не огнестойкое и подвержено гнили. 
  Шли годы, человек умнел, учился получать новые материалы, начал активно применять и металл, в том числе и для очага вместо камня.
Тут-то его и подстерегала опасность. Ведь металл  - это  не стихия. Он  родился из  камня в огне.  А теперь человек вздумал заключить свирепый огонь в металл, в то, что само родилось в огне.  И сегодня практика  показывает, что огонь пока не готов  принимать металл в качестве старшего товарища. Раскалённый огнём металл коробится, прогорает, образуется окалина -  он не может противостоять настоящему огню.  Небольшой огонь и тлеющие дрова он ещё терпит. Но возгордившийся человек, в своём стремлении покорить всё и вся вокруг в спешке не замечает тонких вещей.  Не замечает того, что он начал действовать вопреки стихиям,  противоречить им. Оглушённый современным ритмом  жизни человек перестаёт понимать стихии, перестаёт слышать  и слушать себя. В результате Огонь иногда вырывается на волю и уничтожает всё вокруг, как это было в прежние древние времена.
    5. В книге Хошева Ю.М. [2002] говорится о том, как огонь не дружит с металлом
   #… В нашей стране на основе анализа последствий пожаров разного рода металлических конструкций (эстакад, перекрытий нефтехимических цехов, рамных пролетов, каркасно-навесных ангаров и т. д.) уже давно запрещено строительство ответственных (в том числе высотных) зданий с несущими металлическими конструкциями уже незащищенного типа, особенно из закаленных и термически упроченных сталей.
   Катастрофическое обрушение небоскребов в Нью-Йорке, построенных с применением стального каркаса, подтвердили справедливость подобных запретов – здания простояли ровно столько, сколько им полагалось простоять по нашим действующим пожарным нормативам. Причем, здания высотой 300 метров выстояли (оба!) под действием прямых ударов двухсоттонных самолетов, но обрушились (оба!) в течение часа под действием последующего пожара.
    Поэтому везде, где возможно (и разумно), металл в напряженных несущих конструкциях меняют на железобетон. Кстати, именно из-за возможной потери несущей способности балок дымовые трубы и дымовые каналы запрещено располагать ближе, чем 130 мм от металлических балок, хотя последние и не горючи». #

     А теперь рассмотрим ситуацию, которую наблюдают сегодня любители бани,  при использовании в бане металлической печи и металлических дымоходов.

 Рис. s0.
  6. Металлические печи. Металл проводит тепло гораздо лучше, чем камень, который любит поглощать тепло. И это проблема для человека, потому что металлические стенки  легко проводят сквозь свои стенки  жар  огня и обжигают человека жёстким лучистым теплом, а также могут поджечь дерево или что-то другое вокруг себя.  Приходится всё равно возвращаться к использованию камня, обкладывая им металлическую печь.  Камень надёжно задерживает огонь и жёсткое тепло, но пока камень не насытится теплом,  человек его не получит тепло для своего обогрева.  И, кроме того, дрова в очаге дают избыток тепла, который невозможно поглотить и использовать в бане.  Часть тепла от огня идёт на нагрев камня очага, часть тепла можно использовать на нагрев воды. Оставшуюся часть  мы вынуждены удалять из бани - через  трубу, которая проходит сквозь  потолок и крышу. Традиционно, в соответствии с пониманием четырёх стихий, трубу сооружали из камня. Хотя было время, когда её сооружали из дерева, но быстро поняли, что дерево для огня - это сладкое блюдо, и отказались от таких труб.   Сегодня, желая идти в ногу  со временем, человек  хочет заключать огонь  в  трубу из металла. И опять натыкается на упрямство огня, который мстит человеку за его  непонимание. Много пожаров из-за этого терпят любители бани. Со своими горем они приходят на форум РусБани и обсуждают грустное положение дел.

Звезда - Солнце.

Рис. s1.


 Рис. s2.     Человек  во все времена и при любых религиях жил в этих четырёх стихиях. Постепенно научился использовать их  в своей деятельности. 
    Сначала люди очень  боялись свирепости Огня, поклонялись ему, стремились его задобрить, приносили жертвы ему.
     Рис. s3.   Постепенно  самые толковые  заметили, что Огонь можно заключить  в очаг из камня, и свирепость таким образом локализуется (хотя и остаётся  опасной).  Огонь, получив свою порцию веток деревьев,   нагревает стены очага ,  и даёт мягкое тепло которое  согревает  людей.   И они пользовались этим в холодные времена года в своих холодных пещерах - первых жилищах.  Человек  подкармливал Огонь  ветками деревьев, а тот давал ему своё тепло.  А когда Огонь слишком разыгрывался люди  гасили его Водой.

  В своём жилище и в бане человек научился помещать свирепый огонь в каменный очаг, заставляя его служить человеку, согревать его. Но иногда огонь  вырывался на волю из очага (каменного мешка), вспоминал своё звёздное рождение  и пожирал всё вокруг - и дерево и металл.

 Рис. s4.   От каменного очага в пещере человек перешёл к кирпичному очагу в жилье.

 Рис. s5.

Не все мыслят в рамках представленных четырёх стихий. Есть и другие течения в философии.
Например, учение У-Син о пяти стихиях (дословно - о "пяти передвижениях" - http://wushu.tlt.ru/1_1/CS/MoVendan/0700xxxx.htm).
Древние мудрецы, наблюдая окружающий мир, выделили 5 стихий:
- Дерево - Земля - Вода - Огонь - Металл -
Это основные первоэлементы всего сущего, которые закольцованы между собой.
Каждый из этих элементов получает что-то от предыдущего и что-то отдаёт последущему.
Например, эти мудрецы утверждают:
Металл рубит дерево => дерево прорастает в землю =>земля задерживает воду => вода гасит огонь => огонь плавит металл.
Таков механизм сдерживающего и проникающего воздействия одних элементов на другие.
Отсюда видно, что заключение Огня в металлическую оболочку - это неправильно.
Однако, если в этой метал. оболочке циркулирует вода (как в водогрейном котле), то она поможет металлу удержать Огонь.
И надо разделять эти режимы.